白瑋本，曹慧峰，劉欣宜

(天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 引言

隨著智能控制、圖像處理等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，輔助駕駛、智能駕駛等改善現(xiàn)階段駕駛安全隱患控制系統(tǒng)產(chǎn)生，而如何提高系統(tǒng)在道路感知過(guò)程中的感知效率與感知準(zhǔn)確性就顯得尤為重要[1-2]。駕駛系統(tǒng)的意義在于對(duì)駕駛環(huán)境信息進(jìn)行掃描、行駛路線進(jìn)行預(yù)定義，對(duì)面突發(fā)情況進(jìn)行安全決策，其中駕駛環(huán)境信息掃描作為整個(gè)駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提，駕駛環(huán)境掃描的準(zhǔn)確性及效率直接反映出駕駛系統(tǒng)的可靠性及工作效率[3]。

現(xiàn)階段汽車(chē)駕駛安全環(huán)境掃描主要是通過(guò)立體視覺(jué)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等，考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的速度、精度及成本因素，以及綜合考慮在雨、雪、霧等惡劣環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)效果，可選取基于視覺(jué)的車(chē)輛環(huán)境感知技術(shù)進(jìn)行研究[4]。這種以相機(jī)作為感知工具，在復(fù)雜的交通環(huán)境及氣候條件下，單一感知方式存在極大的干擾因素。排除或者降低環(huán)境干擾因素，提升系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及感知速率，是智能車(chē)輛駕駛系統(tǒng)環(huán)境信息掃描領(lǐng)域的起點(diǎn)，對(duì)未來(lái)駕駛系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)方式具有重要作用。

文中主要通過(guò)結(jié)構(gòu)光與嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)在采集過(guò)程中對(duì)外界的抗干擾能力，提高圖像處理過(guò)程中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配速度。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析，系統(tǒng)滿(mǎn)足圖像采集設(shè)計(jì)需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是針對(duì)基于結(jié)構(gòu)光和嵌入式操作系統(tǒng)的圖像采集所展開(kāi)，在進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，通過(guò)功能實(shí)現(xiàn)的具體需求對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有光柵發(fā)生器模塊化設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)生一條頻率可控的條形掃描光柵；CCD相機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)被測(cè)物及掃描光柵條紋信息進(jìn)行采集；中央控制單元模塊化設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA單元產(chǎn)生3條脈沖信號(hào)來(lái)控制光柵發(fā)生器模塊與CCD相機(jī)模塊保持同步工作、STM32單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制與人機(jī)交互功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 光柵發(fā)生器模塊設(shè)計(jì)

作為整個(gè)光柵發(fā)生器中激光光路的組成部分，二維掃描振鏡主要功能是對(duì)激光光路通過(guò)振鏡的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體區(qū)域的光柵掃描功能。光柵發(fā)生器模塊對(duì)二維振鏡的要求一般包括精度高、速度快、偏轉(zhuǎn)角大、穩(wěn)定性高等。系統(tǒng)采用波長(zhǎng)650 nm、功率100 mW、工作電壓3～5 V、工作電流180 mA、發(fā)散角度為10°～120°的半導(dǎo)體激光器。二維掃描振鏡工作的關(guān)鍵參數(shù)是最大旋轉(zhuǎn)角度±30°、線性度99%、鏡片反射率99%、鏡片覆蓋波長(zhǎng)380～700 nm。

在光柵發(fā)生器工作過(guò)程中，二維掃描振鏡示意圖見(jiàn)圖2，一束脈沖激光發(fā)出后到達(dá)振鏡X，通過(guò)平面反射原理反射到振鏡Y，依次到達(dá)視覺(jué)檢測(cè)區(qū)域。振鏡X和振鏡Y在規(guī)定的檢測(cè)范圍內(nèi)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，便能對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行激光細(xì)節(jié)紋理的補(bǔ)充[6]。

圖2 二維掃描振鏡示意圖

1.1.2 CCD相機(jī)圖像采集模塊設(shè)計(jì)

CCD相機(jī)圖像采集模塊設(shè)計(jì)中，工業(yè)相機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)口直接外接PC機(jī)以及FPGA對(duì)其發(fā)送驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)，圖像采集的整個(gè)鏈路構(gòu)建完成。待檢測(cè)區(qū)域的特征信息在光學(xué)鏡頭的作用下傳遞給圖像采集相機(jī)圖像數(shù)據(jù)可直接通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳輸至PC端進(jìn)行顯示[7]。

1.1.3 中央控制單元模塊設(shè)計(jì)

