新型雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊宏偉，陳利峰

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春　130022；2.鄂爾多斯市源盛光電有限責(zé)任公司，鄂爾多斯　017000）

新型雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊宏偉1，陳利峰2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.鄂爾多斯市源盛光電有限責(zé)任公司，鄂爾多斯017000）

雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的小型化和快速化對(duì)雙目立體視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有著重要的研究意義。本文基于三維重建理論，以高性能的FPGA為控制核心，設(shè)計(jì)了一種新型雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用FPGA實(shí)現(xiàn)雙目相機(jī)的圖像采集、壓縮及處理功能，并通過(guò)WIFI模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上完成圖像的解壓縮、三維重建和顯示，同時(shí)再利用WIFI模塊向FPGA發(fā)送相機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制命令，以便相機(jī)以最佳視角觀測(cè)目標(biāo)。本系統(tǒng)方案合理易行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種新型簡(jiǎn)便的雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方式。

控制；圖像壓縮；三維重建；深度恢復(fù)

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，利用雙目相機(jī)撲捉三維信息得以實(shí)現(xiàn)。但是由于雙目相機(jī)采集的數(shù)據(jù)量巨大，傳統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集方式已經(jīng)滿足不了其要求，而FPGA憑借其強(qiáng)大的組合邏輯能力、快速的處理速度及靈活的可編程等優(yōu)勢(shì)，其在雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了充分的應(yīng)用［1］。

本系統(tǒng)基于三維重建理論，以FPGA為控制核心，完成了雙目相機(jī)的圖像采集、壓縮及傳輸功能，并通過(guò)WIFI無(wú)線模塊將處理后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)圖像的解壓縮、三維重建及顯示功能，同時(shí)再通過(guò)WIFI模塊向FPGA發(fā)送雙目相機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制命令，以達(dá)到控制相機(jī)運(yùn)動(dòng)的目的。本系統(tǒng)將數(shù)字圖像處理技術(shù)、雙目視覺(jué)三維重建技術(shù)及無(wú)線WIFI傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了一種新型的雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字圖像處理中相機(jī)云臺(tái)的控制研究具有重要意義。

1　三維重建理論

本系統(tǒng)基于三維重建理論，結(jié)合立體視覺(jué)原理，分別對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定、立體匹配和深度恢復(fù)。其中相機(jī)標(biāo)定確定了相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，內(nèi)參數(shù)由相機(jī)本身決定，外參數(shù)表示的是世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系［2］。如圖1所示，標(biāo)明了雙目相機(jī)的外參數(shù)求解方法。

圖1　外參數(shù)求解方法

圖1中，將原點(diǎn)Ow平移至Oc，用旋轉(zhuǎn)矩陣R將坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)后，世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系就實(shí)現(xiàn)一致。點(diǎn)X到點(diǎn)Xc用齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

結(jié)合圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系及攝像機(jī)坐標(biāo)系的處理過(guò)程，攝像機(jī)從三維投影空間到二維投影空間的線性轉(zhuǎn)換可以通過(guò)公式（2）實(shí)現(xiàn)［3］：

確定相機(jī)外參數(shù)后，結(jié)合透視投影矩陣標(biāo)定法，通過(guò)最大似然估計(jì)法獲得雙目相機(jī)的投影矩陣，然后對(duì)其分解，即可實(shí)現(xiàn)相機(jī)標(biāo)定。

立體匹配采用光學(xué)幾何測(cè)量不變性原理，通過(guò)圖像中待測(cè)匹配點(diǎn)的鄰域窗口中的灰度信息作為匹配單元，從而獲得稠密的深度圖和視差圖。

深度恢復(fù)采用視差測(cè)距方法算出場(chǎng)景的真實(shí)深度信息，為云臺(tái)提供輔助測(cè)試，使云臺(tái)的控制角度更加精準(zhǔn)。

