基于ARM平臺(tái)的深度圖像采集程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)專業(yè)

1、摘 要在當(dāng)今這一智能化的信息時(shí)代，三維圖像采集技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用廣泛。通過(guò)鏡頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量，之后再做進(jìn)一步的圖像處理，得到適合人類觀察或機(jī)器識(shí)別的圖像是三維圖像采集的主要作用。目前關(guān)于深度信息采集的研究方法有多種，包括：三角測(cè)量法、TOF測(cè)距、干涉法和結(jié)構(gòu)光。本課題主要研究的是基于ARM平臺(tái)的深度圖像采集系統(tǒng)，其測(cè)量原理是通過(guò)計(jì)算發(fā)射信號(hào)與返回信號(hào)的相位差，進(jìn)而得到各像素點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)三維圖像的實(shí)時(shí)獲取。主要完成的工作包括以下幾點(diǎn)：（1）了解TOF測(cè)距技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，查閱資料了解不同三維信息采集方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，制定完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。（2）掌握epc610芯

2、片的TOF測(cè)距原理，各引腳參數(shù)，寄存器的讀寫(xiě)命令字以及LED調(diào)制，繪制epc610采集系統(tǒng)的電路圖。（3）編寫(xiě)并調(diào)試程序?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集與處理，得到最終的三維信息，解決零點(diǎn)漂移，積分時(shí)間的選擇等關(guān)鍵問(wèn)題。（4）完成在不同條件下的數(shù)據(jù)測(cè)量，計(jì)算測(cè)量精度，結(jié)合理論知識(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：三維圖像采集；TOF測(cè)距；積分時(shí)間；調(diào)制光；SPIDesign and implementation of depth image acquisition progame base on ARM platformAbstract In today's intelligent informat

3、ion 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

4、 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 differenc

5、e 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-dimens

6、ional 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 acq

7、uisition 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,

8、 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 錄摘 要IAbstractII引 言11 緒論21.1 選題21.1.1 課題來(lái)源21.1.2 研究目的21.1.3 研究意義21.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3 論文

9、的主要研究和結(jié)構(gòu)41.3.1 主要研究?jī)?nèi)容41.3.2 論文結(jié)構(gòu)安排52 系統(tǒng)的測(cè)量原理62.1 不同深度測(cè)量方法概述及比較62.1.1 三角測(cè)量法62.1.2 結(jié)構(gòu)光62.1.3 TOF測(cè)量72.2 系統(tǒng)測(cè)量原理73 基于epc610芯片的深度圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)103.2 系統(tǒng)測(cè)量解決的關(guān)鍵問(wèn)題103.3 系統(tǒng)測(cè)量的整體方案103.4 各項(xiàng)性能指標(biāo)分析133.4.1 距離分辨率、可確定距離與調(diào)制光頻率的關(guān)系133.4.2 靈敏度、運(yùn)行范圍與積分時(shí)間的關(guān)系143.4.3 芯片分辨率影響因素的分析144 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)164.1 epc610傳感器模塊164.1.1

10、片上系統(tǒng)組成及特點(diǎn)164.1.2 芯片參數(shù)和引腳圖174.1.3 epc610圖像采集模塊電路圖184.2 主處理器184.3 LED光源及其驅(qū)動(dòng)電路194.4 電源管理單元214.5 SPI總線225 數(shù)據(jù)結(jié)果分析24結(jié) 論25參 考 文 獻(xiàn)26附錄A 測(cè)量數(shù)據(jù)28致 謝3337引 言科技改變世界，從1839年世界上第一臺(tái)木箱照相機(jī)的誕生，到彩照照相機(jī)，再到如今的3D立體照相機(jī)。人類生活在一個(gè)三維的世界，科技使得人們更加立體地認(rèn)識(shí)世界，三維立體成像技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)和同步獲取目標(biāo)物體的距離信息，對(duì)各像素點(diǎn)的采樣值進(jìn)行識(shí)別、處理，進(jìn)而得到類似于人眼看到的立體視覺(jué)效果。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，在眾多領(lǐng)域都有巨

11、大的應(yīng)用價(jià)值，為人們的生活提供了更加便利的條件。計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，諸如體感游戲、手勢(shì)識(shí)別、智能互動(dòng)、汽車無(wú)人駕駛等。它們研究的一個(gè)主要方向就是圖像的深度測(cè)量，運(yùn)用深度信息使得上述的應(yīng)用變得更加地可靠、可行。目前關(guān)于深度圖像采集的研究方法有多種，本課題研究的是基于epc610芯片的直接飛行時(shí)間（TOF）測(cè)量的一種方法，它較其他幾種測(cè)量方法具有低成本、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受環(huán)境光影響較小等優(yōu)點(diǎn)?；趀pc610芯片的深度圖像采集系統(tǒng)的原理是通過(guò)測(cè)量調(diào)制光經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體反射回來(lái)被傳感器接收，在適當(dāng)?shù)姆e分時(shí)間內(nèi)接收到的光電子轉(zhuǎn)換成電容兩端的電壓，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

12、，其中包含了采樣時(shí)刻的幅值和相位差信息。之后經(jīng)過(guò)SPI串行接口將8×8像素點(diǎn)的4個(gè)采樣值發(fā)送到ARM處理器中，運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算得到個(gè)像素點(diǎn)的相位差以及深度距離。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，重點(diǎn)是要選擇合適的積分時(shí)間，因?yàn)榉e分時(shí)間的大小會(huì)影響系統(tǒng)的靈敏度。積分時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)的靈敏度越高；但是積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致像素點(diǎn)的采樣值飽和，影響距離的測(cè)量。因此，選擇合適的積分時(shí)間使得接收到的調(diào)制光的幅值在100-1000LSB的范圍內(nèi)，以保證測(cè)量值的質(zhì)量。調(diào)制光的頻率越高，系統(tǒng)的分辨率越高，但會(huì)減小可確定距離。因此，為了提高系統(tǒng)的精度，可以適當(dāng)?shù)靥岣哒{(diào)制光的頻率，還可以多次測(cè)量求平均值，設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)減

