专利名称：一种基于cmos的三维传感器实时高速数据处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，该系统能够实现非接触光学测量系统的高速实时数据处理，可用于物体表面三维形貌测量。本发明属于光学三维测量技术领域。
背景技术：
基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统作为非接触式光学三维测量的数据处理系统，可以应用于三维形貌测量、逆向工程和质量检测等诸多领域。但是以往的数据处理是在计算机上完成计算的，在一些计算过程中存在着功耗高、运算速度慢、实时性差的缺点。针对这一问题，国内外提出的一般解决方法是利用GPU进行并行计算，这样可以解决计算机CPU运算速度慢的缺点。但是由于GPU的并行编程较为复杂，而且为了实现较高的计算速度，不可避免地要提高仪器造价与整体功耗等性能指标。另外，在非接触式光学三维测量中，传感器拍摄的图像数据较为庞大，而相应地计算得到的数据则较少。在以往的系统设计中，传感器直接将拍摄到的图像数据全部传给计算机，由计算机统一计算，这使得整个系统的运算时间大部分消耗在了图像数据的传输与存储上，从而无法保证运算的高速与实时性。以往的非接触式光学三维测量的传感器使用的是CCD感光器件。CCD感光器件将光信号转化成的电信号是模拟信号，因此需要额外进行外围输出电路系统设计才可以与数据处理系统相连接实现图像数据的传输与计算。因此决定了 CCD感光器件的数据读出速度较慢。尽管CCD感光器件的分辨率与灵敏度等性能指标在同类器件中是较为优秀的，但是在具体非接触式光学三维测量的数据计算处理过程中，CCD感光器件的分辨率与灵敏度远远优于需求的精度，这在一定程度上造成了资源浪费，直接导致了系统具有计算速度慢、功耗大的缺陷。由此可见，不管是从算法优化入手，从电路系统设计优化上入手，还是从核心元件的选择上入手，目前国内外还没有提出一种解决功耗高、运算速度慢、实时性差等缺点的非接触式光学三维测量的数据处理系统。本发明针对此类问题提出了基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，实现了非接触式光学三维测量数据的高速实时处理。
发明内容
I、目的本发明的目的是提供了一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，它将CMOS三位传感器与FPGA数据处理模块结合，克服了现有数据处理系统运算速度慢、实时性差的问题。2、技术方案本发明的技术解决方案是一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，它包括基于CMOS的两部左、右三维传感器、两片独立并行的FPGA数据处理模块、缓存RAM、三维复现计算的FPGA数据处理模块、千兆网数据传输接口、计算机和USB数据传输接口。它们之间的位置连接关系是基于CMOS的两部左、右三维传感器获取左、右相机图像数据，由于CMOS传感器传输数字信号，可将其直接读出；CM0S传感器获取的数据输入两片独立并行的FPGA数据处理模块，通过数据预处理、标记背景、译码器解相与外差多频相展开四个步骤完成运算；在相位解算计算过程中，需要用到CMOS传感器多次拍摄的数据，因此将数据暂时存储至缓存RAM中；完成相位解算之后，两片独立并行的FPGA数据处理模块将解算结果同时输入三维复现计算的FPGA数据处理模块，进行立体匹配与三维复现计算；计算过程需要通过USB接口由计算机向FPGA传输相机标定结果、背景阈值设定等参数，计算完成后将三维点云数据用千兆网数据传输接口传输至计算机。该基于CMOS的两部左、右三维传感器是两台相对位置固定且有共同视场的相机，其核心感光器件是CMOS芯片；该缓存RAM是与FPGA相连接的DDR2缓存芯片；该计算机是存储显示数据使用的计算机。该独立并行的FPGA数据处理模块与三维复现计算的FPGA数据处理模块均是FPGA中的数据处理功能模块，其算法程序已经实现下载到FPGA中；该千兆网数据传输接口是千兆网传输协议接口板，使用DM9000A协议芯片；该USB数据传 输接口是=USB数据接口部分使用CY7C68013A芯片作为编码芯片。本发明原理是基于CMOS的三维传感器，使用两片CMOS芯片构成左、右两台相机，以实现三维图像信息的采集。两片独立并行FPGA数据处理模块，在进行了数据预处理后。首先按照设定好的背景阈值标记出背景，在之后的计算中不予计算背像素，以此节省计算
Cr ( X y) — ^ ( X V)
量；其次对同一频率条纹图像利用公式￠(毛= arctan⑴广’ \ 1 、进行相
W，I2 (U)
2
位解算;最后使用外差多频方法，使用公式硪(U)= , \进行相展开。缓存
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RAM，在FPGA数据处理的相位解算中，^^7的计算需要用到统一像素同一
g0{x\y)-g2(x,y)
条纹频率不同条纹相位的四幅图像，因此将传感器拍摄到的图像先预存到缓存RAM中，当四幅相移条纹图像拍摄完毕后，将图像数据从缓存读出到FPGA中进行相位解算。上式中的符号说明如下gi(x，y)表示第i幅图像在点(X，y)处的灰度值。三维复现计算的FPGA数据处理模块，将相位解算得到的结果进行立体匹配与三维复现。需要用到的相机标定结果由计算机通过部分USB接口传输。三维复现结果用过部分千兆网数据传输接口传输至计算机。3、优点及功效本发明与现有技术相比的优点在于(I)采用CMOS芯片作为图像传感器，直接读出数字信号，有着速度快的优点。(2)采用基于FPGA的硬件化数据处理，可实现实时高速数据处理。(3)采用基于FPGA的硬件系统可以降低整个系统功耗，有利于系统的便携性。
