CN104035680A

CN104035680A - 采用fpga实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法

Info

Publication number: CN104035680A
Application number: CN201410268030.0A
Authority: CN
Inventors: 王金玲; 宋克非; 贺小军
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2014-09-10

Abstract

采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法，属于光电探测技术领域，首先CPU向图像处理单元写入坐标计算公式参数；图像处理单元接收图像采集系统传来的图像数据；变换坐标计算公式参数，将浮点数扩大为整数，并用十六进制表示；变换进行公式简化；将坐标计算公式中的除法通分，减少除法运算数量；采用IP核并行实现坐标计算公式中的参数与图像数据的乘法运算；将乘法运算结果根据参数的符号进行求和或求差运算，作为除法运算的被除数；采用IP核实现坐标计算公式中的除法运算，将商和余数分别保存；计算余数与坐标计算常数的乘法运算，进行四舍五入处理、计算常数除法运算，得到最终坐标值发送给CPU进行图像存储。

Description

采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法

技术领域

本发明涉及一种光子计数探测器图像处理的实现方法，属于光电探测技术领域。

背景技术

光子计数探测器是一种将入射光子采集转化为多路电荷信号的探测器，通过信号处理电路对电荷信号进行整形放大、峰值保持及采样转换获取图像数据，图像处理根据坐标计算公式将图像数据转换为光子坐标值，然后在坐标值对应位置进行累加计数，生成最终的光子计数图像。光子计数探测器、信号处理电路及图像处理三部分串行所能响应的最高入射光子频率称为光子计数率，所能分辨的光子坐标最小位移称为空间分辨率。图像处理的实现方法影响光子计数率和空间分辨率。光子计数型探测器的坐标值计算公式与探测器的位敏阳极制备方式有关，多为分式运算。为了消除位敏阳极的极间串扰，通常引入浮点数且带符号的校正系数，增加了坐标计算的复杂度。

常用的浮点运算实现方法有两种：第一种是采用地面操作系统软件实现，如VC、Labview，这种方法实现简便、灵活性强，能够满足图像处理速度和分辨率的要求，但是无法转化为工程应用，仅适用于地面试验。第二种是采用嵌入式软件实现，如DSP，这种方法利于工程转化，适用于航空航天需求，但是坐标计算通常为浮点运算，并且乘除法运算较多，而嵌入式软件为串行处理方式，导致图像处理运算周期较长，通过提高嵌入式软件系统时钟能够提高运算速度，但是既增加了设计难度又降低了系统可靠性，并且提高运算速度的能力有限，当光子计数率较高时，仍无法满足要求。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服光子计数探测器图像处理现有实现方法的不足，提出了一种采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法。

本发明的技术解决方案如下：

采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，开始摄像前，CPU向图像处理单元写入坐标计算公式参数；

步骤二，开始摄像后，图像处理单元接收图像采集系统传来的图像数据Qs、Qw和Qz；

步骤三，图像处理单元变换坐标计算公式参数，将浮点数扩大为整数，并用十六进制表示，对取值为负数的参数取绝对值参与运算，将变换后参数带入坐标计算公式，通过约分变换进行公式简化；

步骤四，图像处理单元将坐标计算公式中的除法通分，减少除法运算数量；

步骤五，图像处理单元采用IP核并行实现坐标计算公式中的参数与图像数据的乘法运算；

步骤六，图像处理单元将乘法运算结果根据参数的符号进行求和或求差运算，作为除法运算的被除数；

步骤七，图像处理单元采用IP核实现坐标计算公式中的除法运算，将商和余数分别保存；

步骤八，图像处理单元计算余数与坐标计算常数的乘法运算，进行四舍五入处理；

步骤九，图像处理单元计算常数除法运算，得到最终坐标值发送给CPU进行图像存储。

本发明的积极效果：通过坐标计算公式参数合理变换，将浮点运算转化为整数运算，若参数包含负数，用十六进制数据的高位表示符号，运算时再进行逻辑判断，由此便于FPGA软件实现。坐标计算公式简化，通过等效变换减少除法运算，缩短运算时间。将运算过程中的除法运算进行四舍五入处理，提高计算精度。

一、本发明通过将坐标值计算公式参数缩放处理，以及参数符号的逻辑变换，解决了采用FPGA实现浮点数和带符号数运算的可行性问题。

二、通过将坐标值计算等效变换，减少除法运算次数，缩短运算时间，提高图像处理速度。

三、在实现除法运算时，采用四舍五入处理，提高图像处理精度。

附图说明

图1为本发明采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法的原理框图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