13、小零點(diǎn)漂移對(duì)精度的影響。近幾年來(lái)，直接飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)成為了最有前景的深度測(cè)距方法。它不需要太復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，也不依賴于昂貴的信號(hào)處理電路。相對(duì)于雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，它受環(huán)境光的影響較小，無(wú)論白天黑夜都能進(jìn)行測(cè)量，適用性較為廣泛。1 緒論1.1 選題1.1.1 課題來(lái)源目前，基于單目結(jié)構(gòu)光的深度攝像頭代表產(chǎn)品有微軟Kinect1、英特爾RealSense、Google Project Tango等，基于飛行時(shí)間法的深度攝像頭代表有微軟Kinect2，這些產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)的功能以及精度已經(jīng)相當(dāng)完善，但其成本較高。本課題主要對(duì)基于epc610芯片的8×8像素點(diǎn)的深度圖像采集的研究，其在室內(nèi)和太陽(yáng)

14、光不是很強(qiáng)的地方都可以進(jìn)行測(cè)量，開(kāi)始先實(shí)現(xiàn)較少像素點(diǎn)的深度距離測(cè)量，研究積分時(shí)間、調(diào)制頻率、環(huán)境光等因素對(duì)精度的影響，之后還會(huì)進(jìn)行更高精度的研究。1.1.2 研究目的1. 理解深度圖像采集的原理。2. 熟悉ESPROS公司epc610芯片功能及使用。3. 掌握深度圖像采集板的硬件原理。4. 理解SPI通信協(xié)議。5. 熟悉VIVADO開(kāi)發(fā)環(huán)境。6. 通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)深度圖像采集。1.1.3 研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在許多領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，例如在手勢(shì)識(shí)別，汽車自動(dòng)駕駛，目標(biāo)物體跟蹤，人機(jī)交互智能游戲等。其中，一個(gè)重要的研究方向就是3D深度圖像采集，它可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行深度

15、采集，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體與背景的分離，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行處理識(shí)別，從二維平面圖像中恢復(fù)出三維空間信息1。3D深度圖像采集有多種方法，包括雙目視覺(jué)結(jié)構(gòu)光投影成像技術(shù)以及TOF激光測(cè)距技術(shù)。雙目立體視覺(jué)是基于三角測(cè)量法，運(yùn)用幾何運(yùn)算得出被測(cè)物體到測(cè)量點(diǎn)的距離；結(jié)構(gòu)光投影成像技術(shù)是將特定形狀投影打在目標(biāo)物體上，通過(guò)檢測(cè)投影的形變量得出各點(diǎn)的深度距離；TOF激光測(cè)距技術(shù)是通過(guò)測(cè)量調(diào)制光來(lái)回的飛行時(shí)間得出深度距離。近年來(lái)，TOF激光測(cè)距越來(lái)越得到重視，世界上許多大公司都開(kāi)始研究基于該原理的深度圖像采集。其相比于前兩種技術(shù)，可在CMOS芯片上實(shí)現(xiàn)，成本較低，受外界環(huán)境的影響較小，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求較低，對(duì)傳感器接收到

16、的反射光信息的后處理較簡(jiǎn)單，通常只需要簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，然后將相應(yīng)的讀數(shù)映射到實(shí)際距離范圍2。而且TOF技術(shù)通過(guò)測(cè)量激光發(fā)射并由目標(biāo)物體反射回來(lái)的時(shí)間可以實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)物體表面距離信息的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的三維立體重建。目前，TOF技術(shù)的分辨率還低于結(jié)構(gòu)光投影成像技術(shù)，且最大測(cè)量距離通常不超過(guò)光信號(hào)在半個(gè)周期內(nèi)飛行的距離3，這些難題仍需要去克服，因此對(duì)其的研究具有重大意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對(duì)TOF深度圖像采集技術(shù)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了相關(guān)的研究，并取得了一些顯著的成果。1997年，R Miyagawa，T Kanade發(fā)明了一種基于CCD的測(cè)距傳感器4，它是基于飛行時(shí)間的原理進(jìn)行距離測(cè)量。傳感

17、器在一定的積分時(shí)間內(nèi)將接收光信號(hào)，通過(guò)直接處理圖像產(chǎn)生的電荷來(lái)得到深度信息。2007年，Yang Ruigang，Davis J等人，將三維攝像機(jī)與單個(gè)攝像機(jī)相結(jié)合5，通過(guò)構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，并采用雙邊濾波器進(jìn)行迭代處理,將開(kāi)始的64×64像素點(diǎn)的圖像采集系統(tǒng)的分辨率提高了10倍。2008年，丹麥理工大學(xué)的Henrik Aanas等人，提出了將TOF測(cè)距和立體視覺(jué)圖像相結(jié)合的算法6，先通過(guò)TOF測(cè)距的方法得到三維信息，然后將其轉(zhuǎn)換成視差進(jìn)行圖像的立體匹配，最后利用分層的方法提高系統(tǒng)的分辨率。在2009年6月2日的E3展覽會(huì)上，微軟展出了XBOX系列體感游戲機(jī)Kinect 7。它完全不同于以

18、往游戲機(jī)，用人機(jī)互動(dòng)的方式代替單一操作。它具有實(shí)時(shí)圖像采集、姿態(tài)辨識(shí)、語(yǔ)音輸入、社群互動(dòng)等功能。在游戲中玩家可以通過(guò)身體的擺動(dòng)開(kāi)車、打網(wǎng)球，而且可以與其他玩家聯(lián)機(jī)、在網(wǎng)上分享他們的游戲戰(zhàn)績(jī)和心得等，大大提高了游戲體驗(yàn)。2012年，德國(guó)的PMDTec公司研制出Photon ICS 19K-s3型號(hào)的3D-TOF芯片，該芯片具有160×120分辨率，由于其采用了環(huán)境光抑制技術(shù)，削弱外界環(huán)境對(duì)其的影響，所以它用于室外測(cè)量，大大提高了它的實(shí)用性。但是它也存在一定的弊端，測(cè)量距離較短8。 MESA公司生產(chǎn)的SR4000 3D測(cè)距相機(jī)能以視頻幀速率實(shí)時(shí)輸出距離值和振幅值，它可以很方便地通過(guò)USB

