姚文達，田慶國，陳興梧

（天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072）

三維掃描圖像光帶中心線提取的FPGA實現(xiàn)

姚文達，田慶國，陳興梧

（天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072）

結(jié)合三維掃描系統(tǒng)，設(shè)計了基于FPGA的光帶中心線實時處理系統(tǒng)，采用列掃描梯度質(zhì)心法，以硬件的形式實現(xiàn)了對光帶中心線的實時、快速、準確提取，并將處理系統(tǒng)應用于三維掃描領(lǐng)域進行了實驗，所得結(jié)果真實、有效，滿足對30幀/s的圖像數(shù)據(jù)進行實時提取的要求.

FPGA；中心線提??；三維掃描

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，可編程邏輯器件的片內(nèi)資源不斷擴充，使其在圖像實時處理領(lǐng)域中的應用有了廣闊的空間.FPGA應用于實時信號處理和圖像處理，或作為單獨的處理器，或與其他CPU聯(lián)合使用，都取得了顯著的成果.胡亮等[1]為了解決鋼板表面缺陷視覺檢測系統(tǒng)中圖像處理的瓶頸問題，采用基于FPGA的嵌入式處理系統(tǒng)完成大數(shù)據(jù)量、實時、在線的處理任務，從而滿足高速、寬幅、高分辨率的檢測要求.江潔等[2]提出了一種基于Steger算法的串并結(jié)合的處理結(jié)構(gòu)，使得光條紋中心提取速度得到了提升，并進一步給出了基于FPGA的實現(xiàn)方法，提取精度達到了亞像素級.鮑建周等[3]以圖像的重心計算和Hough變換為例，設(shè)計了基于FPGA的算法，并采用VHDL語言，將算法實際應用于磨損鋼軌的斷面輪廓檢測.段雷等[4]將FPGA作為整個系統(tǒng)的時序控制中心和數(shù)據(jù)交換橋梁，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對底層的信號快速預處理.本文結(jié)合三維掃描系統(tǒng)的特點，將以FPGA為核心的實時處理系統(tǒng)應用于三維掃描系統(tǒng)中，將圖像的采集過程和處理過程結(jié)合起來，并在FPGA芯片上實現(xiàn)了基于梯度質(zhì)心算法的三維掃描圖像光帶中心線的快速實時提取.

1 三維掃描圖像光帶中心線提取原理

實際采集得到光帶位圖如圖1所示.在1幅圖像中，設(shè)光帶中心線坐標為（Xz，Yz），以左上角第1個像素為坐標（0，0），以右下角最后1個像素為坐標（719，479），圖中每個像素點（Xi，Yj）的亮度值為Bij.圖1中，對應每一個Xz=Xi，在每一列中對亮度值Bij進行檢測，分別得到光帶的上下邊界，并在上下邊界中間的區(qū)域應用質(zhì)心法以Bij為權(quán)值，加權(quán)平均后得到Y(jié)z.

本設(shè)計采用逐列掃描、遍歷圖像中每一列的方法來進行光帶中心線坐標的提取，得到光帶中心線的坐標（Xz，Yz），并將所得坐標上傳到計算機中.

圖1 三維掃描儀采集得到的圖像Fig.1 Images obtained by 3D scanner

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖2為光帶中心線實時提取系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖.

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 System hardware block diagram

整個系統(tǒng)主要由4個部分組成：

（1）采集部分，主要由視頻解碼裝置來擔任，將CCD所輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將全電視信號中的同步信號解碼出來，供其他模塊使用.

（2）存儲部分，完成圖像數(shù)據(jù)的順序存儲，為后續(xù)的質(zhì)心法求光帶中心線坐標提供方便，本文中存儲部分使用SRAM靜態(tài)存儲器來完成設(shè)計功能.

（3）控制和處理部分完全，在FPGA內(nèi)部設(shè)計完成，該部分分成了若干模塊，這些模塊相互配合共同實現(xiàn)控制和處理任務.主要包括配置視頻解碼器、完成對圖像的列掃描、設(shè)定閾值、提取光帶中心線坐標和控制數(shù)據(jù)上傳.

（4）數(shù)據(jù)上傳部分，以USB2.0作為計算機與系統(tǒng)的通信接口完成數(shù)據(jù)的實時上傳.

系統(tǒng)開始工作后，CCD相機所發(fā)出的模擬信號將直接送入視頻采集部分中的視頻解碼裝置，視頻解碼器將完成由模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，解出相應的同步信息，作為其他部分的通信和控制信號，同時被測物體圖像的亮度信息將在數(shù)據(jù)線上輸出，并分奇、偶兩場完成一幀圖像的傳送；控制和處理部分將對視頻解碼芯片所輸出的同步信號進行檢測，當有效數(shù)據(jù)到來時，F(xiàn)PGA將選通SRAMA，按照圖3所示的交叉存儲方式，完成第1幀圖像的順序存儲，當?shù)?幀圖像到來后，選通SRAMB，以同樣的方式完成第2幀圖像的順序存儲；同時在第2幀圖像存儲期間，F(xiàn)PGA將SRAMA中的數(shù)據(jù)取出，經(jīng)內(nèi)部的處理模塊處理后得到圖像光帶中心線坐標，最后由上傳模塊將得到的數(shù)據(jù)上傳至計算機，并等待下一幀圖像有效數(shù)據(jù)的到來，按照相同的步驟進行處理和上傳.

圖3 交叉存儲工作方式Fig.3 Way of cross-store

3 梯度質(zhì)心算法的Verilog實現(xiàn)

梯度質(zhì)心算法流程圖如圖4所示.

