基于ARM平台的深度图像采集程序设计与实现计算机专业.docx

摘 要 在当今这一智能化的信息时代，三维图像采集技术发展迅猛，应用广泛。通过镜头对目标进行识别、跟踪和测量，之后再做进一步的图像处理，得到适合人类观察或机器识别的图像是三维图像采集的主要作用。目前关于深度信息采集的研究方法有多种，包括：三角测量法、TOF测距、干涉法和结构光。本课题主要研究的是基于ARM平台的深度图像采集系统，其测量原理是通过计算发射信号与返回信号的相位差，进而得到各像素点的距离，实现三维图像的实时获取。主要完成的工作包括以下几点： （1）了解TOF测距技术在国内外的发展现状，查阅资料了解不同三维信息采集方法及其优缺点，根据设计要求，制定完整的系统设计方案。 （2）掌握epc610芯片的TOF测距原理，各引脚参数，寄存器的读写命令字以及LED调制，绘制epc610采集系统的电路图。 （3）编写并调试程序实现图像数据的采集与处理，得到最终的三维信息，解决零点漂移，积分时间的选择等关键问题。 （4）完成在不同条件下的数据测量，计算测量精度，结合理论知识对结果进行分析，得出结论。 关键词：三维图像采集；TOF测距；积分时间；调制光；SPI Design and implementation of depth image acquisition progame base on ARM platform Abstract In today's intelligent information age, three-dimensional image acquisition is developing rapidly and used widely. Through the lens to identify, track and measure the target, and then do further image processing, the pictures which get suitable for human observation or machine identification are the main role of three-dimensional image acquisition. At present, there are several research methods on the depth of image acquisition, including triangulation, TOF ranging, interferometry and structural light. The subject mainly study a image acquisition system based on the ARM platform, the measurement principle is phase difference calculated by the transmission signal and the return signal, and then the distance of each pixel is gotten. The main work of thesis is as follows: (1) Understand the development of TOF distance measurement technology at home and abroad, access to information to understand the different three-dimensional information collection methods and their advantages and disadvantages. According to the design requirements, a complete system design is formulated. (2) Master the epc610 chip TOF ranging principle, the pin parameters, register read and write command words and LED modulation, drawing epc610 acquisition system circuit diagram. (3) Prepare and debug the program to achieve the image data collection and processing, get the final three-dimensional information to solve the zero drift, the choice of integration time and other key issues. (4)Complete the measurement of data in different conditions, calculate the measure- ment accuracy, combine with the theoretical knowledge to analysis experimental result, and draw conclusions. Key words: 3D image acquisition; TOF ranging; integration time; modulated light; SPI 目 录 摘 要 I Abstract II 引 言 1 1 绪论 2 1.1 选题 2 1.1.1 课题来源 2 