19、2.0或者以太網(wǎng)接口連接到電腦或者網(wǎng)絡(luò)中，快速生成實(shí)時(shí)深度圖9。在2013年國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)上10，德州儀器公司展示了其3D-TOF影像傳感器芯片組。該芯片組不僅集成DepthSense像素技術(shù)，而且可跟蹤手指、手掌甚至全身的動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)組成如圖1.1所示，包括TOF傳感器，控制器，電源管理單元等。圖1.1 3D-TOF芯片組目前，國(guó)外在TOF深度圖像采集技術(shù)較國(guó)內(nèi)更為成熟，已有一些公司有相關(guān)的產(chǎn)品，但這一研究方向還有很大的發(fā)展空間。1.3 論文的主要研究和結(jié)構(gòu)1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容本課題希望通過(guò)epc610芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)8×8個(gè)像素點(diǎn)實(shí)時(shí)的深度距離測(cè)量，其研究的主要內(nèi)容包括：（

20、1） 系統(tǒng)的測(cè)量原理850nm的紅外光線經(jīng)epc610芯片上的LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)制后照射在目標(biāo)物體上，反射光被傳感器接收，通過(guò)比較入射光與反射光的相位差得到光信號(hào)往返所需要的時(shí)間，進(jìn)而求出目標(biāo)物體到零點(diǎn)的距離。（2） 系統(tǒng)測(cè)量的性能指標(biāo)及影響因素系統(tǒng)測(cè)量的性能指標(biāo)包括：精度，靈敏度，可確定距離范圍等。影響它們的因素有很多，包括：積分時(shí)間，環(huán)境光，調(diào)制光頻率等。本課題會(huì)研究這些因素對(duì)各性能指標(biāo)的影響。（3） epc610芯片的功能及使用此測(cè)量系統(tǒng)利用epc610上集成的大功率的LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)不同頻率的調(diào)制光；利用光電COMS充電原理將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字

21、量。（4） 硬件電路的理解設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路和電源管理模塊，理解各電容、電阻的作用，繪制電路圖。將傳感器模塊搭建在以Zynq-7000為主處理器的開(kāi)發(fā)板上，采用SPI總線進(jìn)行通訊。（5） SPI通信協(xié)議SPI串行通訊接口負(fù)責(zé)向傳感器相應(yīng)的寄存器發(fā)送讀寫(xiě)命令字，完成初始化配置，并將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量傳送到ARM處理器進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算。（6） Vivado開(kāi)發(fā)環(huán)境學(xué)習(xí)在Vivado開(kāi)發(fā)環(huán)境下創(chuàng)建工程，設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入及工程的實(shí)現(xiàn)。（7） 編程實(shí)現(xiàn)深度圖像采集首先，向各個(gè)特定寄存器發(fā)送命令字進(jìn)行初始化，然后判斷測(cè)量模式，寫(xiě)入積分時(shí)間。自動(dòng)模式下選擇合適的積分時(shí)間采樣，非自動(dòng)模式下依據(jù)寫(xiě)

22、入的積分時(shí)間采樣，將最終的采樣值發(fā)送給處理器。設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量目標(biāo)物體與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)距離。1.3.2 論文結(jié)構(gòu)安排本論文主要研究的是基于ARM平臺(tái)的深度圖像采集系統(tǒng)，以Zynq-7000為主處理器的開(kāi)發(fā)板與epc610圖像采集模塊通過(guò)SPI總線進(jìn)行通訊，完成深度信息的采集與處理。本文研究了環(huán)境光強(qiáng)度、頻率、積分時(shí)間不同情況下，圖像采集系統(tǒng)的測(cè)量精度，驗(yàn)證了相應(yīng)的結(jié)論。第1章講述了課題的來(lái)源，研究目的，研究的主要內(nèi)容以其研究意義，并概述了TOF測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程和其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，基于TOF測(cè)距的深度圖像采集作為一種新興技術(shù)，有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在著一些尚未解決的問(wèn)題，具有很大的

23、發(fā)展前景。第2章首先介紹了不同深度測(cè)量方法并進(jìn)行了比較，說(shuō)明了各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，之后又詳細(xì)介紹了epc610芯片基于直接飛行時(shí)間的測(cè)量原理，重點(diǎn)說(shuō)明了返回信號(hào)的采集和深度距離的數(shù)學(xué)計(jì)算。第3章給出系統(tǒng)測(cè)量的理論性能指標(biāo)，敘述了在程序編寫(xiě)時(shí)主要解決的技術(shù)問(wèn)題，之后概述了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并就各性能指標(biāo)的影響因素進(jìn)行了分析，其中包括：積分時(shí)間，環(huán)境光，調(diào)制光頻率等。第4章是測(cè)量系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，主要包括：芯片的選取，LED驅(qū)動(dòng)電路和電源管理單元的設(shè)計(jì)，SPI通訊協(xié)議及其時(shí)序圖。第5章針對(duì)不同測(cè)量條件下的結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了測(cè)量精度與調(diào)制光頻率，積分時(shí)間，以及環(huán)境光強(qiáng)度之間的關(guān)系。2 系統(tǒng)的測(cè)

24、量原理2.1 不同深度測(cè)量方法概述及比較2.1.1 三角測(cè)量法三角測(cè)量法是運(yùn)用數(shù)學(xué)中三角函數(shù)求解的一種方法，其按照有無(wú)光源可以分為主動(dòng)式三角法和被動(dòng)式三角法11。立體視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的就是被動(dòng)式三角法測(cè)量原理，類似于人眼視覺(jué)系統(tǒng)。利用兩個(gè)或多個(gè)相機(jī)去拍攝同一目標(biāo)物體，不同視角下獲取圖像信息，然后測(cè)量同一被測(cè)點(diǎn)在不同相機(jī)的視角以及兩相機(jī)之間的距離，運(yùn)用幾何關(guān)系得出目標(biāo)物體到水平線的距離12。測(cè)量原理圖如2.1所示。圖2.1 立體視覺(jué)技術(shù)測(cè)量原理立體視覺(jué)技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，適合人眼觀察的優(yōu)點(diǎn)，但是其受陰影和反射光的影響較大,需要進(jìn)行大量的后處理13。它面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是解決通信問(wèn)題：在一

