基于fpga的结构光投影和图像采集的同步系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及3D扫描领域，尤其涉及一种基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统。
【背景技术】
[0002]目前，在3D相机实现重建的各种方式中，利用投影机投射结构光光栅条纹是最常用的一种。在这种方式中，要构造获得一个物体的一幅3D图像，通常需要投影机投射不同相位和宽度的条纹到物体上(一系列条纹)，然后通过相机采集这几幅被编码的图像来实现3D重建。然而，若投影机投射从PC输出的结构光光栅条纹，由于存在PC控制投影机光栅条纹视频输出延时的不确定性，加上投影机本身额外的投射延时，导致相机无法同步地采集到这些投射的条纹图片，从而影响被扫描物体的3D数据重建。
[0003]为了解决这个问题，通常的做法是:1.让PC以较慢的变化率控制投影机投射系列结构光光栅条纹，在确保其已开始被投射的情况下，再触发相机积分，米集被结构光光栅条纹编码的物体图片。直到相机积分完毕后，再开始投影下一幅结构光光栅条纹。2.让PC控制投影机重复投射系列结构光光栅条纹，再在相机采集的图像中找到或组合出适合3D构造的系列结构光光栅条纹图。但是，无论是通过设置较大的投影延时或相机多次采集重复投影的系列条纹，都大大降低图像的采集速率，不能保障3D重建的可靠性(比如不能保障能组合出最佳3D构造的系列条纹)。更不可能保证并无法确保高频或实时3D扫描，也无法对运动速度较大的物体进行采集，从而大大限制了 3D扫描仪的应用场合。
【发明内容】
[0004]针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统和实现方法。通过CHJ和同步积分模块，从电路系统上直接传送投影机需投射的系列条纹，并精准控制相机的采集触发，以清晰采集由投影机投影的每幅系列条纹图纹。
[0005]为了达到上述目的，本发明公开一种基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统，包括FPGA主控电路板、相机、投影机、转盘和PC端，所述PC端与相机和FPGA主控电路板电连接，所述FPGA主控电路板与相机、投影机和转盘电连接；
所述FPGA主控电路板包括FPGA芯片和视频转换模块，所述FPGA芯片上设有CPU、同步积分模块，所述同步积分模块同时与相机和视频转换模块电连接;所述视频转换模块与投影机电连接；
所述同步积分模块输出结构光光栅条纹视频给视频转换模块，所述视频转换模块输送视频信号给投影机，投影机在输出延时值之前输出相机外同步积分信号，经同步积分模块传递给相机，使相机与投影机同步工作;所述投影机输出的延时值为定值。
[0006]其中，所述FPGA主控电路板还包括SRAM存储模块、电机驱动模块和电源模块;所述SRAM存储模块、视频转换模块、电机驱动模块和电源模块都与FPGA芯片电连接，所述电机驱动模块与转盘电连接;所述FPGA芯片上还设有SRAM切换模块和FLASH存储模块，所述SRAM切换模块与SRAM存储模块进行数据交互。
[0007]其中，所述视频转换模块为DAC模块或HDMI模块，当结构光光栅条纹视频经过DAC模块进行处理时，输出VGA视频信号给投影机，当结构光光栅条纹视频经过HDMI模块处理时，输出HDMI视频信号给投影机，所述投影机投影机经过一个固定的延时后输出VGA视频格式的结构光光栅条纹或者HDMI视频格式的结构光光栅条纹。
[0008]其中，所述电机驱动模块与同步积分模块电连接，所述相机和投影机工作的同时，CPU控制电机驱动模块对转盘分时或实时控制转盘的的角度、速度和方向。
[0009]其中，所述外同步积分信号的周期为VGA视频信号或者HDMI视频信号的整数倍。
[0010]其中，SRAM切换模块在非图像接收的时候设定为输出显示功能，不影响CPU的工作时间占用。
[0011]其中，所述PC端通过RS232串口连接FPGA控制电路板，并与CPU进行通讯，PC端通过数据采集程序发送命令和图像数据给CPU。
[0012]本发明还公开一种基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)采集系统初始化，FPGA芯片接收PC端的数据采集程序的命令和图像数据，并由SRAM切换模块将数据总线和地址总线切换到CHJ中，图像数据存入FLASH存储模块里或存入SRAM存储模块中；
2)CPU接受数据采集程序的命令，对同步积分模块进行参数设置，比如:图像显示方向，需采集的图像数量，窄条纹循环次数，每帧循环的次数，和延时时间等；
3)当接收来自数据采集程序的图像采集命令时，SRAM切换模块将数据总线和地址总线切换到同步积分模块，同步积分模块将图像按存储的顺序依次投影到目标上，并发出触发相机采集图像的信号；
4)数据采集程序抓取图像采集命令，并全部采集投射的光栅系列图像。
[0013]其中，所述图像数据包括图像显示方向，需采集的图像数量，窄条纹循环次数，每帧循环的次数，延时时间，投影仪亮度，设置VGA或HMDI输出模式，开关投影仪等待时间。
