【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光谱共聚焦精密测量领域，具体涉及一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块及装置。
技术介绍
1、光谱共聚焦技术由于其高精密性、易操作性以及非接触性检测等优点，被广泛应用于高精密检测领域中，适用于各种微小精密测量，例如物体微距移动监测、薄膜厚度检测、材料表面形貌检测以及微量质量称量等。目前，国际上已有多家公司将光谱共聚焦测量技术应用于精密检测行业中，如日本的基恩士公司、德国的米铱公司等。
2、光谱共聚焦位移测量仪器通常由光电测量传感器和位移运算主机构成。在仪器测量过程中，由于大量高分辨率图像帧会传输至主机运算，所以难以满足高精密、高速度的应用场景。同时，位移运算主机大多为工控机，仪器整机集成度不高，在布局紧凑、空间狭小的生产线场合应用受限。因此，开发高帧率处理能力的高集成度光谱仪意义重大，能够对光电测量传感器中获得的高分辨率图像帧进行实时处理与分析，避免大规模图像数据传输所造成的时延。本专利技术发现光电测量传感器获得的待处理光斑图像占据单帧图像面积极小，也即绝大多数图像帧区域为无效像素区域，大流量传输至工控机造成极大资源浪费，因此提出将光谱分析运算下沉至传感器前端，利用fpga高运算率、高集成度等优势，使得传感器所得测量光斑图像能够进行实时处理与分析，从而专利技术了一种用于光谱共聚焦测量的fpga算法加速装置。
3、目前已有一些领域内相关学者与技术人员提出了许多对光电测量传感器中获得的测量光斑图像进行处理与分析的方法，例如利用灰度图像的处理方法，对测量光斑图片进行多次滤波之后，再定位图像中光
技术实现思路
1、为了解决目前因大规模图像数据传输造成时延，从而导致光谱共聚焦测量难以实现高帧率、高速度、高精密性的的技术问题，本专利技术提供一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块及装置。
2、为了实现上述技术目的，本专利技术提供如下方案：
3、一方面本专利技术提供一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块，所述fpga算法加速模块包括图像数据输入接口模块、滤波模块、光斑剖面搜寻模块、波峰提取模块、质心寻峰模块、数据结果输出接口模块以及模块控制器；
4、所述图像数据输入接口模块用于对输入模块内部的高速图像数据进行控制，当有效图像数据传入且模块内部处于正常计算模式时，将数据输入模块内部进行分析与处理；
5、所述滤波模块用于对图像数据输入接口模块输入的有效图像数据以及波峰提取模块输入的波峰数据区域进行滤波处理，所述滤波模块具备两种滤波方式，即中值滤波与均值滤波，能够将数据中存在的噪声进行有效滤除，帮助提取数据中的有效信息；
6、所述光斑剖面搜寻模块用于对输入的滤波处理后的有效图像数据进行分析，并提取出有效光斑剖面数据行，对无有效信息的光斑剖面数据行进行筛除；
7、所述波峰提取模块用于将有效光斑剖面数据行中光谱序列曲线的波峰数据区域进行提取，筛除数据行中光强值较低的部分；
8、所述质心寻峰模块用于对光谱序列曲线的波峰数据区域进行光斑谱峰波长值算法处理与分析，从而计算得到光斑谱峰波长值；
9、所述数据结果输出接口模块用于将质心寻峰模块计算得到的光斑谱峰波长值进行输出，将计算结果输出至模块外部；
10、所述模块控制器用于将模块内各子模块所需的各项参数进行相应配置，如待处理光斑图像尺寸信息、中值滤波窗口大小、输入图像数据位宽等，并对子模块进行相应使能，控制模块内部有序工作；
11、可选地，所述滤波模块包括中值滤波模块和均值滤波模块；所述中值滤波模块用于对输入数据进行中值滤波处理；
12、中值滤波模块包括两个处理单元，分别是行缓存单元和中值排列单元；
13、行缓存单元中，会将输入的两行图像数据行进行缓存，等待第三行图像数据输入时，将图像数据按滤波窗口所需的数据顺序输出至中值排列单元进行进一步处理；
14、中值排列单元中，对滤波窗口中的数据进行顺序排列，再将排列结果的中值进行输出，作为当前滤波窗口的滤波结果。
15、所涉及排列方法为，先将窗口中的数据按列内进行顺序排列，将每列最小值置于最底层，每列最大值置于最上层，然后按窗口行内进行排列，并取出最上层行内的最小值，中间行内的中间值，最低层行内的最大值，最后将所取出的值再进行顺序排列，取其中值即为最终输出结果。
16、所述均值滤波模块用于对输入数据进行均值滤波处理，即将一个数据点与其相邻数据点做均值计算，计算结果即为均值滤波结果。
17、可选地，所述光斑剖面搜寻模块主要包括有效光斑数据比较器，将像素点的光强值与比较阈值x进行比较，若光强值大于比较阈值x，则为有效光斑剖面数据行，若光强值小于或等于比较阈值x，则为无效光斑剖面数据行。
18、光斑剖面搜寻模块用于对中值滤波后的光斑图像行中是否含有有效光斑信息进行筛选，将不含光斑有效信息的图像数据行进行筛除；其中，比较阈值x可根据光电测量传感器中的图像曝光率进行相应配置，配置公式为：