25、幅圖像中給定一個(gè)點(diǎn)，如何在另一個(gè)攝像機(jī)中匹配到相同的點(diǎn)。需要建立通訊，這就涉及到用于特征提取和匹配的復(fù)雜算法。它們也需要足夠的亮度和圖像中顏色的鮮明變化來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度14。如果被測(cè)物體缺少這些條件，會(huì)使立體視覺(jué)效果更差。2.1.2 結(jié)構(gòu)光結(jié)構(gòu)光是將特定圖形的投影打在目標(biāo)物體上，通過(guò)測(cè)量圖形投影的變形情況來(lái)測(cè)量物體各點(diǎn)的深度距離，如圖2.2所示。其類型主要有兩種：一是光柵條紋，通過(guò)將排列均勻的長(zhǎng)條紋投影在目標(biāo)物體上，攝像機(jī)獲取光柵條紋的投影信息，根據(jù)其產(chǎn)生的偏移量計(jì)算各點(diǎn)的距離15。二是激光散斑，利用其高度的隨機(jī)性，將其投射在目標(biāo)物體上，比較照射在不同位置亮斑的大小和形狀得出各點(diǎn)的距離

26、16。 圖2.2 結(jié)構(gòu)光測(cè)距結(jié)構(gòu)光測(cè)量的分辨率較高，但是其易受環(huán)境光的影響，適合于在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)需要保持相對(duì)靜止，以免導(dǎo)致圖像采集模糊不清。而且該方法需要大功率，高密度光源，成本較高17。2.1.3 TOF測(cè)量顧名思義，TOF18測(cè)量就是測(cè)量調(diào)制光發(fā)射和返回的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離。在測(cè)量時(shí)，需要保證發(fā)送裝置和接收裝置始終同步；注意接收裝置提供信號(hào)的傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短。TOF是一種經(jīng)濟(jì)有效的深度成像解決方案，TOF對(duì)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)和環(huán)境照明條件敏感程度較小，不依賴于顏色或紋理來(lái)測(cè)量距離，并且大大簡(jiǎn)化了通常需要的圖像與背景的分離處理。雖然其分辨率相對(duì)于結(jié)構(gòu)光測(cè)量法較低，但仍在不斷地改善。2.

27、2 系統(tǒng)測(cè)量原理 本課題所用到的epc610傳感器就是基于TOF測(cè)距的原理。調(diào)制光由發(fā)射器發(fā)出，經(jīng)目標(biāo)物體反射，通過(guò)接收鏡頭被傳感器接收，比較入射光與反射光的相位差計(jì)算出發(fā)出與接收的時(shí)間差，進(jìn)而得到各像素點(diǎn)物體的深度距離19，如圖2.3所示。圖2.3 系統(tǒng)測(cè)量原理圖假設(shè)有發(fā)射器發(fā)出的調(diào)制光和經(jīng)目標(biāo)物體反射被傳感器接收到的反射光為理想的正弦波信號(hào)，為保證返回信號(hào)幅值和相位的可靠性，在采樣過(guò)程中，我們會(huì)在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)進(jìn)行4次采樣，且每個(gè)采樣值的相位相差90°，如圖2.4所示。這樣的采樣方式可以消除物體反射率，反射光功率的絕對(duì)值，快門(mén)時(shí)間等因素對(duì)測(cè)量造成的影響。從上述4次采樣中提取反射光

28、的相位和幅值有多種方法。如圖2.5表示了接收到的反射光信號(hào)經(jīng)過(guò)混合器和低通濾波器等一系列信號(hào)處理技術(shù)得到其幅值和相位信息。將接受到的返回信號(hào)與發(fā)射的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)混合器混合得到一個(gè)含有高頻分量的正弦信號(hào)，之后再由低通濾波器將其高頻分量過(guò)濾掉，得到一個(gè)只含振幅和相位信息的常數(shù)分量，即DCS0-3，還有其他方法，如文獻(xiàn)20所提出的。 (2.1)在實(shí)際測(cè)量中，會(huì)存在背景光幅值K21。圖2.4 接收波形的采樣圖2.5 接收信號(hào)的處理Epc610芯片是利用器件級(jí)充電處理來(lái)有效地實(shí)現(xiàn)TOF測(cè)量原理。該傳感器具有8×8像素陣列，并采用普通的低成本CMOS工藝在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，它還集成了一個(gè)A/D數(shù)模

29、轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生高速調(diào)制信號(hào)的電路。其關(guān)鍵部分是特殊的像素結(jié)構(gòu)，像素的橫截面如圖2.6所示。它采用差分結(jié)構(gòu)，照片生成的正負(fù)電荷分別移向CMOS管的兩極。由于芯片內(nèi)部調(diào)制信號(hào)與發(fā)射信號(hào)同步，因此取決于入射光的相位，一個(gè)節(jié)點(diǎn)收集比另一個(gè)更多的電荷。在積分結(jié)束時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的電壓差作為發(fā)射光與反射光相位差的度量。實(shí)際上，該像素同時(shí)執(zhí)行混合,低通濾波的功能22。從而得到4個(gè)相位差90°的采樣值，通過(guò)其比值能夠得出入射光和反射光的相位差： (2.2)進(jìn)而得到不同像素點(diǎn)處物體的深度距離： (2.3)圖2.6 像素結(jié)構(gòu)同時(shí)，由返回信號(hào)的4個(gè)采樣值還可以得到，返回信號(hào)的幅值A(chǔ)以及偏移量B： (2.4) (

30、2.5) 深度測(cè)量方差： (2.6)其中，表示TOF傳感器分離和收集光電子的方式，由等式（2.6）可得：返回信號(hào)的幅值越大，偏移量越小，系統(tǒng)的測(cè)量精度越高，同時(shí)偏移量過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致像素點(diǎn)飽和。3 基于epc610芯片的深度圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)表3.1 epc610芯片的測(cè)量參數(shù)激光調(diào)制頻率可確定距離距離分辨率LED時(shí)鐘分頻器20MHz7.5m0.25cm110MHz15m0.50cm25MHz30m1.00cm42.5MHz60m2.00cm81.25MHz120m4.00cm16 如圖3.1表示基于epc610芯片的深度測(cè)量參數(shù)，由表可得：調(diào)制光的頻率越高，系統(tǒng)的可確定

