CN107860312B - 一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于视觉重建技术领域，公开了一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法，其***包含多个并列的不同频率的相位计算模块，以及依次连接的相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块；上述的各不同频率的相位计算模块，以及相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块基于FPGA实现；其方法基于其嵌入式实现***，实现了多个不同频率的相位计算、相位展开、相位矫正、相位匹配与三维重建完整的算法流程；该嵌入式实现***所有的模块基于全流水线与前端并行的原则，实现了每个像素点三维数据按照***时钟依次输出、且尽可能短的初始流水延迟；并具有低功耗、易于在产线中集成的特点。

Description

一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法
技术领域
本发明属于视觉重建技术领域，更具体地，涉及一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法。
背景技术
面结构光三维测量技术因其高稳定性、高精度及非接触测量的优点，被广泛应用于工业检测、逆向设计及生物医学等众多领域。结构光三维测量的大数据浮点计算一直是制约其测量效率的瓶颈。由于多频相移光栅三维测量算法固有的复杂性，在不牺牲算法精度与稳定性的前提下，其时间复杂程度难以大幅度降低。
为了解决这个问题，许多研究人员尝试使用GPU来对相位移三维测量算法进行并行加速。然而GPU平台很难满足在工业应用中对计算资源、工业集成、***功耗、在线测量和计算实时性方面的要求，因此需要一种嵌入式程度高的结构光三维测量算法实现，实现高集成度与实时计算的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法，其目的在于提高光学测量效率且解决现有光学测量方法难于集成至工业现场的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***，包含多个并列的不同频率的相位计算模块、相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块；所述的多个并列的不同频率的相位计算模块、相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块基于FPGA实现；
其中，相位计算模块用于计算获得CCD相机采集到的图像中每个像素的相位初值与信噪比；
相位展开模块用于对相位计算的结果进行相位展开，获取在水平上具有唯一性的绝对相位值；
相位矫正模块用于根据标定的畸变参数对相位展开模块获得的绝对相位值进行像素坐标变换，输出矫正完毕的相位值；
位匹配模块用于利用上述的绝对相位值来查找双目图像的对应点；将矫正后的双目绝对相位值进行相同行的二分法查找，找到对应最接近的位置；并利用线性差值得到其对应的亚像素位置，输出每组对应点的位置。
三维重建模块用于利用每组对应点的位置关系，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标；并用于利用相位计算模块获得的信噪比值进行有效性判决，若像素的信噪比值低于阈值，则不输出该像素的三维点坐标。
优选的，上述的嵌入式实现***，其相位矫正模块包括依次连接的矫正地址缓存器、相对地址计算器和相位值缓存随机存储器；
其中，矫正地址缓存器用于缓存矫正位置矩阵；
相位值缓存随机存储器用于存储当前及邻近位置的绝对相位值；
相对地址计算器用于将绝对地址换算为相位值缓存随机存储器中的相对地址，将相对地址输入读端口，读取矫正后的绝对相位值并输出。
优选的，上述的嵌入式实现***，其矫正地址缓存器采用只读存储器，其相位值缓存随机存储器采用双端读写的随机存储器。
优选的，上述的嵌入式实现***，上述的矫正位置矩阵以查找表形式存储。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种结构光三维测量算法的嵌入式实现方法，具体包括如下步骤：
(1)采用CORDIC算法计算CCD相机采集到的图像中每个像素的相位初值φ(x,y)与信噪比γ；
其中，CORDIC算法是指一种对目标值进行逼近的迭代算法，且迭代次数越多精度越高。迭代过程中仅仅需要除2运算和加减运算。
(2)采用多频外插的方法对上述步骤(1)获得的相位初值进行相位展开，获取在水平上具有唯一性的绝对相位值；
