CN109685782A - 一种基于fpga的高速星点检测方法及系统 - Google Patents

一种基于fpga的高速星点检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的高速星点检测方法及系统，其中本发明系统包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块。其中顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块是顶层控制模块的子模块。本发明方法利用顶层控制模块实现Z个通道数据间连接，数据缓存模块实现每个通道的M行数据预缓存，阈值计算模块实现不同位置的数据计算，均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，星点判断模块判断星点有效性并记录坐标。本发明结合成像效果，能够利用FPGA实现高速星点检测，检测时间是1行图像传输时间的1/Z。

Description

一种基于FPGA的高速星点检测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种星点检测方法及系统，特别是一种基于FPGA的高速星点检测方法及系统。
背景技术
空间产品姿态测量和定位一般都需要星敏感器来实现，星敏感器根据采集到的多个星点位置，进行星图匹配，得到产品姿态并进行姿态校正，以前，星敏感器检测1帧图像星点信息的结束时间比图像传输完成时间要延迟1行的传输时间。当图像过于大时，由于DSP资源有限，直接将图像传给DSP进行星点检测，无法实现。
发明内容
本发明公开了一种基于FPGA的高速星点检测方法及系统，解决现有星点检测方法延时过长的问题。
有鉴于此，本发明提供的技术方案是：一种基于FPGA的高速星点检测系统，其特征在于，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块，所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，
所述顶层控制模块，用于Z个通道数据间连接，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中；
所述数据缓存模块，用于每个通道的M行数据预缓存；
所述阈值计算模块，用于将所述数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，进行不同位置的数据计算，所述M为开窗的行数；
所述均值方差计算模块，用于计算开窗中心点的均值和方差值，得到灰度分割低阈值；
所述星点判断模块，用于判断星点有效性并记录坐标。
本发明的另一目的在于提供一种基于FPGA的高速星点检测方法，其特征在于，包括：
顶层控制模块连接Z个通道间数据，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中；
数据缓存模块将每个通道的M行数据预缓存；
阈值计算模块将所述数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，进行不同位置的数据计算，所述M为开窗的行数；
均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，得到灰度分割低阈值；
星点判断模块判断星点有效性并记录坐标；
所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块，所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，利用顶层控制模块实现Z个通道数据间连接，数据缓存模块实现每个通道的M行数据预缓存，阈值计算模块实现不同位置的数据计算，均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，星点判断模块判断星点有效性并记录坐标。本发明结合成像效果，能够利用FPGA实现高速星点检测，检测时间是1行图像传输时间的1/Z。
附图说明
图1为本发明的一种基于FPGA的高速星点检测系统的结构示意图；
图2为本发明的一种基于FPGA的高速星点检测方法的流程图。
具体实施方式
请参照图1，本发明的一种基于FPGA的高速星点检测系统，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块，所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，所述顶层控制模块，用于Z个通道数据间连接，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中；所述数据缓存模块，用于每个通道的M行数据预缓存；所述阈值计算模块，用于将所述数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，进行不同位置的数据计算，所述M为开窗的行数；所述均值方差计算模块，用于计算开窗中心点的均值和方差值，得到灰度分割低阈值；所述星点判断模块，用于判断星点有效性并记录坐标。
在一个实施例中，所述数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块是所述顶层控制模块的子模块。