31、距離越小，距離分辨率越高，所需的LED時(shí)鐘分頻器數(shù)目越少。在實(shí)際測(cè)量中，可以采用多調(diào)制頻率技術(shù)提高系統(tǒng)的分辨率。3.2 系統(tǒng)測(cè)量解決的關(guān)鍵問(wèn)題（1）光源與調(diào)制信號(hào)同步在測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)像素點(diǎn)都需要進(jìn)行4次采樣，他們之間90°的相位差要求傳感器必須在調(diào)制光與傳感器內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的相位差為0°，90°，180°，270°時(shí)采集數(shù)據(jù)，能否滿足這一要求會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。（2）最佳積分時(shí)間的選擇積分時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響傳感器接受到的調(diào)制光的幅值，而返回信號(hào)的值又會(huì)影響系統(tǒng)測(cè)量的精度。因此，選擇合適的積分時(shí)間可以保證測(cè)量的精度。（3）設(shè)置系統(tǒng)的零點(diǎn)在實(shí)際測(cè)量

32、過(guò)程中，會(huì)由于環(huán)境的變化、設(shè)備的微小移動(dòng)等各種因素導(dǎo)致零點(diǎn)漂移，影響測(cè)量精度，甚至造成測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤。為解決這一問(wèn)題，這里采用了設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)的方法，先確定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，通過(guò)將兩次測(cè)量結(jié)果求均值，然后測(cè)量目標(biāo)物體與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)距離。3.3 系統(tǒng)測(cè)量的整體方案本課題設(shè)計(jì)的深度圖像采集系統(tǒng)主要分為兩部分：一是epc610深度傳感器模塊。它主要完成調(diào)制光信號(hào)的發(fā)送與接收，紅外線由片上的LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)制后發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)物體反射后被傳感器接收，記錄下64個(gè)點(diǎn)陣的信息。之后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;二是處理器模塊。它主要負(fù)責(zé)將SPI傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)章節(jié)2.2所述的數(shù)運(yùn)算得到最終的距離值。在

33、測(cè)量前，需要先通過(guò)從處理器發(fā)送命令，在傳感器芯片相應(yīng)的寄存器中設(shè)置測(cè)量類型、調(diào)制光頻率以及積分時(shí)間。接下來(lái)進(jìn)行4次采樣，每次完成一個(gè)積分周期或下一行像素?cái)?shù)據(jù)加載時(shí)，微處理器必須通過(guò)SPI讀取數(shù)據(jù)，包括：每行8個(gè)采樣值，MSB和LSB部分像素區(qū)域的溫度值以及飽和像素?cái)?shù)目，如圖3.1所示。圖3.1 epc610芯片一次完整的測(cè)量周期本課題程序編寫(xiě)的主框架如圖3.2所示。首先，向各個(gè)特定寄存器發(fā)送命令字進(jìn)行初始化，然后判斷測(cè)量模式，寫(xiě)入積分時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)工作在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇合適的積分時(shí)間，使得各像素點(diǎn)接收到的調(diào)制光幅值均處于100-1000LSB，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。若幅值小于100LSB

34、說(shuō)明被測(cè)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，物體反射率太小或LED光線太暗，需要增加積分時(shí)間重新采樣；若幅值大于1000LSB說(shuō)明物體反射率太大，被測(cè)點(diǎn)距離太近，光線太強(qiáng)，需要減小積分時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)工作在非自動(dòng)模式下，系統(tǒng)會(huì)按照提前設(shè)置好的積分時(shí)間進(jìn)行采樣。若采樣過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行不同積分時(shí)間對(duì)應(yīng)的延時(shí)程序，舍棄本次采樣數(shù)據(jù)，重新采樣。之后，將每一積分周期內(nèi)8行數(shù)據(jù)依次發(fā)送給處理器，依據(jù)等式（2.2-2.5）得到調(diào)制信號(hào)振幅和距離。將前兩次測(cè)得的距離求平均作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量目標(biāo)物體與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)距離，消除環(huán)境變化引起的溫度漂移和硬件電路不完善產(chǎn)生的誤差。SPI數(shù)據(jù)傳送流程圖如下圖3.3所示。圖3.2 系統(tǒng)流程圖圖

35、3.3 SPI數(shù)據(jù)傳送流程圖3.4 各項(xiàng)性能指標(biāo)分析3.4.1 距離分辨率、可確定距離與調(diào)制光頻率的關(guān)系由表3.1可得：隨著調(diào)制光頻率的增大，系統(tǒng)測(cè)量的可確定距離減小，但距離分辨率提高。測(cè)量時(shí)，一定要保證測(cè)量的距離小于調(diào)制光在半個(gè)周期內(nèi)飛行的距離，否則會(huì)出現(xiàn)混疊問(wèn)題。例如，當(dāng)調(diào)制光頻率為10MHz時(shí)，系統(tǒng)的可確定距離范圍是15m，距離傳感器2m的位置與距離傳感器17m的物體會(huì)得到相同的測(cè)量值。為解決這一問(wèn)題，可以采用多個(gè)不同頻率的調(diào)制光進(jìn)行測(cè)量，使得系統(tǒng)的可確定距離增加為不同頻率下最大可確定距離的最小公倍數(shù)22。如圖3.4所示，假設(shè)在距離傳感器13m的位置放一個(gè)物體，用25MHz的調(diào)制光測(cè)量時(shí)

36、可以推斷出物體的位置在1m、7m、13m或19m；用18.75MHz的調(diào)制光測(cè)量時(shí)可以推斷出物體的位置在5m、13m或21m。通過(guò)上述兩個(gè)不同頻率調(diào)制光的測(cè)量結(jié)果可以得出：目標(biāo)物體的位置一定在13m處，其測(cè)量的可確定距離范圍相對(duì)于單頻測(cè)量時(shí)顯著增加。圖3.4 多頻測(cè)距3.4.2 靈敏度、運(yùn)行范圍與積分時(shí)間的關(guān)系系統(tǒng)測(cè)量時(shí)的距離范圍一般情況下小于可確定距離，其大小受傳感器的靈敏度，物體的反射率，積分時(shí)間和調(diào)制光源的照明功率的限制。采樣值是單位時(shí)間內(nèi)傳感器接收反射光的功率，因此當(dāng)積分時(shí)間變長(zhǎng)，物體的反射率增大，或者光源的照明功率增大，都會(huì)使得傳感器的采樣值增加，測(cè)量越靈敏，測(cè)量范圍越大。但是，積分

