CN101709974B

CN101709974B - 一种aps太阳敏感器的图像处理方法

Info

Publication number: CN101709974B
Application number: CN2009102373373A
Authority: CN
Inventors: 张建福; 莫亚男; 余成武; 崔坚
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: CN101709974A

Abstract

一种APS太阳敏感器的图像处理方法，该方法通过FPGA实现，在FPGA内部建立两个移位寄存器用于存储标记值、六个寄存器组用于存储质心法中参数；在FPGA内部建立三个进程，其中一个进程图像标记进程P1，一个进程为图像质心算法进程P2，第三个进程P3完成合并等效标记区域，求解能量中心坐标值；充分利用FPGA并行处理的特点，同时启动图像采集进程和图像处理进程，图像采集完成也即完成一帧图像中有效数据的提取，在图像处理过程中按照8相邻连通区域识别方法对采集到的APS太阳敏感器图像进行识别，得到太阳通过光线引入器在图像传感器上的成像，在识别连通区域的同时将同一个连通区域内的有效像点按照质心法得到求坐标的分子和分母。

Description

一种APS太阳敏感器的图像处理方法

技术领域

本发明属于光学姿态敏感器领域，特别涉及一种敏感器图像处理方法。

背景技术

随着成像探测器件以及处理器技术的快速进步，航天器用太阳敏感器逐渐由光电池式向成像式发展，APS太阳敏感器就是基于APS图像传感器的一种新型数字式太阳敏感器。

APS太阳敏感器通过分析太阳通过光线引入器在图像传感器上的成像确定太阳相对于敏感器入光面的姿态角度，从而确定航天器相对太阳的姿态角度，因此APS太阳敏感器的关键点就是图像处理完成图像信息到角度信息的转换。

传统的图像处理系统都是先将图像采集存储于大容量RAM中，然后再交由处理器完成图像处理。而为适应航天器小型化的需求，需要将姿态敏感器做得体积更小，重量更轻，功耗更低，因此必须减少大容量RAM在系统中的应用，为此在APS太阳敏感器中提出一种快速图像处理算法，充分利用FPGA并行处理的特点，在FPGA控制采集图像的同时完成有效图像的提取，然后将有效图像数据存储于小容量的RAM中，再交由处理器处理。

从目前了解到情况分析，国内外采用大容量存储器和处理器的APS太阳敏感器功耗指标在2.5W左右，数据更新率在2～5Hz左右。

《光电工程》，第34卷第2期，2007年2月，樊巧云等“小型CMOS太阳敏感器”中介绍了一种小型CMOS太阳敏感器的实现，其中提及采用FPGA实现质心法，仅从原理上进行介绍，没有具体的实现过程。

《清华大学学报(自然科学版)》，第48卷第2期，2008年，丁天怀、毕研刚等“基于CMOS APS的微型数字式太阳敏感器”中介绍了清华大学研制的APS太阳敏感器，其中图像处理采用传统的先存入大容量的RAM中然后再交由处理器处理的方案，实现指标功耗2.5W，更新率只有2Hz。

《科学技术与工程》，第8卷第4期，2008年2月，饶鹏等“基于CMOS图像传感器技术的新型数字式太阳敏感器”中介绍了CMOS APS图像传感器技术在太阳敏感器中的应用，介绍了APS太阳敏感器的实现过程，提到利用FPGA完成图像处理，但并未具体介绍FPGA实现图像处理的方法。

C.W.de Boom，N van der Heiden，54th Internationa l AstronauticalCongress of the International Astronautical Federation，the InternationalAcademy of Astronautics，and the I nternational Institute of Space Law 29September-3 October 2003，Bremen，Germany，“A novel digital sun sensor：development and qualification for flight.”一文中介绍了介绍了荷兰TNO对APS太阳敏感器的实现，提到FPGA对APS太阳敏感器进行图像处理，但是具体图像处理方法并未公布。

Franco BOLDRINI，EIisabetta MONNINI，“THE OFFICINE GALILEODIGITAL SUN SENSOR.”一文中介绍了伽利略实现的APS太阳敏感器，提到ASIC对APS太阳敏感器进行图像处理，但是也并未涉及具体图像处理的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种APS太阳敏感器的快速图像处理方法，该方法解决了APS太阳敏感器图像处理系统大容量存储器使用的问题，大大降低敏感器的系统功耗，避免了处理器对大容量存储器的访问，提高了敏感器数据更新率。