2　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)根據(jù)三維重建理論，以FPGA為控制核心，完成了雙目相機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。雙目相機(jī)將采集到的圖像信息送給FPGA控制單元處理，然后通過(guò)無(wú)線模塊將處理后的壓縮圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端，計(jì)算機(jī)完成圖像的解壓、三維重建及圖像顯示，同時(shí)通過(guò)WIFI向FPGA發(fā)送相機(jī)云臺(tái)的控制命令，F(xiàn)PGA根據(jù)接收到的控制命令進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置，控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，以便雙目相機(jī)以最佳角度觀測(cè)目標(biāo)。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能明確。其中，電源模塊主要為各單元提供正常工作電壓，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基本保障；雙目相機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入端，負(fù)責(zé)數(shù)字圖像的采集工作；FPGA控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，完成圖像的采集、壓縮、存儲(chǔ)及處理功能［4］；無(wú)線傳輸模塊負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)及命令數(shù)據(jù)的傳輸，是整個(gè)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接的紐帶；相機(jī)云臺(tái)帶動(dòng)雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)，是系統(tǒng)的執(zhí)行單元。

2.1雙目相機(jī)

雙目相機(jī)采用美國(guó)Digilent公司的VmodCAM。該相機(jī)采用雙目平行結(jié)構(gòu)，左右成像平面共面，左右圖像對(duì)齊，有利于在圖像處理過(guò)程中提供更高的匹配精確度。該雙目相機(jī)帶有兩個(gè)百萬(wàn)像素的COMS數(shù)字圖像傳感器，傳感器幀速率大于15，最大分辨率為1600*1200。雙目相機(jī)在工作前，F(xiàn)PGA首先其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括分辨率、輸出格式等參數(shù)，還要設(shè)置雙目相機(jī)的啟動(dòng)及復(fù)位順序。FPGA利用串行接口（SDA，SCL）通過(guò)I2C與雙目相機(jī)通信，從而獲得兩個(gè)同步分開的圖像［5］。

2.2FPGA控制處理單元

控制單元以Xilinx Spartan?-6 LX45 FPGA為核心，通過(guò)雙目相機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、存儲(chǔ)及發(fā)送工作，并通過(guò)接收計(jì)算機(jī)的命令，對(duì)FP-GA內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，控制相機(jī)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)以最佳角度觀測(cè)目標(biāo)。

FPGA控制系統(tǒng)由嵌入式軟核、存儲(chǔ)器控制模塊、雙目相機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、圖像處理模塊、WIFI驅(qū)動(dòng)模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等幾大部分組成，利用MicroBlaze 32位嵌入式軟核構(gòu)建SOPC平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)雙目相機(jī)的內(nèi)參數(shù)配置。其中存儲(chǔ)器控制模塊提供外擴(kuò)DDR2存儲(chǔ)器所需要的時(shí)序；圖像處理模塊將待發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)壓縮，有利于提高傳輸效率；WIFI驅(qū)動(dòng)模塊完成無(wú)線模塊的參數(shù)配置；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。FPGA作為硬件控制核心，采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言，完成各個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)及圖像的采集、壓縮及傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

2.3無(wú)線傳輸模塊

本系統(tǒng)中，無(wú)線傳輸單元采用串口WIFI模塊RPS9110-N1122，其包含完整的802.11bgn協(xié)議棧，硬件本身集成MAC、射頻收發(fā)器、基帶處理器（Baseband processor），功率放大器，參考時(shí)鐘頻率和天線等，軟件集成所有WLAN協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和配置功能等，通信距離遠(yuǎn)達(dá)120m。

WIFI模塊與外部處理器采用標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI接口方式，該方式下時(shí)鐘速率可達(dá)25MHz。同時(shí)采用用戶開發(fā)SPI總線IP核的方式，利用FPGA內(nèi)部RAM資源，生成兩個(gè)FIFO單元和一個(gè)RAM區(qū)，兩個(gè)FIFO單元分別接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖，防止接收到的數(shù)據(jù)丟失或者前一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)被后一個(gè)覆蓋掉，造成數(shù)據(jù)丟失；RAM區(qū)則用于存放待發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，一次可以緩沖一幀圖像數(shù)據(jù)，便于后續(xù)幀處理。

