張 穎，司一冰，曹昌東，劉 波，眭曉林

(1.華北光電技術(shù)研究所，北京100015;2.營(yíng)口實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)，遼寧 營(yíng)口115005)

1 引言

非掃描激光三維成像探測(cè)技術(shù)作為一種新的激光成像探測(cè)技術(shù)，相對(duì)于掃描成像探測(cè)系統(tǒng)，具有以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):成像速度快，當(dāng)目標(biāo)或測(cè)量設(shè)備移動(dòng)時(shí)，無圖像失真;可靠性好，激光發(fā)射器與接收器無須嚴(yán)格平行，沒有高速掃描器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的工程化研究對(duì)于地形地貌遙感測(cè)繪、數(shù)字地形和建筑物建模以及目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的研制具有重要意義。

2 系統(tǒng)工作原理

非掃描激光三維成像系統(tǒng)采用增益可調(diào)制的成像設(shè)備，接收探測(cè)目標(biāo)物反射回的激光信號(hào)。因?yàn)槌上裨O(shè)備對(duì)不同距離點(diǎn)的增益不同，所以所成圖像上對(duì)應(yīng)每一像素點(diǎn)的激光強(qiáng)弱就包含了目標(biāo)各點(diǎn)的距離信息。

接收到的激光信號(hào)通過分光系統(tǒng)分配到兩路CCD成像設(shè)備，其中一路設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行恒定增益調(diào)制，另一路設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行斜波增益調(diào)制。設(shè)從目標(biāo)返回的激光信號(hào)功率用P0表示。

第一路設(shè)備的輸出為輸入信號(hào)乘以固定增益，因此輸出信號(hào)為:

P1(t)=P0×B

CCD接收信號(hào)光能為:

其中，T為CCD曝光時(shí)間;c為光速;R為目標(biāo)點(diǎn)距離。

第二路設(shè)備對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行斜波增益調(diào)制，此時(shí)增益為:

因此第二次的輸出信號(hào)為:

CCD接收信號(hào)光能為:

兩路輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)著強(qiáng)度不同的圖像。因此將兩次的圖像強(qiáng)度對(duì)應(yīng)相除，就能得到相應(yīng)的距離信息。

根據(jù)以上的工作原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了非掃描激光三維成像探測(cè)系統(tǒng)工程化樣機(jī)。系統(tǒng)主要由脈沖激光發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、時(shí)序控制模塊、增益控制模塊、圖像處理模塊以及顯示存儲(chǔ)模塊等幾部分組成，組成示意圖如圖1所示。

圖1 非掃描激光三維成像探測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

信號(hào)同步功能是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。時(shí)序控制模塊的作用就是提供包括激光器工作時(shí)統(tǒng)、激光電源時(shí)統(tǒng)以及兩路相機(jī)的觸發(fā)時(shí)統(tǒng)等同步信號(hào)，使系統(tǒng)的各個(gè)模塊在統(tǒng)一的同步信號(hào)控制下協(xié)同工作。

增益控制模塊能夠按照時(shí)序同步信號(hào)的控制，給兩路成像設(shè)備提供準(zhǔn)確的增益調(diào)制信號(hào)，為后續(xù)的圖像信號(hào)處理打好基礎(chǔ)。

圖像處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。經(jīng)過增益調(diào)制的圖像信號(hào)由圖像處理模塊完成包括像素對(duì)齊、去噪濾波等預(yù)處理，然后按照成像探測(cè)實(shí)時(shí)處理算法進(jìn)行運(yùn)算，從而解算出對(duì)應(yīng)像素的距離信息。下面我們將對(duì)圖像處理模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

3 圖像處理模塊的軟硬件設(shè)計(jì)

非掃描激光三維成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求每秒鐘完成6幅圖像的實(shí)時(shí)處理、顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)采用的成像設(shè)備輸出圖像尺寸為768×576，即每幅圖像有約45萬個(gè)像素點(diǎn)。實(shí)際設(shè)計(jì)采用FPGA+DSP硬件架構(gòu)，構(gòu)建了一個(gè)雙路圖像處理平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖像處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

在圖像處理平臺(tái)中，F(xiàn)PGA的作用是負(fù)責(zé)圖像信息流的傳輸控制和預(yù)處理。包括與兩路Camera-Link相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸控制，實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的緩存和預(yù)處理，與DSP處理單元的數(shù)據(jù)交換以及VGA顯示控制。FPGA采用Altera公司的EP3C40F780，片上有39600個(gè)LE邏輯單元，同時(shí)集成了126個(gè)18×18的硬件乘法器和1Mbits以上的存儲(chǔ)單元，可以滿足大運(yùn)算量并行處理算法的設(shè)計(jì)需要;片上還擁有535根I/O引腳，這些引腳可以支持多種信號(hào)模式，具有很強(qiáng)的應(yīng)用擴(kuò)展能力。

FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)示意圖

由外部CameraLink相機(jī)輸入的圖像數(shù)據(jù)在外同步信號(hào)控制下，由相機(jī)接口模塊送到中值濾波算法模塊進(jìn)行圖像預(yù)處理，每一路相機(jī)都有自己獨(dú)立的圖像預(yù)處理模塊。處理完成的數(shù)據(jù)送到與DSP之間的數(shù)據(jù)緩存中，然后通知DSP取走數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)在DSP中完成處理以后，再送回FPGA，交給VGA顯示模塊進(jìn)行顯示輸出。VGA顯示模塊可以在單路圖像數(shù)據(jù)和處理完成以后的圖像數(shù)據(jù)之間進(jìn)行選擇輸出。同時(shí)在DSP和FPGA之間還有一路配置參數(shù)數(shù)據(jù)通路，可以按照DSP傳遞過來的參數(shù)對(duì)相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)配置，以提高對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性。

DSP采用TI公司的TMS320c6455，負(fù)責(zé)完成對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理以及處理后圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。6455芯片具有單片最高支持1.2 GHz的處理時(shí)鐘，9600 MIPS數(shù)據(jù)處理能力;支持64bits外圍存儲(chǔ)器EMIF接口和獨(dú)立的DDR2存儲(chǔ)控制器，可以高效的完成大容量數(shù)據(jù)吞吐任務(wù)。同時(shí)片上還集成了支持10/100/1000M的網(wǎng)絡(luò)接口，可以方便的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。

DSP部分的軟件功能涉及到包括數(shù)據(jù)輸入和高速存儲(chǔ)、執(zhí)行數(shù)據(jù)處理算法及建立片上數(shù)據(jù)通訊的網(wǎng)絡(luò)接口等方面，需要對(duì)片上資源在整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程中的使用情況進(jìn)行合理的規(guī)劃和控制，這對(duì)軟件設(shè)計(jì)及片上資源監(jiān)控和調(diào)試提出了較高的要求。我們基于DSP/BIOS嵌入式軟件開發(fā)工具編寫了圖像處理部分的軟件，通過DSP/BIOS提供的圖形化配置工具管理外設(shè)和各級(jí)任務(wù)處理線程，并利用底層應(yīng)用函數(shù)接口調(diào)度芯片的軟硬件中斷。同時(shí)DSP/BIOS還提供了多種分析和評(píng)估代碼工具，可以方便直觀的顯示代碼各個(gè)部分的執(zhí)行時(shí)間，資源占用及線程之間的同步和沖突等情況，對(duì)于軟件資源的調(diào)試有很大的幫助。圖4是DSP/BIOS的軟件開發(fā)界面示意圖，圖5是DSP/BIOS的軟件調(diào)試界面示意圖。

圖4 DSP/BIOS的軟件開發(fā)界面示意圖

圖5 DSP/BIOS的軟件調(diào)試界面示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

非掃描激光三維成像探測(cè)系統(tǒng)的工程化樣機(jī)針對(duì)對(duì)不同的目標(biāo)物完成了成像，顯示和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，圖像處理幀率為6 Hz，成像距離為584 m。我們將每幅圖像重復(fù)輸出，使總體圖像顯示幀頻達(dá)到24 Hz，配合了圖像顯示的需要。圖6為非掃描激光三維成像樣機(jī)實(shí)物圖。圖7為對(duì)584 m遠(yuǎn)處目標(biāo)所成激光三維距離效果圖。圖中所反映的距離信息與實(shí)際情況一致。

圖6 樣機(jī)實(shí)物圖

圖7 584 m遠(yuǎn)處目標(biāo)所成激光三維距離效果圖

5 結(jié)論及改進(jìn)措施

按照非掃描激光三維成像探測(cè)原理，基于FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工程化樣機(jī)。樣機(jī)能夠以6 Hz成像幀頻，完成對(duì)采集圖像的實(shí)時(shí)處理，并按照距離遠(yuǎn)近完成圖像的偽彩色顯示。但現(xiàn)有樣機(jī)系統(tǒng)還存在著不足之處，首先是6 Hz不是現(xiàn)有顯示系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)幀頻，為了滿足實(shí)際需求，需要將成像頻率提高到25～30 Hz;其次目前設(shè)計(jì)的樣機(jī)系統(tǒng)影響工作性能的主要因素是圖像存儲(chǔ)模塊，由于圖像存儲(chǔ)模塊采用的是網(wǎng)絡(luò)硬盤，DSP處理模建立網(wǎng)絡(luò)連接的時(shí)間太長(zhǎng)，影響了圖像處理速度。因此在樣機(jī)改進(jìn)方案中，準(zhǔn)備將存儲(chǔ)和顯示功能由獨(dú)立的處理模塊完成，同時(shí)保留DSP的網(wǎng)絡(luò)接口。

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