作品摘要

本作品為基于ATLYS FPGA開發(fā)平臺(tái)、VmodCAM雙目攝像頭模塊開發(fā)設(shè)計(jì)的雙目立體視覺系統(tǒng)。VmodCAM用于采集雙路的視覺信息，FPGA開發(fā)平臺(tái)負(fù)責(zé)完成視覺信息的處理及圖像的高速分析。采集到得左右兩路圖像信息通過分析處理，便可得到二維圖像上的深度信息。深度信息的體現(xiàn)本作品中設(shè)計(jì)了兩種方式，其一為視覺信息的立體顯示，經(jīng)過處理生成疊加的紅藍(lán)3D圖像，給人直觀上的立體感受。該設(shè)計(jì)方面可以應(yīng)用于立體視覺的采集與顯示，定位為立體視覺的采集與顯示系統(tǒng)。另一方面，通過在FPGA片上設(shè)計(jì)的高速圖像處理系統(tǒng)，可以根據(jù)左右圖像的差距，計(jì)算出圖像的深度信息，也就是物體在環(huán)境中相對(duì)于雙目攝像頭的三維坐標(biāo)。該設(shè)計(jì)方面可以應(yīng)用到人機(jī)交互、機(jī)器視覺領(lǐng)域，作為機(jī)器對(duì)環(huán)境情況的認(rèn)知設(shè)備。

FPGA開發(fā)板在本作品中的作用主要有：①配置攝像頭模塊，采集攝像頭數(shù)據(jù)；②將圖像數(shù)據(jù)緩存在片外的DDR2中；③完成圖像的分析處理；④完成圖像的顯示及UART數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

一方面，完成立體視覺實(shí)時(shí)采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓人戴上3D眼鏡后可以實(shí)時(shí)看到立體畫面；另一方面，實(shí)現(xiàn)物體三維空間定位。

已實(shí)現(xiàn)：基于紅藍(lán)3D眼鏡的立體視覺實(shí)時(shí)采集與顯示；紅外光點(diǎn)的三維空間定位。

將實(shí)現(xiàn)：基于偏振3D眼鏡的立體視覺實(shí)時(shí)采集與顯示；簡(jiǎn)單環(huán)境下的物體空間定位及環(huán)境三維重建，并開發(fā)成用于人機(jī)交互的設(shè)備。

設(shè)計(jì)總概

本設(shè)計(jì)為在FPGA片上完成的視頻、圖像采集與處理系統(tǒng)，完成三維圖像的重建與數(shù)學(xué)建模。片上系統(tǒng)使用VHDL+Verilog聯(lián)合開發(fā)，具有很高的數(shù)據(jù)處理速度。該設(shè)計(jì)的兩個(gè)方面目前已初步實(shí)現(xiàn)，圖像的采集、處理過程均由片上系統(tǒng)完成，為該設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化打下了很好的基礎(chǔ)。

開發(fā)工具

硬件方面：

• Diglient ATLYS FPGA 開發(fā)板
• Diglient VmodCAM 雙目攝像頭模塊
• LCD 顯示器
• 計(jì)算機(jī)

軟件方面：

• XILINX ISE
• Digilent Adept
• Processing

背景

根據(jù)有關(guān)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，人們通過視覺獲得的信息量約占獲得信息總量的70%。視覺信息中具有著很多有價(jià)值的信息量，但是由于視覺信息數(shù)據(jù)量大，處理過程復(fù)雜等因素，過去很長(zhǎng)一段時(shí)間中，視覺信息處理僅處于理論研究階段。

過去20年間，隨著IT產(chǎn)業(yè)的飛速前進(jìn)，軟硬件方面均發(fā)生的翻天覆地的變化，這讓許多復(fù)雜的視覺信息的處理的過程變得越來越可實(shí)現(xiàn)化。

近幾年以來，視頻圖像處理方向上的工程應(yīng)用越來越多，并已走入大多數(shù)人的生活。比如：指紋識(shí)別、Kinect體感器等等。

然而，目前的圖像處理過程的實(shí)現(xiàn)大多是基于軟件平臺(tái)的，如Intel開發(fā)的圖像處理庫(kù)OpenCV等。對(duì)于低速、簡(jiǎn)單的圖像處理，軟件尚能勝任，但高速、雜的圖像處理過程用軟件處理起來很難達(dá)到實(shí)時(shí)性。鑒于這方面的原因，我們決定采用FPGA的并行處理、流水線處理能力實(shí)現(xiàn)視覺信息的高速處理。

