基于TMS320DM642的三维物体表面测量系统

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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。试验证明，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。

Ｃａｃｈｅ：２５６Ｋ８位。片上外设：３２位定时器、ＭｃＢＳＰ；ＭｃＡＳＰ、ＶｉｄｅｏＰｏｒｔ、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４Ｍ８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－ＲＢＴ．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

影区域简单区分，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。由于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］：

II

φ(x,y)=tan142（３）

I1I3

假使相移和测量都不存在误差，则上面的过程可确切计算出相位，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

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终止语

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。试验证明，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

xy1=h1