基于FPGA的激光觸控系統(tǒng)的研究

李麗　李龍民　王紅蛟

摘? 要：基于FPGA的高速數(shù)據(jù)處理能力，文章提出了以FPGA為核心處理器的激光觸控系統(tǒng)的設(shè)計，在本設(shè)計中使用FPGA完成數(shù)據(jù)圖像的采集、圖像存儲、圖像處理與識別以及圖像激光觸點坐標的計算和發(fā)送。文章利用FPGA的高速處理能力，控制激光器發(fā)送高頻率的激光脈沖，并對屏幕進行一定評率的畫面采集，通過畫面對比鎖定激光觸點的準確坐標位置。

關(guān)鍵詞：FPGA;激光觸控;研究

中圖分類號：TN249 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）29-0011-02

Abstract： Based on the high speed data processing capability of FPGA， this paper presents the design of laser touch control system with FPGA as the core processor. In this design， FPGA is used to complete the data image acquisition， image storage， image processing and recognition， as well as the calculation and transmission of image laser contact coordinates. In this paper， the high speed processing ability of FPGA is used to control the laser to send high frequency laser pulse， and the screen is collected with a certain evaluation rate， and the accurate coordinate position of the laser contact is locked through the contrast of the pictures.

Keywords： FPGA; laser touch; study

1 概述

隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像處理、圖像識別等技術(shù)的應用也越來越廣泛，圖像的識別在人機交互方面也發(fā)揮著重要的作用。本文在圖像識別的基礎(chǔ)上提出了一種基于FPGA的激光觸控系統(tǒng)，本設(shè)計利用FPGA高速處理特性完成了激光與圖像采集的同步控制，完成對采集到的多幅圖像進行識別計算，進而鎖定激光觸點的位置坐標，并將位置信息傳送給上位機，實現(xiàn)激光觸控。

使用FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能具有以下優(yōu)勢：復雜的算法嵌入到硬件系統(tǒng)中，可以增加系統(tǒng)各模塊的配合、數(shù)據(jù)的處理在激光發(fā)射端進行可以減少無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸負擔，增加了系統(tǒng)的實時性?？紤]到上述在設(shè)計中的優(yōu)勢，本文采用FPGA實現(xiàn)激光脈沖的觸發(fā)、數(shù)據(jù)圖像的采集、處理和計算以及無線模塊的控制。完成各個模塊的設(shè)計，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)仿真、硬件實現(xiàn)均正常。

2 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)主要包括激光驅(qū)動模塊、激光獲取模塊、圖像處理模塊、激光點位置計算模塊、無線發(fā)送和接收模塊。FPGA控制激光模塊發(fā)送間斷性的激光脈沖，同時控制攝像頭OV7725對當前畫面進行圖像采集，采集圖像時間的時間點與激光脈沖關(guān)系如圖2所示[1]。

圖2 圖像采集與激光脈沖時序圖

3 圖像處理及坐標計算

3.1 OV7725攝像頭模塊

攝像頭 OV7725內(nèi)部集成了DSP處理器，具有標準的SCCB配置接口，SCCB 時序與 I2C 時序類似[2]，SCCB總線仿真時序如圖3所示。

圖3 I2C總線仿真圖

SCLK為高電平，SDA由高電平變低電平，總線開始傳輸;SCLK為高電平，SDA由低電平變高電平，總線傳輸結(jié)束。SCCB為串行傳輸，每次傳送一個字節(jié)。通過SCCB設(shè)置OV7725的工作模式后，就能夠捕獲圖像數(shù)據(jù)。

3.2 SDRAM存儲模塊

為了解決圖像的采集和SDRAM的快速接收問題，調(diào)用FIFO模塊來實現(xiàn)解決在這個模塊中的跨時鐘域問題[3]。為了實現(xiàn)圖像的快速處理，系統(tǒng)采用乒乓操作，調(diào)用兩個FIFO模塊，一個用于讀取，一個用于寫入。先對FIFO寫入，當FIFO寫滿之后，控制器將FIFO中的數(shù)據(jù)一次性取出，放在SDRAM的第一塊當中，供后續(xù)進行數(shù)據(jù)的處理。這樣系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的一邊讀和一邊寫，不僅加快了后面數(shù)據(jù)的處理，而且還充分利用了SDRAM的空間[4]。

3.3 邊緣檢查

Roberts邊緣算子采用的是對角方向相鄰的兩個像素之差。從圖像處理的實際效果來看，邊緣定位準，對噪聲敏感。Roberts邊緣檢查算子是一種利用局部差分算子尋找邊緣的算子，它由下式給出[5]：

其中G[i，j]表示處理后（i，j）點的灰度值，f[i，j]表示處理前該點的灰度值。f（i，j）是具有整數(shù)像素坐標的輸入圖像，平方根運算使該處理類似于人類視覺系統(tǒng)中發(fā)生的過程。利用Roberts邊緣算子對由激光斑點和無激光斑點的圖像數(shù)據(jù)進行處理，如圖4-圖7。從處理后的圖像可以看出，兩幅圖在激光斑點處存在明顯的差異。

3.4 坐標計算

由圖4-圖7，圖4和圖6均為觸控階段采集到的圖像，不過對應激光觸發(fā)和非觸發(fā)的兩個階段，系統(tǒng)正是通過控制在觸控階段的激光器分時段觸發(fā)，并分別采集激光器觸發(fā)和非觸發(fā)狀態(tài)的圖像，由于時間間隔非常小，理論上采集的兩張圖像信息除了激光斑點的不同，其它畫面完全相同。采集到的圖像如圖4和圖6，處理后的圖像如圖5和圖7。通過比對圖5和圖7中差異區(qū)域，判斷該觸點位置，并計算出該觸點相對于屏幕的坐標位置（x，y）。用過無線模塊，將坐標信息發(fā)送給電腦連接端。

4 結(jié)束語

通過FPGA的高速數(shù)據(jù)處理功能，完成激光模塊的驅(qū)動、系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)圖像對比，進行坐標位置的計算。該方案通過FPGA完成大部分的處理功能，減少了無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，增加了觸控的實時性，使系統(tǒng)在處理速度和效率方面都達到最佳效果。采用間隔觸發(fā)激光和同步分階段圖像采集和處理，使系統(tǒng)鎖定激光觸點位置。各個模塊協(xié)調(diào)工作完成坐標的計算。

參考文獻：

[1]陳慧.基于FPGA的高復雜度激光脈沖編碼器設(shè)計[D].長春理工大學，2018.

[2]陳業(yè)慧，黃凱.基于OV7725二值化圖像的無線實時傳輸[J].長沙大學學報，2018，32（02）：39-41.

[3]齊佳碩，王洪巖.基于FPGA的SDRAM接口設(shè)計及實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2018，41（19）：141-144.

[4]牛博，趙宏亮.一種高可靠性高速可編程異步FIFO的設(shè)計[J].電子技術(shù)應用，2019，45（07）：36-39+43.

[5]韓利利，田益民，齊千慧，等.基于MATLAB數(shù)字圖像邊緣檢測算法的研究[J].北京印刷學院學報，2019，27（07）：98-101.