基于FPGA的結構光圖像中心線(xiàn)提取

2.3 運算單元

　　運算單元由乘法器和流水線(xiàn)加法樹(shù)兩部分構成，乘法器的作用是執行運算中的坐標值與像素相乘，流水線(xiàn)加法樹(shù)的作用是提高運算速度以及減少運算單元占用的硬件資源，該加法數設計為4段流水線(xiàn)結構，第一段為6個(gè)2輸入的8位乘法器和2個(gè)2輸入的8位加法器以及2個(gè)延遲單元;第二段為2個(gè)2輸入的15位加法器和2個(gè)2輸入的9位加法器以及2個(gè)延遲單元;第三段為2個(gè)2輸入的16位加法器和2個(gè)延遲單元;第四段為2個(gè)除法器，作用是將運算的像素與像素坐標值的乘積累加后除以運算的像素的累加值，輸出的結果即為中心點(diǎn) 的坐標值。運算如圖3和圖4所示。

3 FPGA實(shí)現的結果

　　本文FPGA采用的是Altera公司Cyclone III系列的EP3C40F484C6芯片，并在A(yíng)ltera公司的QUARTUS II 軟件平臺上，利用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL 表達實(shí)現。對于一幅大小為576行、720列的結構光條紋圖像，以每秒25幀的速率到達時(shí)，利用配置為2.53GHz Intel CPU 、3GB內存的通用微型計算機通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現對一幀大小為576行、720列的圖像進(jìn)行提取激光中心線(xiàn)操作，耗時(shí)71.5 毫秒。而利用以上專(zhuān)用硬件實(shí)現的算法經(jīng)過(guò)仿真的系統最高頻率達到100MHz ，高出了系統像素點(diǎn)時(shí)鐘頻率(50MHz )，處理同樣的一幀圖像需耗時(shí)4.1毫秒，速度提高將近20倍，且FPGA邏輯資源占用16% 。足以在視頻圖像輸入的同時(shí)完成計算，達到了設計目的。并將系統的采集圖片與處理后的圖片進(jìn)行比較，處理結果圖6圖7所示。圖6a、7a為采集圖像，圖6b、7b為MATLAB處理結果，圖6c、7c為EP3C40F484C6處理結果。

　　實(shí)驗結果顯示可以看出：在精度上FPGA相比PC端稍好，體現在線(xiàn)條的細節表現及線(xiàn)條提取的平滑度上。而且在運行速度上，FPGA提取速度明顯優(yōu)于PC機提取的速度。但是不足的是由于模板所取的寬度較小，所以對于一些光帶寬度較大，光強橫向分布不均勻的圖像，正如圖7所示，則該方法提取的圖形精度不高，圖像較為不平滑。這些也將是下一步需要研究的內容。

4 結束語(yǔ)

　　精度和速度是大數據量背景下中心線(xiàn)提取方法的核心指標，本文利用FPGA硬件電路的并行體系結構，將以FPGA為核心的實(shí)時(shí)處理系統應用結構光三維測量系統當中，以硬件形式實(shí)現圖像光帶中心線(xiàn)提取的算法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗表明，對于這些寬度不大且分布均勻的結構光，該方法對中心線(xiàn)提取精確、快速。滿(mǎn)足結構光三維測量的要求。

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