1引言

　　視覺測(cè)量" title="視覺測(cè)量">視覺測(cè)量技術(shù)是以機(jī)器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，融合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、近景攝影測(cè)量技術(shù),、圖像處理技術(shù)為一體的測(cè)量技術(shù)，其基本任務(wù)是以測(cè)量為目的，從圖像信息出發(fā)計(jì)算三維空間中物體的幾何信息,。其中，圖像處理技術(shù)是視覺測(cè)量系統(tǒng)中最重要的一部分,，也是本文的研究重點(diǎn),。

　　傳統(tǒng)的視覺測(cè)量系統(tǒng)主要是在 PC機(jī)上采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，由于其專用性不夠高,，因此處理速度較慢,。近年來(lái)，基于 FPGA的 SOPC" title="SOPC">SOPC技術(shù)的出現(xiàn),，使 FPGA高效的硬件并行信號(hào)處理能力和軟件控制的靈活性完美的結(jié)合到一起,。在 SOPC系統(tǒng)中，對(duì)速度要求高的算法可以采用自定義硬件邏輯的方法實(shí)現(xiàn),；而用硬件難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法以及控制流程可以在 Nios" title="Nios">Nios II核中以軟件方式實(shí)現(xiàn),。因此基于 SOPC技術(shù)的系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性、靈活性以及可擴(kuò)展性,。設(shè)計(jì)者可以自由的進(jìn)行軟硬協(xié)同設(shè)計(jì),，并且可以在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段不受限制的修改設(shè)計(jì)而無(wú)需重新構(gòu)建硬件平臺(tái)。

　　本文所討論的 SOPC系統(tǒng)是大尺寸三維視覺測(cè)量系統(tǒng)的一部分，以 PCI板卡的形式內(nèi)嵌在 PC機(jī)中,。在整個(gè)大尺寸三維視覺測(cè)量系統(tǒng)中,，采用數(shù)字相機(jī)從不同位置拍攝多幅圖像，經(jīng)過特征點(diǎn)提取,、點(diǎn)中心的二維坐標(biāo)計(jì)算,、特征點(diǎn)匹配、三維拼接,、面形擬合等步驟,，得到被測(cè)物體的三維面形信息。點(diǎn)中心的計(jì)算精度直接影響測(cè)量精度,，且其計(jì)算速度一直是系統(tǒng)的瓶頸之一,。為提高處理速度和計(jì)算精度，采用 SOPC系統(tǒng)完成特征點(diǎn)提取和點(diǎn)中心計(jì)算,，其結(jié)果通過 PCI總線上傳給 PC機(jī),，由其上的軟件模塊完成后續(xù)的計(jì)算和處理工作。

　　2 SOPC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)采用加拿大 SBS公司的 TSUNAMI A40系列開發(fā)板,，其核心的 FPGA模塊是 Altera公司的 Stratix EP1S40芯片,。

　　2.1  系統(tǒng)算法的基本原理

　　系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)流程如圖 1所示。首先,，針對(duì)本系統(tǒng)圖像處理的要求與算法實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行軟硬件劃分,。圖像預(yù)處理部分所需要處理的數(shù)據(jù)量比較大，但算法相對(duì)簡(jiǎn)單,，可以通過 FPGA自定義相應(yīng)的 IP模塊,，采用硬件的方式實(shí)現(xiàn)；后續(xù)處理部分由于算法相對(duì)復(fù)雜,，用硬件實(shí)現(xiàn)比較困難,，而且其數(shù)據(jù)處理量不大，所以采用在 Nios II軟核中以軟件的方式實(shí)現(xiàn),。最后編寫系統(tǒng)控制軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制使軟硬件協(xié)同工作,。

　　2.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

　　如圖 2所示，本系統(tǒng)硬件開發(fā)板通過 PCI橋與 PC機(jī)相連,，原始圖片保存在 PC機(jī)中,。 PCI-Avalon橋是 PC機(jī)與 FPGA開發(fā)板的通信接口，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過 PCI-Avalon橋進(jìn)入系統(tǒng)處理模塊,。Sdram管理控制器用來(lái)管理和控制 Sdram中的數(shù)據(jù)存取,。控制電路用來(lái)控制與協(xié)調(diào)各個(gè)外設(shè)的運(yùn)行,，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)然静僮?，包括讀取 Sdram中保存的圖像數(shù)據(jù),，控制圖像處理各模塊。 Sdram用來(lái)保存圖像數(shù)據(jù),。原始圖像數(shù)據(jù)最初由 PC機(jī)下載到 Sdram中,，再通過 Sdram管理控制器傳輸給各處理模塊依次處理。處理后的圖像數(shù)據(jù)仍然通過 Sdram管理控制器返回 Sdram中保存,。最后通過 PCI橋把最終圖像返回到 PC機(jī),。

