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论文研究-双目成像算法的研究与FPGA的硬件实现 .pdf 评分:

双目成像算法的研究与FPGA的硬件实现,李斌,祝永新,计算机双目成像是一种基于人眼原理,由两幅视差图像获取信息,并转化为物体三维信息的方法。随着机器视觉理论的发展,双目立体视��
山国武花论文在丝 把、约束假设、匹配准则以及优化或搜索方法将其分类。针对已提出的多种立体匹配方法, 这里认为构建一个完整的立体匹配算法可以从广义匹配基元与特征参薮选择、匹配方法及笊 路、匹配代价优化标准和视差提炼方式等四个方面入手。 立体视觉的基本任务是从两幅或多幅图像中恢复三维深度信息,而其算法的核心问题则 是如何解决对应点的匹配问题。关于立体视觉对应点匹配问题的研究已经很多。由于大多数 算法都需要进行人量计算,如何利用 解决立体视觉算法的实时计算也是研究的热点 文献和所开发的 三维视觉系统都采用了基于的块匹配方法。为了获得 最合适的匹配窗口大小,文献采用了一种变尺寸的窗口来进行匹配;同时米用互不 重叠的匹配区域,在不同窗∏大小下都安排了树状的结构,实现了操作的高度并行性,从而 充分利用了的并行计算能力。文献在内通过零均值像素灰度差平方和() 的块匹配算法米实现双目立体视觉的实时计算。文献在上通过一种称作“人凵普查 变换”的块匹配方法 米计算立体图像对,通过加权平均距离 )来衡量以待匹配的像素为中心的两个窗口之间的相似程度。 实时立体视觉系统的算法实现方法 经过上述算法分析,系统准备采用图像变形校正并行算法 滤波、多立体图像对 应性求解并行算法,并利用 内部的大规模细粒度并行处理能力,以及各算法模块间的 多级沇水线关系,实现了立体视觉信息的高度并行与实时处理。系统以片 为主处理 芯片,实现算法中的预处理、 计算 计 算和子像素级深度计算功能;系统包括与图像采集板的接凵以实现两路视频图像同步输入: 采用可重构性设计,可以很方便扩展到实现其它算法;采用脱机式设计,道过通用数据传输 接口向计算机传输数据。且系统尺寸小、运行速度快。 如文献中的立体视觉系统,本系统也采用和兀配的多基线立体视觉算 法,具有对变形图像进行校正及并行处理的特点:并建立了和 并行优化算法, 多级流水线计算结构等。 几何变形校正 采用 摄像头可以髙效率地获取场景信息,但同吋也引进了严重的图像畸变图像 变形一般分为径向变形和切向变形,其中径向变形是引起图像变形最主要的因素阁。本系统 只考虑径向变形,校正像素点沿径向发生位置移动。文献 滤波 使用二维拉普拉斯一高斯 滤波对图像进行预处理,可以减 弱图像噪声,増强图像纹理特征,消除立体图像对之间亮度差异对后续匹配的影响。为了便 于用硬件并行计算 将滤波分解为二维高斯滤波和拉普拉斯运算,并将二维高斯 滤波分解为垂直和水平方向上的两次一维滤波 山国武花论文在丝 对应性求解 为实现立体图像对之间的兀配,需要在仟一侯选深度下,计算基图像中的仟一像 素在其它图像中的对应点位置该过程所需运算量较大。而且涉及到矩阵运算和乘除法运算 用通用微处理器或实现比较费时,用 实现则占用较多的逻辑计算资源,我们建 立了对应性求解简易算法,该算法可以直接精确求解对应点,计算速度快,占用的逻 辑资源也很少。令绝对坐标系与基摄像机坐标系重合,空间点 绝对坐标系在基摄 像机成像平面中的投影对应于成像平面中的投影满足 其中 分别表示该摄像机的内部和外部参数。 由此得到对应于位置的求解公式 ++ +++ 图共有个力法、个乘法和个除法,直接完成这些计算将占用大量的计算 资源。实际上,对一幅图像进行计算时,和,值顺序埤人,因此个乘法器可以 用个累加器代替:另外,当各个摄像机成像平面与基摄像机成像平面基本平行时大多数 立体视觉系统都属于这种情况,式中的分母+约等」,且变化范围较 小建立查找表,保存其变化范围内所需精度下所有数的倒薮值,可将图中的个除法转 化为个乘法这样整个对应位置求解过程只需要个乘法和个加法就可以实现。 