2.4系統(tǒng)電源

系統(tǒng)的電源模塊由市電交流220V直接轉(zhuǎn)換為12V直流供雙目相機(jī)及相機(jī)云臺(tái)使用，然后通過(guò)開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576-5.0及LM1117電源轉(zhuǎn)換芯片生成FPGA控制單元及無(wú)線模塊所需要的+3.3V。其中LM2576-5.0構(gòu)成的穩(wěn)壓電路如圖3所示。

圖3　+5V穩(wěn)壓電路原理圖

電壓·微秒常數(shù)（E·T）的表示方法如公式（3）所示：

Vin是變壓器轉(zhuǎn)換輸出的+12V電壓，Vout是+ 5V輸出電壓，f是工作震蕩頻率52KHz，D1為肖特基二極管IN5822，L1電感為100μH。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1FPGA IP核配置

本系統(tǒng)選用Xilinx的Spartan-6 LX45 FPGA作為核心控制單元。其采用324腳BGA封裝模式，提供6822個(gè)slice（每個(gè)slice含8個(gè)觸發(fā)器及4個(gè)6輸入LUT）、4個(gè)時(shí)鐘單元（8 DCMs&4 PLLs）、2.1 Mbits的快速RAM塊、6個(gè)鎖相環(huán)等。并且單元模塊上包括HDMI視頻、Gbit以太網(wǎng)、128MByte的16位DDR2內(nèi)存以及USB接口，內(nèi)嵌Xilinx Microblaze處理器，是應(yīng)用范圍較廣的典型數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。

（1）MicroBlaze外設(shè)配置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)結(jié)合FPGA內(nèi)部RAM資源，利用MicroBlaze創(chuàng)建SOPC平臺(tái)。其外圍設(shè)備如圖4所示。

圖4　SOPC外圍設(shè)備

在圖4中，CMT模塊作為倍頻器，將輸入的100MHz時(shí)鐘倍頻為600MHz差分時(shí)鐘，供DDR2控制器使用，DDR2控制器作為MicroBlaze和DDR2存儲(chǔ)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶。利用AXI總線將各個(gè)總線接口部件的IP核掛載在FPGA內(nèi)部軟核中。

（2）雙目相機(jī)圖像采集IP配置

根據(jù)雙目相機(jī)輸出的行、場(chǎng)就緒信號(hào)和數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘信號(hào)，讀取正確的圖像信息，為了解決數(shù)據(jù)讀寫沖突問(wèn)題，本系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部開辟兩塊獨(dú)立的RAM單元，當(dāng)其中一片RAM寫滿（即達(dá)到4K字節(jié)）后，再將數(shù)據(jù)存入第2片RAM中，同時(shí)通知MicroBlaze處理器啟動(dòng)DMA，將第1片RAM中的數(shù)據(jù)存入DDR2中；當(dāng)?shù)?片RAM單元寫滿后，第1片的RAM單元中的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢，所以此時(shí)又可以將數(shù)據(jù)存入第1片RAM中，同時(shí)通知MicroBlaze處理器啟動(dòng)DMA，將第2片RAM中的數(shù)據(jù)存入DDR2中。很顯然，2片RAM總有一片始終在接收雙目相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，另一片通過(guò)DMA方式將數(shù)據(jù)傳輸至DDR2中，它們相輔相成、互不影響、同時(shí)工作，有利于提高圖像的采集及傳輸效率。

（3）圖像壓縮IP配置

鑒于雙目相機(jī)所采集的圖像信息龐大，若直接發(fā)送源數(shù)據(jù)，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送前首先對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理，有利于提高圖像傳輸效率。

