基于TMS320DM642的三维物体表面测量系统

基于TMS320DM642的三维物体表面测量系统

骆　南１，张乃文２，吴　冈１

（１．黑龙江省科学院自动化研究所，黑龙江　哈尔滨　１５００９０；２．哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳　５１８０５５）

摘　　要：提出一种基于ＤＭ６４２的嵌入式三维物体表面测量系统。该系统应用结构光原理，使用ＤＳＰ／ＢＩＯＳ嵌入式系统生成相应的编

码条纹，控制并实现编码条纹的投影、采集图像以及相位解调和点云数据的计算。实验证明，基于ＤＭ６４２的嵌入式三维物体表面测量系统能很好的实现三维信息的采集及测量任务。

关键词：嵌入式系统；ＤＭ６４２；三维测量；结构光

中图分类号：ＴＨ８２３．１　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２０１１）０７－００８０－０３

Three-Dimensional Surface Measurement System Based on

TMS320DM642

LUO Nan1, ZHANG Nai-wen2, WU Gang1

( 1. The Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090 China;2. Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055 China )

Abstract: An embedded three dimensional surface measurement system based on DM642 is presented. This embedded system

uses the principle of structured light, and configuration tool of DSP/BIOS operating system to produce and project thepictures of coded stripes, and capture the image, unwrap phase and calculate cloud data. Experimental results show thatthis three-dimensional surface measurement embedded system based on DM642 can achieve the three-dimensionalinformation acquisition and measurement tasks very well.

Key words: embedded system; DM642; three-dimensional measurement; structured light

１　　引言

三维视觉技术是目前国内外的研究热点。在三维视觉成像或三维测量领域中，结构光法三维信息测量技术取得了快速发展［１］。结构光测量技术具有非接触、速度快、精度高等优点，已经在机器视觉、工业检测、医学、娱乐等领域取得了大量的应用。目前，由单相机和单投影仪组成的结构光三维测量系统，由于结构简单、成本低、点云重建效率高等优点被广泛应用于各个领域。

ＤＳＰ作为一种嵌入式处理器有着处理速度快、低功耗、编程方便、接口简单等特点被广泛应用到各个领域，尤其是在图像和多媒体处理领域。本文提出的基

于ＤＭ６４２［２］的嵌入式三维物体表面测量系统，有着低成本、高集成度、高精度以及高稳定性等特点，以ＤＭ６４２为核心的嵌入式系统完成了编码图像的生成及投影、编码图像的采集和相位计算，从而获取到精确的三维点云信息。

２　　系统结构及原理

２．１　　硬件组成结构

以ＤＭ６４２为核心的三维物体表面测量系统的硬件结构如图１所示。

本系统采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２，专业于数字媒体应用的高性能３２位定点ＤＳＰ，工作频率最高达７２０ＭＨｚ，处理性能可达５７６０ＭＩＰＳ［３］。片上存储器：Ｌ１ＰＣａｃｈｅ：１６Ｋ×８位；Ｌ１Ｄ　Ｃａｃｈｅ：１６Ｋ×８位；Ｌ２ＲＡＭ／

收稿日期：２０１１－０６－３０

Ｃａｃｈｅ：２５６Ｋ×８位。片上外设：３２位定时器、ＭｃＢＳＰ；ＭｃＡＳＰ、Ｖｉｄｅｏ　Ｐｏｒｔ、ＶＩＣ、ＰＣＩ、ＩＩＣ、ＧＰＩＯ、ＥＭＡＣ＆ＭＤＩＯ、１６／３２位ＨＰＩ。外扩ＳＤＲＡＭ，容量４Ｍ

参考平面的垂直距离，Ｄ是相机中心和投影仪中心间的距离，φCA为Ｃ点相对于Ａ点的相位值。

×６４位。外扩Ｆｌａｓｈ，容量为４Ｍ×８位。４路标准ＰＡＬ

或ＮＴＳＣ制模拟视频输入（ＣＶＢＳ复合视频信号或Ｓ端子信号输入），１路标准ＰＡＬ／ＮＴＳＣ制模拟视频输出（ＣＶＢＳ复合视频信号或Ｓ端子信号输出）。嵌入式系统中的ＳＡＡ７１１３Ｈ芯片是一款高性能视频解码器，可将ＮＴＳＣ、ＰＡＬ等视频信号转换成数字色差信号（ＹＵＶ４：２：２），支持两路组合信号或者一个Ｓ端子输入。输出格式为ＩＴＵ－Ｒ　ＢＴ．６５６。

图２　　结构光法基本原理示意图

从式（１）可以看出，结构光法测量物体深度的关键是求解出包含物体深度信息的相位分布值，常用的求解光栅图像相位分布的方法有傅立叶变化法、时域卷积滤波法以及相移法等等［５］。相移法是目前公认的最有效、最可靠的方法，其实质是在时间轴上的逐点运算，采用多幅图像由光强得到的相位，计算量少，并且图像的阴

图１　以DM642为核心的系统结构

影区域容易区分，具有一定的抗静态噪声的能力，因此本文采用相移法来求解相位［６，７］。

使用正弦强度分布的数码光栅，获取图像的灰度Ｉ与相位φ之间的关系可表示成：

２．２　　结构光三维成像原理

结构光法的基本原理是将一定模式的光（如光栅等）照射到被测物体的表面，然后由摄像头拍摄反射光的图像，通过图像在平面的对应关系来获取物体表面上点的实际位置。在本系统中，实现时需要先标定系统，把投影机和相机的位置固定好后，将１３幅光栅（４幅正弦光栅，７幅格雷编码光栅）投到参考面上，用相机采集这１３幅图存储在ＳＤ卡上。这样参考平面就可以固定的存在ＳＤ卡中，每次启动系统时先把参考平面读到内存中，不必要每次都先采集参考平面，提高了效率。图２给出了结构光法的基本原理示意图，测量时，一束光栅从一定角度照射到被测物体表面，ＣＣＤ摄像机同时获取物体表面的图像信息，给定参考平面的高度为０，则被测物体表面到参考平面的高度可由下面的公式计算得到［４］：