楔条形光子计数探测器坐标计算公式如式(1)所示。

X = N \times K \times (a_{1} \times \frac{Q_{S}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + b_{1} \times \frac{Q_{W}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + c_{1}) - x_{0}

Y = N \times K \times (a_{2} \times \frac{Q_{W}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + b_{2} \times \frac{Q_{S}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + c_{2}) - y_{0} - - - (1)

其中，Qs、Qw和Qz为三路图像数据，N为光子计数图像等效像元数，a1、a2、b1、b2、c1、c2为坐标校正系数，K为放大倍数，能够对图像进行缩放，x0、y0为中心化坐标，能够对图像进行平移。各坐标计算公式参数的取值范围见表1。

表1

从坐标计算公式参数取值可以看出，参数中既包含浮点数，又包含负数，如图1所示，采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理步骤如下：

步骤一，开始摄像前，CPU向图像处理单元写入坐标计算公式参数k、a1、a2、b1、b2、c1、c2、x0和y0；

步骤三，图像处理单元变换坐标计算公式参数，将浮点数扩大1000倍转换为整数，参数b1、b2、c1、c2用bit15～bit13作为符号位，‘111’表示负数，‘000’表示正数，bit12～bit0为参数绝对值。参数x0、y0加1500转换为正数。变换后坐标计算公式参数取值范围见表2。

表2

根据变换后参数范围，式(1)变换如式(2)所示。

X = \frac{3 K^{'}}{20} \times ({a_{1}}^{'} \times \frac{Q_{S}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + {b_{1}}^{'} \times \frac{Q_{W}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + {c_{1}}^{'}) - {x_{0}}^{'} + 1500

(2)

Y = \frac{3 K^{'}}{20} \times ({a_{2}}^{'} \times \frac{Q_{W}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + {b_{2}}^{'} \times \frac{Q_{S}}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}} + {c_{2}}^{'}) - {y_{0}}^{'} + 1500

步骤四，图像处理单元将坐标计算公式中的除法通分，减少除法运算数量，变换后如式(3)所示。

X = \frac{{3 K}^{'}}{20} \times (\frac{{a_{1}}^{'} Q_{S} + {b_{1}}^{'} \times Q_{W} + {c_{1}}^{'} \times (Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z})}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}}) - {x_{0}}^{'} + 1500

(3)

Y = \frac{{3 K}^{'}}{20} \times (\frac{{a_{2}}^{'} Q_{W} + {b_{2}}^{'} \times Q_{S} + {c_{2}}^{'} \times (Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z})}{Q_{S} + Q_{W} + Q_{Z}}) - {y_{0}}^{'} + 1500

步骤五，图像处理单元采用IP核并行实现坐标计算公式中的参数与图像数据的乘法运算a₁'×Q_S、b₁'×Q_W、c₁'×(Q_S+Q_W+Q_Z)、a₂'×Q_W、b₂'×Q_S、c₂'×(Q_S+Q_W+Q_Z)和3K'。

步骤六，根据校正系数a₁'、b₁'、c₁'、a₂'、b₂'和c₂'的符号，图像处理单元并行计算a₁'×Q_S±b₁'×Q_W±c₁'×(Q_S+Q_W+Q_Z)和a₂'×Q_W±b₂'×Q_S±c₂'×(Q_S+Q_W+Q_Z)，作为除法运算的被除数；

步骤七，图像处理单元采用IP核并行实现坐标计算公式中的除法运算，保留商QUOT_X、QUOT_Y和余数REMD_X、REMD_Y；

步骤八，图像处理单元并行计算余数与坐标计算常数3K'的乘法运算，将乘法运算结果3K'×REMD_X和3K'×REMD_Y与Q_S+Q_W+Q_Z相除，将商与QUOT_X和QUOT_Y相加得到QUOT_X'和QUOT_Y'，实现四舍五入处理；

步骤九，图像处理单元并行计算常数除法运算，得到最终坐标值X和Y发送给CPU进行图像存储。

Claims

1.采用FPGA实现楔条形光子计数探测器图像处理的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤二，开始摄像后，图像处理单元接收图像采集系统传来的图像数据Qs、Qw、Qz；