19、x＝312×t
20、其中曝光时间t的单位为毫秒，且当上式计算得到的x大于255时，则x取255。本实施方式中，比较阈值x设置为10。
21、可选地，所述波峰提取模块包括曲线波峰区域数据光强值求和单元、曲线波峰区域光强值存储单元、曲线波峰区域波长值存储单元和最大和值比较器。
22、波峰提取模块用于对有效光斑数据剖面行中曲线波峰区域的光强值和波长值进行提取，滤除剖面中无效的部分，以便于后续进一步分析。在波峰提取模块中，设置曲线波峰区域数据光强值求和单元对输入的n个数据进行求和运算，并将所求和值与最大和值比较器中存储的最大和值进行比较，若所求和值大于最大和值比较器中存储的最大和值，则将最大和值比较器中存储的最大和值更新为当前和值，且将当前和值对应的n个数据序列对应的光强值和波长值分别存储至曲线波峰区域光强值存储单元和曲线波峰区域波长值存储单元。将一行有效光斑数据剖面行遍历完成后，将曲线波峰区域光强值存储单元和曲线波峰区域波长值存储单元中存储的n个数据序列进行输出，即为当前有效光斑数据剖面行的曲线波峰区域。波峰提取模块中求和个数n为经验参数，可根据待处理光斑图像尺寸进行灵活配置。
23、可选地，所述质心寻峰模块可根据测量光斑谱峰波长值具体分析算法进行灵活重构，具体分析算法为光强曲线拟合寻峰、曲线插值寻峰、零面积寻峰法、质心寻峰法中的一种，对分析算法进行fpga硬件实现与部署，实现算法硬件加速。
24、不失一般性地，当选用质心寻峰法时，第一加权质心公式计算单元与第二加权质心公式计算单元。第一加权质心公式计算单元中，对输入模块的曲线波峰数据进行计算，以单剖面的曲线本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：所述滤波模块包括中值滤波模块和均值滤波模块；所述中值滤波模块用于对输入数据进行中值滤波处理，所述均值滤波模块用于对输入数据进行均值滤波处理。
3.根据权利要求2所述的一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：所述中值滤波模块包括：
4.根据权利要求2所述的一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：所述均值滤波处理为将一个数据点与其相邻数据点做均值计算从而得到均值滤波结果。
5.根据权利要求1所述的一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：所述光斑剖面搜寻模块主要包括有效光斑数据比较器，将像素点的光强值与比较阈值X进行比较，若光强值大于比较阈值X，则为有效光斑剖面数据行，若光强值小于或等于比较阈值X，则为无效光斑剖面数据行，其中，所述比较阈值X可根据光电测量传感器中的图像曝光率进行相应配置，配置公式为：
6.根据权利要求1所述的一种用于
7.根据权利要求1所述的一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：所述质心寻峰模块通过光强曲线拟合寻峰、曲线插值寻峰、零面积寻峰法、质心寻峰法中的一种测量光斑谱峰波长值。
8.根据权利要求1所述的一种用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于：所述模块控制器用于对模块内各个子模块进行各项参数配置与使能。
9.一种FPGA算法加速装置，包括权利要求1-8任一所述的用于光谱共焦测量的FPGA算法加速模块，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块，其特征在于：所述滤波模块包括中值滤波模块和均值滤波模块；所述中值滤波模块用于对输入数据进行中值滤波处理，所述均值滤波模块用于对输入数据进行均值滤波处理。
3.根据权利要求2所述的一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块，其特征在于：所述中值滤波模块包括：
4.根据权利要求2所述的一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块，其特征在于：所述均值滤波处理为将一个数据点与其相邻数据点做均值计算从而得到均值滤波结果。
5.根据权利要求1所述的一种用于光谱共焦测量的fpga算法加速模块，其特征在于：所述光斑剖面搜寻模块主要包括有效光斑数据比较器，将像素点的光强值与比较阈值x进行比较，若光...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗旗舞，杨通钰，李丛泽，阳春华，桂卫华，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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