CN101109817A - 现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电成像跟踪技术领域，涉及现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置。该装置的组成有图像输入单元(21)，图像输出单元(24)、质心数据输出单元(25)，还有现场可编程逻辑阵列(31)、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元(32)；本装置能够在几十个纳秒内解算出一幅图像的光斑质心数据，所以使得APT系统的瓶颈带宽限制由图像处理设备转移到了光电成像设备即CCD相机或CMOS相机，从而大大提高了APT系统的整体带宽。计算速度由现有的DSP嵌入式图像处理系统的每秒500幅～2000幅图像提高到每秒3000幅～10000000幅图像；设备体积由原来的200mm×300mm×30mm～300mm×500mm×800mm减小到150mm×150mm×30mm；功耗由原来的0.8W～2.0W下降到0.5W；器件数量由原来的20个～30个减少到15个。

Description

现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置

技术领域

本发明属于光电成像跟踪技术领域，涉及现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置。

背景技术

在空间激光通信系统中，通信双方的信标激光需要首先将对方方位捕获，然后精确对准对方光端机，再使用通信激光进行通信，并且在通信的过程中始终保持信标光向对方的精确对准。这个过程即称为捕获(Acquisition)、对准(Pointing)、跟踪(Tracking)，简称APT。(参考文献：《自由空间光通信ATP系统关键技术研究》，作者邵兵等，刊物《压电与声光》)。

图1是APT装置的结构示意图。由粗跟踪相机单元11、精跟踪相机单元12、图像处理设备单元13，两轴伺服转台单元14构成。

粗跟踪相机单元11将图像输出给图像处理设备单元13。图像处理设备单元13实际上是计算光斑质心的装置，其为工控计算机(PC机)、嵌入式微小计算机(PC104机)、ARM嵌入式图像处理系统或DSP嵌入式图像处理系统。

其中，DSP嵌入式图像处理系统是相对而言各项性能指标较为理想的一种图像处理装置。图2是APT装置的DSP嵌入式图像处理系统结构示意图。由图像输入单元21、数字信号处理器(DSP)单元22、DSP辅助器件单元23、图像输出单元24和质心数据输出单元25组成。(参考文献：博士论文《嵌入式彩色电视跟踪系统的设计和实现》，公开发表刊物名称：？？？作者顾海军)

但是，DSP单元22与图像处理设备单元13的其它装置一样，存在着运算度低、体积大、功耗高、器件数量众多等问题。

发明内容：

为了克服APT装置的DSP嵌入式图像处理系统存在运算速度低、体积大、功耗高、器件数量众多等问题，本发明提供一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心的检测装置。

根据现场可编程逻辑阵列的制造原理可知，该图像处理计算方式是基于纯硬件数字电路基础上的，所以具有实时高速、体积小、功耗低、多线程等优点。

如图3所示，本发明的基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置的组成有图像输入单元21，图像输出单元24、质心数据输出单元25，还有现场可编程逻辑阵列31、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32；所述的现场可编程逻辑阵列31分别与图像输入单元21，图像输出单元24、质心数据输出单元25，现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32连接。

使用时，本发明的一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置与APT装置的粗跟踪相机单元11、精跟踪相机单元12和两轴伺服转台单元14连接；

本发明的一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置的动态工作过程如下：由粗跟踪相机单元11或精跟踪相机单元12传送出的数字图像信号，经过图像输入单元21转换成并行数字信号后进入现场可编程逻辑阵列单元31中进行处理。使用硬件描述语言(VHDL、Verylog、AHDL皆可)编制软件，并将该软件编译后下载至现场可编程逻辑阵列单元31中，该软件完成如下技术功能：

a)改变输入信号的时序，存入FIFO中缓冲；

b)对输入的数字图像进行初始化处理，去除无用信号，提高信躁比，获得更易识别的光斑图像；

c)对所有像素灰度进行判别，识别光斑所占像素，获得光斑形状信息；

d)对光斑所占像元进行解算，获得质心坐标数据；

e)将质心坐标数据通过质心数据输出单元25传送给两轴伺服转台14；

f)适当选择某些连续图像通过图象输出单元24输出给其它设备，其它监视设备可以为VGA显示器、PAL/NTSC监视器，用来进行人工监视及其它用途处理。

进入现场可编程逻辑阵列单元31的数字图像是需要实时处理的图像信息，对该数字图像进行简化抽帧处理后可以通过图像输出单元24传送给其它监视设备，图像输出单元24可以为Camera Link接口方式、VGA接口方式、LVDS差分输出、1394接口方式、USB接口方式、串行输出方式、LVTTL并行输出方式、PAL制式或NTSC制式。其它监视设备可以为VGA显示器、PAL/NTSC监视器，用来进行人工监视及其它用途处理。输出方式可选择数字信号输出或模拟信号输出。

