（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的电子散斑采集处理系统的研究与设计.pdf

j i i ， 冷 f n a 坷岫gu n i v c 硌毋o f a 鲫d 彻：面c s a n da 舳艇砸c s t h eg 瑚d u a t es c h ) 0 l c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n g i n e e r i i 培 r 电s e a r c ha n d d e s i g n o fe l e c t r o n i cs p e c l d e a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do n d s p at h e s i si i l m e a s u r e m e n ta 1 1 dt e s t i l l gt e c l l l l o l o g ) r & i n s 讯l m e n t s b y y 抽x i n j i u a d v i s e d b y p r o f e s s o rw h gk a i m s u b m i 讹di i lp 撕i a lf u l 伽m e n t o f 舭r e q u i r e m e 幽 f o rt 1 1 ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i i l e e 血g d e c e m b e r 2 0 0 9 气 一 蠢 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 作者签名：三趾 日 期：迦 埠主訇猢 l - 。一 0 | 一 j 最 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 电子散斑干涉技术是近年来发展起来的一种现代光测技术，具有全场、非接触，高精度， 高灵敏度和实时快速等优点，已经被广泛的应用到动态及静态测量中，如测量物体的粗糙度、 位移、变形及无损检测等，是当今国际上热门研究课题之一 随着视频处理技术和d s p 技术的高速发展，基于d s p 的视频处理系统在日常生活、视频 监控、视频会议等许多领域得到了广泛的应用。为了实时采集三维电子散斑图像，采朋多媒体 处理芯片t m s 3 2 0 d m “2 设计了一个三维电子散斑采集处理系统，将d s p 技术应用到了现代光 测领域。 本文首先介绍散斑的形成原理、得到散斑条纹图的方法和三维电子散斑测量系统，研究了 数字散斑的相位技术，比较了空域和频域的多种散斑图像滤波方法，得到了散斑噪声的最佳滤 波方法。其次，介绍了系统总体结构，分模块介绍了本系统的硬件部分，包括视频解码模块， 视频编码模块，逻辑控制模块，存储器接口模块以及电源和时钟模块。再次，介绍了系统的软 件开发环境( c c s ) 及实时操作系统d s p b l o s ，给出了软件流程。最后，作为一个完整的系统设 计方案，论文还介绍了系统的调试步骤和实验结果。 本文设计的电子散斑采集处理系统已经完成调试，初步的软件设计也已完成，均取得了令 人满意的结果 关键词：d s p ，电子散斑，图像处理，相位测量，d s p b i o s 基于d s p 的散斑图像采集处理系统的研究与设计 a b s t r a c t e l e c n 0 n i cs p e c k l ep a n e mi n t e r f e r o m e t 叮i sak i n do fm o d e mo p t i c a lm e 觞u r e m e n tt e c h n i q u e w h i c hw 笛d e v e l o p e di n 船c e n ty e a 稻i th 笛m em e r i to ff u l l - f i e l d ，n o n - c o n t a 鸭h i g hp r e c i s i o n ，h i g h s e n s i t i v i 坝他a 】t i m e 雒d ，w 1 1 i c hh 雒b e 锄w i d e l ya p p l i e dt 0d ”锄i c 锄ds 诅t i cm e 嬲u r e m 印t s u 湘a sm e 笛u r i n gr o u g h n e 豁，d i s p l e m e n t d e f 0 兀i l a t i o n 锄dn o n d e s t n j c t i v et c s t ( n d t ) e l e c 仃o n i c s p e