(3)根据标定的畸变参数对上述绝对相位值进行像素坐标变换，获得矫正的相位值；
(4)将矫正后的相位值进行相同行的二分法查找，找到对应最接近的位置；利用线性差值得到其对应的亚像素位置，输出每组对应点的位置；
(5)利用每组对应点的位置关系，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标；并利用步骤(1)获得的信噪比值进行有效性判决，对信噪比低于阈值的像素，则不输出该像素的三维点坐标。
优选地，上述的嵌入式实现方法，其步骤(3)具体包括如下子步骤：
(3.1)进行***畸变及内外部参数标定，并生成每个位置的矫正位置矩阵，该矩阵中存储着每个像素矫正位置的坐标；将所述矫正位置矩阵以查找表(LUT)的形式存储到矫正地址缓存中；
(3.2)在写入当前位置的绝对相位值的同时，根据当前地址从矫正地址缓存中读取其对应的矫正地址；
(3.3)将矫正地址转换为相对地址；
(3.4)根据相对地址读取矫正后的绝对相位值。
优选地，上述的嵌入式实现方法，其步骤(5)采用三角测量算法得到的每个点的三维坐标如下：
其中，参数f,T可以通过视觉***的内部参数标定获得，其中与为左右相机的主点纵坐标，f为归一化焦距，T为两相机的基线距离；d＝xl-xr是两个图像中的视差，通过对应点横坐标的差值可以求得。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于其定制化设计的计算单元与数据存储模式，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法，基于FPGA实现，其多个并列的不同频率的相位计算模块以及与相位计算模块依次连接的相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块，构成的架构，所有的模块基于全流水线与前端并行的原则，实现了多个不同频率的相位计算、相位展开、相位矫正、相位匹配与三维重建完整的算法流程；实现了每个像素点三维数据按照***时钟依次输出、且尽可能短的初始流水延迟，可获得三维点云的实时输出；
(2)本发明提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现***，这种嵌入式方案易于在产线中集成，并具有低功耗的特点，在实际工业应用及产业化上具有很好的前景；
(3)本发明提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现***，这种嵌入式方案与现有的软件实现方案在测量精度与测量效果方面处于同一等级，可以完全取代现有方法，并具有以上的优势。
附图说明
图1是本发明提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现方法的一个实施例的流程示意图；
图2是相位矫正模块的详细设计示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现***，基于高速FPGA计算架构实现，基于该架构实现了多个不同频率的相位计算、相位展开、相位矫正、相位匹配与三维重建完整的算法流程；该嵌入式实现***所有的模块基于全流水线与前端并行的原则，实现了每个像素点三维数据按照***时钟依次输出、且尽可能短的初始流水延迟。
本发明提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现***的一个具体实施例的架构如图1所示，包含多个并列的不同频率的相位计算模块、相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块；相位计算模块、相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块依次流水线式工作，实现高效率的结构光三维测量算法。
其中，相位计算模块S101用于完成CCD相机采集到的图像中每个像素的相位初值与信噪比的计算，具体的，
上述式子中，I1(x,y)～I4(x,y)表示四幅光栅图像每个位置的灰度值、I1～I4也表示四幅光栅图像每个位置的灰度值，φ(x,y)是指相位初值，γ为对应的信噪比。
由于在FPGA上直接实现反正切函数困难且资源消耗大，本发明应用了CORDIC计算方法，将反正切计算分解为数次坐标系旋转与加减操作；CORDIC计算单元将待求的反正切数值(x,y)作为一个向量表示在一个坐标系中，不断旋转坐标系使y趋近于0，旋转的角度综合即为待求的反正切值，同时得到的最终的x为正切数值的模长；具体表示如下：
xi+1＝xi-yi*di*2-i
yi+1＝yi+xi*di*2-i
zi+1＝zi-di*tan-1(2-i)
di＝+1,ifyi＜0,-1otherwise.