由现场可编程逻辑阵列单元31结算出光斑质心后，质心数据通过质心数据输出单元25输出给两轴伺服转台单元14。质心数据输出单元25可以为RS485串行方式、RS232串行方式、LVDS差分输出方式或LVTTL输出方式无论采用何种方式输出质心数据，都要满足输入图像帧频要求，严格做到每来到一幅图像则输出一组质心数据。

本发明有益的效果：本发明由于采用了纯硬件的数字电路方式来进行数字图像处理，具有多线程、高集成度等特点。本装置的现场可编程逻辑阵列器件能够在几十个纳秒内解算出一幅图像的光斑质心数据，所以使得APT系统的瓶颈带宽限制由图像处理设备转移到了光电成像设备即CCD相机或CMOS相机，从而大大提高了APT系统的整体带宽。

本发明具有速度快、体积小、功耗低、器件数量少等优点，提高系统可靠性，降低了成本。计算速度由原发明的DSP嵌入式图像处理系统的每秒500幅～2000幅图像提高到每秒3000～10000000幅图像；设备体积由原来的200mm×300mm×30mm～300mm×500mm×800mm减小到150mm×150mm×30mm；功耗由原来的0.8w～2.0w下降到0.5w；器件数量由原来的20个～30个减少到15个。

附图说明

图1是APT的结构示意图。

图2是DSP嵌入式图像处理系统结构示意图。

图3是本发明一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置结构示意图。

图4实施例1的结构示意图。

图5软件示意图。

具体实施方式：

实施例1

如图3所示，本发明的基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置的组成有图像输入单元21，图像输出单元24、质心数据输出单元25，还有现场可编程逻辑阵列31、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32；所述的现场可编程逻辑阵列31分别与图像输入单元21，图像输出单元24、质心数据输出单元25，现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32连接。

使用时，本发明的一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置与APT装置的粗跟踪相机单元11、精跟踪相机单元12和两轴伺服转台单元14连接。

图4所示的装置，是如图3所示的本发明的基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置的具体实施方案之一：

1)现场可编程逻辑阵列单元31，使用硬件描述语言(VHDL、Verylog或AHDL皆可)编制软件，并将该软件编译后下载至现场可编程逻辑阵列单元31中。如图5所示，与软件对应的结构单元的构成为：时钟管理模块51、图像接口模块52、自适应阀值模块53、3×3窗口模块54、行列计数器模块55、光斑判断模块56、质心计算模块57、VGA显示模块58和脱靶量输出模块59；

所述的时钟管理模块51与VGA显示模块58连接；图像接口模块52与时钟管理模块51、自适应阀值模块53、3×3窗口模块54、行列计数器模块55和VGA显示模块58分别连接；光斑判断模块56与自适应阀值模块53、3×3窗口模块54和质心计算模块57分别连接；质心计算模块57还与行列计数器模块55和脱靶量输出模块59分别连接；VGA显示模块58与图像输出单元24连接；脱靶量输出模块59还与质心数据输出单元25连接；所述的图像接口模块52还与图像输入单元21的43、44和45连接；

(1)时钟管理模块48：负责将现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32的晶振单元41输入的基准时钟进行处理，并把倍频及分频后的信号传送给其它模块作基准驱动时钟。

(2)图像接口模块49：能够将输入的图像并行数据处理，并从中提取处场有效、行有效、像素有效等信号，将图像数据分别送给后续处理模块。

(3)自适应阀值模块50：能够将上一场图像的像素灰度进行平均值计算，从而获得本场图像像素的比较灰度值。

(4)3×3窗口模块51：对图像像素进行中值滤波处理，这样能够将图像中的噪声像素去掉，从而获得更易识别的图像信息。

(5)行列计数器模块52：为质心计算模块提供某一个像素的位置信息，即对像素的所在行数和列数进行计数，并提供给质心计算模块。

(6)光斑判断模块53：从自适应阀值模块获得比较用灰度值后将该值与本场图像的所有像素进行比较，从而确定该场图像哪些像素是包含光斑信息的像素。

(7)质心计算模块54：使用包含光斑信息的像素数据计算，并根据下式计算光斑质心：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}i(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\underset{j_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}j(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