c k l ep 龇e mi n t e i f e r o m e 仃yh 雒9 0 0 da p p l i c a t f o r e g r 0 明d0 nm e a 刚陀m e n t 绷di s eo fc u r r e n t i n t e m 硝o n a lp 叩u l a rr e s c a r c _ hs u b j e c t s w i t ht 1 1 eh i 曲s p e e dd e v e l o p m e n to fv i d e 0p 眦e s s i n gt e c h n o i o 科锄dd s pt e c t l n o l o 阱v i d e o p r o c e s s i n gs y 咖mb 觞e do nd s ph 丛b e 州d e l yu s e di no u rd a i l yl i f e ，v j d e 0m o n i t o r i n g ，v i d e o c o n f e r e n c i n g 柚do 廿1 e r 卸e 嬲i no r d e rt oa c q u 3 de s p ii m a g e 他a it i m e ，w ed e s i 即绷e l e c 仃0 n i c s p e d d ea c q u i s i t i 锄d 眦e s s i n gs y s t e mb 觞e d t m s 3 2 0 d m 6 4 2w h i c hi sam u l t i m e d i a p r o c e s s i n gc h i p ，绷di n 仃0 d u d s pt e c h n o l o g yi n t ot 1 1 ef i e l do fm o d e mo p t i c a lm e 笛u 他m e n t f i r s t l y 伽i sp 印盯i n 臼硼u c e st h ef 0 咖i n g 州n c i p l eo fs p e c k l e ，m e t h o d so fo b t a j n i n gs p e c l d e 衔n g ep a t t e m 锄d3 de s p ls y s t i e m w b 他s e a r c ht h ep h a m e 舔u 他m e n to fd s p l 锄do b t a i n 小eb e s t f i l t 酣n gm 劬o da 角盱r e s e a r c h i n gt h e 矗l t e r i n gt e c t m i q u e si ns p a t i a l 锄df e q u e n c yd o m a i n s s 朋o n d l y 加i n 蜘o d u c i n gt 量l em a j nc o n s i s 悔o fn l es y s t e m ，w ed e s c r i b et t l eh a r d w a r ep a r ti nm o d u l e sw h i c h i n c l u d i n g 、，i d d 0 d 盯m o d u l e ，、，i d 册c o d e rm o d u l e ，c p l dm o d u l e ，m e m o 巧i n t e 舭em o d u l e ， p o w e rs u p p l y 锄dc 1 0 c km o d u l c n i r d l y w ei n 仃0 d u c et h e 脚a 他d c v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( c c s ) o f 伽es y s 钯m 锄dr e a lt i m eo p e r 吐i n gs y 啦md s p b l o s ，绷dd e r i b e 山es 0 n m 鹏p r o c e s s 协t l y ， w ed e s c r i b et 量l ed e b u 鹳i n g 咖p s 觚de x p e r i m e n t a lr e s u l t s w 色h a v ec o m p l 删t h ed e 乩i g 咖go f e l e c _ t r o n i cs p e c k l ea c q u i s j t i 锄dp r o c e s s i n gs y s t e mw h i c h i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r 锄dn l ee l e m e n t a 巧s o 胁a 他d e s i g nh 