SOPC技術在視覺測量中的設計方案與應用

　　1引言

　　視覺測量技術是以機器視覺技術為基礎，融合電子技術、計算機技術、近景攝影測量技術、圖像處理技術為一體的測量技術，其基本任務是以測量為目的，從圖像信息出發計算三維空間中物體的幾何信息。其中，圖像處理技術是視覺測量系統中最重要的一部分，也是本文的研究重點。

　　傳統的視覺測量系統主要是在 PC機上采用軟件方式實現，由于其專用性不夠高，因此處理速度較慢。近年來，基于 FPGA的 SOPC技術的出現，使 FPGA高效的硬件并行信號處理能力和軟件控制的靈活性完美的結合到一起。在 SOPC系統中，對速度要求高的算法可以采用自定義硬件邏輯的方法實現；而用硬件難以實現的復雜算法以及控制流程可以在 Nios II核中以軟件方式實現。因此基于 SOPC技術的系統具有很好的實時性、靈活性以及可擴展性。設計者可以自由的進行軟硬協同設計，并且可以在設計的各個階段不受限制的修改設計而無需重新構建硬件平臺。

　　本文所討論的 SOPC系統是大尺寸三維視覺測量系統的一部分，以 PCI板卡的形式內嵌在 PC機中。在整個大尺寸三維視覺測量系統中，采用數字相機從不同位置拍攝多幅圖像，經過特征點提取、點中心的二維坐標計算、特征點匹配、三維拼接、面形擬合等步驟，得到被測物體的三維面形信息。點中心的計算精度直接影響測量精度，且其計算速度一直是系統的瓶頸之一。為提高處理速度和計算精度，采用 SOPC系統完成特征點提取和點中心計算，其結果通過 PCI總線上傳給 PC機，由其上的軟件模塊完成后續的計算和處理工作。

　　2 SOPC系統的總體設計方案

　　本系統采用加拿大 SBS公司的 TSUNAMI A40系列開發板，其核心的 FPGA模塊是 Altera公司的 Stratix EP1S40芯片。

　　2.1 系統算法的基本原理

　　系統算法實現流程如圖 1所示。首先，針對本系統圖像處理的要求與算法實現特點進行軟硬件劃分。圖像預處理部分所需要處理的數據量比較大，但算法相對簡單，可以通過 FPGA自定義相應的 IP模塊，采用硬件的方式實現；后續處理部分由于算法相對復雜，用硬件實現比較困難，而且其數據處理量不大，所以采用在 Nios II軟核中以軟件的方式實現。最后編寫系統控制軟件對整個系統進行控制使軟硬件協同工作。

　　2.2 系統硬件的設計方案

　　如圖 2所示，本系統硬件開發板通過 PCI橋與 PC機相連，原始圖片保存在 PC機中。 PCI-Avalon橋是 PC機與 FPGA開發板的通信接口，圖像數據經過 PCI-Avalon橋進入系統處理模塊。Sdram管理控制器用來管理和控制 Sdram中的數據存取。控制電路用來控制與協調各個外設的運行，實現狀態控制與數據傳輸等基本操作，包括讀取 Sdram中保存的圖像數據，控制圖像處理各模塊。 Sdram用來保存圖像數據。原始圖像數據最初由 PC機下載到 Sdram中，再通過 Sdram管理控制器傳輸給各處理模塊依次處理。處理后的圖像數據仍然通過 Sdram管理控制器返回 Sdram中保存。最后通過 PCI橋把最終圖像返回到 PC機。