第４卷第８期 ２０１３年８月 黑龙江科学 ＨＥＩＬ０ＮＧＪＩＡＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖ０ｌ＿４ Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ．２０１３ 基于ＦＰＧＡ的嵌入式正弦光栅发生器 王 刚，石 磊，朱明清 （黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨１５００９０） 摘要：采用数字光栅条纹投影和相位测量原理的三维物体表面测量系统，该系统包括嵌入式三维点云数据的采集、数 字条纹投影光栅发生器和计算机的三维点云数据显示及处理三部分，作者针对该应用，采用嵌入式技术开发一个数字投影 光栅发生器，能根据实际测量需要自动产生投影条纹，可以利用ＶＧＡ接口与投影仪或是显示器实时显示，并能与图像采集 系统实时通信。 关键词：正弦光栅；ＦＰＧＡ；ＶＧＡ接口 中图分类号：ＴＰ３９１．４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８６４６（２０１３）０８－００４１－０４ Ｓｉ￣ｉｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｇｒａｔｉｎｇ ｇｑ￣ ｇｒａ ｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅ ｏｎ ｅｍ ｎｅｒａｔｏｒ’ ；ｍｂｅｄｂｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ，ｙｓｔｅｏｆ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ＷＡＮＧ Ｇａｎｇ，ＳＨＩ Ｌｅｉ，ＺＨＵ Ｍｉｎｇ—ｑｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｉｌｏｎｇｆｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｒｎｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｉｎｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ３Ｄ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｄａｔａ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｆｉｒｎｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｓ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｄｉｇｉｔｌａ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｒｇａｔｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｌａｓｏ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｅｔｏｒ ｏｒ ＶＧＡ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｇｒａｔｉｎｇ；ＦＰＧＡ；ＶＧＡ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 随着技术的进步，尤其是电子技术和计算机技术的迅 空等工业在复杂自由曲面的设计方面，应用越来越广泛。 猛发展，“数字化生存”已经不仅仅是一句口号，而是正在 而作为三维信息获取技术的一个应用领域——反求工程， 变为现实。人们经常需要迅速地获得物体表面的立体信 又称为逆向工程（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），即从实物模型重建 息，将其转变成计算机能直接处理的数据。