弱a l b 啪c o m p l e t e d b o t t l0 ft h e m h a v e q u i r e da s 鲥s 亿厕陀s u l t k e y w o r d s ：d s 只e l e c 臼0 n i cs p e c k l e ，i m a g ep 雠e s s i n g p h 鹬em e 踟p 啪e 她d s p b l o s 爿 最， 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 散斑测量技术1 1 2 图像处理系统发展概述l 1 3 本图像采集处理系统的提出：3 1 4 本论文的研究工作4 第二章散斑测量技术5 2 1 散斑的形成5 2 2 散斑条纹的形成5 2 2 1 双曝光法。5 2 2 2 数字散斑相减法叩7 2 3 相位测量技术7 2 3 1 相位测量原理8 2 3 2 相移装置叩8 2 3 - 3 相移方法8 2 3 3 1 三步相移法8 2 3 3 2 四步相移法9 2 3 3 3c a r r 6 算法9 2 3 4 相位解包裹1 0 2 3 5 位移计算10 2 4 散斑图像处理技术10 2 4 1 空域滤波1 1 2 4 2 频域滤波l3 2 5 三维电子散斑测量i 16 2 6 本章小结。l8 第三章系统总体架构及硬件设计。1 9 3 1 系统总体设计。1 9 3 21 m s 3 2 0 d m 6 4 2 的硬件资源2 0 3 2 1d m 6 4 2 处理器内核及片上资源。2 0 3 2 2d m 6 4 2 存储空间分配2 2 i h 基于d s p 的散斑图像采集处理系统的研究与设计 3 2 3 电路设计中的d m 6 4 2 配置2 2 3 2 3 1 复位时的配置2 3 3 2 3 2 复位后的配置2 4 3 3 硬件系统各个模块电路的设计2 6 3 3 1 系统电源设计2 6 3 3 1 1 电源需求分析2 6 3 3 1 2 系统功耗估计2 6 3 3 1 3d s p 供电的去耦2 6 3 3 1 4 系统电源电路设计2 7 3 3 2 存储器扩展电路2 8 3 3 2 1d l 6 4 2 的e m i f a 接口简介2 8 3 3 2 2s d r a m 存储器扩展。2 9 3 3 2 3d m “2 引导模式。3 0 3 3 2 4f l ，a s h 存储器扩展3l 3 3 3 系统视频模块设计_ 3 3 3 3 3 1d m 6 4 2 的视频端口配置3 3 3 3 3 2b t 6 5 6 视频数据格式。3 4 3 3 3 3 视频输入设计3 4 3 3 3 4 视频输出设计3 5 3 3 41 2 c 总线接口电路3 6 3 3 5 串口扩展电路。3 7 3 3 6 逻辑控制模块设计3 8 3 3 7 系统时钟信号产生电路4 0 3 3 8j t a g 接口和复位电路4 2 3 3 8 1j 1 a g 接口4 2 3 3 8 2 复位电路4 2 3 4 本章小结4 3 第四章系统软件设计。4 4 4 1d m 6 4 2 的软件开发环境4 4 4 1 1 集成开发工具c c s 4 4 4 1 2 实时操作系统d s p b i o s 4 4 4 2 基于d s p b l o s 的系统软件设计与实现4 7 南京航空航天大学硕士学位论文 4 2 1 基于d s p b i o s 的程序开发流程4 7 4 2 2 系统的启动和初始化4 8 4 2 2 1 系统程序的加载和启动4 8 4 2 2 2d m 6 4 2 及外设的初始化。5 1 4 2 3 视频端口驱动程序设计5 3 4 2 4 基于d s p b l o s 的多任务实现5 7 4 2 5 图像滤波算法的编程实现5 8 4 3 本章小结6 1 第五章系统调试与实验结果。6 2 5 1 调试环境和调试步骤6 2 5 2 散斑图像采集处理结果“ 第六章总结与展望6 7 6 1 总结6 7 6 2 展望。6 7 参考文献6 8 附录a 系统实物图7 1 附录b 印刷电路板图7 2 j 变谢7 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 4 v 基于d s p 的散斑图像采集处理系统的研究与设计 图清单 图2 1 典型的散斑图。5 图2 2 双光束散斑干涉技术测量原理图6 图2 3 相减方法得到的散斑条纹图7 图2 4 均值滤波条纹图( 2 5 2 5 ) 。1 2 图2 5 均值滤波相位分布图( 2 5 x 2 5 ) 1 2 图2 6 中值滤波条纹图( 3 5 3 5 ) 1 2 图2 7 中值滤波相位分布图( 3 5 3 5 ) l3 图2 8 巴特沃斯低通滤波器的特性图。1 4 图2 9 傅立叶变换频域低通滤波条纹图( 胆3 ，c 伊1 0 ) 。