通過FPGA做視覺信息處理的過程，不斷探索硬件圖像處理算法。同時(shí)，圖像具有的很多方面特征用并行處理方式去完成將具有顯著優(yōu)勢(shì)，這也將是未來圖像處理的一個(gè)重要發(fā)展方向。

設(shè)計(jì)介紹

第一部分：立體視頻采集與顯示

• 系統(tǒng)組成：

?。?總體框圖：

本系統(tǒng)由從硬件上看由三大部分構(gòu)成，分別是用于圖像采集的攝像頭模塊、實(shí)現(xiàn)圖像處理的FPGA開發(fā)板、進(jìn)行結(jié)果顯示的LCD顯示器。

２.硬件組成部分：

（１）攝像頭模塊：采用Digilent公司出品的VmodCAM攝像頭模塊。該模塊上搭載有兩個(gè)Micron公司的MT9D112 CMOS圖像傳感器（本系統(tǒng)中用到一個(gè)）。該傳感器最高支持1600x900分辨率，采用IIC的配置協(xié)議，并且內(nèi)置PLL鎖相環(huán)，能夠產(chǎn)生嚴(yán)格精準(zhǔn)相位的控制時(shí)鐘，達(dá)到高速高精度的目的。

• 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：本硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)圖像處理，智能識(shí)別系統(tǒng)由FPGA開發(fā)板實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目中使用的為Digilent公司的ATLYS FPGA 開發(fā)板。其上集成的FPGA 芯片為Xilinx 公司生產(chǎn)的Spartan-6 LX45。該開發(fā)板上集成有多個(gè)視頻輸入輸出接口（HDMI），適合做視頻處理。

• 顯示模塊：我們采用液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示界面，達(dá)到可視化強(qiáng)，便于實(shí)時(shí)的交互的效果。

1. 片內(nèi)系統(tǒng)部分：

（１）系統(tǒng)架構(gòu)

（１）系統(tǒng)架構(gòu)

（2）攝像頭模塊

Input:

D_I(7:0)：8-bit數(shù)據(jù)輸入（data input），來自片外的攝像頭模塊，傳輸像素的值，通常兩個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)（16bit）組成一個(gè)像素值；

CLK：時(shí)鐘信號(hào)，來自時(shí)鐘模塊Inst_SysCon的CAMCLK_O輸出；

CLK_180：時(shí)鐘信號(hào)，來自時(shí)鐘模塊Inst_SysCon的CAMCLK_180_O輸出（應(yīng)該為CLK信號(hào)的180度相差信號(hào)，用來與CLK協(xié)調(diào)完成D_I（7：0）到D_O（15:0）的轉(zhuǎn)化，起到像素前后部分的標(biāo)志位作用）；

FV_I：幀有效信號(hào)（Frame Valid），也稱場(chǎng)同步信號(hào)，來自攝像頭模塊，輸出一幀圖像期間，電平為高，幀與幀之間時(shí)，電平拉低；（參見MT9D112_DS Page28 Figure18）

LV_I：行有效信號(hào)（Line Valid），也稱行同步信號(hào)，來自攝像頭模塊，輸出圖像的一行期間，電平為高，行與行之間時(shí)，電平拉低；（參見MT9D112_DS Page28 Figure18）

PCLK_I：信號(hào)來自CAM_PCLK_I經(jīng)過I/O緩沖器（IOBUF）后的輸出，邏輯上等價(jià)于CAM_PCLK_I；

RST_I：模塊復(fù)位信號(hào)，來自SysCon模塊的ASYNC_RST端口。

Output：

D_O(15:0)：16-bit數(shù)據(jù)輸出信號(hào)（RGB565），由兩個(gè)8-bit的輸入數(shù)據(jù)組裝得到，代表一個(gè)像素的顏色值等，輸出給FBCtl圖像緩存控制模塊的DIA(15:0)；