二维迭代计算 计算主要用来完成某一窗口内值的累加直接计算不仅速度慢,而且 大量的中间结果将占用大量的硬件存储资源另外,后续深度计算模块要求连续搜索冋一荃 像素在不同候选深度下的 值,因此 计算也应该按照该顺序进行,以消除由于 计算顺序不一致引起的数据传输瓶颈我们建立了二维迭代算法该迭代方法不仅保证 运算能按照需要的运算顺序执行,并最大限度地减少对存储资源的占用,简化了系统 实现这一点与 系统和 系统完全不同 山国武技论文在丝 维迭代计算 图所示的是二维迭代算法, 为 表示以该位置为 中心的 值计算窗口为像素。值可以通过如下的二维迭代方式求得: 子像素级深度计算 利用立体图像对之间的相似性度量函数曲线,可以计算子像素级精度的深度值 这一过稈包括最小值提取和子像素级插值两个部分通过扫描同一基像素在所有候选深度下 的值,可以提取最小的值,记为,其对应的像素级深度值为()。将与 相邻的两个 值分别记为和。由于 和对应的深度值是等距离间 隔,故通过抛物线插值,可以计算子像素级精度的深度值: 硬件系统实现 计划采用 的 硬件平台为核心,其中平台采用 并自主开发了一种基于 接口的 双摄像头— 通过双摄 像头从不同角度拍擐特征昒体,分析得到的图像,计算出物体的空阃位置 本项日以数字图像处理及立体视觉系统为背景,以 硬件平台为 基础,设计基于双摄像头的双目视觉成像系统。本系统可以作为各类双目视觉定位系统的开 发平台,对各种双目视觉算法进行验证与调试。 ,主要由两个 数宇图像传感器、外围逻辑屯平转换芯片、电源芯片 以及 标准接冂组成。双目摄像头采用 数字图像传感器,需要和的 电源,所以利用电压稳压芯片将的电压分别降压至和电压。为了使摄像头输出 电压与 接口的电压兼容,在摄像头和 接口之间添加了逻辑电平转换芯片 为了增加其通用性,我们将 高速接口作为视频输出的接口,该接口标准一般用 作磁盘阵列的数据传输接口,传输速率达到 ,所以完全可以满足视频传输的需求。 关键的技术问题是如何同步配置和采集双目 数宁图像传感器。 基本控制流程,主要步骤烑是通过总线标准对双日摄像头进行控制 山国武花论文在丝 为了解决双目摄像头图像之间同步问题,采用以卜的设计:两个摄像头总线的布局布线 保持一致,长度也相同,而且两个摄像头的数据和同步信号的输岀布线也同样保持一致性; 另外通过总线标准依次对双目摄像头进行相同的配置,最后同时开启双目摄像头图像数 据的输出 我们用 模块与 开发板结合,利用开发自身的灵 活忙,设计完成了一套双目视频监控系统。整个系统由 开发板以及显示器组成。 FPGA开发板 MicroblazeJ 处理器 -y BRAM+ PLB 总线 MPMCH 控制器 视烦采集模块 巩颂输出模块 DnR?闪存 VHDCI接匚 HDM接口 VMODCAMA 显示器 基本控制流稈 利用 开发板搭建一个开发平台 是一个基于架构的 处理器,是整个系统控制的核心 被用作处理器的数据和程序的存储空间;而 总线,是处理器与外围设备通信的标准互联线;控制器是用来配置 中两个 摄像头的相关参数: 仝称是多端口内存控制器,实现了多种接口与存储介质的互联 和读写控制,如 内存、 等,在这里主要与视频输入和视频输出两个模块结 实时地将采集到的视频写入内存中,再分时地将存储的数据从内存中读取出米,最 后通过视频模块输出到显示器上 结论 本文给出了微型实时立体成像系统的设计和实现方法这些特征有利于立体视觉系统用 于自主机器人特别是微小型自主机器人高效率视觉感知、导航、定位和目标识别,该系统还 可以设计成便携式三维摄像机,用于目标建模、目标眼踪、基于图像的绘制以及各种虚拟环 境设计场合,日前我们研发部门正在进行这些方面的应用研究本系统采用开放式设计,模 拟人眼采用人眼间距的双 摄像机,以满足真芷的模仿双目视觉成像该立伓视觉系统 也可以通过用户接口板与用户系统的控制器进行通讯,可以通过传输接口与计算机进行高速 山国武花论文在丝 通信和数据传输,以满足各种不用应用的需求和将来性能扩充的需求。 致谢 感谢上海交迸大学微电子学院导师祝水新老师的悉心指导,从专业方面的辅导以及论文 规范的专业意见。从而能够顺利完成论文架构。 外感谢上海德致伦电子的赵峰博士在图像处理的专业支持,使得对于实现本文的 摄像杋模块能够顺利完成。 参考文献 贾云得,徐一华,刘万春,等微型实时多目立体视觉机设计与实现电子学报,,() 周文晖,杜歆,叶秀清,等基于 的双目立休视觉系统中国图象图形学报,

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