1 4 图2 1 0 傅立叶变换频域低通滤波相位图( 胪3 ，舻l o ) 1 5 图2 1 l 余弦变换巴特沃斯低通滤波散斑条纹图( = 3 ，风= 1 8 ) 1 5 图2 1 2 余弦变换巴特沃斯低通滤波散斑相位图( = 3 ，d d = 1 8 ) 1 6 图2 133 de s s p i 测囊系统光路。17 图2 1 4 测量w 场的电子散斑干涉光路1 7 图2 1 5 “、v 场电子散斑干涉光路1 7 图2 1 6 实时三维电子散斑测量系统1 8 图3 1 系统总体框图1 9 图3 2d m 6 4 2 内核和片上资源2 l 图3 3d m “2 二级缓存及其存储空间配置2 2 图3 4 外设配置寄存器( p e r c f g ) 2 5 图3 5 外设使能禁用流程图2 5 图3 6 寄存器p c f g l o c k 2 5 图3 7t p s 5 4 3 l o 典型电路图2 8 图3 8 + 3 3 v ( 模拟) 和+ 1 8 v 电源电路图2 8 图3 9d m 6 4 2 与s d r a m 的连接电路图3 0 图3 10f l a s h 存储器扩展电路3 2 图3 1 1d m “2 与t 、伊5 1 5 0 连接原理图3 5 图3 1 2 d m “2 与s a a 7 1 2 l h 接口电路3 6 图3 1 31 2 c 总线切换电路。3 6 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 4 串口扩展电路3 7 图3 1 5c p l d 扩展键盘3 8 图3 1 6 c p l d 扩展键盘内部逻辑电路。3 9 图3 17 外部中断组合逻辑。3 9 图3 18p ：a 1 9 p a 2 l 在c p l d 内部的扩展4 0 图3 19 串口扩展控制逻辑4 0 图3 2 0 系统时钟产生电路4 l 图3 - 2 l ，t a g 接口电路4 2 图3 2 2d m “2 复位电路4 2 图4 1c 6 0 0 0 软件开发流程图4 5 图4 2d s p b i o s 配置工具界面。4 6 图4 3 系统程序流程4 9 图4 4 类微型驱动模型的结构5 4 图4 5f v i d 类驱动封装与g i o 的关系5 4 图4 6 图像处理任务中的程序流程5 8 图5 1 打开工程文件6 2 图5 2 载入g e l 文件6 2 图5 3 载入可执行文件。6 3 图5 4 执行程序到m i n o 6 3 图5 5 设置观察窗和断点6 3 图5 6 保存调试环境“ 图5 7c c d l 采集的w 场散斑条纹图6 5 图5 8c c d 2 采集的“场散斑条纹图6 5 图5 9c c d 3 采集的 ，场条纹图6 5 图5 1 0 滤波后的w 场散斑条纹图6 6 图5 1 1 滤波后的“场散斑条纹图6 6 图5 1 2 滤波后的v 场散斑条纹图6 6 v i l 表清单 表3 1 关于p c i 、g p 0 、e m a c 和m d i o 的外设选择2 3 表3 2d m 6 4 2 器件配置2 4 表3 3 系统功耗统计2 7 表3 4e m i f a 接口寄存器2 9 表3 5 a m 2 9 l v 0 3 3 c 芯片的总线操作3 2 v i ， 走 南京航空航天大学硕士学位论文 j ，一 ( x ，y ) w ( 聊，拧) 、玑 厂( f ，j ) 、( x ，y ) ，( ”，) ： 取 注释表 物光的强度 随机散斑相位 变形前物面上任意一点 物体离面位移 含噪图像 变换后的频域图像 滤波器截上卜频率 l8 9 厶( x ，y ) 国( 肌，以) 、玑 g ( m ，1 ) 片( 材，v ) d ( “，) 参考光的强度 相位改变量 变形后物面上任意一点 物体面内位移 空域滤波后图像 滤波器传递函数 从频率域的原点到点 ( ”，v ) 的距离 l x 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 散斑测量技术 散斑测量技术是二十世纪七十年代发展起来的一种光测力学新方法。它除了具有全息干涉 法的非接触式、直观、能给出全场情况等一系列优点以外，还具有光路简单、试件不要求光滑、 也不一定透明，对实验条件要求比较低，计算方便、精度可靠、灵敏度在一定范围内可选择等 特点1 1 j o 当一束激光照射到物体的粗糙表面上时，在表面前方的空间将布满明暗相间的亮斑和暗斑； 若再置一个纸屏予粗糙表面前方，会更明显地看到这一现象；这些亮斑与暗斑的分布是随机的， 故称散斑( s p e c k i e ) 【2 】虽然散斑的火小和位置分布是随机的，但所有散斑的综合是符合统计 规律的。