其中，T是像素比较的阈值，G_ij是光斑所占像元的灰度级值，

和

分别为光斑质心的行列值(也就是位置坐标)。

(8)VGA显示模块55：将图像使用并行数据格式传送给AL250单元24。

(9)脱靶量输出模块56：由质心计算模块传送来的数据与图像中心坐标进行比较，从而得出质心距离中心的距离即脱靶量数据，将此脱靶量数据通过UART串行方式传送给MAX485单元25。

2)、如图4所示，现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32是由单元41、单元42共同组成；晶振单元41：负责将现场可编程逻辑阵列31提供基准时钟；EPC2单元42：是一种EEPROM存储器，在整个系统上电后，能够将其内保存的现场可编程逻辑阵列的程序自动传送给单元31。、

3)如图4所示，像输入单元21单是由元43、单元44、单元45共同组成；图像输入单元21的单元43为DS90CR288：是一种Camera Link传输协议转换器件，能够将符合Camera Link传输方式的LVDS电平形式转换成28路LVTTL电平形式的并行数据；图像输入单元21的单元44为DS90LV048：是一种Camera Link传输协议转换器件，能够将符合Camera Link传输方式的LVDS电平形式转换成4路LVTTL电平形式的并行数据；图像输入单元21的为DS90LV0：是一种Camera Link传输协议转换器件，能够将4路LVTTL电平形式的并行数据转换成符合Camera Link传输方式的LVDS电平形式。

4)、图像输出单元24为AL250：能够将单元31输出的并行图像数据转换成符合VGA格式的图像数据，即可直接连接其它VGA图像显示设备。

5)、质心数据输出单元25为MAX485：能够将单元31输出的串行脱靶量数据由LVTTL转换成符合RS485传输协议的器件，即将脱靶量数据串行输出给两轴伺服转台单元14。

需要说明的是，所述的图像输入单元21除了该优选实例所提出的CameraLink接口方式是外还可以为VGA接口方式、LVDS差分输出、1394接口方式、USB接口方式、串行输出方式、LVTTL并行输出方式、PAL制式或NTSC制式；现场可编程逻辑阵列单元31是现有的商品；图像输出单元24除了该优选实例所提出的VGA方式外还可以为Camera Link接口方式、LVDS差分输出、1394接口方式、USB接口方式、串行输出方式、LVTTL并行输出方式、PAL制式或NTSC制式；质心输出单元25除了该优选实例所提出的RS485串行方式外还可以为RS232串行方式、LVDS差分输出方式或LVTTL输出方式，无论采用何种方式输出质心数据，都要满足输入图像帧频要求，严格做到每来到一幅图像则输出一组质心数据。

Claims (3)

1.现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置，该装置的组成有图像输入单元(21)，图像输出单元(24)、质心数据输出单元(25)，其特征在于，还有现场可编程逻辑阵列(31)、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元(32)；所述的现场可编程逻辑阵列(31)分别与图像输入单元(21)，图像输出单元(24)、质心数据输出单元(25)，现场可编程逻辑阵列辅助器件单元(32)连接；

所述的现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置与APT装置的粗跟踪相机单元(11)、精跟踪相机单元(12)和两轴伺服转台单元(14)连接；

由粗跟踪相机单元(11)或精跟踪相机单元(12)传送出的数字图像信号，经过图像输入单元(21)转换成并行数字信号后进入现场可编程逻辑阵列单元(31)中进行处理；进入现场可编程逻辑阵列单元(31)的数字图像是需要实时处理的图像信息，对该数字图像进行简化抽帧处理后可以通过图像输出单元(24)传送给其它监视设备；

图像输出单元(24)可以为Camera Link接口方式、VGA接口方式、LVDS差分输出方式、1394接口方式、USB接口方式、串行输出接口方式、LVTTL并行输出方式、PAL制式或NTSC制式；

所述的其它监视设备可以为VGA显示器、PAL/NTSC监视器，输出方式可选择数字信号输出或模拟信号输出；

由现场可编程逻辑阵列单元(31)结算出光斑质心后，质心数据通过质心数据输出单元(25)输出给两轴伺服转台单元(14)；质心输出单元(25)可以为RS485串行方式、RS232串行方式、LVDS差分输出方式或LVTTL输出方式。