本系統(tǒng)采用圖像壓縮IP技術(shù)，將通過(guò)AXI總線采集的圖像信息劃分為若干個(gè)8×8單元，然后對(duì)這些單元通過(guò)JPEG編碼，最后復(fù)合為整幅JPEG圖像。顯然，圖像壓縮IP中，關(guān)鍵部分是JPEG編碼，其主要由8×8單元模塊、離散正余弦變換、量化與排序和熵編碼模塊4部分組成。其中，一維8位離散正余弦計(jì)算可簡(jiǎn)化為公式（4）和（5）所示：

由以上公式可知，進(jìn)行一次正余弦計(jì)算需要22次乘法操作，而FPGA中包含一個(gè)18×18的乘法器，故可以滿足計(jì)算要求。

在量化與排序單元中，將轉(zhuǎn)換后的色度倒數(shù)量化表和亮度倒數(shù)量化表存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部映射的ROM中。

在熵編碼模塊中，對(duì)直流分量進(jìn)行差分編碼，然后進(jìn)行Huffman編碼，對(duì)交流分量先進(jìn)行0游程長(zhǎng)度編碼，再采用Huffman編碼。

另外，在圖像壓縮后，還需要對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行封包處理，也就是需要配上圖像的報(bào)頭、報(bào)尾等，這樣才可以構(gòu)成一幅完整的JPEG圖像。此舉可以降低FPGA設(shè)計(jì)難度，減少WIFI傳輸流量，提高傳輸效率［6］。

（4）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP配置

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP根據(jù)MicroBlaze發(fā)送的命令，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)采用兩相四線的步進(jìn)電機(jī)，需要四路PWM控制，其組成框圖如圖5所示。

圖5　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP信號(hào)組成框圖

AXI總線接口處理單元分別配置PWM參數(shù)和運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，邏輯控制單元產(chǎn)生控制PWM的相位參數(shù)，PWM產(chǎn)生單元控制PWM輸出信號(hào)頻率，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)輸出不同相位和頻率的PWM，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3.2MicroBlaze軟件設(shè)計(jì)

MicroBlaze嵌入式軟核作為系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)序。用戶通過(guò)編寫FPGA標(biāo)準(zhǔn)IP核和用戶IP核，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍接口單元的控制，同時(shí)編寫應(yīng)用程序，完成雙目相機(jī)的圖像采集、存儲(chǔ)、壓縮、傳輸?shù)忍幚砉ぷ?，并接收由?jì)算機(jī)發(fā)送的參數(shù)配置命令和步進(jìn)電機(jī)控制命令，通過(guò)配置電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按計(jì)算機(jī)發(fā)布的指令運(yùn)動(dòng)。

（1）雙目相機(jī)驅(qū)動(dòng)及圖像采集部分設(shè)計(jì)

雙目相機(jī)驅(qū)動(dòng)主要包含兩個(gè)部分內(nèi)容，一部分是對(duì)相機(jī)進(jìn)行配置，另一部分是讀取相機(jī)數(shù)據(jù)，其配置流程圖如圖6所示。

圖6　雙目相機(jī)參數(shù)配置流程圖

雙目相機(jī)參數(shù)配置程序還包含對(duì)相機(jī)數(shù)據(jù)采集IP核的驅(qū)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)雙目相機(jī)圖像數(shù)據(jù)啟動(dòng)、停止，清空等功能。根據(jù)協(xié)議，只需要利用FPGA提供的自定義函數(shù)，向數(shù)據(jù)采集IP核寫入相應(yīng)的參數(shù)即可。

雙目相機(jī)參數(shù)正確配置后，進(jìn)入圖像數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，首先判斷DDR2中數(shù)據(jù)緩存區(qū)是否為空，如果不為空則繼續(xù)等待；如果為空，則開始采集圖像數(shù)據(jù)，等到IP核內(nèi)第1片RAM區(qū)的圖像數(shù)據(jù)寫滿后，啟動(dòng)DMA將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻DR2中存儲(chǔ)起來(lái)，然后繼續(xù)等待數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志，直到一幅完整圖像傳輸完畢。另一個(gè)相機(jī)也采用同樣操作方法，其圖像數(shù)據(jù)的采集過(guò)程如圖7所示。

