实时三维信息获取系统中图像处理算法的FPGA实现

论文摘要

三维彩色信息获取系统目的是获取对象的三维空间坐标和颜色信息。它是计算机视觉研究的重要内容,也是当前信息科学研究中的一个重要热点。本文首先介绍了三维信息获取技术的意义和实时可重构三维激光彩色信息获取系统总体方案。该方案合理划分了系统的图像处理任务,充分地利用了拥有的硬、软件资源。阐述了基于FPGA处理器的硬件系统结构及其工作原理和系统工作时序。本文还研究了图像处理系统中的数字逻辑设计,总结出了较完整、规范化的设计流程和方法,介绍了从图像处理算法到可编程逻辑器件的规范化映射方法,总结了在视频系统中的高级设计技巧,包括并行流水线技术和循环结构的硬件实现方式等。为了说明提出的设计方法,本文分析了基于自适应阈值的结构光条纹中心的方向模板快速检测算法的硬件实现。该算法是把自适应阈值法与可变方向模板法相结合,具有稳定性好、精度高、计算简单、数据存储量小、实现速度快的特点,此外,该方法有利于硬件快速实现。实践证明这种方法是实用的、有效的。本文的重点在于研制了具有完全自主知识产权的实时可重构三维激光彩色信息获取系统中视频图像处理专用集成电路。该集成电路是实现系统快速算法的核心,使用现场可编程器FPGA器件EP1K50实现提取激光线、提取人头轮廓线和提取中心颜色线算法;该集成电路还要实现系统所需的控制逻辑。控制部分包括将视频采集输出端口信号转化为RGB真彩色信号的数据锁存模块、各FIFO缓存器的输入输出控制模块和系统需要的其它信号控制模块。提出提取轮廓线快速算法,即由FPGA处理器与主机交互式共同快速完成提取人头正侧影轮廓线算法。该专用集成电路研制是整个实时可重构三维激光彩色信息获取系统实现的关键。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 三维信息获取技术研究现状及发展趋势
• 1.3 选题来源及意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 实时可重构三维彩色信息获取系统概述
• 2.1 三维信息获取技术的方法及应用
• 2.1.1 三维信息获取方法
• 2.1.2 三维信息获取技术的应用
• 2.2 实时可重构三维信息获取系统基本原理
• 2.3 系统硬件结构及工作时序
• 2.3.1 视频采集与数字化模块
• 2.3.2 视频帧缓存模块
• 2.3.3 实时视频处理模块
• 2.3.4 目标缓存模块
• 2.3.5 PCI 接口模块
• 2.3.6 系统的工作时序
• 2.4 系统软件设计及关键算法
• 2.4.1 系统软件设计
• 2.4.2 系统数据处理流程
• 2.4.3 关键算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 实时图像处理器中的数字逻辑设计
• 3.1 数字视频图像处理系统设计
• 3.2 可编程逻辑器件
• 3.3 算法到硬件结构的映射
• 3.3.1 算法优化的简化、分解和改进
• 3.3.2 控制单元设计
• 3.3.3 数据通道设计
• 3.3.4 循环的实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于自适应阈值的结构光条纹中心的方向模板算法及其硬件实现
• 4.1 基于自适应阈值的结构光条纹中心的方向模板检测方法
• 4.2 结构光条纹中心的方向模板算法的硬件实现
• 4.3 本章小结
• 第5章 实时三维信息获取系统中的图像处理算法的FPGA 实现
• 5.1 用FPGA 实现研制图像处理专用集成电路的优越性、条件和必要性
• 5.2 提取激光线快速算法FPGA 设计与实现
• 5.2.1 提取激光线快速算法
• 5.2.2 提取激光线快速算法的FPGA 实现
• 5.3 提取轮廓线快速算法及FPGA 设计实现
• 5.3.1 提取轮廓线快速算法
• 5.3.2 提取正侧影轮廓线快速算法FPGA 实现
• 5.4 中心颜色线模块
• 5.5 控制单元设计
• 5.5.1 帧暂存FIFO 的控制
• 5.5.2 提取激光线算法目标FIFO 的控制
• 5.5.3 提取轮廓线算法目标FIFO 的控制
• 5.5.4 提取中心颜色线算法目标FIFO 的控制
• 5.6 其他模块
• 5.6.1 数据锁存模块
• 5.6.2 激光线行控制信号产生模块
• 5.7 图像处理专用集成电路的FPGA 实现
• 5.8 实验结果
• 5.9 本章小结
• 总结与展望
• 1. 本文主要研究成果
• 2. 进一步研究工作的几点设想
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读硕士学位期间所参加的科研项目
• 致谢