DV_O：輸出給FBCtl圖像緩存控制模塊的ENA，作為使能信號(hào)，每當(dāng)一個(gè)像素的16位數(shù)值配齊時(shí)置1；

MCLK_O：輸出給攝像頭，作為其外部時(shí)鐘信號(hào)XCLK的輸入（6—54MHz）；

PCLK_O：輸出給FBCtl圖像緩存控制模塊的CLKA，來自于PCLK_I的緩沖，作為圖像存儲(chǔ)時(shí)的像素同步時(shí)鐘；

PWDN_O：恒定為0，直接輸出給攝像頭的，起到power_up功能；

RST_O：輸出給攝像頭，用作攝像頭復(fù)位（低有效）；

VDDEN_O：與Inst_camctlB的相同端口求與后輸出到攝像頭的VDDEN管腳，應(yīng)該是連到攝像頭，作為工作接通通電源的使能信號(hào)；

SCL：輸出到攝像頭的SCLK端口（FPGA→Camera），作為串行接口的時(shí)鐘輸入；

SDA：輸出到攝像頭的SDATA端口（FPGA↔Camera），作為串行接口的信號(hào)傳輸。

（3）圖像緩存控制模塊

Input:

ENC：來自VideoTimingCtl模塊的VDE_O端口，讀寫控制（）；

RSTC_I：來自SysCon模塊的ASYNC_RST端口；

CLKC：來自SysCon模塊的PCLK_O端口；

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

ENB：來自CamCtlB模塊的DV_O端口，讀寫控制（1寫）；

RSTB_I：來自Inst_InputSync_FVB模塊的D_O端口取反與SysCon模塊的ASYNC_RST端口求或；

CLKB：來自CamCtlB模塊的PCLK_O端口；

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

ENA：來自CamCtlA模塊的DV_O端口，讀寫控制（1寫）；

RSTA_I：來自Inst_InputSync_FVA模塊的D_O端口取反與SysCon模塊的ASYNC_RST端口求或；

CLKA：來自CamCtlA模塊的PCLK_O端口；

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

ddr2clk_2x：來自SysCon模塊的DDR2CLK_2X_O端口；

ddr2clk_2x_180：來自SysCon模塊的DDR2CLK_2X_180_O端口；

pll_ce_0：來自SysCon模塊的PLL_CE_0_O端口；

pll_ce_90：來自SysCon模塊的PLL_CE_90_O端口；

pll_lock：來自SysCon模塊的PLL_LOCK端口；

async_rst：來自SysCon模塊的ASYNC_RST端口;

mcb_drp_clk：來自SysCon模塊的MCB_DRP_CLK_O端口;

RD_MODE(1:0)：來自SysCon模塊的MSEL_O(1:0)端口;