工业界要求能 数学模型的过程，是ＣＡＤ／ＣＡＭ领域的一个新的研究分支， 快速地测量物体表面的三维坐标，科技工作者在三维彩色 现在已经发展为当今世界各国研究的热门课题。要从实物 图像信息处理、三维物体识别的研究中需要快速获得大量 设计加工出新产品，主要有两步：对实物进行测量并建立实 的三维数据，这些都需要我们快速获取三维信息数据。如 物的ＣＡＤ模型；根据ＣＡＤ模型编辑修改生成加工路径、加 果说“数字化生存”是时代的潮流，那么真实世界信息的数 工出新产品或直接从测量数据生成加工路径实现对实物模 字化则是“数字化生存”的基础。三维信息获取技术将显 型的复现产品。进入２Ｏ世纪９Ｏ年代以来，出现了商品化 示其不可替代的重要作用。 的三维信息获取装置——三维扫描仪，它能直接对三维实 三维信息获取技术，又称为三维数字化技术，它是研究 物进行立体扫描，获取其数字化立体彩色模型。由于它可 快速获取物体表面空间坐标，得到物体三维数字化模型的 以得到物体表面的深度信息，因此在工业、机器人视觉、军 方法。这一技术的研究涉及光学、计算机视觉、图像处理、 事侦察、地质等领域有广泛应用。 机器人学、生物视觉、人工智能等理论，具有重要的理论意 三维测量装置结构如图１所示，通常三维物体测量系 义和广阔的应用前景，因此始终是计算机领域研究热点之 统中，测量过程都是由计算机控制，直接输出所需要的光栅 一。其中ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展迅速，使得汽车、模具、航 条纹，利用摄像机直接采集数据到图像采集卡，将图像直接 收稿日期：２０１３－０７－０８ 作者简介：（１９８４一），男，黑龙江巴彦人，学士，研究员，主要从事嵌入式技术研究。 ４１ 传输给计算机，图像全部接受后，再进行编码及恢复三维图 像。在本课题中，采用了嵌入式芯片ＦＰＧＡ来完成光栅条 纹的生成，通过ＶＧＡ接口输出，利用ＣＭＯＳ摄像头直接采 集图片，采集图片后进行实时编码，即每采集一幅图片实时 在嵌入式中量化并编码，将图片依次按低位到高位编排，形 成编码数据，再将编码后的数据一次传送。通过实时编码 的作用，提高了投射光栅、图片采集一系列的连续采集速 度，同时增加实时编码及提高编码速度功能。该系统是脱 离微机运行的实时编码器，其优点是体积小、功耗低， 将光栅条纹及图像采集系统结合于一体并实时编码后通过 以太网传输，还可以在硬件一级获得系统设计的极大灵活 性，对逆向工程的整体发展具有很大的意义。 计算机 图１ 三维测量装置结构图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ １ ＦＰＧＡ生成正弦光栅原理 １．１ 正弦投影条纹的产生和分析 相移法在三维物体测量中，需要光栅条纹的灰度值按 正弦分布，可通过多种方法实现…： １．１．１相干光 利用相干光产生干涉条纹，如偏振干涉仪，它利用两束 相干光，相干产生条纹并成像于被测物体，通过这样可获得 正弦光场。 １．１．２离焦投影 利用离焦投影矩形光栅近似产生正弦光场，但这种方 法误差较大。 １．１．３白光投影 利用白光作投影光源投影制作好的正弦光栅产生正弦光场， 投影结构图如图２所示，相移器是一个由计算机控制，并由步进电 机驱动的微位移工作台。正弦光栅模板置于此工作台上，并通过 投影透镜使正弦光场在被测物面上产生相移条纹。由于这种投影 采用发散照明方式，可以在很大范围内产生结构照明，适宜测量较 大的物体面形，这种方法唯一的缺点就是正弦模板难以制作。 １．１．４正弦光场 利用计算机生成光栅并通过液晶投影仪或ＤＭＤ成像系统投 ４２ 责任编辑：刘夏ｍｕｍｉａｎ２１４＠１６３．ｃｏｍ １．白光光源２ 聚光镜组 ３．相移器４一正弦模板５一投影透镜 图２白光投影结构图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ 射能够产出正弦光场＿２ Ｊ，这种方法可以方便地控制光栅的频率并 进行相移，存在的主要问题是器件的分辨率较低、具有离散性、投 影的光线不具有连续性、相移光栅的正弦性误差较大等，不容易实 现高精度测量。 １．