[发明专利]一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，用于对三维形貌测量时的条纹图像进行实时高速的相位解算与三维复现数据处理。本发明属于光学三维测量技术领域。

背景技术

按检测方法分，目前对物体三维形貌测量可分为接触式与非接触式两大类。虽然接触式测量有着精度高范围广的优点，但是由于要求测头与被测物接触，不可避免地会造成被测物表面的变形与损伤，因而不适合柔软物体的测量，而且当测头无法接触到物体时无法进行测量。与之相比，非接触式测量避免了与被测物直接接触，扫描速度也不受机械限制，测量环境要求也不高，可实现高温、高压等恶劣环境下的测量。目前主要的非接触式测量方法可分为激光扫描法、结构光法、立体视觉法以及工业CT法等。

在各种方法中，投影栅相位法具有结构简单、测量精度高、测量速度快的优点，一次测量中可以得到物体表面稠密的三维点云，可以有效适应工业需要。目前国内外研究投影栅相位法的相展开方法可分为三类：空间相展开法、时域相展开法以及外差多频相展开法。空间相展开发包括支切法、质量导向图法、最小断点法、标记法、区域相展开法、最小生成树法、遗传算法、细胞自动机法、Lp-Norm法等。这些方法虽然能够从不同程度上减少噪声对相展开结果的影响，但在处理遮挡、阴影等问题时依旧存在无法解决的问题。时域相展开法相比于空间相展开法，是将每个像素点按时间轴进行相位展开计算，从而使各个点的结算相对独立，低信噪比的区域不会影响其他点的计算，避免了空间相展开过程中传播误差所带来的不良影响。

目前在投影栅相位法的数据处理上，大都使用计算机对获得的数据进行处理。在使用计算机进行数据处理的过程中，数据的传输、存储与运算是减缓整体运算时间的主要原因；另外由于计算机无法进行并行计算，这也大大降低了运算速度。而相比之下，利用硬件化的FPGA进行数据处理，一方面可以减少由传感器到处理核心的传输、存储时间；另一方面可以实现左右相机图像数据的并行计算。这使得基于FPGA的三维复现方法的实时高速性有了保证。目前国内还没有此类基于FPGA的三维复现方法。

发明内容

本发明是一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，用以克服现有非接触光学主动三维测量方法在在条纹图像在进行相位解算与三维复现时速度慢的问题。

本发明的技术解决方案为：一种基于FPGA的片上实时高速三维复现方法，该方法包括数据采集与预处理、标记背景、译码器解相、外差多频相展开立体匹配与三维复现。具体发明内容包括以下步骤：

步骤一：首先采集某一频率不同相移的条纹图像，依照该传感器的图像的传输形式在FPGA上对数据进行预处理后存储到RAM中。

步骤二：对于一组同一频率的条纹图像进行背景标记。利用公式4[B(x,y)]²=[g₃(x,y)-g₁(x,y)]²+[g₀(x,y)-g₂(x,y)]²与事先在FPGA中设定的阈值B_T标记出有效的图像像素位置。上式中的符号说明如下：g_i(x,y)表示第i幅图像在点(x,y)处的灰度值，B(x,y)表示点(x,y)处的背景参量。