FPGA-Based High-Speed Gray-Code Phase Shift Profilometry System

轮廓仪 无损压缩 计算机科学 数据路径 计量学 模块化设计 量化(信号处理) 投影(关系代数) 电子工程 算法 有损压缩 冗余(工程) 矩阵分解 动态模态分解 过程控制 全息术 分解 数据压缩 图像分辨率 数据采集 相(物质) 方案(数学) 计量系统 可重构性 控制系统 钥匙(锁) 信号处理 计算机硬件
作者
Zhong Chen,Yongjia Ren,Tianlong Hu,Xianmin Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:75: 1-12
标识
DOI:10.1109/tim.2026.3655945
摘要

Phase-Shifting Profilometry (PSP) traditionally relies on multi-frequency phase unwrapping, which requires a large number of projection patterns and limits its applicability in high-speed industrial inspection. Furthermore, existing architectures cannot support real-time processing for dynamic 3-D reconstruction at a resolution of 2432×2048. We present an FPGA-based system that overcomes these limitations by employing a fast unwrapping method combined with algorithm-hardware co-design. A hybrid phase-shifting/Gray-code scheme is mapped onto a fully-pipelined datapath that incorporates two key optimizations: (i) logic-oriented phase quantization and additive decomposition that reduce resource utilization by 9.93%, and (ii) a high-speed buffering fabric that guarantees lossless data flow at 320 MHz. Operating at 64.1 fps, the prototype achieves less than 0.15 mm accuracy under dynamic experiments.The modular architecture scales to arbitrary objects and can be directly instantiated in high-speed structured-light metrology lines.
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