本发明的技术解决方案是：一种APS太阳敏感器的快速图像处理方法，该方法通过FPGA实现，具体步骤如下：

(1)在FPGA内部建立一个移位寄存器ShiftR1023用于记录当前像元右上像元的标记值；建立一个移位寄存器ShiftR1024用于记录当前像元上面像元的标记值；建立两个寄存器组PING_EQR和PANG_EQR用于存储连通区域标记的等效表；建立两个内部双口RAM PING_XA和PANG_XA用于存储质心法中X坐标因子XA；建立两个内部双口RAM PING_YA和PANG_YA用于存储质心法中的Y坐标因子YA；建立两个内部双口RAM PING_GA和PANG_GA用于存储质心法中的灰度累积GA；

(2)在FPGA内部建立三个进程，其中一个进程图像标记进程P1，一个进程为图像质心算法进程P2，第三个进程P3完成合并等效标记区域，求解能量中心坐标值；

(3)根据APS太阳敏感器中的图像传感器的工作时序，得到数字图像；

(4)对上述数字图像进行采集，对采集到的当前帧中的每个像元的灰度值Pixel(i，j)与去背景阈值DN作比较，对当前像元进行二值化处理，对二值化后的像元在图像标记进程P1中利用8相邻连通区域识别方法对二值化为‘1’的像元进行标记，获得当前像元的标记值；将该标记值作为移位寄存器ShiftR1023、ShiftR1024的输入，并将8相邻连通区域识别方法产生的等效标记值采用寄存器组PING_EQR的等效表进行记录；

(5)在图像质心算法进程P2中对于大于DN的灰度值去背景，得到去背景后的灰度值A(i，j)，利用P1进程中得到的标记值作为地址，首先读取该地址在PING_XA、PING_YA和PING_GA中的XA’、YA’和GA’，然后与当前像元的A(i，j)、i和j得到：GA＝GA’+A(i，j)，XA＝XA’+A(i，j)×i，YA＝YA’+A(i，j)×j，再以标记值作为地址将GA、XA和YA写入PING_XA、PING_YA和PING_GA；

(6)按照步骤(4)、(5)对当前帧图像中的所有像元进行处理，直至该帧图像处理结束，确定最大标记值MAXLabel；

(7)采集下一帧数字图像，并按照步骤(4)、(5)对该帧图像中所有像元进行处理，处理后的结果按照乒乓存储方式写入PANG_XA、PANG_YA和PANG_GA；采集的同时启动进程P3；

(8)进程P3从PING_EQR中依次读取等效表中所有地址EQR_ADDR中的数据EQR_DATA，当EQR_DATA不等于0时，将EQR_ADDR赋值给GA_ADDR、XA_ADDR和YA_ADDR，读取对应地址中PING_XA、PING_YA 和PING_GA的数据，得到GA_DATA、XA_DATA和YA_DATA，同时将EQR_DATA为地址赋值给GA_ADDR、XA_ADDR和YA_ADDR，读取PING_XA、PING_YA和PING_GA的数据，得到另外一组GA_DATA、XA_DATA和YA_DATA，将上述两组数据对应项相加，再以EQR_ADDR为地址存入PING_XA、PING_YA和PING_GA中，直至EQR_ADDR等于MAXLabel，完成等效连通区域XA、YA和GA的合并，利用质心算法确定当前帧图像所有连通区域的能量中心坐标值。

所述的移位寄存器ShiftR1024和移位寄存器ShiftR1023按照像元输出时钟进行移位。

所述的图像质心算法进程P2工作时钟至少为图像标记进程P1的四倍，图像标记进程P1的工作时钟为像元输出时钟。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)充分利用FPGA并行处理的特点，同时启动图像采集进程和图像处理进程，图像采集完成也即完成一帧图像中有效数据的提取，在图像处理过程中按照8相邻连通区域识别方法对采集到的APS太阳敏感器图像进行识别，得到太阳通过光线引入器在图像传感器上的成像，在识别连通区域的同时将同一个连通区域内的有效像点按照质心法得到求坐标的分子和分母。解决了传统成像式敏感器需要大容量存储器的问题，大大降低了敏感器系统的功耗。采用本发明实现的APS太阳敏感器整机功耗仅为0.67W。

(2)本发明充分利用FPGA并行处理能力，将连通区域标记法和质心法合并使用，以标记值作为地址存储质心法参数，无需再对图像进行第二遍扫描，大大节省图像处理时间，提高敏感器数据更新率，加上无图像存储和读取的过程，采用发明实现的APS太阳敏感器整机数据更新率可以做到10Hz以上。