37、時(shí)間過(guò)大，會(huì)使像素的采樣值飽和以及系統(tǒng)對(duì)環(huán)境光的敏感程度增大。因此，選擇合適的積分時(shí)間既能提高測(cè)量范圍，又能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。3.4.3 芯片分辨率影響因素的分析 分辨率是深度圖像采集系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)之一，它表示了系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)像素點(diǎn)的距離偏離準(zhǔn)確值的程度。接下來(lái)，對(duì)影響分辨率的因素進(jìn)行分析。在一個(gè)積分周期內(nèi)一個(gè)像素點(diǎn)接到的光電子總數(shù)： (3.1) 其中，是光源發(fā)射光功率，是量子效率，是光學(xué)系統(tǒng)特性所確定的常系數(shù)，T是一個(gè)積分周期的時(shí)間，A是返回信號(hào)的幅值，r是目標(biāo)物體相應(yīng)點(diǎn)的反射率。傳感器將接收到的光電子存儲(chǔ)在電容中，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓來(lái)表示入射光與反射光相位差的大小。在一個(gè)積分周期內(nèi)電

38、容兩端的電壓： (3.2) 其中，q是電子的電荷量1.6×10-19 C，p表示返回信號(hào)與參考信號(hào)的相位重疊程度，不同像素點(diǎn)的p值與該點(diǎn)目標(biāo)物體到傳感器的距離有關(guān)。 噪聲是影響分辨率的一個(gè)重要因素，其中包括：ADC量化噪聲，kT/C復(fù)位噪聲，熱噪聲等隨機(jī)噪聲以及影響電容兩端電壓的散射噪聲。改善其影響的方法有兩種：一是采用中值濾波23，將每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值，讓周圍像素點(diǎn)的值盡可能接近真實(shí)值，從而減小或消除噪聲帶來(lái)的干擾誤差。同時(shí)該方法還具有保護(hù)信號(hào)邊緣的效果，使之不被模糊，結(jié)果更加可靠，而且其硬件電路較容易實(shí)現(xiàn)。二是采用將時(shí)間、空間域噪聲值平均

39、的方法來(lái)減小噪聲對(duì)圖像采集的影響24。這兩種方法都能夠抑制噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。其中，由接收到的光電子總數(shù)的不確定度引起的電容電壓誤差: (3.3)由上述變量可得，系統(tǒng)距離分辨率： (3.4)其中，表示與時(shí)電容電壓的差值，是調(diào)制頻率。由等式（3.4）可得：系統(tǒng)分辨率與光源發(fā)射光功率，一個(gè)積分周期時(shí)間T，目標(biāo)物體的反射率r，以及調(diào)制光的調(diào)制頻率有關(guān)。光源功率越大，積分時(shí)間越長(zhǎng)，目標(biāo)物體的反射率越高，分辨率越高。但是，功率過(guò)大會(huì)造成電力損耗過(guò)大和成本增加；積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將不能滿足應(yīng)用程序?qū)俾实囊?；而增大調(diào)制光頻率會(huì)減小系統(tǒng)的可確定距離。因此，要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各參數(shù)，使系統(tǒng)的分辨率盡可能高22。4 系統(tǒng)

40、硬件電路設(shè)計(jì)4.1 epc610傳感器模塊Epc610傳感器是Corporation（EPC）公司研發(fā)的Epc6XX系類芯片，作為深度圖像采集系統(tǒng)的核心元件，負(fù)責(zé)發(fā)射光的調(diào)制以及反射光的接收。它是單片、完全集成的光電CMOS器件。4.1.1 片上系統(tǒng)組成及特點(diǎn)Epc610芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，包括：（1）含LED驅(qū)動(dòng)器的完整數(shù)據(jù)采集路徑，具有8×8像素TOF CCD陣列的光電接收器，信號(hào)調(diào)節(jié)器，A/D轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理。（2）管理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信的片上控制器。 （3）用于命令和數(shù)據(jù)通信的SPI接口。 （4）電源電源管理單元。圖4.1 epc610片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Epc610傳感器

41、模塊成本低廉；具有完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可用于芯片上的距離測(cè)量或物體檢測(cè)；具有大功率LED驅(qū)動(dòng)器；集成信號(hào)處理；響應(yīng)時(shí)間不到1ms；具備環(huán)境光抑制能力，高達(dá)>100kLux；內(nèi)含環(huán)境光調(diào)節(jié)計(jì)，可用于亮度控制或調(diào)光功能；電源電壓低，功耗低；采用SPI接口進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸；采用完全貼片兼容的倒裝芯片CSP24封裝，占地面積小。4.1.2 芯片參數(shù)和引腳圖表4.1 芯片參數(shù)參數(shù)值電源電壓-0.5V+9.5V工作溫度-2065相位抖動(dòng)50ps時(shí)鐘頻率10MHz像素感光區(qū)域40×40LED調(diào)制頻率1.25MH峰值波長(zhǎng)850nm工作波長(zhǎng)范圍550-1000nm封裝CSP-24 2.77&#

42、215;2.76 m2圖4.2 epc610芯片引腳圖4.1.3 epc610圖像采集模塊電路圖4.2 主處理器本課題是將epc610傳感器模塊搭建在以Zynq-7000為主處理器的開(kāi)發(fā)板上。Zynq-7000芯片是賽靈思公司生產(chǎn)的可擴(kuò)展處理平臺(tái)，該產(chǎn)品集成了功能豐富的雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理系統(tǒng)（PS）和賽靈思可編程邏輯（PL），采用低功耗28nm工藝技術(shù)提高芯片性能。PL負(fù)責(zé)控制SPI數(shù)據(jù)的傳輸；PS負(fù)責(zé)啟?？删幊踢壿嬈骷?，并且控制電源管理單元來(lái)啟停epc610芯片。其中，主處理系統(tǒng)包括：ARM Cortex-A9 MPCore CPU，片上存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器，內(nèi)存

