【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及實時三維重建技術，特別是涉及一種基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)。
技術介紹
1、在計算機視覺和圖像處理領域，實時三維重建技術是一個重要的研究方向，廣泛應用于虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、機器人導航和工業(yè)質(zhì)量檢測等多個領域。條紋投影是一種常用的三維重建方法，利用投影設備將已知的條紋模式投射到物體表面，并通過攝像設備獲取變形后的條紋圖像，進而通過圖像分析技術計算出物體的三維信息。
2、目前的三維重建系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)高效的重建速度與優(yōu)越的重建精度。大多數(shù)系統(tǒng)采用了fpga等芯片進行數(shù)據(jù)處理，以顯著加快計算速度。在這些系統(tǒng)中，圖像采集會通過高速相機完成，能夠以較高的幀率捕捉快速變化的場景。投影設備則負責將復雜的條紋模式精確地投射到物體表面。數(shù)據(jù)通過fpga進行快速處理，計算出高精度的三維重建數(shù)據(jù)。
3、然而，目前基于條紋投影的三維重建系統(tǒng)仍然面臨一些挑戰(zhàn)，主要集中在以下兩個方面，重建精度和重建速度。首先，當前大多數(shù)三維重建系統(tǒng)主要針對靜態(tài)物體進行優(yōu)化。當系統(tǒng)應用于運動物體時，重建精度顯著降低。這是因為運動物體的表面特征在短時間內(nèi)會發(fā)生變化，條紋模式變形的速度超出相機的捕捉能力，從而導致不準確的三維重建結果。其次，現(xiàn)有三維重建系統(tǒng)普遍采用先緩存圖片、后進行三維重建的設計。這種策略雖然能確保相對全面的數(shù)據(jù)采集，但也帶來了顯著的問題：一方面，這一方法占用了大量的存儲資源，尤其在高幀率和高分辨率設置下，數(shù)據(jù)量級更為龐大；另一方面，數(shù)據(jù)搬運和處理的環(huán)節(jié)往往成為系統(tǒng)性能的瓶頸，拖慢了整體三維重建速度。因此，在快速
4、需要說明的是，在上述
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部分公開的信息僅用于對本申請的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現(xiàn)有技術的信息。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術的主要目的在于克服上述
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中存在的缺陷，提供一種基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)。
2、為實現(xiàn)上述目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、一種基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，包括：
4、處理系統(tǒng)(ps端)，用于與相機和投影儀進行通信，管理圖像數(shù)據(jù)的采集和處理；
5、可編程邏輯(pl端)，與所述處理系統(tǒng)(ps端)配合，專門用于三維重建的加速，所述可編程邏輯(pl端)包括三維重建算法硬件加速單元，通過硬件加速的方式執(zhí)行動態(tài)場景中的運動物體實時三維重建算法；
6、其中，所述可編程邏輯(pl端)采用流式計算架構，通過無緩存流式設計來處理接收到的圖像數(shù)據(jù)，在每一幀圖像到達時即時分析圖像數(shù)據(jù)，連續(xù)產(chǎn)生高質(zhì)量的運動物體實時三維重建結果。
7、進一步地，所述三維重建算法硬件加速單元包括：定點數(shù)計算單元，用于以定點數(shù)計算替代浮點數(shù)計算，優(yōu)化計算資源占用和提高計算精度。
8、進一步地，所述三維重建算法硬件加速單元還包括：數(shù)據(jù)位寬分配單元，用于精確計算并分配每個數(shù)值所需的數(shù)據(jù)位寬，以最小的位寬表示數(shù)值，同時滿足算法精度要求。
9、進一步地，所述流式計算架構的無緩存流式設計包括：
10、圖像數(shù)據(jù)重排單元，用于將圖像數(shù)據(jù)重新排列，將同一位置的像素集中在一組中，優(yōu)化流式處理效率。
11、進一步地，所述圖像數(shù)據(jù)重排單元包括：
12、直接傳輸模塊，用于在處理系統(tǒng)(ps端)將每張圖像同一位置的像素作為一組，直接傳輸至可編程邏輯(pl端)，無需將圖像數(shù)據(jù)存儲于bram緩存中；
13、格雷碼圖案投影單元，用于將格雷碼圖案投影到目標物體表面，每個圖案對應一個唯一的格雷碼值，從而粗略推斷出該像素點的大致深度區(qū)間；
14、相移碼圖案投影單元，用于在確定像素點大致深度區(qū)間后，使用一系列相位差逐漸變化的相移碼圖案來投影到目標物體表面，并根據(jù)變化規(guī)律精確計算其深度信息。
15、進一步地，所述流式計算架構的無緩存流式設計包括：
16、單行像素窗口處理單元，用于將數(shù)據(jù)流從多行窗口像素形式轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡邢袼卮翱谛问剑虚g數(shù)據(jù)依賴，避免在處理時因等待前一行數(shù)據(jù)而產(chǎn)生瓶頸。
17、進一步地，所述單行像素窗口處理單元包括：
18、跳躍點檢測模塊，用于在三維重建計算過程中檢測跳躍點，采用1*n窗口平滑方式檢查以三維重建點為中心的窗口內(nèi)的灰度值，判斷該點是否大于其余點的平均值，以識別跳躍點；
19、跳躍點修正模塊，針對檢測到的跳躍點，pl端僅進行水平方向的跳躍檢查，以修正大部分跳躍點，而豎直方向的跳躍點在處理系統(tǒng)(ps端)中進行修正。
20、進一步地，所述流式計算架構在無緩存流式設計基礎上采用多級流水線，將重建過程細分為多個處理階段，每個處理階段獨立處理指定的任務，以優(yōu)化數(shù)據(jù)流和計算資源的使用。
