張 穎，司一冰，曹昌東，劉 波，眭曉林

(1.華北光電技術(shù)研究所，北京100015;2.營口實驗高級中學(xué)，遼寧 營口115005)

1 引言

非掃描激光三維成像探測技術(shù)作為一種新的激光成像探測技術(shù)，相對于掃描成像探測系統(tǒng)，具有以下的技術(shù)優(yōu)點:成像速度快，當(dāng)目標或測量設(shè)備移動時，無圖像失真;可靠性好，激光發(fā)射器與接收器無須嚴格平行，沒有高速掃描器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。針對這項技術(shù)的工程化研究對于地形地貌遙感測繪、數(shù)字地形和建筑物建模以及目標識別系統(tǒng)的研制具有重要意義。

2 系統(tǒng)工作原理

非掃描激光三維成像系統(tǒng)采用增益可調(diào)制的成像設(shè)備，接收探測目標物反射回的激光信號。因為成像設(shè)備對不同距離點的增益不同，所以所成圖像上對應(yīng)每一像素點的激光強弱就包含了目標各點的距離信息。

接收到的激光信號通過分光系統(tǒng)分配到兩路CCD成像設(shè)備，其中一路設(shè)備對信號進行恒定增益調(diào)制，另一路設(shè)備對信號進行斜波增益調(diào)制。設(shè)從目標返回的激光信號功率用P0表示。

第一路設(shè)備的輸出為輸入信號乘以固定增益，因此輸出信號為:

P1(t)=P0×B

CCD接收信號光能為:

其中，T為CCD曝光時間;c為光速;R為目標點距離。

第二路設(shè)備對輸入信號進行斜波增益調(diào)制，此時增益為:

因此第二次的輸出信號為:

CCD接收信號光能為:

兩路輸出信號對應(yīng)著強度不同的圖像。因此將兩次的圖像強度對應(yīng)相除，就能得到相應(yīng)的距離信息。

根據(jù)以上的工作原理，設(shè)計并實現(xiàn)了非掃描激光三維成像探測系統(tǒng)工程化樣機。系統(tǒng)主要由脈沖激光發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、時序控制模塊、增益控制模塊、圖像處理模塊以及顯示存儲模塊等幾部分組成，組成示意圖如圖1所示。

圖1 非掃描激光三維成像探測系統(tǒng)組成示意圖

信號同步功能是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。時序控制模塊的作用就是提供包括激光器工作時統(tǒng)、激光電源時統(tǒng)以及兩路相機的觸發(fā)時統(tǒng)等同步信號，使系統(tǒng)的各個模塊在統(tǒng)一的同步信號控制下協(xié)同工作。

增益控制模塊能夠按照時序同步信號的控制，給兩路成像設(shè)備提供準確的增益調(diào)制信號，為后續(xù)的圖像信號處理打好基礎(chǔ)。

圖像處理模塊是整個系統(tǒng)的核心。經(jīng)過增益調(diào)制的圖像信號由圖像處理模塊完成包括像素對齊、去噪濾波等預(yù)處理，然后按照成像探測實時處理算法進行運算，從而解算出對應(yīng)像素的距離信息。下面我們將對圖像處理模塊的設(shè)計進行說明。

3 圖像處理模塊的軟硬件設(shè)計

非掃描激光三維成像系統(tǒng)的設(shè)計指標要求每秒鐘完成6幅圖像的實時處理、顯示和存儲。系統(tǒng)采用的成像設(shè)備輸出圖像尺寸為768×576，即每幅圖像有約45萬個像素點。實際設(shè)計采用FPGA+DSP硬件架構(gòu)，構(gòu)建了一個雙路圖像處理平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖像處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

在圖像處理平臺中，F(xiàn)PGA的作用是負責(zé)圖像信息流的傳輸控制和預(yù)處理。包括與兩路Camera-Link相機的數(shù)據(jù)傳輸控制，實時圖像數(shù)據(jù)的緩存和預(yù)處理，與DSP處理單元的數(shù)據(jù)交換以及VGA顯示控制。FPGA采用Altera公司的EP3C40F780，片上有39600個LE邏輯單元，同時集成了126個18×18的硬件乘法器和1Mbits以上的存儲單元，可以滿足大運算量并行處理算法的設(shè)計需要;片上還擁有535根I/O引腳，這些引腳可以支持多種信號模式，具有很強的應(yīng)用擴展能力。

FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)示意圖

由外部CameraLink相機輸入的圖像數(shù)據(jù)在外同步信號控制下，由相機接口模塊送到中值濾波算法模塊進行圖像預(yù)處理，每一路相機都有自己獨立的圖像預(yù)處理模塊。處理完成的數(shù)據(jù)送到與DSP之間的數(shù)據(jù)緩存中，然后通知DSP取走數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)在DSP中完成處理以后，再送回FPGA，交給VGA顯示模塊進行顯示輸出。VGA顯示模塊可以在單路圖像數(shù)據(jù)和處理完成以后的圖像數(shù)據(jù)之間進行選擇輸出。同時在DSP和FPGA之間還有一路配置參數(shù)數(shù)據(jù)通路，可以按照DSP傳遞過來的參數(shù)對相機進行實時的參數(shù)配置，以提高對工作環(huán)境的適應(yīng)性。

DSP采用TI公司的TMS320c6455，負責(zé)完成對輸入圖像數(shù)據(jù)的實時處理以及處理后圖像數(shù)據(jù)的存儲。6455芯片具有單片最高支持1.2 GHz的處理時鐘，9600 MIPS數(shù)據(jù)處理能力;支持64bits外圍存儲器EMIF接口和獨立的DDR2存儲控制器，可以高效的完成大容量數(shù)據(jù)吞吐任務(wù)。同時片上還集成了支持10/100/1000M的網(wǎng)絡(luò)接口，可以方便的擴展實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。

DSP部分的軟件功能涉及到包括數(shù)據(jù)輸入和高速存儲、執(zhí)行數(shù)據(jù)處理算法及建立片上數(shù)據(jù)通訊的網(wǎng)絡(luò)接口等方面，需要對片上資源在整個數(shù)據(jù)處理流程中的使用情況進行合理的規(guī)劃和控制，這對軟件設(shè)計及片上資源監(jiān)控和調(diào)試提出了較高的要求。我們基于DSP/BIOS嵌入式軟件開發(fā)工具編寫了圖像處理部分的軟件，通過DSP/BIOS提供的圖形化配置工具管理外設(shè)和各級任務(wù)處理線程，并利用底層應(yīng)用函數(shù)接口調(diào)度芯片的軟硬件中斷。同時DSP/BIOS還提供了多種分析和評估代碼工具，可以方便直觀的顯示代碼各個部分的執(zhí)行時間，資源占用及線程之間的同步和沖突等情況，對于軟件資源的調(diào)試有很大的幫助。圖4是DSP/BIOS的軟件開發(fā)界面示意圖，圖5是DSP/BIOS的軟件調(diào)試界面示意圖。

圖4 DSP/BIOS的軟件開發(fā)界面示意圖

圖5 DSP/BIOS的軟件調(diào)試界面示意圖

4 實驗結(jié)果

非掃描激光三維成像探測系統(tǒng)的工程化樣機針對對不同的目標物完成了成像，顯示和存儲實驗，圖像處理幀率為6 Hz，成像距離為584 m。我們將每幅圖像重復(fù)輸出，使總體圖像顯示幀頻達到24 Hz，配合了圖像顯示的需要。圖6為非掃描激光三維成像樣機實物圖。圖7為對584 m遠處目標所成激光三維距離效果圖。圖中所反映的距離信息與實際情況一致。

圖6 樣機實物圖

圖7 584 m遠處目標所成激光三維距離效果圖

5 結(jié)論及改進措施

按照非掃描激光三維成像探測原理，基于FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了工程化樣機。樣機能夠以6 Hz成像幀頻，完成對采集圖像的實時處理，并按照距離遠近完成圖像的偽彩色顯示。但現(xiàn)有樣機系統(tǒng)還存在著不足之處，首先是6 Hz不是現(xiàn)有顯示系統(tǒng)的標準幀頻，為了滿足實際需求，需要將成像頻率提高到25～30 Hz;其次目前設(shè)計的樣機系統(tǒng)影響工作性能的主要因素是圖像存儲模塊，由于圖像存儲模塊采用的是網(wǎng)絡(luò)硬盤，DSP處理模建立網(wǎng)絡(luò)連接的時間太長，影響了圖像處理速度。因此在樣機改進方案中，準備將存儲和顯示功能由獨立的處理模塊完成，同時保留DSP的網(wǎng)絡(luò)接口。

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