一种动态傅里叶变换轮廓术数据处理装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开一种动态傅里叶变换轮廓术数据处理方法，涉及光学三维测量领域， 特别涉及到将计算机硬件技术应用到动态傅里叶变换轮廓术数据处理中，以提高数据处理 速度，支持实时测量。
【背景技术】
[0002] 在科学研宄和工业生产中，往往需要对诸如高速旋转、流体力学、运动力学、弹道 学、爆轰过程、冲击过程等动态过程的观察对象进行三维面型测量，以描绘和分析动态过程 中被测物体表面形态的变化，提取与被测物体相关的结构、形变、应力等物理参数。在光学 主动三维传感测量技术中，傅里叶变换轮廓术（Fouriertransformprofilometry，简称 FTP)只需要一帧变形条纹图就能恢复出物体的三维面型，特别适合动态过程的三维面型测 量。动态过程FTP将正弦光栅或罗奇光栅产生的结构光场投影到待测运动物体表面，成像 系统拍摄受被测物体面形调制的一系列变形光栅图，然后利用计算机对变形光栅图进行二 维傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换以及相位计算等处理，经过相位-高度映射得到被 测运动物体的三维面型分布。动态过程FTP的数据处理过程包括二维傅里叶变换、频谱滤 波、二维逆傅里叶变换、相位计算、相位展开以及相位-高度映射等，数据计算量大。目前， 传统方法通常采用计算机纯软件方式进行处理，数据处理速度慢，无法实现数据的实时快 速处理。尤其是对于高解析度和高帧率的光栅图像，由于所采集的数据量大，为保证数据处 理速度，需使用高性能的计算机，设备庞大且成本高。
【发明内容】
[0003]针对现有采用纯软件进行数据处理的技术中存在的缺陷，本发明提供一种动态傅 里叶变换轮廓术数据处理方法，将计算机硬件技术应用到数据处理中，具备处理速度快、集 成度高、体积小，且成本低、支持实时测量的优点。
[0004] 一种动态傅里叶变换轮廓术数据处理装置及方法，包括图像接收单元、频域滤波 处理单元、数据缓冲单元、相位-高度计算单元、通信单元。
[0005]图像接收单元用于与成像设备相连，接收采集到的光栅图像数据；
[0006]频域滤波处理单元用于对光栅图像进行二维傅里叶变换，完成频域滤波，提取只 包含待测物高度信息的基频分量；
[0007]数据缓冲单元用于频域滤波中的数据缓冲和地址变换，以及与外部通信的数据缓 冲；
[0008]相位-高度计算单元用于求解图像相位分布，根据相位-高度映射计算待测物高 度分布；
[0009] 通信单元用于与外部CPU的数据传输与通信。
[0010] 所述图像接收单元包括相机接口模块；频域滤波处理单元包括二维傅里叶变换模 块、二维频域滤波模块、二维逆傅里叶变换模块；数据缓冲单元包括中间数据缓冲模块、输 出数据缓冲模块；所述相位-高度计算单元包括相位计算模块、相位展开模块、高度映射模 块；所述通信单元包括高速通信模块。
[0011] 相机接口模块与成像设备相连；二维傅里叶变换模块与二维频域滤波模块连接， 二维频域滤波模块与中间数据缓冲模块连接，二维频域滤波模块与二维逆傅里叶变换模块 连接；二维逆傅里叶变换模块与相位计算模块连接，相位计算模块与相位展开模块连接，相 位展开模块与高度映射模块连接；高度映射模块与输出数据缓冲模块连接；输出数据缓冲 模块与高速通信模块连接；高速通信模块与外部CPU连接。
[0012] 所述相机接口模块，用于从外部成像设备接收采集到的光栅图像数据。
[0013] 所述二维傅里叶变换模块，用于计算光栅图像的二维傅里叶频谱；
[0014] 二维傅里叶变换过程包括：采用N个Streaming-FFT组成并行的Pipeline对图像 进行按行一维傅里叶变换，得到按行的一维傅里叶变换结果；再采用N个Streaming-FFT组 成并行的Pipeline对所述按行的一维傅里叶变换结果进行按列一维傅里叶变换，得到图 像的二维傅里叶频谱；
[0015] 二维频域滤波模块，用于提取傅里叶频谱中只包含待测物高度信息的基频分量；