其中，i为迭代的次数、xi与yi是指当前向量两个方向的坐标值，zi是指旋转的总角度；本发明中，为了便于FPGA的实现，每次旋转角度为定值，具体为前一次旋转角度的一半，即tan-1(2-i)；由此将复杂的浮点运算简化为旋转与加减运算；di是指每次旋转的方向，若旋转后yi小于0则下一次向逆时针方向旋转；经过n次迭代得到以下结果：
yn＝0,
zn＝z0+tan-1(y0/x0),
经过n次迭代，yn趋近于0，xn为具有An系数的模长，An为旋转过程产生的增益，为可以预先求得的定值。通常初始角度z0设置为0，故反正切的计算结果为zn＝tan-1(y/x)；由此，利用CORDIC方法在FPGA硬件平台上实现流水线架构。
相位展开模块S102用于对相位计算的结果进行相位展开，获取在水平上具有唯一性的绝对相位值；本模块使用多频外插的方法对相位初值进行相位展开。相位展开模块S102对多个不同频率的相位计算模块S101输出的多组相位初值求解绝对相位，该计算过程为数值的判断和加减的步骤，适合在FPGA上的实现。
相位矫正模块S103用于根据标定的畸变参数对相位展开模块S102获得的绝对相位值进行像素坐标变换，输出矫正完毕的相位值。相位矫正模块具体如图2所示，包括依次连接的矫正地址缓存器1、相对地址计算器2和相位值缓存随机存储器3；
本实施例中，矫正地址缓存器采用只读存储器(ROM)，在***的参数标定完成后生成每个位置的矫正位置矩阵，矫正位置矩阵中存储着每个像素矫正位置的坐标。矫正位置矩阵以查找表(LUT)的形式存储在矫正地址缓存器中。
相位值缓存随机存储器采用双端读写的随机存储器(RAM)，存储有当前及邻近(可能的矫正位置)位置的绝对相位值。相位值缓存随机存储器写入当前位置的绝对相位值的同时，将当前地址送入矫正地址缓存器，从矫正地址缓存器中读取矫正地址送入相对地址计算器。相对地址计算器用于将绝对地址换算为相位值缓存随机存储器中的相对地址，将相对地址输入读端口，读取矫正后的绝对相位值并输出。
位匹配模块S104用于利用在水平上具有唯一性的绝对相位值来查找双目图像的对应点；将矫正后的双目绝对相位值进行相同行的二分法查找，找到对应最接近的位置；并利用线性差值得到其对应的亚像素位置，最后输出每组对应点的位置。
三维重建模块S105用于利用每组对应点的位置关系，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标；在最终的三维点云数据输出中，利用相位计算模块S101获得的信噪比值进行有效性判决，若像素的信噪比值低于阈值，则该像素的三维点坐标不输出。
基于上述的结构光三维测量算法的嵌入式实现***的结构光三维测量算法的嵌入式实现方法，具体包括如下步骤：
(1)采用CORDIC算法计算CCD相机采集到的图像中每个像素的相位初值φ(x,y)与信噪比γ；
其中，CORDIC算法是指一种对目标值进行逼近的迭代算法，且迭代次数越多精度越高。迭代过程中仅仅需要除2运算和加减运算。
(2)采用多频外插的方法对上述步骤(1)获得的相位初值进行相位展开，获取在水平上具有唯一性的绝对相位值；
(3)根据标定的畸变参数对上述绝对相位值进行像素坐标变换，获得矫正的相位值；具体包括如下子步骤：
(3.1)进行***畸变及内部参数、外部参数标定，并生成每个位置的矫正位置矩阵，该矩阵中存储着每个像素矫正位置的坐标；将所述矫正位置矩阵以查找表(LUT)的形式存储到矫正地址缓存中；
(3.2)在写入当前位置的绝对相位值的同时，根据当前地址从矫正地址缓存中读取其对应的矫正地址；
(3.3)将矫正地址转换为相对地址；
(3.4)根据相对地址读取矫正后的绝对相位值。
(4)将矫正后的相位值进行相同行的二分法查找，找到对应最接近的位置；利用线性差值得到其所对应的亚像素位置，输出每组对应点的位置；
(5)利用每组对应点的位置关系，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标；并利用步骤(1)获得的信噪比值进行有效性判决，对信噪比低于阈值的像素，则不输出该像素的三维点坐标；
其中，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标如下：
参数f,T可以通过视觉***的内部参数标定获得，其中与为左右相机的主点纵坐标，f为归一化焦距，T为两相机的基线距离。d＝xl-xr是两个图像中的视差，通过对应点横坐标的差值可以求得。