圖4 梯度質(zhì)心算法流程圖Fig.4 Centroid olgorithm map

由圖4可見，F(xiàn)PGA在時鐘有效時，以列掃描的方式讀出一幀數(shù)據(jù)，并將讀出的亮度值與所設(shè)定的閾值進行比較；當數(shù)據(jù)亮度小于閾值時，判斷數(shù)據(jù)有效位DIV_BIT，若DIV_BIT=0，則讀取下一個數(shù)據(jù)，直到亮度大于閾值的像素到來，F(xiàn)PGA會將DIV_BIT位置1，并將亮度值B_DATA和相應的圖像縱坐標Y送入運算模塊，如圖5所示.

圖5 運算模塊處理框圖Fig.5 Computing processing block diagram

為了滿足所提取光帶中心線縱坐標的精度要求，運算模塊將亮度值與圖像縱坐標相乘并累加后，擴大1 000倍，送到除法器被除數(shù)的位置，同時將亮度數(shù)值累加后，送到除法器除數(shù)的位置，等待除法操作開始指令.在下一個小于閾值的像素到來之后，F(xiàn)PGA控制運算模塊完成一次除法操作，得到圖像中與Xz相對應的縱坐標Yz，并將FIFO寫有效位FIFOWE置1，處理結(jié)果會在下一個時鐘有效沿存入FIFO中等待上傳，同時數(shù)據(jù)有效位DIV_BIT清0，等待下一串大于閾值的碼流到來.當完成一幀數(shù)據(jù)的處理后，F(xiàn)PGA將以同樣方式在RAMB中取出下一幀數(shù)據(jù)并處理，同時將新數(shù)據(jù)存入SRAMA中.如此往復循環(huán)，通過乒乓機制，完成整個實時處理的工作過程，提取出光帶中心線坐標.

4 實驗結(jié)果

本文選用Altera公司生產(chǎn)的CycloneⅡ系列中的EP2C50F672C8芯片完成設(shè)計，實現(xiàn)三維掃描圖像光帶中心線提取的梯度質(zhì)心算法.結(jié)合三維掃描儀，對人體腳部模型進行了實驗，選取掃描過程中的不同位置（腳側(cè)位置、腳面位置和腳尖位置），并將采集系統(tǒng)的處理結(jié)果標記在原始掃描圖像上進行比較，處理結(jié)果如圖6所示.

圖6 處理結(jié)果圖Fig.6 Processing results

由圖6可知，無論是在圖像細節(jié)較少的腳側(cè)位置，還是在圖像細節(jié)較突出的腳尖位置和有可能形成環(huán)狀光帶的腳面位置，本文所設(shè)計的實時處理系統(tǒng)均能將這些位置的圖像信息有效地提取出來，并且實時處理系統(tǒng)所提取的光帶中心線坐標與原始圖像光帶相吻合.

進一步將所設(shè)計的系統(tǒng)應用于三維掃描系統(tǒng)，如圖7所示.對圖7（a）所示的人體腳步模型進行了掃描實驗，經(jīng)過本文所設(shè)計的實時處理系統(tǒng)后，重建圖像如圖7（b）所示.

圖7 人體腳部模型和三維重建結(jié)果圖Fig.7 Human foot model and three-dimensional reconstvuction results chart

對比圖7中3個角度的人體腳部模型和重建圖像可知，本文系統(tǒng)可以有效重建出物體的表面輪廓信息，并且很好地還原出了物體表面的細節(jié)信息，重建三維圖像輪廓清晰、表面平滑，說明該系統(tǒng)真實、有效.

5 結(jié)束語

本文利用FPGA硬件電路的并行體系結(jié)構(gòu)，與三維掃描系統(tǒng)相結(jié)合，將以FPGA為核心的實時處理系統(tǒng)應用于三維掃描系統(tǒng)當中，以硬件形式實現(xiàn)了三維掃描圖像光帶中心線提取的梯度質(zhì)心算法，解決了原有掃描系統(tǒng)傳輸效率低、系統(tǒng)集成度不高等問題，經(jīng)過實際的掃描比對實驗和重建實驗，證明本文所設(shè)計的系統(tǒng)工作正常、結(jié)果有效，具有一定的應用價值.

[1]胡 亮，段發(fā)階，丁克勤，等.基于FPGA圖像處理技術(shù)在鋼板表面缺陷檢測系統(tǒng)中的應用[J].傳感技術(shù)學報，2006，19（3）：694-701.

[2]江 潔，鄧玨瓊，張廣軍.光條紋中心的實時快速提取[J].光學技術(shù)，2008，34（2）：170-174.

[3]鮑建周，趙 瑞，王 芳，等.用VHDL語言實現(xiàn)高速視頻圖像處理[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008（12）：42-44.

[4]段 雷，李 梅，王彩霞.基于DSP和FPGA的實時圖像處理平臺的設(shè)計[J].實驗科學與技術(shù)，2008，6（5）：52-54.

Optical band centerline extraction in 3D scanner image based on FPGA

YAO Wen-da，TIAN Qing-guo，CHEN Xing-wu
（School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Combining with 3D scanner，the optical band centerline extraction system based on FPGA is designed by using gradient centroid algorithm，the real-time fast and accurate centerline extraction is achieved in hardware. The application of system in 3D scanner proves the correctness of the system.The centerline extraction system can meet the needs of real-time extraction in 30 Frames per second.

FPGA；centerline extraction；3D scanner

book=3,ebook=114

TP391.41

A

1671－024X（2010）03－0050－03

2009-12-24 基金項目：國家自然科學基金資助項目（60277009）；天津市科技攻關(guān)培育資助項目（05YFGPX05000）

姚文達（1984—），男，碩士.

田慶國（1973—），男，博士，講師.E-mail：tianqingguo@tju.edu.cn