高速视觉测量分析仪原型系统

高速视觉测量分析仪原型系统


by 李瑶、马兴成&刘彬宇

 

现代飞行器的精益设计对风洞试验数据的精度要求越来越高,视觉测量中所 采用相机帧率、分辨率也越来越高。国家重大仪器专项“复杂工况下运动姿态视 频测量与动态特性分析仪”中要求支持的最高相机分辨率为 2500 万像素 (5120*5120)、帧率 80 帧/s,总吞吐率 2GB/s,这对分析仪的实时处理性能提 出了极大的挑战。

本文以国家重大科学仪器设备开发专项“复杂工况下运动姿态视频测量与动 态特性分析仪”的子项目“2GB/s 图像数据的实时处理软硬件开发、试制”以及 中国空气动力研究与发展中心高速所委托科研项目“高速风洞模型变形测量的海 量图像数据实时处理系统”为背景,以高速风洞模型变形测量的视觉测量为应用 场景,针对高速视觉测量过程中高分辨率、高帧率要求所带来的图像数据率高、 处理难的问题、高吞吐率标记点识别与特征提取环节中处理的难点,基于硬件加 速思想设计完成了一种高速视觉测量分析仪原型系统,该系统支持四个视觉测量 图像处理加速通道,单通道实时处理能力达到了 2.38GB/s;本文的研究完成了以 下创新:

(1)基于硬件加速思想,采用上位机+下位机(视觉测量图像处理加速卡) 方式,提出了一种高速视觉测量分析仪系统实现方案,完成了系统硬件平台设计, 单机箱支持 4 独立处理通道;

(2)基于多 FPGA 协同处理思想,提出了一种的高速图像数据预处理算法 实现架构和基于 DDR 的大容量数据缓冲调度方法;

(3)基于并行与流水设计思想,提出了一种的高速图像标记点识别与特征 提取算法的 FPGA 实现方法,处理吞吐率达 2.38GB/s。

测试结果表明,本文所提出高速视觉测量分析仪系统实现方案与高速图像数 据实时处理算法,使视觉测量分析仪的硬件加速系统可实现 2.38GB/s 高速数据 流的实时调度和处理。与 PC 处理速率相比,在 5120*5120 分辨率下高速图像标 记点识别与特征提取算法的加速比可达到 22 倍;故视觉测量分析仪原型系统满 足预期设计指标,并且具备较好的灵活性、可扩展性与低功耗特性。此外,该系 统是一个完整的采存实时处理原型系统还可用于其他原型仪器的开发或图像数 据处理,具有推广应用价值。

关键词:视觉测量、硬件加速、高吞吐率、高速图像标记点识别、特征提取

指导老师与队员合照

作品图

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2020年9月28日 23:45
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