通过实施例提供的结构光三维测量算法的嵌入式实现***及方法，实现了流水线式的相位移三维测量算法的执行方式，可实时的获得三维点云输出；并且该嵌入式实现方法基于FPGA实现，易于在产线中集成，并具有低功耗的特点。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种结构光三维测量算法的嵌入式实现***，其特征在于，包含多个并列的不同频率的相位计算模块、相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块；所述的多个并列的不同频率的相位计算模块、相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块基于FPGA实现；
所述相位计算模块用于计算获得CCD相机采集到的图像中每个像素的相位初值与信噪比；
所述相位展开模块用于对相位计算的结果进行相位展开，获取在水平上具有唯一性的绝对相位值；
所述相位矫正模块用于根据标定的畸变参数对相位展开模块获得的绝对相位值进行像素坐标变换，输出矫正完毕的相位值；
所述位匹配模块用于利用所述的绝对相位值来查找双目图像的对应点；将矫正后的双目绝对相位值进行相同行的二分法查找，找到对应最接近的位置；并利用线性差值得到其对应的亚像素位置，输出每组对应点的位置；
所述三维重建模块用于利用每组对应点的位置关系，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标；并用于利用所述的信噪比值进行有效性判决，找出信噪比值低于阈值的像素并在输出时对该像素的三维点坐标不予输出；
其多个并列的不同频率的相位计算模块以及与相位计算模块依次连接的相位展开模块、相位矫正模块、相位匹配模块与三维重建模块所构成的架构中，所有的模块基于全流水线与前端并行的原则，实现多个不同频率的相位计算、相位展开、相位矫正、相位匹配与三维重建完整的算法流程；使得每个像素点三维数据按照***时钟依次输出、且尽可能短的初始流水延迟以获得三维点云的实时输出。
2.如权利要求1所述的嵌入式实现***，其特征在于，所述相位矫正模块包括依次连接的矫正地址缓存器、相对地址计算器和相位值缓存随机存储器；
所述矫正地址缓存器用于缓存矫正位置矩阵；
所述相位值缓存随机存储器用于存储当前及邻近位置的绝对相位值；
所述相对地址计算器用于将绝对地址换算为相位值缓存随机存储器中的相对地址，将相对地址输入读端口，读取矫正后的绝对相位值并输出。
3.如权利要求1或2所述的嵌入式实现***，其特征在于，所述矫正地址缓存器采用只读存储器，其相位值缓存随机存储器采用双端读写的随机存储器。
4.如权利要求2所述的嵌入式实现***，其特征在于，所述矫正位置矩阵以查找表形式存储。
5.一种基于权利要求1～4任一项所述的嵌入式实现***的结构光三维测量算法的嵌入式实现方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)采用CORDIC算法计算CCD相机采集到的图像中每个像素的相位初值φ(x,y)与信噪比γ；
(2)采用多频外插的方法对获得的相位初值进行相位展开，获取在水平上具有唯一性的绝对相位值；
(3)根据标定的畸变参数对所述绝对相位值进行像素坐标变换，获得矫正的相位值；
(4)将矫正后的相位值进行相同行的二分法查找，找到对应最接近的位置；利用线性差值得到其对应的亚像素位置，输出每组对应点的位置；
(5)利用每组对应点的位置关系，采用三角测量算法得到每个点的三维坐标；并利用所述信噪比值进行有效性判决，对信噪比低于阈值的像素的三维点坐标则不予输出。
6.如权利要求5所述的嵌入式实现方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括如下子步骤：
(3.1)进行***畸变参数及内部参数和外部参数标定，并生成每个位置的矫正位置矩阵，该矩阵中存储着每个像素矫正位置的坐标；将所述矫正位置矩阵以查找表的形式存储到矫正地址缓存中；
(3.2)在写入当前位置的绝对相位值的同时，根据当前地址从矫正地址缓存中读取其对应的矫正地址；
(3.3)将所述矫正地址转换为相对地址；
(3.4)根据所述相对地址读取矫正后的绝对相位值。
7.如权利要求5或6所述的嵌入式实现方法，其特征在于，所述步骤(5)采用三角测量算法得到的每个点的三维坐标如下：
其中，与为左右相机的主点纵坐标，f为归一化焦距，T为两相机的基线距离；d是指两个图像中的视差。
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Inventor after: Li Zhongwei

Inventor after: Zhong Kai

Inventor before: Li Zhongwei

Inventor before: Zhan Guomin

Inventor before: Zhong Kai