在一个实施例中，所述RAM中共有M+1行图像数据存储空间。
在一个实施例中，所述M+1行图像数据存储空间中同一时刻只存储M行图像数据，当起始位置进入一行新的图像数据时，则末端位置释放出M行旧的图像数据。
在一个实施例中，所述数据缓存模块的数目为Z个。
请参照图2，本发明的一种基于FPGA的高速星点检测方法，包括：
步骤S11，顶层控制模块连接Z个通道间数据，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中；
步骤S12，数据缓存模块将每个通道的M行数据预缓存；
步骤S13，阈值计算模块将所述数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，进行不同位置的数据计算，所述M为开窗的行数；
步骤S14，均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，得到灰度分割低阈值；
步骤S15，星点判断模块判断星点有效性并记录坐标；
所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接。
在一个实施例中，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中，RAM中共有M+1行图像数据存储空间。
在一个实施例中，所述阈值计算模块进行不同位置的数据计算包括：计算阈值计算区域的像素的和与平方和。
在一个实施例中，所述均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值根据算法：
thd_low＝avg+k×δ
k为阈值计算系数，avg为“阈值计算区域”的像素灰度均值，
δ为“阈值计算区域”的像素灰度标准差，
gij为i行j列的像素值。
在一个实施例中，所述星点判断模块判断星点有效性包括：星点判断模块接收均值方差计算模块传来的灰度分割低阈值，“当前扫描像素”满足下面条件之一后即认为是星点像斑：
a、“当前扫描像素”灰度值为“星点判断区域”灰度最大值，星点判断区域为星点周边3×3区域；
b、“星点判断区域”灰度大于thd_low的像素个数大于等于pixnum_thd，pixnum_thd为设定个数，为常数值；
c、“当前扫描像素”灰度值小于等于thd_high，thd_high为设定高阈值，为常数值。
作为具体的实施例，本发明的一种基于FPGA的高速星点检测方法具体步骤为：
第一步构建基于FPGA的高速星点检测方法及系统
基于FPGA的高速星点检测方法及系统，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块；
顶层控制模块的功能为：实现Z个通道数据间连接；
数据缓存模块的功能为：实现每个通道的M行(开窗的行数)数据预缓存；
阈值计算模块的功能为：实现不同位置的数据计算；
均值方差计算模块的功能为：计算开窗中心点的均值和方差值；
星点判断模块的功能为：判断星点有效性并记录坐标；
其中顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块是顶层控制模块的子模块。
第二步顶层控制模块实现Z个通道数据间连接
假设顶层控制模块输入图像大小为X×Y，那么每个通道的图像大小为(X/Z)×Y。比如X＝2048，Y＝2048，Z＝8，则全帧图像大小为2048×2048，每个通道的大小为256×2048。X可以取2048，1024，512，640等，Y可以取2048，1024，512，320等，Z可取16，8，4，2，1等。
星点位置可能在通道的边缘，计算星点的有效性会用到以星点为中心的M×N的矩阵内的数据。那么边缘的像素点会用到其他通道的像素点的值，需要跨通道数据传输。顶层控制模块负责将后一个通道的前N个像素拼接到前一个通道的末尾，实现通道间数据传输。
第三步数据缓存模块
整帧图像分成Z个通道进入Z个数据缓存模块，实现分通道存储。星点的计算需要周边M×N的矩阵内的像素数据，所以需要进行M行数据的缓存。
其中每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中，RAM中共有M+1行图像数据存储空间，其中M+1行图像数据存储空间中同一时刻只存储M行图像数据，当起始位置进入一行新的图像数据时，则末端位置释放出M行旧的图像数据。
第四步阈值计算模块
阈值计算模块将数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，即“阈值计算区域”，去除“星点覆盖区域”的像素(A×B窗口，A<M，B<N)，随着新像素的输入，分离出有效像素位置也随之改变，并实时计算阈值计算区域的和与平方和。gij为i行j列的像素值。
第五步均值方差计算模块
均值方差计算模块根据阈值计算模块提供的(M×N-A×B)个像素的和与平方和，计算每个像素的灰度分割低阈值，计算方法见公式。
thd_low＝avg+k×δ
k为阈值计算系数，avg为“阈值计算区域”的像素灰度均值，计算方法见公式δ为“阈值计算区域”的像素灰度标准差，计算方法见公式
第六步星点判断模块
星点判断模块接收均值方差计算模块传来的灰度分割低阈值，“当前扫描像素”满足一定条件后即认为是星点像斑，条件如下所示：
