基于FPGA的线结构光传感器信号处理系统设计

摘要

线结构光传感器是激光三维扫描形貌测量技术的关键研究部分，通常它们都是基于激光三角法和光切法原理，通过摄像机和图像采集卡连续采集被物体表面调制过的激光条纹图像传输到计算机中，然后基于光条纹中心提取和标定等关键技术，利用软件程序对获取的图像作离线处理，求出每一帧图像中光条纹中心上各点的像平面坐标，进而通过标定求出被测物体表面的三维点云数据。可是传输到计算机的图像数据中除了特征信息外还包含了大量的冗余信息，这将导致数据传输效率低下，系统集成度不高，对后期的软件处理也提出了很高的要求。
　　针对传统方案成本高、集成度低、实时性差的缺点，为了实现对激光条纹中心位置的快速准确检测，本文设计的基于FPGA线结构光传感器以CMOS数字图像传感器为采集前端，FPGA可编程逻辑器件为控制和处理核心，结合SDRAM大容量存储单元，完成激光条纹图像的实时采集和在线处理，最终通过串口将处理结果的结构光条纹中心坐标上传至上位机。CMOS图像传感器构成的单芯片采集模块不仅提高了系统的集成度，降低了系统体积与成本，而且数字化采集与传输还具备了较强的抗干扰能力。FPGA代替计算机完成硬件图像的处理算法，大大提高了系统的处理速度，满足了嵌入式系统的要求。
　　硬件设计方面，论文提出了线结构光传感器的总体设计方案，介绍了系统中用到的主要芯片以及系统硬件电路中各个模块的设计过程;软件设计方面，使用Verilog硬件描述语言在QuartusⅡ开发环境中完成了包括图像传感器配置、图像数据采集存储、SDRAM控制器以及图像的滤波、阈值分割和中心线提取等模块的设计，并且利用Modelsim仿真软件对各个模块进行了功能仿真，确定了模块功能的正确性。最后将硬件设计与逻辑设计结合，在实际环境中对整个系统进行了调试，并利用标准平面作基准对激光条纹的提取精度做了分析，最后讨论了影响提取精度的各个因素，实验结果基本满足设汁要求，具有较高的实时性和稳定性。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光学三维形貌测量技术概述

1．3 线结构光三维扫描技术发展现状

1．4 线结构光传感器信号处理系统的组成

1．5 论文的主要工作

第二章 线结构光传感器原理和总体方案设计

2．1 线结构光传感器原理

2．1．1 单点式激光三角法测量原理

2．1．2 线结构光扫描测量原理

2．2 线结构光传感器的总体设计方案

2．2．1 线结构光传感器的功能和指标

2．2．2 线结构光传感器系统的构成

2．3 系统主要芯片和器件介绍

2．3．1 FPGA核心处理器

2．3．2 FPGA设计的基本流程

2．3．3 图像传感器

2．3．4 系统存储芯片选择

2．4 本章小结

第三章 线结构光传感器整体结构和硬件电路设计

3．1 系统总体框图

3．2 镜头的选择

3．3 CMOS外围电路设计

3．3．1 CMOS芯片电源设计

3．3．2 CMOS芯片外围电路连接

3．4 FPGA核心板设计

3．4．1 电源电路

3．4．2 时钟电路

3．4．3 复位电路

3．4．4 配置电路

3．4．5 图像缓存单元

3．5 接口电路设计

3．5．1 串口介绍

3．5．2 串口电路设计

3．6 本章小结

第四章 图像采集与存储的逻辑设计及验证

4．1 图像传感器的配置

4．1．1 I2C协议简介

4．1．2 MT9P031寄存器信息及配置流程介绍

4．1．3 I2C总线配置模块设计

4．2 图像采集模块设计

4．3 图像数据的缓存设计

4．3．1 异步FIFO的实现

4．3．2 SDRAM控制模块实现

4．4 本章小结

第五章 线结构光中心线坐标提取及实验分析

5．1 FPGA图像处理概述

5．1．1 图像处理特点分析

5．1．2 线结构光光带图像特点分析

5．1．3 线结构光传感器图像处理过程

5．2 图像处理的FPGA实现

5．2．1 图像灰度化

5．2．2 图像滤波

5．2．3 阈值分割

5．2．4 中心坐标提取

5．3 数据上传模块设计

5．4 系统调试及实验

5．4．1 线结构光图像采集实验

5．4．2 线结构光图像处理实验

5．4．3 结构光条纹中心线提取精度评价

5．4．4 中心线坐标提取误差分析及解决办法

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文主要研究成果

6．2 不足及展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况