基于FPGA的雙目立體視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間：2020-07-17 05:51

【摘要】：近年來,立體視覺已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、手勢(shì)識(shí)別、三維重建、智能攝像頭、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。立體匹配算法通常具有計(jì)算復(fù)雜性高、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),基于通用處理器來實(shí)現(xiàn),很多時(shí)候難以滿足嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)性、功耗與體積的要求,這極大地限制了其在實(shí)踐中的應(yīng)用。基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的圖像處理實(shí)現(xiàn)可以有效提高算法的運(yùn)行速度,但傳統(tǒng)的使用硬件描述語言進(jìn)行算法設(shè)計(jì)難度較大。高層次綜合(High Level Synthesis,HLS)技術(shù)的出現(xiàn),使得一些復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)變得更加容易�；谶@一技術(shù)現(xiàn)狀,本文對(duì)雙目立體視覺算法在FPGA上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開了研究,完成了基于HLS的Census立體視覺算法硬件加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以IP核為基礎(chǔ)。主要工作包括以下幾個(gè)方面:(1)在認(rèn)真分析Census立體匹配算法流程的基礎(chǔ)上,完成了基于HLS技術(shù)的Census雙目立體匹配IP核設(shè)計(jì)。IP核的設(shè)計(jì)包括Census變換、漢明距離計(jì)算、視差值計(jì)算、視差優(yōu)化等部分的代碼編寫與優(yōu)化。為將高級(jí)語言編寫的算法改寫為HLS可綜合的代碼,在設(shè)計(jì)中對(duì)圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存并對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行并行處理。另外,通過中值濾波來減少視差圖中的噪聲信息,同時(shí)還設(shè)計(jì)了 IP核的外部接口,以便IP核與FPGA的其他模塊連接。(2)基于Xilinx的Miz702N FPGA硬件平臺(tái),完成了 Census雙目立體匹配算法核心模塊設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)了完整的雙目立體視覺系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。所有的硬件系統(tǒng)除立體匹配模塊外,還包括ARM處理器、VDMA(Video Direct Memory Access)、AXI互聯(lián)、VTC(Video Timing Controller)、時(shí)鐘設(shè)置、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及HDMI顯示控制等模塊�；谲浻布䥇f(xié)同設(shè)計(jì)的思想,軟件部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)各硬件模塊間的數(shù)據(jù)處理流程控制,采用Vivado SDK(Vivado Software Development Kit)工具完成了嵌入式軟件程序的編寫及調(diào)試。(3)用公共數(shù)據(jù)集Middleburry對(duì)所設(shè)計(jì)的立體視覺系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的立體匹配算法硬件加速系統(tǒng)在圖像對(duì)尺寸不同、視差搜索長(zhǎng)度不同的情況下的處理幀率為24～85FPS(Frames Per Second),能夠滿足功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、硬件資源占用少的要求。圖58幅,表20個(gè),參考文獻(xiàn)38篇。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TN791
【圖文】：