43、接口和I/O外設(shè)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成如圖4.3所示。圖4.3 Zynq-7000芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器系統(tǒng)通過(guò)SPI總線控制器與epc610傳感器進(jìn)行通信。其內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的SPI控制器，每個(gè)控制器的I/O信號(hào)可以由MIO引腳或EMIO接口引出，他們都有自己獨(dú)立的控制和狀態(tài)寄存器，可以在主模式，從模式或多主機(jī)模式工作。在主模式下，它通過(guò)向32位讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)端口寄存器寫(xiě)入字節(jié)來(lái)讀寫(xiě)從設(shè)備，可編程實(shí)現(xiàn)SS和MOSI延遲。SPI控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示。圖4.4 SPI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.3 LED光源及其驅(qū)動(dòng)電路由于epc610芯片工作在波長(zhǎng)為550-1000nm的范圍內(nèi)，而波長(zhǎng)小于830nm的

44、光會(huì)被鏡頭過(guò)濾掉，又考慮到850nm的波長(zhǎng)既能滿足傳感器的最大靈敏度，又能被傳感器接收，所以選擇歐司朗公司生產(chǎn)的SFH4059大功率LED作為光源。它具有切換時(shí)間短，功率大，封裝小的優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品的實(shí)物圖如圖4.5所示，參數(shù)如下表4.2所示：表4.2 SFH4059參數(shù)參數(shù)值輻照強(qiáng)度100mW/sr封裝3.2×1.6×1.85mm工作溫度-4085反向電壓5V正向電壓70mA功耗140mW光源中心波長(zhǎng)850nm總輻射通量40mW圖4.5 SFH4059大功率LED實(shí)物圖大功率近紅外線光源發(fā)出的光需要經(jīng)過(guò)恒電流驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制后才能照射到被測(cè)物體上，這里所提到的驅(qū)動(dòng)電路包括兩種：（

45、1）片上LED驅(qū)動(dòng)器圖4.6電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大功率紅外LED，輸出LED由開(kāi)漏開(kāi)關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)。LED的照明強(qiáng)度取決于流過(guò)電阻器R1的電流，當(dāng)輸出LED導(dǎo)通時(shí)，電阻R1的電流<180mA。為了使輸出LED（+5.0V）具有安全的電壓工作條件，在關(guān)閉狀態(tài)下，流過(guò)LED二極管和D1二極管的最小電流<1mA，該電流由電阻R2確定。C3和C4是用于提供LED電荷的電容器，為了滿足快速切換的要求，C3應(yīng)為陶瓷型電容，epc610芯片的電源電壓由C1和C2（陶瓷型）解耦。電阻R3從ep610電源中抽出LED供電電路，通過(guò)二極管D1A和D1B的電壓降將電壓調(diào)節(jié)到LED所需的電平。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它能

46、夠在epc610與LED供電之間實(shí)現(xiàn)良好的去耦。圖4.6 短距離LED驅(qū)動(dòng)電路（2）外加LED驅(qū)動(dòng)器當(dāng)調(diào)制光的頻率為10MHz或者更大時(shí)，LED就需要使用外部LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路圖時(shí)一定要注意LED正常工作時(shí)的電壓與電流，如圖4.7是原理圖。epc610的引腳LED由開(kāi)漏開(kāi)關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)，上拉終端電阻R1的作用是滿足輸出LED的安全電壓工作條件。將輸出的調(diào)制信號(hào)送給反相數(shù)字緩沖器IC1。它驅(qū)動(dòng)快速開(kāi)關(guān)晶體管T1，T1通過(guò)LED1-LEDn開(kāi)關(guān)電流來(lái)調(diào)節(jié)亮度，輸出LED為低電平對(duì)應(yīng)燈為亮。與片上驅(qū)動(dòng)器相比，這種設(shè)計(jì)可以具有額外的光級(jí)。微處理器的I/O端口將強(qiáng)度切換到LOW或HIGH電平

47、。IC1和IC2是驅(qū)動(dòng)晶體管T1和T2所需的選擇邏輯，亮度（通過(guò)LED1-LEDn的電流）由高和低照明級(jí)別的R2和R3控制。該電路的優(yōu)點(diǎn)是：照明功率（LED數(shù)量）可以自由設(shè)計(jì)，具有用于擴(kuò)展工作范圍的額外可選擇的亮度級(jí)別，LED的獨(dú)立電源以及epc610電源和LED電路的強(qiáng)耦合。圖4.7 外接驅(qū)動(dòng)電路原理圖4.4 電源管理單元在測(cè)量系統(tǒng)中，各個(gè)芯片正常工作時(shí)的電壓通常不同，如果不能按照芯片的要求提供其所需的電壓，系統(tǒng)將不能正常工作，甚至可能會(huì)燒壞。電源管理單元正是用來(lái)解決這一問(wèn)題，并且可以提供過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)的功能，使系統(tǒng)更加安全可靠。如表4.3所示是系統(tǒng)中各芯片正常工作時(shí)的電壓值。表4.3

48、各芯片正常工作電壓芯片引腳電壓值（V）Zynq-7000 PS1.83.3Zynq-7000 PL1.83.3Epc6108.5Epc610 5Epc610 5Epc6105根據(jù)上述的各芯片正常工作電壓設(shè)計(jì)的電源管理單元如圖4.8所示，電源輸入電壓8.5V。圖4.8 電源管理單元電路圖4.5 SPI總線SPI(Serial Peripheral Interface)是由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線，連接一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸。本課題采用SPI總線實(shí)現(xiàn)處理器與傳感器模塊的通訊，其主要功能是讀取數(shù)據(jù)和設(shè)置用戶參數(shù)，其連接方式如圖4.9所示。SPI總線通過(guò)同步串行3線

49、方式進(jìn)行通訊：一條時(shí)鐘線SCLK，一條串行數(shù)據(jù)輸入線MOSI（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入），一條串行數(shù)據(jù)輸入線（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出）。主從設(shè)備在使用SPI通訊時(shí)，首先要保證兩者之間的時(shí)鐘要嚴(yán)格一致，之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，一個(gè)完整的SPI幀由16位二進(jìn)制數(shù)組成，分為：2位命令I(lǐng)D（CID）或響應(yīng)ID（RID），6位讀或?qū)懙刂罚?位數(shù)據(jù)。圖4.9 SPI接線圖4.10 SPI通訊時(shí)序圖在SPI接口內(nèi)部有兩個(gè)移位寄存器，由上圖4.10時(shí)序圖可得：在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿處理器發(fā)送命令字給epc610芯片，設(shè)置測(cè)量類型、調(diào)制光頻率和積分時(shí)間；下降沿處理器接收采樣值，在移位脈沖作用下，數(shù)據(jù)由高