DIB(15:0)：來自Inst_camctlB模塊的D_O（15:0）端口；

DIA(15:0)：來自Inst_camctlA模塊的D_O（15:0）端口；

Output：

RDY_O：該信號(hào)取反后與SysCon模塊的ASYNC_RST信號(hào)求或后輸給VideoTimingCtl模塊的RST_I端口；

mcb3_dram_ras_n：輸出給DDR2；

mcb3_dram_cas_n：輸出給DDR2；

mcb3_dram_we_n：輸出給DDR2；

mcb3_dram_odt：輸出給DDR2；

mcb3_dram_cke：輸出給DDR2；

mcb3_dram_dm：輸出給DDR2；

mcb3_dram_udm：輸出給DDR2；

mcb3_dram_ck：輸出給DDR2；

mcb3_dram_ck_n：輸出給DDR2；

DOC(15:0)：輸出給DVITransmitter模塊的BLUE_I/GREEN_I/RED_I，以RGB565的方式自高位向低位排列；

mcb3_dram_a(12:0)：輸出給DDR2；

mcb3_dram_ba(2:0)：輸出給DDR2；

mcb3_dram_udqs：雙向端口，連接到DDR2；

mcb3_dram_udqs_n：雙向端口，連接到DDR2；

mcb3_rzq：雙向端口，連接到DDR2；

mcb3_zio：雙向端口，連接到DDR2；

mcb3_dram_dqs：雙向端口，連接到DDR2；

mcb3_dram_dqs_n：雙向端口，連接到DDR2；

mcb3_dram_dq(15:0)：雙向端口，連接到DDR2；

• 圖像處理實(shí)現(xiàn)：

第二部分：三維空間定位

• 硬件組成：

1. 攝像頭模塊：在攝像頭前加裝了兩個(gè)850nm的紅外濾光片，用來濾出紅外光點(diǎn)。

1. 紅外光點(diǎn)：

1. LCD顯示器：用于光點(diǎn)識(shí)別的顯示。

1. 光點(diǎn)檢測(cè)片上模塊

模塊源代碼：

module center(

input pclk, // pixel clock

input din, // 1-bit pixel value, come from BW image buffer

input [11:0] Hcnt, // 0-1599 來自VideoTimmingCtl的HCNT_O

input [10:0] Vcnt, // 0-899 來自VideoTimmingCtl的 VCNT_O

output reg[11:0] center_h, // 0-1599,中點(diǎn)橫向坐標(biāo)

output reg [10:0] center_v // 0-899,中點(diǎn)縱向坐標(biāo)

);

reg [20:0] num; //亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)

wire [19:0] h_num; //亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)的一半

reg [20:0] num_cnt; //亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)計(jì)數(shù)

reg [11:0] h_cnt; //中點(diǎn)橫向坐標(biāo)計(jì)數(shù)

reg [10:0] v_cnt; //中點(diǎn)縱向坐標(biāo)計(jì)數(shù)

reg [20:0] center_line_sum; //中間一行的有效像素橫坐標(biāo)和

reg [20:0] center_line_sum_cnt; //中間一行的有效像素橫坐標(biāo)和計(jì)數(shù)

reg [10:0] center_line_num; //中間一行的有效像素總數(shù)

reg [10:0] center_line_num_cnt; //中間一行的有效像素總數(shù)計(jì)數(shù)

assign h_num= num[20:1];

//有效區(qū)間

reg en;

always@(*) begin

if(Hcnt>0 Hcnt1599 Vcnt>0 Vcnt899)

en= 1;

else

en= 0;

end

//亮點(diǎn)區(qū)像素總數(shù)計(jì)數(shù)

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1 Vcnt==0) //掃描到像素點(diǎn)（1，0）處時(shí)

begin

num_cnt= 0;

end

else

if(din==1 en==1) num_cnt= num_cnt+1;

else num_cnt= num_cnt;

end

//中點(diǎn)縱坐標(biāo)計(jì)數(shù)

always@(posedge pclk) begin

if(num_cnth_num) v_cnt= Vcnt;

else v_cnt= v_cnt;

end

//中間一行有效像素橫坐標(biāo)和

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1 Vcnt==0) //掃描到像素點(diǎn)（1，0）處時(shí)

begin

center_line_sum_cnt= 0;

end

else

if(Vcnt==center_v en==1 din==1)

center_line_sum_cnt= center_line_sum_cnt + Hcnt;

else

center_line_sum_cnt= center_line_sum_cnt;

end

//中間一行的有效像素總數(shù)

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1 Vcnt==0) //掃描到像素點(diǎn)（1，0）處時(shí)

begin

center_line_num_cnt= 0;

end

else

if(Vcnt==center_v en==1 din==1)

center_line_num_cnt= center_line_num_cnt + 1;

else

center_line_num_cnt= center_line_num_cnt;

end

//除法器

wire rfd;

wire [10:0] fractional;

wire [20:0] quotient;

div Divider (

.rfd(rfd),

.clk(pclk),

.dividend(center_line_sum),

.quotient(quotient),

.divisor(center_line_num),

.fractional(fractional)

);

//一幀結(jié)尾賦值

always@(posedge pclk) begin

if(Hcnt==1598 Vcnt==899)//掃描到像素點(diǎn)（1598，899）處時(shí)

begin

num= num_cnt;

center_v= v_cnt;

center_h= quotient[11:0];

center_line_sum= center_line_sum_cnt;

center_line_num= center_line_num_cnt;

end

end

endmodule

• 軟件部分：

PC上在Processing環(huán)境中開發(fā)了一個(gè)3D動(dòng)畫界面，通過立方體模擬紅外光點(diǎn)的三維位置。該程序接收從開發(fā)板經(jīng)由UART協(xié)議發(fā)來的光點(diǎn)坐標(biāo)，并將結(jié)果顯示在窗口中。