2.如权利要求1所述的现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置，其特征在于，所述的：

1)现场可编程逻辑阵列单元31，存储有软件，与该软件对应的结构单元的构成为：时钟管理模块(48)、图像接口模块(49)、自适应阀值模块(50)、3×3窗口模块(51)、行列计数器模块(52)、光斑判断模块(53)、质心计算模块(54)、VGA显示模块(55)和脱靶量输出模块(56)；

所述的时钟管理模块(48)与VGA显示模块(55)连接；图像接口模块(49)与时钟管理模块(48)、自适应阀值模块(50)、3×3窗口模块(51)、行列计数器模块(52)和VGA显示模块(55)分别连接；光斑判断模块(53)与自适应阀值模块(50)、3×3窗口模块(51)和质心计算模块(54)分别连接；质心计算模块(54)还与行列计数器模块(52)和脱靶量输出模块(56)分别连接；VGA显示模块(55)与图像输出单元(24)连接；脱靶量输出模块(56)还与质心数据输出单元(25)连接；所述的图像接口模块(49)还与图像输入单元(21)的(43)、(44)和(45)连接；

(1)时钟管理模块(48)：负责将现场可编程逻辑阵列辅助器件单元(32)的晶振单元(41)输入的基准时钟进行处理，并把倍频及分频后的信号传送给其它模块作基准驱动时钟；

(2)图像接口模块(49)：能够将输入的图像并行数据处理，并从中提取处场有效、行有效、像素有效等信号，将图像数据分别送给后续处理模块；

(3)自适应阀值模块(50)：能够将上一场图像的像素灰度进行平均值计算，从而获得本场图像像素的比较灰度值；

(4)3×3窗口模块(51)：对图像像素进行中值滤波处理，这样能够将图像中的噪声像素去掉，从而获得更易识别的图像信息；

(5)行列计数器模块(52)：为质心计算模块提供某一个像素的位置信息，即对像素的所在行数和列数进行计数，并提供给质心计算模块；

(6)光斑判断模块(53)：从自适应阀值模块获得比较用灰度值后将该值与本场图像的所有像素进行比较，从而确定该场图像哪些像素是包含光斑信息的像素；

(7)质心计算模块(54)：使用包含光斑信息的像素数据计算，并根据下式计算光斑质心：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}i(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}j(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

其中，T是像素比较的阈值，G_ij是光斑所占像元的灰度级值，

和

分别为光斑质心的行列值即位置坐标；

(8)VGA显示模块(55)：将图像使用并行数据格式传送给AL250单元(24)：

(9)脱靶量输出模块(56)：由质心计算模块传送来的数据与图像中心坐标进行比较，从而得出质心距离中心的距离即脱靶量数据，将此脱靶量数据通过UART串行方式传送给MAX485单元(25)；

2)、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元(32)是由单元(41)、单元(42)共同组成；其中，晶振单元(41)：负责将现场可编程逻辑阵列(31)提供基准时钟；EPC2单元(42)：是一种EEPROM存储器，在整个系统上电后，能够将其内保存的现场可编程逻辑阵列的程序自动传送给单元(31)；

3)像输入单元(21)单是由元(43)、单元(44)、单元(45)共同组成；其中，图像输入单元(21)的单元(43)为DS90CR288；图像输入单元(21)的单元(44)为DS90LV048；图像输入单元(21)的为DS90LV0；

4)、图像输出单元(24)为AL250：能够将单元(31)输出的并行图像数据转换成符合VGA格式的图像数据，即可直接连接其它VGA图像显示设备；

5)、质心数据输出单元(25)为MAX485：能够将单元(31)输出的串行脱靶量数据由LVTTL转换成符合RS485传输协议的器件，即将脱靶量数据串行输出给两轴伺服转台单元(14)。

3.如权利要求1所述的现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置，其特征在于，所述的图像输入单元(21)的接口方式为：VGA接口方式、LVDS差分输出接口方式、1394接口方式、USB接口方式、串行输出方式、LVTTL并行输出方式、PAL制式或NTSC制式；

所述的图像输出单元(24)的接口方式为：Camera Link接口方式、LVDS差分输出接口方式、1394接口方式、USB接口方式、串行输出方式、LVTTL并行输出方式、PAL制式或NTSC制式；

所述的质心输出单元(25)的输出方式为RS232串行输出方式、LVDS差分输出方式或LVTTL输出方式。

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