在同样的照射和记录条件下，一个漫反射面对应一个确定的散斑场，也就是说散斑场 与形成此散斑场的面是自相关的。另外，散斑存在于试件表面前“非定域”的空间中。在各个 位置都能记录散斑图。基于散斑的这些特点，可以知道散斑是粗糙表面的某些信息的携带者并 且散斑图像容易得到。这样，借助于散斑不仅可以研究粗糙表面本身，而且还可以研究它的形 状与位置的变化。把获取这些信息的各种试验技术统称为散斑干涉技术，散斑干涉技术具有许 多独特的优点，主要体现在以下四点： ( 1 ) 散斑测量技术是非接触全场测量，对被测物体没有附加质量的影响； ( 2 ) 散斑测量系统光路简单，一般不需要隔振台，对光源功率要求也不高； ( 3 ) 散斑测量对试件材料没有特殊要求，不需要模型化，可对实物进行测量； ( 4 ) 散斑测量范围较大，测量精度高。 散斑测量技术用途很广，可用在检测各种工程机械及设备的变形，振动，冲击，粗糙度， 刚度和强度等，还可用于十木结构、水利设施的变形测量。它不但可以作为模型设计、分析、 样机实验的先进工具，而且还可以作为产品检验和生产过程控制的一种有利：1 j 具，该技术也可 以用来检测复合材料，集成电路，压力容器和焊接物体表面或内部缺陷，成为x 射线、红外和 超声等传统无损检测方法的一种有效补充手段。因此，该技术在机械、土木、水利、电器、航 空航天、兵器t 业及生物医学等领域的检测中具有非常重要得地位”。 1 2 图像处理系统发展概述 图像处理系统的发展与计算机技术和集成电路技术的发展密切相关。图像处理系统的发展 十分迅速，其最主要的原因在于计算机的高速发展。从1 9 8 1 年的第一台美国l b m 公司的p c 微机发展到现在的多核微机，其惊人的发展速度，极大的推动了图像处理系统的发展。另一个 l 基于d s p 的电子散斑采集处理系统的研究与设计 方面，半导体器件的迅猛发展也促进了图像处理系统的发展。这主要表现在处理器的处理速度 的提高和存储器存储容量的增大，而二者恰恰是图像处理系统的关键所在。 图像处理系统的发展，在时间上，大致可以划分为四个阶段哺1 ： ( 1 ) 第一阶段的时间大体上是2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代中期，这个时期的图像处理系统采用 机箱式结构，主流计算机采用小型机，并采用双屏操作方式，所以系统的体积比较人。功能也 比较强，当然价格也比较贵。当时的代表作是美国1 2 s 公司推出的m o d e l 7 0 ，m o d e l - 5 0 图 像计算机，英国j o y c el o b e l 公司推出的m a g i s c a n 图像分析系统以及美国v i c o m 系统 公司推出的v i c o m v e m 图像处理工作站。 ( 2 ) 第二二阶段的时间大体上是2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初期，这个阶段的主要特点是小 型化，外形不再是机箱式而是插卡式，绝大部分都采用p c 系列微机构成图像处理系统，计算 机总线采用i s a ( i n d u s t r i a ls t 锄d a r da r c b i t e c t u r e ) 总线。图像卡的体积较小，一般图像卡都是采用 大规模集成电路甚至是制作专用集成电路，从而使价格降低了。这个时期的代表作是美国 i m a g i n g t e c h n o l o g y 公司推出的p c v i s l o n 图像卡、p c v l s i o np l u s 图像卡，美国d t 公司推出 的d t 2 8 5 l 图像卡，加拿大m a t i 的x 公司的一系列图像卡。 ( 3 ) 第三阶段的时间大体上是从2 0 世纪9 0 年代初开始到本世纪初期，这一阶段图像处理系统 突出特点是单屏方式，以微机p c i 总线( p e r i p h e m lc o m p o n e n ti n t e 啪n n e c tb u s ) 为支持的单屏方 式和以图像压缩传输为特点的图像通信方式成为主流方式，但仍然主要依靠微机来进行图像处 理，在w i n d o w s 平台上编制图像处理软件包，这个时期的代表有美国i n t e l 公司推出的m m x ( 多 媒体指令系统) 等。 ( 4 ) 第四阶段的时间大体上是从本世纪初开始。随着微型计算机的发展和普及，现代的图像处 理方式越来越向高速、小型、简洁的方向发展，图像处理逐渐由专用、笨重的图像处理机过渡 到通用、小型的微型机方式，但是由于图像的数据量很大，算法复杂程度高，人们经常使用软 件来处理，软件往往局限于计算机的配置，使得图像处理速度比较慢、实时性差、价格高，不 适宜在小规模、小环境内使用。