I(x,y)=I′(x,y)+I′′(x,y)cos(φ(x,y)+δ)　　　　（２）

其中I′(x,y)为图像的平均灰度，I′′(x,y)为灰度模数，δ为相位模数。因为I′′(x,y)，δ和φ(x,y)均为未知数，所以至少需要三组独立的方程才可以求解。以９０度作为相移角度，用ＣＣＤ摄取４张投影图像，则可计算得到相位［８］：

I I

φ(x,y)=tan 1 42 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）

I1 I3

如果相移和测量都不存在误差，则上面的过程可精确计算出相位，但实际上由于相移器的非线性误差、测量误差以及其他随机因素的影响，式（３）计算出来的结果会出现较大的误差，为了提高相位测量精度，可以采集多幅相移条纹图像，用优化系统方法进行相位计算，详细过程可参考文献［６，７］。

在式（１）中还有两个未知的常量L和

2πD

需要我们P

L CA

h(x,y)=

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１） CA+

P

其中真正的高度是－h(x,y)，坐标为h(x,y)，P是光栅条纹投射至参考平面的有效波长，Ｌ是相机距离

| 81

通过标定得到，用两个已知高度的平整物体测量其三维信息。设x= L，y=到这两值。

2πD

，通过一个方程组可以得P

４　　结束语

本文提出了一种基于ＤＭ６４２的嵌入式三维物体表面测量系统。以ＤＭ６４２为核心，基于结构光三维测量原理，在嵌入式系统中实现了条纹编码、投影条纹图像、采集图像、相位展开和点云数据计算的整个过程。实验证明，该系统速度快、稳定性高、独立性强，可以实现物体表面三维信息的测量。

h

x y1=h1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）

Q1

h2

=h2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）Q2

通过解式（４）和式（５）方程组可以得到x和y的值，它x y

们的值如式（６）和式（７）所示。

参考文献：

［１］　ＣＨＥＮ　Ｆ，ＢＲＯＷＮ　Ｇ　Ｍ，ＳＯＮＧ　Ｍ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｓｈａｐｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｕｓｉｎｇ　ＯｐｔｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓ　［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，３９（１）：１０－２２．

［２］　ＴＭＳ３２０ＤＭ６４２　Ｖｉｄｅｏ／Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｆｉｘｅｄ－ｐｏｉｎｔ　Ｄｉｇｉ－ｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｄａｔａ　Ｍａｎｕａｌ　（ＳＰＲＳ２００Ｂ）［Ｚ］．（２００３－０５－０３）．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ／ｓｃ／ｄｏｃｓ／ｐｓｈｅｅｔｓ／ｍａｎ＿ｄｓｐ．ｈｔｍ．

［３］　合众达电子．ＳＥＥＤ－ＶＰＭ６４２用户指南．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｅｄｄｓｐ．ｃｏｍ．

［４］　Ｂ．ＦＩＯＮＡ，Ｐ．ＰＡＵＬ，ａｎｄ　Ｃ．ＪＡＭＥＳ．Ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｆｒｉｎｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎ－ｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ａｎ　ｏｂｊｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓ－ｅｎｃｅ　ｏｆ　ｎｏｉｓｅ．Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒｓ　ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，３９（１）：３５－５０．

［５］　Ｔ．Ｒ．ＪＵＤＧＥ　ａｎｄ　Ｐ．Ｊ．ＢＲＹＡＮＳＴＯＮ－ＣＲＯＳＳ．Ａ　ｒｅ－ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ　ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｆｒｉｎｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒｓ　ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１９９４，２１（４）：１９９－２３９．

［６］　Ｒ．Ｃ．ＧＯＮＺＡＬＥＺ　ａｎｄ　Ｒ．Ｅ．ＷＯＯＤＳ．Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｉｍ－ａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　（２ｎｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ）．Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ，２００２．

［７］　Ｐ．Ｊ．ＢＥＳＬ　ａｎｄ　Ｒ．Ｃ．ＪＡＩＮ．Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈｖａｒｉａｂｌｅ－ｏｒｄｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｉｔｔｉｎｇ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐａｔ－ｔｅｒｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．１９８８，１０（２）：１６７－１９２．

［８］　ＳＵＲＲＥＬ，Ｙ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　ｐｈａｓｅ　ｍｅａ－ｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ　ｓｔｅｐｐｉｎｇ．Ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｐｔｉｃｓ，１９９６，３５（１）：５１－６０．

x=h1+

h1 h2h121Q1

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）

Q2Q1

y=

h1 h2

21　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７） Q2Q1

整套系统的流程如图３所示：

图３　　系统整体流程控制图

３　　系统实验结果

本系统实验采用的是４步相移法，每幅图像采用的是正弦图像，每幅图像以四分之周期步进。同时采用７幅格雷编码的图像进行绝对相位计算，从而计算出每个像素点的相位值。本系统采集图片的分辨率为３６０×２８８。图４是应用本文提出的嵌入式三维测量系统测量的结果。

图４　　实际物体系统测量结果

作者简介：骆南（１９８０－），男，助理研究员，研究方向：计算机图像处理与模式识别技术。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/r6s1.html