圖7　圖像數(shù)據(jù)采集流程圖

（2）WIFI驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

由于圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量一般都比較大，尤其是雙目相機(jī)同時(shí)輸出兩路圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量更是龐大，不可能利用一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸就把這么多的數(shù)據(jù)傳輸完成，因此在硬件平臺(tái)上，利用FPGA將數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)WIFI發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)在分批次接收到一幅完整的圖像數(shù)據(jù)后，需要再將這些圖像數(shù)據(jù)重新組合成為一組完整的圖像數(shù)據(jù)。由于硬件平臺(tái)并沒(méi)有對(duì)經(jīng)過(guò)JPEG壓縮的圖像數(shù)據(jù)增加JPEG的頭、尾數(shù)據(jù)，這一部分任務(wù)要在上位機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)，最終輸出完整的JPEG數(shù)據(jù)流。而且，為了降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)誤碼，影響圖像輸出質(zhì)量，圖像傳輸程序中還采用了“錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制”，最大限度的降低誤碼率。

WIFI無(wú)線模塊的驅(qū)動(dòng)主要通過(guò)“AT”指令配置其TCP/IP的IP地址、分配其應(yīng)用程序端口號(hào)、與計(jì)算機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接并且與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。WIFI模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接流程如圖8所示。

圖8　WIFI模塊連接網(wǎng)絡(luò)流程圖

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，WIFI的傳輸速率完全可以滿足當(dāng)前分辨率（系統(tǒng)中采用的雙目相機(jī)最大分辨率1600*1200）下雙目相機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?。但由于?shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)更高分辨率要求的圖像，其傳輸速度較慢。

（3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令，配置電機(jī)參數(shù)，包括周期、方向、同步信息等，同時(shí)通過(guò)對(duì)FPGA編程，配置電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP的內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制相機(jī)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使操作者以合適的方位對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序可以直接根據(jù)計(jì)算機(jī)的命令，計(jì)算出所需要運(yùn)動(dòng)的方向和步數(shù)，寫入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)IP核即可。

本系統(tǒng)通過(guò)WIFI模塊向FPGA發(fā)送三維平臺(tái)控制命令，控制三維平臺(tái)帶動(dòng)雙目相機(jī)運(yùn)動(dòng)，可以從最佳角度觀察目標(biāo)點(diǎn)。云臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)平均誤差為0.84度，反轉(zhuǎn)平均誤差為0.86度。云臺(tái)控制受傳統(tǒng)慣性影響，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)接近定位角度時(shí)將其速度降下來(lái)即可提高云臺(tái)的定位精度。在不同細(xì)分下，隨著最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)率的增加，云臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間逐漸減小，具體數(shù)值如表1所示。

表1　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和響應(yīng)時(shí)間關(guān)系

實(shí)測(cè)中，步進(jìn)電機(jī)在64細(xì)分下效果更好，同時(shí)通過(guò)采用升頻曲線的優(yōu)化算法，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)和啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間等指數(shù)有著很大改善。

4　結(jié)果分析與結(jié)論

本系統(tǒng)利用相機(jī)平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)和雙目視覺(jué)技術(shù)的先進(jìn)性，選用VmodCAN相機(jī)作為圖像采集單元，利用WIFI模塊作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸載體，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)。同時(shí)采用計(jì)算機(jī)完成與該系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接、圖像接收與恢復(fù)及相機(jī)云臺(tái)的控制等功能。