50、到低位傳送。5 數(shù)據(jù)結(jié)果分析在硬件電路搭建和程序編寫(xiě)完成后，在不同條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，參見(jiàn)附錄A。（1）在強(qiáng)光條件下，調(diào)制光頻率20MHz，由測(cè)量值與真實(shí)值可得：絕對(duì)誤差的最大值為12cm，精度： （2）在暗光條件下，調(diào)制光頻率10MHz，由測(cè)量值與真實(shí)值可得：絕對(duì)誤差的最大值為9cm，精度： （3）在無(wú)光條件下，調(diào)制光頻率10MHz, 由測(cè)量值與真實(shí)值可得：絕對(duì)誤差的最大值為7cm，精度： （4）在強(qiáng)光條件下，調(diào)制光頻率5MHz, 由測(cè)量值與真實(shí)值可得：絕對(duì)誤差的最大值為14cm，精度： （5）在強(qiáng)光條件下，調(diào)制光頻率20MHz, 由測(cè)量值與真實(shí)值可得：絕對(duì)誤差的最大值為7cm，精度： 由調(diào)

51、制光頻率相同，環(huán)境光強(qiáng)度不同條件下測(cè)量的數(shù)據(jù)（1）（2）（3）可得：環(huán)境光會(huì)影響系統(tǒng)測(cè)量的精度，但影響程度較小。由環(huán)境光強(qiáng)度相同，調(diào)制光頻率不同條件下測(cè)量的數(shù)據(jù)（1）（4）（5）可得：調(diào)制光頻率越大，系統(tǒng)測(cè)量的絕對(duì)誤差越小。在測(cè)量值中，部分像素點(diǎn)測(cè)量誤差較大的可能原因是調(diào)制脈沖與傳感器之間的同步信號(hào)發(fā)生偏移，測(cè)量點(diǎn)光線太暗，硬件電路設(shè)計(jì)不完善等。結(jié) 論分析比較目前常用的幾種3D測(cè)距方法，雖然TOF測(cè)距相比于結(jié)構(gòu)光測(cè)距分辨率較低，測(cè)量距離一般小于調(diào)制光半個(gè)周期的傳播距離。但它成本低廉，可以借助CMOS的特性，獲取大量的數(shù)據(jù)信息，對(duì)復(fù)雜物體的姿態(tài)進(jìn)行判斷分析。而且，它相比于雙目視覺(jué)技術(shù)后續(xù)的數(shù)據(jù)處

52、理較為簡(jiǎn)單，相比于結(jié)構(gòu)光不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境光的敏感度較低。本課題主要研究的是基于ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)的深度圖像采集系統(tǒng)，epc610傳感器模塊作為此系統(tǒng)的核心，是基于直接TOF測(cè)距原理。將大功率LED發(fā)出的紅外光線經(jīng)調(diào)制后照射在被測(cè)物體上，返回信號(hào)被傳感器接收，每個(gè)像素點(diǎn)將其接收到的光電子轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，采集完成后，再通過(guò)SPI總線將采樣值傳送給微處理器進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)時(shí)獲取被測(cè)物體的三維信息。理論上，該圖像采集系統(tǒng)在調(diào)制光頻率為10MHz，環(huán)境光影響較小時(shí)，分辨率可達(dá)到0.5cm。在實(shí)際測(cè)量結(jié)果中，系統(tǒng)的分辨率很難達(dá)到理論值，大多數(shù)像素點(diǎn)的測(cè)量誤差在3cm左右，有的像素點(diǎn)誤差甚至更大。造

53、成這種情況的可能原因是調(diào)制調(diào)制脈沖與傳感器之間的同步信號(hào)發(fā)生偏移，測(cè)量點(diǎn)光線太暗，硬件電路設(shè)計(jì)不完善等。但是通過(guò)比較不同情況下的測(cè)量結(jié)果，仍然可以得到：調(diào)制光頻率越大，系統(tǒng)測(cè)量的分辨率越??；積分時(shí)間越長(zhǎng)，采集到的返回信號(hào)的幅值越大；積分時(shí)間過(guò)短，會(huì)使測(cè)量精度減小，積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使像素點(diǎn)飽和。這些結(jié)論與理論結(jié)果相同，基本達(dá)到了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于第一次接觸這一方向的研究，且時(shí)間有限，本課題主要研究的是8×8個(gè)像素點(diǎn)實(shí)時(shí)的深度距離測(cè)量，分辨率較低，測(cè)量距離有限。在今后研究工作中，還會(huì)對(duì)160×120像素點(diǎn)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行研究，改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)提高測(cè)量距離，改進(jìn)通訊模塊提高幀的傳輸速

54、率，運(yùn)用Matlab軟件顯示深度圖像。爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)三維圖像采集在解決地鐵站臺(tái)乘車人數(shù)分布不均勻問(wèn)題的應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)1Liu R C, Liu Y G, University S, et al. 3D Information Extraction Algorithm Based on a Single ImageJ. Computer Science, 2010, 37(5):243-246.2Breuer P, Eckes C, Müller S. Hand Gesture Recognition with a Novel IR Time-of-Flight Range Camer

55、aA Pilot StudyM/ Computer Vision/Computer Graphics Collaboration Techniques. Springer Berlin Heidelberg, 2007:247-260.3 Moring I, Heikkinen T, Myllyla R, et al. Acquisition Of Three-Dimensional Image Data By A Scanning Laser Range FinderJ. Optical Engineering, 1989, 28(8):897.4Miyagawa R, Kanade T. CCD-based range-finding sensorJ. IEEE Transactions on Electron Devices, 1997, 44(10):1648-1652. 5Yang Q, Yang R, Davis J, et al. Spatial-Depth Super Resolution for Range ImagesC