图1为本发明一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统的系统结构具体实施方式
见图1，一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，该系统组成包括基于CMOS的左、右两部三维传感器、两片独立并行的FPGA数据处理模块、缓存RAM、三维复现计算的FPGA数据处理模块、千兆网数据传输接口、计算机和USB数据传输接口。它们之间的位置连接关系是基于CMOS的两部三维传感器获取左、右相机图像数据，由于CMOS传感器传输数字信号，可将其直接读出。CMOS传感器获取的数据输入两片独立并行的FPGA数据处理模块，通过数据预处理、标记背景、译码器解相与外差多频相展开四个步骤完成运算。在相位解算计算过程中，需要用到CMOS传感器多次拍摄的数据，因此将数据暂时存储至缓存RAM中。完成相位解算之后，两片独立并行的FPGA数据处理模块将解算结果同时输入三维复现计算的FPGA数据处理模块，进行立体匹配与三维复现计算。计算过程需要通过USB接口由计算机向FPGA传输相机标定结果、背景阈值设定等参数。计算完成后将三维点云数据用千兆网数据传输接口传输至计算机。该基于CMOS的两部左、右三维传感器是两台相对位置固定且有共同视场的相机，其核心感光器件是CMOS芯片；该缓存RAM是与FPGA相连接的DDR2缓存芯片；该计算
机是存储显示数据使用的计算机。该独立并行的FPGA数据处理模块与三维复现计算的FPGA数据处理模块均是FPGA中的数据处理功能模块，其算法程序已经实现下载到FPGA中；该千兆网数据传输接口是千兆网传输协议接口板，使用DM9000A协议芯片；该USB数据传输接口是=USB数据接口部分使用CY7C68013A芯片作为编码芯片。基于CMOS的三维传感器，使用两片CMOS芯片构成左、右两台相机，以实现三维图
像信息的采集。两片独立并行FPGA数据处理模块，在进行了数据预处理后。首先按照设定
好的背景阈值标记出背景，在之后的计算中不予计算背像素，以此节省计算量；其次对同一
^ , \g, (X, V) - g, (X, v)
频率条纹图像利用公SfEKuO = arctan \——^进行相位解算；最后使
2
用外差多频方法，使用公式二 , ,进行相展开。缓存RAM，在FPGA数
_ /12
g, y) - (.X, V)
据处理的相位解算中，:的计算需要用到统一像素同一条纹频率不同
条纹相位的四幅图像，因此将传感器拍摄到的图像先预存到缓存RAM中，当四幅相移条纹图像拍摄完毕后，将图像数据从缓存读出到FPGA中进行相位解算。上式中的符号说明如下gi(x，y)表示第i幅图像在点(X，y)处的灰度值。三维复现计算的FPGA数据处理模块，将相位解算得到的结果进行立体匹配与三维复现。需要用到的相机标定结果由计算机通过部分USB接口传输。三维复现结果用过部分千兆网数据传输接口传输至计算机。
权利要求
1.一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，其特征在于它包括基于CMOS的两部左、右三维传感器、两片独立并行的FPGA数据处理模块、缓存RAM、三维复现计算的FPGA数据处理模块、千兆网数据传输接ロ、计算机和USB数据传输接ロ ；基于CMOS的两部左、右三维传感器获取左、右相机图像数据，由于CMOS传感器传输数字信号，将其直接读出；CM0S传感器获取的数据输入两片独立并行的FPGA数据处理模块，通过数据预处理、标记背景、译码器解相与外差多频相展开四个步骤完成运算；在相位解算计算过程中，需要用到CMOS传感器多次拍摄的数据，因此将数据暂时存储至缓存RAM中；完成相位解算之后，两片独立并行的FPGA数据处理模块将解算结果同时输入三维复现计算的FPGA数据处理模块，进行立体匹配与三维复现计算；计算过程需要通过USB接ロ由计算机向FPGA传输相机标定结果、背景阈值设定參数，计算完成后将三维点云数据用千兆网数据传输接ロ传输至计算机； 该基于CMOS的两部左、右三维传感器是两台相对位置固定且有共同视场的相机，其核心感光器件是CMOS芯片；该缓存RAM是与FPGA相连接的DDR2缓存芯片；该计算机是存储显示数据使用的计算机；该独立并行的FPGA数据处理模块与三维复现计算的FPGA数据处理模块均是FPGA中的数据处理功能模块，其算法程序已经实现下载到FPGA中；该千兆网数据传输接ロ是千兆网传输协议接ロ板，使用DM9000A协议芯片；该USB数据传输接ロ是USB数据接ロ部分使用CY7C68013A芯片作为编码芯片。
全文摘要
一种基于CMOS的三维传感器实时高速数据处理系统，它包括基于CMOS的两部左、右三维传感器、两片独立并行的FPGA数据处理模块、缓存RAM、三维复现计算的FPGA数据处理模块、千兆网数据传输接口、计算机和USB数据传输接口；采用FPGA作为系统数据处理核心模块，具体通过数据预处理、标记背景、译码器解相与外差多频相展开这四个步骤完成运算，并通过接口模块将处理后的数据传输至计算机。基于CMOS的传感器读出图像数据是数字信号，从而可以向FPGA直接传送数据。FPGA与缓存协同运算，实现数据的实时高速处理。该系统具有同步计算、计算速度高的特点，可用于表面三维形貌的光学非接触测量。
文档编号G01B11/24GK102980527SQ20121039771
公开日2013年3月20日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日
发明者赵慧洁, 刁晓淳, 刘小康, 姜宏志 申请人:北京航空航天大学