(3)在高辐照长寿命情况下图像传感器不可避免的出现像元坏点，采用本发明方法可以有效解决像元坏点给图像敏感器精度带来的影响，能够准确将像元坏点予以剔除。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为APS太阳敏感器工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种APS太阳敏感器快速图像处理方法，该方法通过FPGA实现，具体步骤如下：

(1)建立一个1023字节长度1个字节深度的移位寄存器ShiftR1023用于记录当前像元右上像元的标记值；建立一个1024字节长度1个字节深度的移位寄存器ShiftR1024用于记录当前像元上面像元的标记值；建立两个512×8bit的寄存器组PING_EQR和PANG_EQR用于存储连通区域标记的等效表；建立两个4K×8bit的内部双口RAM PING_XA和PANG_XA用于存储质心法中X坐标因子XA；建立两个4K×8bit的内部双口RAM PING_YA和PANG_YA用于存储质心法中的Y坐标因子YA；建立两个1K×8bit的内部双口RAMPING_GA和PANG_GA用于存储质心法中的灰度累积GA；

移位寄存器ShiftR1024的字节长度为每行像元的个数，移位寄存器ShiftR1023的字节长度为每行像元的个数减1，字节深度根据可能的最大标记值确定。上述所有双口RAM的大小根据需要存储的有效数据来确定。

(2)在FPGA内部建立三个进程，其中一个进程图像标记进程P1(Process1)，一个进程为图像质心算法进程P2(Process 2)，第三个进程P3完成合并等效标记区域，求解能量中心坐标值；为保证时序要求图像质心算法进程P2工作时钟至少为图像标记进程P1的四倍，图像标记进程P1的工作时钟为像元输出时钟。(例如：设计中像元输出时钟为10MHz，图像质心算法进程P2工作时钟为40MHz)。

(3)根据APS太阳敏感器中的图像传感器的工作时序，得到数字图像，作为本发明方法的输入；

(4)对上述数字图像进行采集，对采集到的当前帧中的每个像元的灰度值 Pixel(i，j)与去背景阈值DN作比较，对当前像元进行二值化处理BL(0/1)，对二值化后的像元在图像标记进程P1中利用8相邻连通区域识别方法对二值化为‘1’的像元进行标记；去背景阈值DN可以在采用本发明方法对图像进行处理前设定为一固定值，从0～255范围内选取。也可以对每帧数据处理前，根据上一帧图像非零像素的平均值作为去背景阈值DN。

关于8相邻连通区域识别方法为公知方式，具体可以参见《电视技术》第33卷第2期，李芳等《基于快速8-连通域标记的视频字幕提取新算法》中的介绍。

8相邻连通区域示意如下表所示：

左上	上	右上
			左	＊	右
左下	下	右下

当利用逐行扫描方法从左到右、从上到下寻找8-相邻连通区域只需要比对该像元左上、上、右上和左四个像元相邻关系即可，这样只需要存储上一行像元和左边一个像元的标记值即可完成整个图像的标记。例如，对二值化后值为‘1’的像元Pixel(i，j)，利用该像元与左侧、左上、上和右上像元的标记值比较即可完成连通区域标记，如下表：

Pixel(i-1，j-1)	Pixel(i-1，j)	Pixel(i-1，j+1)
			Pixel(i，j-1)	Pixel(i，j)

对像元的标记记录如下：

LULabel	ULabel	RULabel
			LLabel	Label

移位寄存器ShiftR1023的输出用于给出右上RULabel标记值，ShiftR1024移位寄存器的输出用于给出ULabel标记值，两个移位寄存器都是按照像元输出时钟进行移位。LULabel为上一个像元的ULabel值，LLabel为上一个像元的Label值。利用LULabel、ULabel、RULabel和LLabel便可以标记出当前像元的标记值Label(i，j)，同时将Label(i，j)作为移位寄存器ShiftR1023、ShiftR1024的输入；如果存在等效标记Eq_label的情况需要通过寄存器组PING_EQR的等效地址Addr(label(i，j))对等效标记值进行记录。

(5)在图像质心算法进程P2中对于大于DN的灰度值去背景，得到去背景后的灰度值A(i，j)＝Pixel(i，j)-DN，利用P1进程中得到的标记值Label(i，j)作为地址Addr(lable(i，j))，首先读取该地址在PING_XA、PING_YA和PING_GA中的XA’、YA’和GA’，然后与当前像元的A(i，j)、i和j得到：GA＝GA’+A(i，j)，XA＝XA’+A(i，j)×i，YA＝YA’+A(i，j)×j，再以标记值作为地址将GA、XA和YA写入PING_XA、PING_YA和PING_GA；