与此同时数字信号处理各种算法日趋完善，特别是运算能力的 很强的数字信号处理器( d s p ) 的问世，使现代图像处理系统进入了和计算机紧密结合的全数字体 制的阶段。以d s p 为核心的硬件系统同样可以用来进行图像处理，为这个问题的解决带来了新 的途径。 d s p 的运算速度和运算精度不断地提高，片内的存储容量不断地加人，系统功能、数据处 理能力以及与外部设备的通信功能不断地增强，完全可以脱离p c 机开发出基于d s p 的图像系 统。这种设计方案的优点是设计简单、灵活，成本比较低，便于实际中使用。 2 萨 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 本图像采集处理系统的提出 1 9 6 6 年，b 1 1 j c h 和e n n o s 在实验中发现散斑具有可测的强度和确定的相位，开始了人们对 散斑的研究。1 9 7 1 年b u t t e r s 和l e e n d e n z 首先应用光电子器件( 摄相机) 代替了全息干板记录 散斑场的光强信息，并存储在磁带上，由电视摄相机输入的物体变形后的散斑图通过电子处理 的方法不断与磁带中的变形前散斑图进行比较处理，从而在监视器上能观察到散斑干涉条纹， 这种方法就称为电子散斑干涉法( e l e c 仃0 n i cs p e c k l ep a n e mi n t e 疵r o m e t l y 简写为e s p i ) 。八十年 代以后，随着电子存储技术与电视技术的发展，散斑图可以以点阵的形式量化为数字量存储， 并可以读出和写入，这就是数字散斑干涉技术( d i g i 伽s p e c k l ep a n e mi n t e m r o m e 臼y 简写为 d s p i ) 。数字散斑干涉减小了电子散斑的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。目前，该技术逐 步代替了以往的用电子处理方法的电子散斑干涉法，但在习惯上，人们往往将电子处理方法实 现的电子散斑干涉法( e s p i ) 和用数字处理方法实现的数字散斑干涉法( d s p i ) 统称为电子散斑干 涉法( e s p l ) 【6 1 【7 1 。 由于适应各种不同：r 程测量的需要，一些仪器化、商品化的电子散斑干涉仪也相继问世， 1 9 8 0 年英国的v i m e n 公司首次推出一种电子散斑干涉仪。1 9 8 8 年美国激光技术公司首次推出 电子散斑剪切干涉仪e s 9 l o o ，1 9 9 0 年美国的n e w p o n 公司推出h c - 4 0 0 0 型的e s p i 干涉仪。 1 9 9 2 年瑞士的v i b r m m e t e r 公司也推出了l 迮t r a l 0 0 型电子散斑干涉仪。1 9 9 2 年美国激光技术 公司又推出了新型的电子散斑剪切干涉系统e s 9 2 0 0 ，e s 9 4 0 0 ，e s 9 1 2 0 ，e s 9 6 0 0 及s c - 4 0 0 0 便携式电子散斑剪切干涉仪。国内1 9 8 9 年天津火学首次研制成功了电子散斑剪切干涉系统( e s s ) 随后又开发了d s s p i 系统。1 9 9 2 年，中国科学技术大学将半导体激光器成功地应用于电子散斑 干涉中，并由可切换的双频光栅实现了剪切，1 9 9 3 年西安交通大学也研制了光纤电子散斑干涉 系统8 。 在e s p i 方面，2 de s p l 仪器开发和应用较多，3 de s p l 仪器的开发以德国d a n t e c e t t e m e y e r 公司为代表，已经研制出多种e s p l ( 2 d 或3 d ) ，可以进行物体的三维变形、位移、 应力，应变无损检测等，显示了此技术的实际应用价值。由于此类产品化仪器不多，价格非常昂 贵，在实际生产中还未得到充分应用，便携式的3 de s p i 仍是需要重点开发的测量仪器o 。随 着数字信号处理技术和视频图像处理技术的发展，通用d s p 芯片开始应用于视频图像的处理二r ： 作中，借助高速的视频解码芯片，使得基于通用d s p 芯片的视频图像的采集、处理成为可能。 本系统是结合d s p 技术和散斑测量技术，实现一个基于定点d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 简 称d m 6 4 2 ) 的三维电子散斑采集和处理系统，其主要功能是从3 个c c d 摄像头输出的p a l 模 拟视频信号中提取静态散斑图像，经视频解码芯片数字化后送入处理器作后继图像处理和分析， 将采集处理结果通过串口上传给上位机p c ，同时在p a l 制式l c d 显示器中可有选择的实时观 3 基于d s p 的电子散斑采集处理系统的研究与设计 察某一路散斑图像或散步条纹图。