基于FPGA双目摄像头采集的实时立体成像研究与实现

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双目立体成像技术作为一种新型的成像技术,相比传统的二维成像技术有着更大的发展优势。它不仅可以在感知二维成像的平面信息,而且更多的展现图像的深度信息。随着微电子技术的飞速发展,人们对成像分辨率的追求也越来越高。在这种高分辨率图像数据下,传统的基于软件数字图像处理速度已经无法满足需求。本课题采用FPGA的硬件并行处理优势,优化图像处理算法。围绕在双目立体成像过程中图像采集、图像同步、图像处理、视频信号编解码以及无辅助立体显示的相关技术研究,并提出一套完整的双目相机采集的无辅助立体成像实现方案。通过分析人类立体视觉产生过程建立双目相机成像模型,并对双目相机成像过程建立数学模型。在详细分析双目相机成像数学模型后,确定了平行光轴双目立体相机成像模型的优势,并研究了相机标定在双目成像过程的必要性以及标定方法。立体显示作为双目相机成像的重要技术,本课题通过分析辅助立体显示和无辅助立体显示的差异性,确定采用基于光栅的无辅助立体显示技术方案。并简要概述垂直光栅与倾斜光栅的区别。由于光栅对显示背光的利用率低,本课题通过实验研究了直下式背光可行性方案,提出一种直下式背光设计方法。图像采集作为双目相机成像系统的前端核心部分,需要研究图像采集的过程和硬件实现方式。本课题采用OV5640图像传感器,详细设计了双目摄像头结构模组和硬件电路连接情况。通过实验验证了图像传感器的控制波形,并研究图像传感器的几种图像编码格式及相互转化算法。在分析图像传感器传输数据的两种接口形式后,确定图像采集端以DVP并行接口形式传输RGB565编码格式图像。立体图像处理是本课题的研究重点。双目相机采集的左右两幅数字图像到最终的立体显示,需要经过图像存储、同步、变换和立体融合等多种处理方式。理论分析了左右两幅数字图像在DDR3存储过程中实现同步的方案。图像变换重点研究图像压缩、平移和拼接的数学模型,并将图像变换数学模型与硬件逻辑相结合,利用FPGA的硬件并行逻辑实现立体图像处理的加速。在立体图像融合处理过程中,研究了一种基于FPGA内部BRAM分离存储图像数据和图像同步信号的融合方法。相对于传统的图像融合方法,大大提高了系统的工作稳定性。在立体格式图像编码传输问题上,重点研究TMDS编码算法原理,并通过FPGA逻辑实现了视频图像信号的TMDS编码传输。对于最终显示面板接口信号转换,提出一种DVI信号接口与EDP信号接口的硬件转换方法。最后在FPGA硬件平台上利用逻辑验证了总体方案的可行性。利用图像平移方式的实时视差调整技术,实现了双目相机不论是远景还是近景的无辅助立体显示。
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