基于FPGA并行处理的实时图像相关速度计

　　1　引　言

　　采用光学传感器和信号相关处理器对运动物体进行非接触测速的技术已经在许多领域得到了实际应用,然而在诸如高速发动机偏芯检测、高速流体测量、高速传送带加减速过程测量等应用场合,需要在时间轴上得到更为精细的速度数据。在现有技术中,常见的方法只利用了两个光学传感器的信号进行相关,由于信息获取量不足,不能得到精细的速度变化过程[1];采用面阵CCD对采集到的图像进行相关匹配的做法虽然可以提高空间的采样率[2],但相关处理运算量大,难以实现实时在线检测;其他诸如过零相关法[3]、半极性相关法[4]、利用透镜阵列对照片上多点同时进行变换的并行光学处理方法[5],在一定程度上提高了系统的实时性,但仍然不能同时满足高精度和高速度的需求。

　　本文正是根据这种需求,以高速线阵CCD和大规模逻辑电路FPGA作为信息采集手段和相关处理手段,研究了硬件并行处理所适合的相关算法,实现了测速频率高达每秒一万次的实时测速。

　　2　系统构成原理

　　图1是本系统使用激光照明,利用激光在运动物体表面造成的散斑来获取灰度起伏明显的图像信号。由于物体在运动方向上的位移,在线阵CCD上面,前后两帧之间的光强分布波形非常相似并有相应的空间位移(图2)。

　　前后两帧信号的互相关函数定义如下

　　式中。为做相关运算;Pk(i)为第k帧的光强分布;P(i,k)为第k帧图像中第i个像素的灰度值;n为CCD的n个像素;m为最大位移对应的像素个数。相关函数Rk,k-1(r)意味着在第k帧和前一帧相对有r个像素的位移时,两帧信号之间的相似性大小。由相关函数的性质可知当r等于两帧信号的实际位移时,相关函数将会达到其最大值。

　　在实际应用中,系统的设计还需要综合考虑光学系统的缩放率β以及CCD的像素尺寸σ′等参数。若设物方的相对移动量在像面上对应的移动量为Δs′,则下述关系成立

　　根据相关函数的性质,当r = r0时Rk,k-1(r)将会达到其最大值,所以,在光学系统缩放率β不变的前提下,物体的运动速度v和r0呈线性正比关系。因此,测速系统的主要目的就归结为求出这个r0,也即求出相关函数最大值的位置。

　　3　测速系统的实现

　　为了实现瞬时速度的测量,需要采用高帧频的CCD以尽量缩小两帧的时间间隔Δt;同时为了保证测速精度,降低噪声的影响,需要大量的样本参与相关运算,CCD的像素数不能太少。本系统采用帧速为10000fps、n=2048像素的线阵CCD作为图像传感器。

　　考虑尽可能提高可测物体速度,CCD上两帧之间的最大移动距离选为m=128像素。距离过短时将会降低最大可测速度,反之过长时,由于图像中可能出现小的相似区域,相关函数将会出现多个峰值。在n=2048像素、m=128像素的条件下,用公式(1)计算相关函数时需要在10-4s内完成n×m=26万次乘加运算和128次除法运算,即要求运算速度至少达到每秒2·6G次,显然这个速度要求不仅对CPU来说是难以实现的,存储器的速度也是难以达到的。