[0014]其中，当CPU接收到PC端的数据采集程序的触发命令后对同步积分模块发出一个脉冲，同步积分模块检测到这个脉冲后将地址总线设为第一帧图像的地址位，读取一行图像数据送给投影机，再将地址总线重置到第一帧的位置，输出第二行图像，依次循环直到完整的输出一整幅图像。
[0015]本发明的有益效果为:与现有技术相比，本发明所公开的基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统及其实现方法，通过CHJ和同步积分模块，从电路系统上直接传送投影机需投射的系列条纹，并精准控制相机的采集触发，以清晰采集由投影机投影的每幅系列条纹图纹。系统不需要投影机重复投影每组系列条纹，也不需要降低每组系列条纹图的投射的频率，使得设计的电路能以投影仪的最高投射频率(或速度)来采集系列条纹图像。
【附图说明】
[0016]图1为本发明系统结构不意图；
图2为本发明FPGA主控电路板结构示意图； 图3为本发明FPGA芯片内部模块图；
图4为本发明外触发同步积分流程示意图；
图5为本发明图像输出和相机触发时序图。
【具体实施方式】
[0017]为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
[0018]请参阅图1-图3，本发明公开一种基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统，包括FPGA主控电路板1、相机2、投影机3、转盘4和PC端5，PC端5与相机2和FPGA主控电路板I电连接，FPGA主控电路板I与相机2、投影机3和转盘4电连接；
FPGA主控电路板I包括FPGA芯片11和视频转换模块12，FPGA芯片11上设有CPU、同步积分模块112，同步积分模块112同时与相机2和视频转换模块12电连接;视频转换模块12与投影机3电连接；
同步积分模块112输出结构光光栅条纹视频给视频转换模块12，视频转换模块12输送视频给投影机3，投影机3在输出延时值之前输出相机的外同步积分信号，经同步积分模块112传递给相机2，使相机2与投影机3同步工作。在本实施例中，相机2设有两个或者多个，分别位于摄影机3的两端，并同步工作。
[0019]与现有技术相比，本发明所公开的基于FPGA的结构光投影和图像采集的同步系统及其实现方法，通过CPU和同步积分模块，从电路系统上直接传送投影机需投射的系列条纹，并精准控制相机的采集触发，以清晰采集由投影机投影的每幅系列条纹图纹。系统不需要投影机重复投影每组系列条纹，也不需要降低每组系列条纹图的投射的频率，使得设计的电路能以投影仪的最高投射频率(或速度)来采集系列条纹图像。
[0020]在本实施例中，FPGA主控电路板I还包括SRAM存储模块13、电机驱动模块14和电源模块15; SRAM存储模块13、视频转换模块12、电机驱动模块14和电源模块15都与FPGA芯片11电连接，电机驱动模块12与转盘4电连接;FPGA芯片11上还设有SRAM切换模块113和FLASH存储模块114，SRAM切换模块113与SRAM存储模块13进行数据交互，SRAM切换模块在非图像接收的时候设定为输出显示功能，不影响(PU的工作时间占用。
[0021 ]在本实施例中，电机驱动模块12与同步积分模块112电连接，相机2和投影机3工作的同时，CPU控制电机驱动模块12对转盘4分时或实时控制转盘的的角度、速度和方向。
[0022]本发明通过FPGA芯片11输出结构光光栅条纹视频，通常为RGB888格式，通过视频转换模块12处理后，输出结构光光栅条纹给投影机，其中，视频转换模块12可以为DAC模块，也可以为HDMI模块，经DAC模块处理后，输出VGA视频信号的结构光光栅条纹给投影机，而通过HDMI模块处理后，输出HDMI视频信号的结构光光栅条纹给投影机，投影机经过一个固定的延时后输出结构光光栅条纹。由于FPGA芯片11输出结构光光栅条纹的时刻是已知的，故仅需要在硬件输出VGA视频信号或HDMI视频信号开始，经过投影机输出延时值(该延时值通常为定值，且可调节)后开始输出相机外同步积分信号，从而实现VGA或HDMI视频输出与相机采集同步的目的。为防止相机拍摄到残缺视频，外同步积分信号的周期为VGA视频信号或者HDMI视频信号的整数倍。
[0023]本发明的工作原理为:系统上电后，PC端5通过数据采集程序将需要投影的结构光光栅条纹图片通过RS232串口发送给FPGA芯片11，并与CPUl 11进行通讯，FPGA芯片11接受到数据后，暂存在SRAM存储模块13，以便FPGA芯片读取送显，当然，也可以将收到的数据保存在Flash存储模块114中，以便下次系统上电后直接读取。FPGA芯片11得到结构光光栅条纹数据后，只要收到PC端5发送的同步积分指令，便开始从SRAM存储模块13中读取结构光光栅条纹数据并通过并行总线RGB888输出至DAC模块或HDMI模块中，DAC模块将输入的数字视频转换为VGA视频信号或HDMI视频信号，模拟视频并输出至投影机中，投影机经过一定的延时(投影机内部需要一定的处理时间)后开始投射视频。此外，在FPGA芯片11送显VGA视频信号或HDMI视频信号的同一时刻开始，通过调整延时值，并在此后开始输出积分同步信号，使相机采集到的结构光光栅条纹与送显的一致，便达到