系统利用d m 6 4 2 的2 个可配置视频接口，同时采集3 路散 斑图像，实现三维电子散斑测量。 1 4 本论文的研究工作 本文针对电子散斑干涉技术，把d s p 技术引入现代光测领域，开发了一个基于t l 公司 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的三维电子散斑采集处理系统，本系统也可以扩展应用到全息、云纹的测量中。 主要研究内容包括： ( 1 ) 对相位测量技术进行研究，通过相移技术和相位解包裹处理，得到散斑的实际相位分布图， 从而计算出物体的变形信息；研究比较了空域和频域的多种滤波方法，选择一种滤波效果好的 滤波方法用于本文研究和设计的系统中：研究了三维电子散斑测量的光路系统和实现方式。 ( 2 ) 以整个系统的硬件设计为主要研究对象。结合散斑测量的原理与基于d s p 的嵌入式系统 的特点，提出系统的设计方案。针对d m 6 4 2 芯片和系统的要求设计并实现电子散斑采集处理 系统的硬件平台。包括d s p 核心系统、电源模块、视频模块、存储器模块、逻辑控制模块和时 钟模块等的设计。 ( 3 ) 系统软件设计与实现。涉及内容包括：软件开发环境c c s ，实时操作系统内核d s p b i o s ， i o m 驱动开发等技术。其中详细介绍了基于d s p b i o s 的系统软件开发流程，各个模块的设计 以及视频驱动的开发。 4 _ 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章散斑测量技术 散斑最初是作为全息测量中的噪声而被认识的，被人们认为是无用信息，但是后来在实验 中发现其具有可测的强度和确定的相位，才逐渐引起人们的重视，并得到进一步的研究，研究 表明散斑技术是一种非常灵敏的位移测量技术，在应变的测量中也应用广泛。 2 1 散斑的形成 当用相干性很好的光源( 如激光光源) 照射漫反射物体的表面时，可以看到物体表面是由 许多亮点和暗点交织组成，这些在物体表面前方空间形成的随机分布的明暗点，就是所谓的散 斑。要产生散斑必须具备以下两个条件【1 1 】： ( 1 ) 必须有能发生散射光的粗糙表面。为了使散射光较均匀，则粗糙表面深度必须大于激光波 长； ( 2 ) 入射光线的相干度要足够高，所以常选择激光作为光源。 典型的散斑图如图2 1 所示。 2 2 散斑条纹的形成 一 图2 1 典型的散斑图 物体发生变形，散斑也随之发生变化，它们之间有着一一对应的关系。把物体表面变形前 后所形成的两个散斑图分别拍摄成像，图像上的每个小区域和物体表面的小区域一对应，当 此区域足够小时，图像上对应的小区域内的两个散斑图几乎完全相同，只是错动了一个与物体 表面位移有关的小的距离，这时各个斑点都成对出现。其错动的距离和方位，代表所对虑的物 体表面小区域的移动。用数字图像处理的方法，按照一定原则对物体变形前后的两幅散斑图进 行处理，得到散斑条纹图。下面通过离面位移的测量原理，介绍两种获得散斑条纹的方法。 2 2 1 双曝光法 图2 2 是采用双光束散斑干涉技术测量离面位移的示意图，图中物光，。和参考光，疗是由同 5 基于d s p 的电子散斑采集处理系统的研究与设计 一光源发出的两束相干光，l 照明被测物体表面，被测物体由成像透镜成像，经分光棱镜到像 平面；厶由分光棱镜反射到像平面，在像平面物光散斑场与光滑参考光干涉形成干涉散斑场1 2 1 。 物光l 书互 一曰 被钡物体成像透镜参考光i b像平面 图2 2 双光束散斑干涉技术测量原理图 物体变形前像平面上任意一点( 毛y ) 的光强可表示为： ( x ，y ) = l + 厶+ 2 l 厶c o s ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，l 和厶分别为物光和参考光强度，是一个随机散斑相位。 当物体某点( x ，y ) 沿观测方向( 与像平面垂直) 发生吃的离面变形后，将引起妒的相位改 变，这时候像面上点( x ，y ) 的光强可以表示为： 厶( 五少) = l + 厶+ 2 l 厶c o s ( + 力 ( 2 2 ) 双曝光法的基本原理是物体变形前后的散斑场，在同一底片上，各曝光一次，形成散斑条 纹。这相当于将变形前后的两个散斑场的光强相加得到新的散斑场，这个新的散斑场在最火的 相关区具有最大的散斑对比，相关减弱时，对比将降低。当两个散斑图不相关时，将获得非零 的极小值。相加的输出可以用下式表示： m 叫啦+ 4 瓜c o s ( + 等) c o s ( 等) 眩3 ， 当两个散斑图的和直接在监视器上显示时，应注意其平均强度是一个常数，相关的变化是 由散斑图对比的变化反映出来的，而不是反应在强度的变化上，所以通过滤波把直流分量滤掉 后，就只剩下交流分量： m 川