　　2.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的控制流程相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在 Nios II軟核中沒有內(nèi)嵌操作系統(tǒng),，而是通過 IO操作調(diào)用中斷的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的控制,、數(shù)據(jù)通信,、協(xié)調(diào)外設(shè)等基本操作,，控制系統(tǒng)各硬件模塊，使系統(tǒng)軟硬件協(xié)同工作,。整個(gè)系統(tǒng)搭建成功之后,，在 PC機(jī)上編寫應(yīng)用程序?qū)φ麄€(gè)SOPC系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。

　　3 系統(tǒng)算法的具體實(shí)現(xiàn)

　　3.1 濾波模塊

　　根據(jù)所采集到的圖像的特點(diǎn),，本文采用 3×3的模板實(shí)現(xiàn)中值濾波,，這種方法不僅可以濾除圖像中的噪聲，而且可以將邊緣信息很好的保留下來(lái),。一般求取中值的方法是采用取冒泡法排序,，但這種算法并不適合硬件實(shí)現(xiàn)?？紤]到硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)和效率,，本文采用了一種全新的求取中值的算法，其原理如圖 3所示,。其中 max,、mid、min分別表示三輸入的最大值,、中值和最小值比較器,。最后經(jīng)幾輪比較后求得中值。

　　3.2 邊緣提取模塊及二值化模塊

　　邊緣提取采用 Roberts算子,。 Roberts邊緣檢測(cè)算子利用局部差分算子尋找邊緣,，其計(jì)算由式 1給出。

　　由于待處理圖像特征明顯,，采用經(jīng)驗(yàn)閾值法對(duì)圖像進(jìn)行二值化,，算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便,。

　　3.3 邊緣細(xì)化模塊

　　本文的邊緣是建立在二值化之后的,，因此處理的圖像都是二值化的，邊緣非常清晰，不需要太復(fù)雜的算法,。這里采用兩個(gè) 3×3模板作乘積,，如圖所示， X為待處理像素,。如果模板乘積不為 0,，于是中心象素為 1，反之為 0,，即點(diǎn)的周圍有灰度為 0的象素,，則保留此點(diǎn)，否則剔除,。如此很容易得到二值化后點(diǎn)的單象素邊緣,。

 　　3.4 后續(xù)處理部分

　　后續(xù)處理部分由于其數(shù)據(jù)處理量并不大且算法比較復(fù)雜，所以在本系統(tǒng)中,，這部分算法在 NiosⅡ中以軟件的方法實(shí)現(xiàn),。由于篇幅所限，在此不作詳細(xì)介紹,。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的分析與總結(jié)

　　圖 4為原始圖像,。圖 5為處理后的最終圖像，點(diǎn)中心已經(jīng)標(biāo)注如圖所示,。

　　經(jīng)測(cè)試,，本系統(tǒng)所有算法用 C語(yǔ)言在 PC機(jī)（配置： Pentium( R) 4 CPU 3.00GHz, 512MB內(nèi)存）上實(shí)現(xiàn)，所需時(shí)間為 2'12",，而本系統(tǒng)僅需 30",，其中主要耗時(shí)為 NiosII軟件處理部分，系統(tǒng)的硬件算法部分所耗時(shí)間不到 1",。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：一是采用 FPGA設(shè)計(jì)硬件模塊實(shí)現(xiàn)圖像預(yù)處理算法,，這是視覺測(cè)量系統(tǒng)在處理效率上的創(chuàng)新；二是在系統(tǒng)中加入Nios II CPU,，用以 FPGA難以實(shí)現(xiàn)的算法,，從而使基于 SOPC技術(shù)的視覺測(cè)量系統(tǒng)更具靈活性，這是視覺測(cè)量系統(tǒng)在靈活性方面的創(chuàng)新,?；谝陨蟽牲c(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的視覺測(cè)量系統(tǒng)兼顧了效率和靈活性，為視覺測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了一種新的思路,。