２制作正弦光栅模板的分析 经以上讨论可知，通过白光投影的方法最大的困难就 是正弦模板的制作，由于制作灰度正弦模板比较复杂，因此 一般只能通过刻制的方法制作相位型正弦光栅。本研究根 据第四种生成光栅的原理，控制单元采用嵌入式系统，通过 控制芯片ＦＰＧＡ产生光栅条纹，并控制ＶＧＡ接口直接输出 到投影仪。 通过选择嵌入式系统，使计算机控制上的问题都得到 解决，ＦＰＧＡ芯片程序执行是一种并行运行的思想，因此输 出光栅的速度得到提高 ，通过直接操作ＶＧＡ接口控制芯 片，生成所需要的光栅条纹。 ２正弦光栅发生器的硬件设计 ２．１ 总体设计 本研究中正弦光栅发生器采用嵌入式系统，控制由 ＦＰＧＡ芯片完成，通过增加ＥＰＣＳ１６的存储芯片，将用户程 序存储到芯片中，可以保证数据的掉电不丢失。 主要由ＦＰＧＡ、ＶＧＡ接口及其控制芯片完成正弦光栅 条纹生成器。 通过控制单元按键的选择，控制正弦光栅的输出。 利用显示单元，将核对输出状态。 通过合理选择电源系统，保证电路能够稳定的运行。 总体方框图设计如图３所示。 ２．２正弦光栅条纹输出硬件电路设计 光栅条纹的生成是通过ＦＰＧＡ的Ｖｅｒｉｌｏｇ ＶＨＤ语言完 成，输出电路通过程序控制一款ＶＧＡ专用的接口芯片 ＡＤＶ７１２３，芯片ＡＤＶ７１２３的数字量接口端直接与ＦＰＧＡ的 输出引脚相连，模拟输出端，即Ｒ、Ｇ、Ｂ三色模拟输出端直 接与ＶＧＡ接口相连接，如图４所示。 ２．３数据存储电路的设计 芯片ＦＰＧＡ是一种现场可编程阵列，本身没有存储单 元，即在掉电后数据将会丢失 ，为了能够保证用户程序、 后，ＣＰＵ主动从ＥＰＣＳ４中加载用户程序、数据，只要系统一 直在供电，那么数据就会保留在ＣＰＵ中，如图５所示。 ‘ ｔ （巧 ｒ ’ Ｄ４】 ｛ Ｄ（ ｚ ＶＣＣ ｎＣＳ ＡＳＩ）Ｉ ＧＮＤ 日 ￥４ＳＩ８ 图３总体方框图 图５ ＥＰＣＳ４接口电路 Ｆｉｇ．３ Ｇｅｎｅｒａｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ Ｆｉｇ．５ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＥＰＣＳ４ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ３正弦光栅发生器的软件设计 ３．１ ＶＧＡ接口控制 以嵌入式ＦＰＧＡ为主的三维物体测量中，通过控制 ＡＤＶ７１２３芯片驱动ＶＧＡ接口。ＶＧＡ接口共有１５个接口， 但是主要还是用其中的５个，在这几个接口中，光栅条纹的 生成主要控制时序的产生 ，根据表１ＶＧＡ接口显示标准， 参照图６ＶＧＡ接口同步信号来控制行信号（ＨＳＹＮＣ）与场信 号（ＶＳＹＮＣ）的时间间隔。那么用Ｖｅｒｉｌｏｇ实现光栅条纹的基 本思路就是用ＣＬＫ时钟信号计数产生行信号，用行信号计 图４ ＶＧＡ接口电路 数产生场信号，这样在所需要的有效区域内，通过控制ＶＧＡ Ｆｉｇ．４ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＶＧＡ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 数据存储，采用串行存储芯片ＥＰＣＳ４，当ＦＰＧＡ重新上电 接口的红、绿、蓝三色输出口，输出所需要的光栅条纹。 表１ ＶＧＡ接口显示标准 Ｔａｂ．１ ＶＧＡ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｉ￣ｉａｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ３．２正弦光栅产生 ＤＡＴＡ 在ＦＰＧＡ控制ＶＧＡ接口输出时，对于正弦光栅主要控 ＨＳＹＮＣ 制Ｒ、Ｇ、Ｂ三色的值，一般需要的光栅都为灰度数据，所以 在控制输出时，只要保证Ｒ、Ｇ、Ｂ为同一个值。在本研究 ＤＡＴＡ 中，将正弦光栅条纹数据存储到ＦＰＧＡ的ＲＯＭ当中，通过 ＶＳＹＮＣ Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ软件的ＭｅｇａＷｉｚａｒｄ Ｐｌｕｇ—Ｉｎ Ｍａｎａｇｅｒ生成ＲＯＭ 核，通过程序来调用，在使用过程中，控制ＲＯＭ核的地址线 图６ ＶＧＡ接口同步信号 和数据线。