1.1.2 研究目的 2 1.1.3 研究意义 2 1.2 国内外研究现状 3 1.3 论文的主要研究和结构 4 1.3.1 主要研究内容 4 1.3.2 论文结构安排 5 2 系统的测量原理 6 2.1 不同深度测量方法概述及比较 6 2.1.1 三角测量法 6 2.1.2 结构光 6 2.1.3 TOF测量 7 2.2 系统测量原理 7 3 基于epc610芯片的深度图像采集系统设计 10 3.1 系统总体设计指标 10 3.2 系统测量解决的关键问题 10 3.3 系统测量的整体方案 10 3.4 各项性能指标分析 13 3.4.1 距离分辨率、可确定距离与调制光频率的关系 13 3.4.2 灵敏度、运行范围与积分时间的关系 14 3.4.3 芯片分辨率影响因素的分析 14 4 系统硬件电路设计 16 4.1 epc610传感器模块 16 4.1.1 片上系统组成及特点 16 4.1.2 芯片参数和引脚图 17 4.1.3 epc610图像采集模块电路图 18 4.2 主处理器 18 4.3 LED光源及其驱动电路 19 4.4 电源管理单元 21 4.5 SPI总线 22 5 数据结果分析 24 结 论 25 参 考 文 献 26 附录A 测量数据 28 致 谢 33 39 引 言 科技改变世界，从1839年世界上第一台木箱照相机的诞生，到彩照照相机，再到如今的3D立体照相机。人类生活在一个三维的世界，科技使得人们更加立体地认识世界，三维立体成像技术能够实时和同步获取目标物体的距离信息，对各像素点的采样值进行识别、处理，进而得到类似于人眼看到的立体视觉效果。这一技术的实现，在众多领域都有巨大的应用价值，为人们的生活提供了更加便利的条件。 计算机视觉技术在许多领域都有应用，诸如体感游戏、手势识别、智能互动、汽车无人驾驶等。它们研究的一个主要方向就是图像的深度测量，运用深度信息使得上述的应用变得更加地可靠、可行。目前关于深度图像采集的研究方法有多种，本课题研究的是基于epc610芯片的直接飞行时间（TOF）测量的一种方法，它较其他几种测量方法具有低成本、光学系统结构简单、受环境光影响较小等优点。 基于epc610芯片的深度图像采集系统的原理是通过测量调制光经过目标物体反射回来被传感器接收，在适当的积分时间内接收到的光电子转换成电容两端的电压，然后通过A/D转换器将电压模拟量转换成数字量，其中包含了采样时刻的幅值和相位差信息。之后经过SPI串行接口将8×8像素点的4个采样值发送到ARM处理器中，运用数学逻辑运算得到个像素点的相位差以及深度距离。在数据采集过程中，重点是要选择合适的积分时间，因为积分时间的大小会影响系统的灵敏度。积分时间越长，系统的灵敏度越高；但是积分时间过长，会导致像素点的采样值饱和，影响距离的测量。因此，选择合适的积分时间使得接收到的调制光的幅值在100-1000LSB的范围内，以保证测量值的质量。调制光的频率越高，系统的分辨率越高，但会减小可确定距离。因此，为了提高系统的精度，可以适当地提高调制光的频率，还可以多次测量求平均值，设定一个基准点来减小零点漂移对精度的影响。 近几年来，直接飞行时间测量技术成为了最有前景的深度测距方法。它不需要太复杂的光学系统，也不依赖于昂贵的信号处理电路。相对于双目视觉测量技术，它受环境光的影响较小，无论白天黑夜都能进行测量，适用性较为广泛。 1 绪论 1.1 选题 1.1.1 课题来源 目前，基于单目结构光的深度摄像头代表产品有微软Kinect－1、英特尔RealSense、Google Project Tango等，基于飞行时间法的深度摄像头代表有微软Kinect－2，这些产品所实现的功能以及精度已经相当完善，但其成本较高。本课题主要对基于epc610芯片的8×8像素点的深度图像采集的研究，其在室内和太阳光不是很强的地方都可以进行测量，开始先实现较少像素点的深度距离测量，研究积分时间、调制频率、环境光等因素对精度的影响，之后还会进行更高精度的研究。 1.1.2 研究目的 1. 理解深度图像采集的原理。 2. 熟悉ESPROS公司epc610芯片功能及使用。 3. 掌握深度图像采集板的硬件原理。 4. 理解SPI通信协议。 5. 熟悉VIVADO开发环境。 6. 通过编程实现深度图像采集。 1.1.3 研究意义 随着科学技术的不断发展，计算机视觉技术在许多领域起着越来越重要的作用，例如在手势识别，汽车自动驾驶，目标物体跟踪，人机交互智能游戏等。其中，一个重要的研究方向就是3D深度图像采集，它可以对目标物体进行深度采集，实现目标物体与背景的分离，进而对图像进行处理﹑识别，从二维平面图像中恢复出三维空间信息[1]。 3D深度图像采集有多种方法，包括双目视觉﹑结构光投影成像技术以及TOF激光测距技术。双目立体视觉是基于三角测量法，运用几何运算得出被测物体到测量点的距离；结构光投影成像技术是将特定形状投影打在目标物体上，通过检测投影的形变量得出各点的深度距离；TOF激光测距技术是通过测量调制光来回的飞行时间得出深度距离。 近年来，TOF激光测距越来越得到重视，世界上许多大公司都开始研究基于该原理的深度图像采集。其相比于前两种技术，可在CMOS芯片上实现，成本较低，受外界环境的影响较小，对光学系统的要求较低，对传感器接收到的反射光信息的后处理较简单，通常只需要简单的转换，然后将相应的读数映射到实际距离范围[2]。而且TOF技术通过测量激光发射并由目标物体反射回来的时间可以实时获取目标物体表面距离信息的特点，实现对目标物体的三维立体重建。目前，TOF技术的分辨率还低于结构光投影成像技术，且最大测量距离通常不超过光信号在半个周期内飞行的距离[3]，这些难题仍需要去克服，因此对其的研究具有重大意义。 1.2