21、進一步地，所述多級流水線的每個處理階段具有雙緩存機制，允許在一個緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)讀取的同時，另一個緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)寫入和處理，以減少處理延遲并提高系統(tǒng)的吞吐量。
22、本專利技術具有如下有益效果：
23、本專利技術針對運動場景中的三維重建精度低的問題，提出了一種基于硬件實現(xiàn)的高效解決方案，在硬件上實現(xiàn)運動場景三維重建算法，并保持算法高精度優(yōu)勢。對于三維重建速度問題，本專利技術提出了無緩存的流式計算架構，這種方式能有效地減少數(shù)據(jù)搬運，在每一幀圖像到達時，pl端能夠立即對其進行分析，從而連續(xù)產(chǎn)生高質(zhì)量的三維重建結果，并且避免使用大量片上存儲資源。本專利技術相較于傳統(tǒng)
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具備精度更高、速度更快的優(yōu)勢。由于在硬件上實現(xiàn)了運動場景三維重建算法，并且通過精細設計數(shù)據(jù)位寬，保證硬件上三維重建精度與軟件三維重建精度相當。利用無緩存的流式計算架構，實時處理每一幀的圖像數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)搬運時間，提高三維重建速度，同時降低了資源用量。
24、進一步地，在三維重建算法的硬件實現(xiàn)過程中，采用定點數(shù)計算來替代軟件算法中的浮點數(shù)計算，精確計算每個數(shù)所需的數(shù)據(jù)位寬，并分配合理的存儲位寬，確保每個數(shù)值以最小的位寬進行表示，同時仍能夠達到算法所需的精度要求。
25、進一步地，多級流水線設計允許各個處理階段并行工作，從而提高了系統(tǒng)的整體吞吐量。雙緩存設計使得每個階段的處理幾乎不受前后階段處理時間的影響，極大減少了處理延遲。
26、本專利技術實施例中的其他有益效果將在下文中進一步述及。
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1.一種基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.如權利要求1所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述三維重建算法硬件加速單元包括：定點數(shù)計算單元，用于以定點數(shù)計算替代浮點數(shù)計算，優(yōu)化計算資源占用和提高計算精度。
3.如權利要求2所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述三維重建算法硬件加速單元還包括：數(shù)據(jù)位寬分配單元，用于精確計算并分配每個數(shù)值所需的數(shù)據(jù)位寬，以最小的位寬表示數(shù)值，同時滿足算法精度要求。
4.如權利要求1至3任一項所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述流式計算架構的無緩存流式設計包括：
5.如權利要求4所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像數(shù)據(jù)重排單元包括：
6.如權利要求1至5任一項所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述流式計算架構的無緩存流式設計包括：
7.如權利要求6所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述單行像素窗口處理單元
8.如權利要求1至7任一項所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述流式計算架構在無緩存流式設計基礎上采用多級流水線，將重建過程細分為多個處理階段，每個處理階段獨立處理指定的任務，以優(yōu)化數(shù)據(jù)流和計算資源的使用。
9.如權利要求8所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述多級流水線的每個處理階段具有雙緩存機制，允許在一個緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)讀取的同時，另一個緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)寫入和處理，以減少處理延遲并提高系統(tǒng)的吞吐量。
...【技術特征摘要】
1.一種基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.如權利要求1所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述三維重建算法硬件加速單元包括：定點數(shù)計算單元，用于以定點數(shù)計算替代浮點數(shù)計算，優(yōu)化計算資源占用和提高計算精度。
3.如權利要求2所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述三維重建算法硬件加速單元還包括：數(shù)據(jù)位寬分配單元，用于精確計算并分配每個數(shù)值所需的數(shù)據(jù)位寬，以最小的位寬表示數(shù)值，同時滿足算法精度要求。
4.如權利要求1至3任一項所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述流式計算架構的無緩存流式設計包括：
5.如權利要求4所述的基于條紋投影的運動物體實時三維重建系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像數(shù)據(jù)重排單元...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：麥宋平，劉炎玲，魏根平，
申請(專利權)人：清華大學深圳國際研究生院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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