部分程序如下： Ｆｉｇ．６ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＶＧＡ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ （下转第４６页） ４３ ３．３ 水调整电阻器的主要技术参数和性能 容量：５０ ｋＷ； 电极工作电流：约２５０ Ａ； 绝缘茶台耐压：＜５００ Ｖ； 工作环境温度：－２０℃一３Ｏ ｏｃ； 调速方式：无级调速； 调速方法：手动； 时，按动停止按钮，电机因断电而停止转动。这时应将手轮 旋至启动位置，为下一次启动作好准备。 除瓷茶台因严重碰撞会造成破损，需要经常注意检查 和更换外，其他部件不易受损。三片电极一般每运行一年， 需要换一次。 ４水调整电阻器技术在其他领域应用的设想 随着我国经济建设的飞跃发展和科学技术的开发推 广，“电阻器”技术也应该深入到其他领域为人类造福。 经过粗略的计算，如果利用电极加热原理研制出淋浴加热 器，可比市场目前出售的热水器节电；如果在饭店、食堂 或家庭采用电极电解发面法制作发糕（即用稀面作为导 电液体），可提高面食质量和制作速度。另外，工业生产 中也可以用此技术制造水箱的水位报警和锅炉等压力容 器的水位报警装置。总之，“电阻器”是具有一定开发和 工作持续率：连续； 最大调速范围：０一ｌ ４５０ ｒ／ｒａｉｎ； 最佳调速范围：１００－５００ ｒ／ｍｉｎ； 环境适应能力：不怕潮湿，不怕震动。 ３．４水调整电阻器的操作与维护 “电阻器”构造简单，因此只要在安装时将各部件按要 求调试正常，将电机转子线路接通，使“电阻器”处于待工 作状态就可以了，不需要频繁的调试。每次工作前，操作者 要检查并加足浓度在５％左右的盐液。工作时，首先将电 机定子电源接通，而后将手轮按顺时针方向旋转，电机转速 研究价值的技术。我们有必要进一步地去研究探索并将 其应用到工农业生产以及人们家庭生活等领域中去，让其 逐渐加快，即获得加速度的调整。将手轮按逆时针方向旋 转，电机由快逐渐变慢，即获得减速度的调整。当工作完毕 为我们提高经济效益，提高人民生活水平，为加速我国经 济建设服务。 （上接第４３页） ｒｏｍＯ ｒｏｍ０＿器装置，而是通过本文中的系统直接生成，通过ＶＧＡ接口 ｉｎｓｔ（ 利用投影仪，就可以投射到所需要的物体上。通过这种方 法产生的光栅，通过数字程序方式直接生成，为了保证高精 度的输出，只需要保证硬件电路的可靠性，同时通过程序灵 活的控制输出的象素，保证正弦光栅的覆盖面积，完成光栅 的投射使用。 ．ａｄｄｒｅｓｓ（ｒｏｍ０＿ａｄｄｒｅｓｓ）， ．ｃｌｏｃｋ（ｗＣｌｋ＿＿６５ｍ）， ｑ（ｒｏｍ０一ｑ） ．）； ａｌｗａｙｓ＠（ｐｏｓｅｄｇｅ ｗＣｌｋ＿６５ｍ ｏｒ ｎｅｇｅｄｇｅ ｒｓｔ＿ｎ） ｉｆ（！ｒｓｔ＿ｎ） ｒｏｍ０ａｄｄｒｅｓｓ＜＝８’ｄＯ： 一参考文献： ［１］ 王学礼．基于摩尔理论的大面积快速高精度３Ｄ测量技术研 究及仪器研制［Ｄ］．西安：西安交通大学，２０００：２１－２５． ［２］羡一民，舒阳，薛梅．基于位相检测的光学三维轮廓测量方法 ［Ｊ］．工具技术，２００６，４０（１）：７３． ｅｌｓｅ ｂｅｇｉｎ ｉｆ（（｛ｐｒｅ—ｖａｌｉｄ，ｖａｌｉｄＩ＝＝２’ｂ０１）＆＆（ｋｅｙ— ｃｏｕｎｔｅｒ＝＝８’ｄ２）） ｒｏｍ０ａｄｄｒｅｓｓ＜＿［３］王诚，吴继华，范丽珍．ＡｈａｒＦＰＧ Ａ／Ｃ ＰＬＤ设计（基础篇） ｒｏＢ０ａｄｄｒｅｓｓ＋ｌ： ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５：３５－４０． ｅｎｄ ［４］薛小刚，葛毅敏．ＸｌｌｉｎｘｌＳＥ９．ｘＦｐＧＡ、ＣＰＬＤ设计指南（四） ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００７：８． ［５］ 张亚平，贺占庄．基于ＦＰＧＡ的ＶＧＡ显示模块设计［Ｊ］．计算 机技术与发展，２００７，１７（６）：２４２－２４５． ４结束语 通过本文介绍的嵌入式芯片ＦＰＧＡ的控制实现正弦光 栅的方法，在需要投射正弦光栅时，就不需要一些特殊的仪