1.1.3.1 中央控制單元

在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序以及光柵發(fā)生器驅(qū)動(dòng)時(shí)序。通過(guò)對(duì)圖像傳感器和光柵發(fā)生器模塊施加正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，光柵發(fā)生器模塊可以正常對(duì)指定工作區(qū)域進(jìn)行固定頻率線掃描，CCD相機(jī)則與光柵掃描器保持同步頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)直接將采集圖像數(shù)據(jù)傳輸至PC端。單片機(jī)與上位機(jī)控制端以及單片機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列單元都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)回傳。中央控制單元接收到控制端的運(yùn)行指令后，經(jīng)STM32進(jìn)行解析執(zhí)行后傳送到FPGA模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖輸出信號(hào)的控制[8]，從而控制光柵發(fā)生器模塊和CCD相機(jī)同步工作。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

1.1.3.2 ARM+FPGA通信接口設(shè)計(jì)

SPI(serial peripheral interface)串行外設(shè)接口通信，因其快速的傳輸特性，可作為通信協(xié)議或者作為外設(shè)成為微處理器的標(biāo)配[9]。

在ARM+FPGA的電路架構(gòu)設(shè)計(jì)中，SPI以其簡(jiǎn)單高速的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。通常SPI串行總線外設(shè)接口由串行時(shí)鐘線、主機(jī)向從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線、從機(jī)向主機(jī)輸出數(shù)據(jù)線、從機(jī)片選信號(hào)線以及使能線組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的通信方式為四線鏈路，使能線可省略[10]，主要針對(duì)四線SPI通信連接方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，連接方式見(jiàn)圖4。

圖4 SPI四線連接方式

當(dāng)ARM作為主機(jī)時(shí)，串行時(shí)鐘信號(hào)傳遞給從機(jī)，通過(guò)主機(jī)輸出數(shù)據(jù)，從機(jī)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到串行數(shù)據(jù)寄存器中，數(shù)據(jù)通過(guò)串行方式按順序從主機(jī)發(fā)送口發(fā)出，同時(shí)在從機(jī)接收口按發(fā)送順序接收所需數(shù)據(jù)位。時(shí)鐘信號(hào)在整個(gè)通信過(guò)程中與主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)交換是一一對(duì)應(yīng)的。通信的片選信號(hào)在非工作狀態(tài)保持高電平，通信數(shù)據(jù)被移入串行數(shù)據(jù)寄存器時(shí)片選信號(hào)被拉低，當(dāng)通信數(shù)據(jù)移送成功后片選信號(hào)電平保持拉高狀態(tài)[11]，通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖

選擇主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)從機(jī)接收數(shù)據(jù)或者從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)主機(jī)接收數(shù)據(jù)兩種模式，發(fā)生在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿還是下降沿主要由時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位寄存器來(lái)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位都保持在0狀態(tài)時(shí)，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)從機(jī)接收數(shù)據(jù)的過(guò)程在時(shí)鐘上升沿完成，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)主機(jī)接收數(shù)據(jù)的過(guò)程在時(shí)鐘下降沿完成，此狀態(tài)實(shí)際接口信號(hào)時(shí)序見(jiàn)圖6。

圖6 信號(hào)時(shí)序圖

單片機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列之間的SPI通信配置如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)為主機(jī)模式；主從機(jī)接線方式采用圖4所示連接方式；時(shí)鐘模式為POLARITY=0，PHASE=0。接口設(shè)計(jì)采用VerilogHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)設(shè)備從機(jī)發(fā)送端在時(shí)鐘信號(hào)保持拉升狀態(tài)時(shí)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳送時(shí)，當(dāng)狀態(tài)被拉高就將現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列待發(fā)送數(shù)據(jù)采用移位的形式傳給主機(jī)輸入端，為保證主機(jī)數(shù)據(jù)的及時(shí)鎖存，通常選擇片選信號(hào)低電平狀態(tài)傳輸數(shù)據(jù)，高電平狀態(tài)進(jìn)行下一數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備工作[12]。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)采集過(guò)程功能要求對(duì)硬件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與機(jī)械加工，通過(guò)硬件的控制需求對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)系統(tǒng)的組成，可以分為功能模塊和數(shù)據(jù)傳送模塊，功能模塊主要由上位機(jī)、單片機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳送模塊主要指上位機(jī)與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸、單片機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列之間數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.1 功能模塊

1.2.1.1 上位機(jī)模塊

在PC端對(duì)上位機(jī)進(jìn)行前期開(kāi)發(fā)；上位機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)模式的選擇、各個(gè)參數(shù)的設(shè)置；在上位機(jī)控制端可以實(shí)時(shí)顯示相機(jī)采集的具體參數(shù)；可以根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)圖像質(zhì)量對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1.2.1.2 單片機(jī)模塊

將上位機(jī)發(fā)送的關(guān)于CCD相機(jī)和光柵發(fā)生器的相應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并發(fā)送給FPGA；將PC端所要執(zhí)行的控制命令發(fā)送給STM32進(jìn)行處理，再傳送至下一執(zhí)行機(jī)構(gòu)FPGA。