[0016] 二维频域滤波过程包括：根据所选择滤波器的类型计算图像中各像素点所对应的 滤波系数，将所述对应的滤波器系数与图像的频谱相乘，得到滤波后的基频分量；
[0017] 二维逆傅里叶变换模块，用于将滤波提取到的傅里叶频谱转换到空域，得到二维 空域图像；
[0018] 二维逆傅里叶变换过程包括：采用N个Streaming-IFFT组成并行的Pipeline对 滤波提取到的频谱进行按行一维逆傅里叶变换，得到按行的一维逆傅里叶变换结果；再采 用N个Streaming-IFFT组成并行的Pipeline对按行的一维逆傅里叶变换结果进行按列的 一维逆傅里叶变换，得到二维空域图像。
[0019] 所述中间数据缓冲模块，用于二维频域滤波中的数据缓冲和地址变换；
[0020] 所述输出数据缓冲模块，用于与外部通信的数据缓冲。
[0021] 所述相位计算模块，用于对频域滤波单元输出的空域图像信息。根据笛卡尔平面 坐标系到极坐标系的转换关系，计算出对应的原始相位信息图，即截断相位分布；
[0022] 所述相位展开模块，用于对所述的原始相位信息图中存在截断的相位区域进行展 开，得到连续的相位信息图；
[0023] 所述高度映射模块，用于对所述的连续相位分布，根据相位-高度映射关系计算 高度分布。
[0024] 所述高速通信模块，用于与外部CPU的数据传输与通信。
[0025] 一种动态傅里叶变换轮廓术数据处理方法，将计算机硬件技术应用到动态傅里叶 变换轮廓术数据处理中。用于数据处理的硬件开发板可以是FPGA、DSP、MCU中的任意一种。
[0026] 本发明公开一种动态傅里叶变换轮廓术数据处理装置及方法，技术效果如下：
[0027] 1)、相对于传统的采用计算机纯软件数据处理方式，本发明将计算机硬件技术应 用到动态傅里叶变换轮廓术数据处理中，采用硬件全并行计算以及高带宽的数据接口，提 高数据处理速度，可实现动态三维面型的快速测量或实时测量。
[0028] 2)、相对于传统的数据处理过程，本发明将全部数据处理过程集中到一张硬件开 发板上完成，系统集成度提高，体积减小，能用于便携式测量。
[0029] 3)、对高解析度和高帧频等数据量大的图像数据进行处理时，不再需要高性能计 算机，降低能耗和测量成本。
[0030] 4)、将动态傅里叶变换轮廓术全部数据处理过程集中到一张硬件开发板上完成。 将计算机硬件技术应用到动态傅里叶变换轮廓术数据处理中，采用硬件代替软件完成数据 处理，提高数据处理速度，降低设备成本。
【附图说明】
[0031] 图1是动态傅里叶变换轮廓术光路示意图。
[0032] 图2是本发明的装置模块连接图。
[0033]图3是本发明测量振动的铝质薄平板系统装置示意图。
[0034] 图4是本发明的方法流程图。
[0035] 图5是本发明实施例中振动的铝质薄平板在t= 0. 75s、0. 85s、Is时3帧不同时 刻的变形条纹图。
[0036] 图6是本发明实施例中t=Is时变形条纹图对应的傅里叶频谱分布。
[0037] 图7是本发明实施例中所设置的滤波器。
[0038] 图8是本发明实施例中对t=Is时变形条纹图的傅里叶频谱滤波后所提取的基 频分量。
[0039] 图9是本发明实施例中t=Is时刻的截断相位分布。
[0040] 图10是本发明实施例中t=Is时刻的连续相位分布。
[0041] 图11是本发明实施例中恢复重建的t= 0. 75s、0. 85s、Is时3帧不同时刻振动的 铝质薄平板三维面型网格分布图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0043] 动态过程的傅里叶变换轮廓术测量系统光路图与常见的静态傅里叶变换轮廓术 光路图相似，其投影光路如图1所示。6是投影系统，E'pEp是其光轴，7是成像系统，E'。E。 其光轴，两光轴相交于参考平面8上的点0,9是待测运动物体，t代表不同时刻。成像系统 到被测物体的距离为1〇,成像系统与投影系统之间的距离为山成像系统一般采用CCD摄像 机。
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