(8)进程P3从PING_EQR中依次读取等效表中所有地址EQR_ADDR中的数据EQR_DATA，当EQR_DATA不等于0时，将EQR_ADDR赋值给GA_ADDR、XA_ADDR和YA_ADDR，读取对应地址中PING_XA、PING_YA和PING_GA的数据，得到GA_DATA、XA_DATA和YA_DATA，同时将EQR_DATA为地址赋值给GA_ADDR、XA_ADDR和YA_ADDR，读取PING_XA、PING_YA和PING_GA的数据，得到另外一组GA_DATA、XA_DATA和YA_DATA，将上述两组数据对应项相加，再以EQR_ADDR为地址存入PING_XA、PING_YA和PING_GA中，直至EQR_ADDR等于MAXLabel，完成等效连通区域XA、YA和GA的合并。利用公式

x_{c} = \frac{XA}{GA}, y_{c} = \frac{YA}{GA}

得到的当前帧图像所有连通区域的能量中心(即像点)坐标值(x_c，y_c)。

再根据APS太阳敏感器工作原理，以单孔太阳敏感器为例，如图2所示，利用物理学中小孔成像的原理，认为太阳为一点光源，通过光阑孔C将太阳像投到面阵图像传感器表面，如果已知太阳垂直入射时小孔像的质心坐标O，则通过上述计算出来的能量中心坐标值便可以得到太阳光线相对于敏感器法线的两个太阳角，如图所示的α和β，图中h为APS太阳敏感器光线引入器A与感光面B的距离。

对于步骤(7)中的下一帧图像，进程P3就需要从记为PANG的双口RAM中进行上述步骤(8)同样的处理，依次按照乒乓方式进行。

采用发明实现的APS太阳敏感器整机数据更新率可以做到10Hz以上，采用本发明实现的APS太阳敏感器整机功耗仅为0.67W。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种APS太阳敏感器的图像处理方法，其特征在于：该方法通过FPGA实现，具体步骤如下：

(2)在FPGA内部建立三个进程，其中一个进程为图像标记进程P1，一个进程为图像质心算法进程P2，第三个进程P3完成合并等效标记区域，求解能量中心坐标值；

(5)在图像质心算法进程P2中对于大于DN的灰度值去背景，得到去背景后的灰度值A(i，j)，利用P1进程中得到的标记值作为地址，首先读取该地址在PING_XA、PING_YA和PING_GA中的X坐标因子XA、Y坐标因子YA和灰度累积GA，分别记为XA’、YA’和GA’，然后与当前像元的A(i，j)、i和j得到：GA＝GA’+A(i，j)，XA＝XA’+A(i，j)×i，YA＝YA’+A(i，j)×j，再以标记值作为地址将GA、XA和YA写入PING_GA、PING_XA和PING_YA；

(8)进程P3从PING_EQR中依次读取等效表中所有地址EQR_ADDR中的数据EQR_DATA，当EQR_DATA不等于0时，将EQR_ADDR赋值给GA_ADDR、XA_ADDR和YA_ADDR，读取对应地址中PING_GA、PING_XA和PING_YA的数据GA_DATA、XA_DATA和YA_DATA，同时将EQR_DATA为地址赋值给GA_ADDR、XA_ADDR和YA_ADDR，读取PING_GA、PING_XA和PING_YA的数据GA_DATA、XA_DATA和YA_DAYA，将上述两组GA_DAYA、XA_DAYA和YA_DAYA数据对应项相加，再以EQR_ADDR为地址存入PING_XA、PING_YA和PING_GA中，直至EQR_ADDR等于MAXLabeI，完成等效连通区域内的X坐标因子XA、Y坐标因子YA和灰度累积GA的合并，利用质心算法确定当前帧图像所有连通区域的能量中心坐标值。

2.根据权利要求1所述的一种APS太阳敏感器的图像处理方法，其特征在于：所述的移位寄存器ShiftR1024和移位寄存器ShiftR1023按照像元输出时钟进行移位；所述的像元输出时钟为P1进程的工作时钟。

3.根据权利要求1所述的一种APS太阳敏感器的图像处理方法，其特征在于：所述的图像质心算法进程P2的工作时钟频率至少为图像标记进程P1的四倍，图像标记进程P1的工作时钟为像元输出时钟。