1.2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列模塊

對(duì)系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率予以分頻，得到系統(tǒng)所需的脈沖信號(hào)。實(shí)例化FPGA，接受STM32發(fā)送來(lái)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD圖像采集與光柵發(fā)聲器輸出脈沖的控制。

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，單片機(jī)與上位機(jī)控制軟件通過(guò)485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列與單片機(jī)使用SPI串行總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。

2 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 系統(tǒng)功能模塊調(diào)試

對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行分析，針對(duì)功能要求，編寫(xiě)上位機(jī)軟件，軟件功能包括相機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉、軟硬件觸發(fā)方式的選擇、單拍連拍模式的設(shè)定、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)送及其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置等。

在編譯軟件中完成對(duì)單片機(jī)測(cè)試。圖像采集系統(tǒng)要求單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能有：將PC端發(fā)出的設(shè)置參數(shù)以及控制命令進(jìn)行處理并傳給下一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)FPGA。對(duì)于單片機(jī)功能單元的編譯要求有：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊初始化、運(yùn)行函數(shù)的調(diào)用與設(shè)定以及引腳關(guān)聯(lián)，還需對(duì)系統(tǒng)的通信方式進(jìn)行驗(yàn)證，如485通訊與SPI串行外設(shè)接口通訊等。

通過(guò)QuartusII軟件對(duì)FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行調(diào)試。將FPGA開(kāi)發(fā)板針對(duì)CCD相機(jī)與光柵發(fā)生器的輸出脈沖信號(hào)先外接在示波器上進(jìn)行顯示，檢測(cè)輸出頻率，從而檢驗(yàn)信號(hào)是否符合要求。

2.2 系統(tǒng)同步性調(diào)試

基于結(jié)構(gòu)光的嵌入式圖像采集系統(tǒng)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)CCD相機(jī)與光柵發(fā)聲器的同步控制，因此要通過(guò)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的同步驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。將控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板對(duì)結(jié)構(gòu)光柵和相機(jī)驅(qū)動(dòng)的3條同步脈沖信號(hào)外接在示波器上，對(duì)3條輸出信號(hào)比對(duì)，以此判斷系統(tǒng)的同步性是否符合要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在系統(tǒng)上位機(jī)軟件中對(duì)基于結(jié)構(gòu)光的嵌入式圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，包括相機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉、軟硬件觸發(fā)方式的選擇、單拍連拍模式的設(shè)定以及其他相關(guān)參數(shù)設(shè)定等，系統(tǒng)界面見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)上位機(jī)示意圖

待所有測(cè)試工作準(zhǔn)備就緒以后，打開(kāi)光柵發(fā)生器、CCD相機(jī)、中央控制系統(tǒng)的電源開(kāi)關(guān)，由上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定以及控制命令的發(fā)出。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，可以按照指令要求采集待測(cè)物及其光柵發(fā)生器在不同時(shí)刻的光條紋圖像信息，在a時(shí)刻、b時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)圖像見(jiàn)圖8、圖9。

(a)左相機(jī)(b)右相機(jī)圖8 a時(shí)刻圖像數(shù)據(jù)

(a)左相機(jī)(b)右相機(jī)圖9 b時(shí)刻圖像數(shù)據(jù)

由圖7～圖9可知，設(shè)計(jì)的基于結(jié)構(gòu)光的嵌入式圖像系統(tǒng)采用上位機(jī)+嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，不僅操作簡(jiǎn)便直觀，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也得到了保障。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)STM32+FPGA的硬件控制方式，可以實(shí)現(xiàn)CCD圖像采集模塊與光柵發(fā)生器模塊以同一基準(zhǔn)頻率下進(jìn)行圖像采集，采集的圖像信息可通過(guò)以太網(wǎng)口直接傳輸至PC端，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性較好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)在三維重建過(guò)程中立體視覺(jué)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的快速匹配問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)光的嵌入式圖像采集系統(tǒng)，借助光柵發(fā)生器對(duì)待測(cè)物進(jìn)行連續(xù)掃描，CCD相機(jī)實(shí)時(shí)抓取掃描后的圖像信息，通過(guò)以太網(wǎng)直接傳輸至PC端。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)在圖像采集過(guò)程中的效率與同步性，設(shè)計(jì)了基于ARM+FPGA的硬件控制方式，利用FPGA的并行處理能力和豐富的內(nèi)部邏輯功能來(lái)控制觸發(fā)光柵發(fā)生器和CCD相機(jī)的3條脈沖信號(hào)，STM32則作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通訊傳輸及人機(jī)交互控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、實(shí)時(shí)對(duì)待檢測(cè)區(qū)域物體及其光條紋信息進(jìn)行采集并通過(guò)以太網(wǎng)直接傳輸至PC端。