基于FPGA的結構光圖像中心線提取

2.3 運算單元

　　運算單元由乘法器和流水線加法樹兩部分構成，乘法器的作用是執行運算中的坐標值與像素相乘，流水線加法樹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段流水線結構，第一段為6個2輸入的8位乘法器和2個2輸入的8位加法器以及2個延遲單元;第二段為2個2輸入的15位加法器和2個2輸入的9位加法器以及2個延遲單元;第三段為2個2輸入的16位加法器和2個延遲單元;第四段為2個除法器，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 的坐標值。運算如圖3和圖4所示。

3 FPGA實現的結果

　　本文FPGA采用的是Altera公司Cyclone III系列的EP3C40F484C6芯片，并在Altera公司的QUARTUS II 軟件平臺上，利用硬件描述語言Verilog HDL 表達實現。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，利用配置為2.53GHz Intel CPU 、3GB內存的通用微型計算機通過軟件編程的方式實現對一幀大小為576行、720列的圖像進行提取激光中心線操作，耗時71.5 毫秒。而利用以上專用硬件實現的算法經過仿真的系統最高頻率達到100MHz ，高出了系統像素點時鐘頻率(50MHz )，處理同樣的一幀圖像需耗時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。

　　實驗結果顯示可以看出：在精度上FPGA相比PC端稍好，體現在線條的細節表現及線條提取的平滑度上。而且在運行速度上，FPGA提取速度明顯優于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

　　精度和速度是大數據量背景下中心線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為核心的實時處理系統應用結構光三維測量系統當中，以硬件形式實現圖像光帶中心線提取的算法，經過實驗表明，對于這些寬度不大且分布均勻的結構光，該方法對中心線提取精確、快速。滿足結構光三維測量的要求。

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