計(jì)算機(jī)首先建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，等待該系統(tǒng)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)鏈接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接建立后，接收FPGA發(fā)送的經(jīng)過(guò)壓縮處理后的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG格式轉(zhuǎn)換后，顯示圖片信息。計(jì)算機(jī)同時(shí)根據(jù)接收到的兩幅圖像，利用三角測(cè)量的原理，恢復(fù)深度信息，并且顯示出來(lái)。為了得到最佳視角，計(jì)算機(jī)軟件利用WIFI模塊，向該系統(tǒng)發(fā)送云臺(tái)控制命令，帶動(dòng)相機(jī)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)采用Visual C++6.0，制作計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面，并采用多線程的方式處理系統(tǒng)任務(wù)，提高軟件工作效率［7］。

本系統(tǒng)命令采用固定的幀格式發(fā)送，如表2所示，單字節(jié)存放。

命令幀中，“數(shù)據(jù)頭標(biāo)志”用于幀標(biāo)識(shí)，固定值為”0xff”，“有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”便于FPGA平臺(tái)檢測(cè)處理，固定值為”0x05”；“運(yùn)動(dòng)控制碼”代表電機(jī)運(yùn)動(dòng)方式，高4位為電機(jī)代碼，其數(shù)值為1～3，分別代表1至3號(hào)步進(jìn)電機(jī)，低4位標(biāo)明電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)其數(shù)值為1～7，分別代表上、下、前、后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止?fàn)顟B(tài)；“電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)”表示步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)動(dòng)的步數(shù)；最后，“累加和校驗(yàn)和”為運(yùn)動(dòng)控制碼與電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)之和。如果傳輸過(guò)程中產(chǎn)生誤碼，直接丟掉數(shù)據(jù)幀。通過(guò)對(duì)各個(gè)功能模塊的完善。

表2　云臺(tái)控制命令的幀格式

通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析，本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行解碼和顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)圖像的坐標(biāo)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得出的三維坐標(biāo)，為相機(jī)運(yùn)動(dòng)提供參考，最后通過(guò)按鈕控件輸出相機(jī)云臺(tái)的控制命令，完成整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)方案合理易行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，完成了雙目相機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

［1］ 董心雨，黃俊.基于FPGA的紅外圖像采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.半導(dǎo)體光電，2012，33（4）：579-581.

［2］ 孫鵬飛.單目多角度空間點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào).2014，35（12）：2801-2807.

［3］（美）?？ǎ溃┖绽呖?，（美）博伊爾著.圖像處理、分析與機(jī)器視覺(jué)（第三版）［M］.艾海舟，蘇延超等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011：400-408.

［4］ 余成波.嵌入式物體自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究［J］.半導(dǎo)體光電，2014，35（5）：932-936.

［5］ 孫榮春，孫俊喜，宋雪.基于DSP的CMOS圖像采集與處理系統(tǒng)［J］.半導(dǎo)體光電，2011，32（6）：890-893.

［6］ 陳利峰.基于無(wú)線傳輸?shù)南鄼C(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研制［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2015.

［7］ 彭誠(chéng)，任濤，段儕杰.基于體視顯微鏡的立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，55（2）：223-230.

The New Type Motion Controlling System of Binocular Camera

YANG Hongwei1，CHEN Lifeng2
（1.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Ordos Yuansheng Optoelectronics CO.，LTD，Ordos 017000）

It is very important for the development and application of binocular stereo vision technology to the development and application of binocular camera motion control system.The system based on three-dimension reconstruction theory and high performance FPGA as the core controlling processor，designs a new type of binocular camera motion control system.The system fulfills image acquisition，compression and procession functions of binocular camera with FPGA and sends the processed data to a computer with WIFI module.Then the image is decompressed，reconstructed three-dimensionally and displayed on the computer.Meanwhile camera motion control order is sent to FPGA with WIFI module to make the camera observe the target from the best angle.This system is reasonable，practicable and of simple structure and it realizes the motion controlling of binocular camera.

control；image compression；three-dimension reconstruction；deep recovery

TP368.2

A

1672-9870（2015）06-0108-06

2015-08-21

吉林省科技廳項(xiàng)目（KYC-JC-XM-2015-046）

楊宏偉（1981-），男，碩士，講師，E-mail：yanghongwei@cust.edu.cn