基于FPGA三维点云数据采集方法研究与实现.pdfVIP

摘要

随着经济的飞速发展，智能制造企业对于产品的生产要求不断提高，产品制造的复杂性

也不断增加，传统的二维测量方式已经无法满足新的工业需求。三维测量技术快速发展，其

相关产品的应用能够提高工业生产效率，提升产品质量。本文围绕基于FPGA三维点云数据

采集方法开展研究，该方法为三维建模、测量等应用提供基础数据，主要研究内容如下：

（1）构建三维点云数据采集系统，分析FPGA开发相关技术。根据三维点云测量的数据

需求，以直射式激光三角法为基础构建三维点云数据采集系统，描述系统构成、三维数据获

取装置以及FPGA内部模块的功能与作用。从时序分析、综合优化和AXI接口技术三个方面，

分析FPGA开发过程中的相关技术。

（2）在项目组原有图像采集和条纹中心线提取模块基础上，完善图像传感器配置，设计

图像预处理模块，优化条纹中心线提取模块。描述图像采集基本逻辑，引入外部触发信号，

用于实现三维坐标的计算。分析不同表面激光条纹的成像特征，运用传感器成像的数理模型，

调整图像传感器的增益和曝光，提升了图像采集质量。对图像的噪声和质量进行分析，提出

一种可选通的滤波方案，并在FPGA平台实现逻辑设计，降低了环境对系统的干扰。根据激

光条纹图像横截面的灰度分布特点设定值，采用乒乓操作和自适应阈值数据筛选提升了条

纹中心线提取速度。

（3）分析了三维坐标计算原理，并在FPGA平台进行逻辑实现。分析坐标系之间的转换

关系及相机标定、光平面标定基本原理，得出了三维坐标的计算方程。将三维坐标计算划分

两个子模块，分别为中间变量提取模块和世界坐标计算模块，并在FPGA平台上对两个子模

块进行逻辑设计。设计了三维坐标的传输与存储部分，实现了三维坐标数据的实时传输与存

储。

最终，通过软硬件联合调试，实现了基于FPGA的三维点云数据采集系统，该系统在实

验平台上的视野范围49mm×37mm，能够有效采集三维数据，并实时输出三维坐标。对标准

量块、斜齿条、多圆类工件进行测量实验，Z轴的实验精度达到±0.2mm。

关键词:FPGA，线结构光，中心线提取，三维坐标

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftheeconomy,theproductionrequirementsofintelligent

manufacturingenterprisesforproductsarecontinuouslyincreasing,andthecomplexityofproduct

manufacturingisalsoincreasing.Traditionaltwo-dimensionalmeasurementmethodsarenolonger

abletosatisfythenewindustrialdemands.Therapiddevelopmentofthree-dimensionalmeasurement

technologyandtheapplicationofitsrelatedproductscanimproveindustrialproductionefficiency

andquality.ThisthesisfocusesonthedevelopmentofaFPGA-based3Dpointclouddatacollection

method,whichprovidesthefundamentaldatafor3Dmodelingandmeasurement.Themainresearch

contentisasfollows:

(1)A3DpointclouddataacquisitionsystemisbuiltandFPGAdevelopmentrelatedtechnologies

isanalyzed.Basedonthedatarequirementsof3Dpointcloudmeasurement,a3Dpointclouddata

acquisition