a、“当前扫描像素”灰度值为“星点判断区域”灰度最大值，星点判断区域为星点周边3×3区域；
b、“星点判断区域”灰度大于thd_low的像素个数大于等于pixnum_thd，pixnum_thd为设定个数，为常数值；
c、“当前扫描像素”灰度值小于等于thd_high，thd_high为设定高阈值，为常数值。
至此，星点检测方法及系统实现完毕。
作为具体的实施例，系统包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块。其中顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块是顶层控制模块的子模块。本发明方法利用顶层控制模块实现Z个通道数据间连接，数据缓存模块实现每个通道的M行(开窗的行数)数据预缓存，阈值计算模块实现不同位置的数据计算，均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，星点判断模块判断星点有效性并记录坐标。本发明结合成像效果，能够利用FPGA实现高速星点检测，检测时间是1行图像传输时间的1/Z。
一种基于FPGA的高速星点检测方法及系统，其特征在于具体步骤为：
第一步构建基于FPGA的高速星点检测方法及系统
基于FPGA的高速星点检测方法及系统，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块；
顶层控制模块的功能为：实现Z个通道数据间连接；
数据缓存模块的功能为：实现每个通道的M行(开窗的行数)数据预缓存；
阈值计算模块的功能为：实现不同位置的数据计算；
均值方差计算模块的功能为：计算开窗中心点的均值和方差值；
星点判断模块的功能为：判断星点有效性并记录坐标；
其中顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块是顶层控制模块的子模块。
第二步顶层控制模块实现Z个通道数据间连接
假设顶层控制模块输入图像大小为X×Y，那么每个通道的图像大小为(X/Z)×Y。比如X＝2048，Y＝2048，Z＝8，则全帧图像大小为2048×2048，每个通道的大小为256×2048。X可以取2048，1024，512，640等，Y可以取2048，1024，512，320等，Z可取16，8，4，2，1等。
星点位置可能在通道的边缘，计算星点的有效性会用到以星点为中心的M×N的矩阵内的数据。那么边缘的像素点会用到其他通道的像素点的值，需要跨通道数据传输。顶层控制模块负责将后一个通道的前N个像素拼接到前一个通道的末尾，实现通道间数据传输。
第三步数据缓存模块
整帧图像分成Z个通道进入Z个数据缓存模块，实现分通道存储。星点的计算需要周边M×N的矩阵内的像素数据，所以需要进行M行数据的缓存。
其中每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中，RAM中共有M+1行图像数据存储空间，其中M+1行图像数据存储空间中同一时刻只存储M行图像数据，当起始位置进入一行新的图像数据时，则末端位置释放出M行旧的图像数据。
第四步阈值计算模块
阈值计算模块将数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，即“阈值计算区域”，去除“星点覆盖区域”的像素(A×B窗口，A<M，B<N)，随着新像素的输入，分离出有效像素位置也随之改变，并实时计算阈值计算区域的和与平方和。gij为i行j列的像素值。
第五步均值方差计算模块
均值方差计算模块根据阈值计算模块提供的(M×N-A×B)个像素的和与平方和，计算每个像素的灰度分割低阈值，计算方法见公式。
thd_low＝avg+k×δ
k为阈值计算系数，avg为“阈值计算区域”的像素灰度均值，计算方法见公式δ为“阈值计算区域”的像素灰度标准差，计算方法见公式
第六步星点判断模块
星点判断模块接收均值方差计算模块传来的灰度分割低阈值，“当前扫描像素”满足一定条件后即认为是星点像斑，条件如下所示：
a、“当前扫描像素”灰度值为“星点判断区域”灰度最大值，星点判断区域为星点周边3×3区域；
b、“星点判断区域”灰度大于thd_low的像素个数大于等于pixnum_thd，pixnum_thd为设定个数，为常数值；
c、“当前扫描像素”灰度值小于等于thd_high，thd_high为设定高阈值，为常数值。
至此，星点检测方法及系统实现完毕。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块，所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，利用顶层控制模块实现Z个通道数据间连接，数据缓存模块实现每个通道的M行数据预缓存，阈值计算模块实现不同位置的数据计算，均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，星点判断模块判断星点有效性并记录坐标。本发明结合成像效果，能够利用FPGA实现高速星点检测，检测时间是1行图像传输时间的1/Z。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的高速星点检测系统，其特征在于，包括：顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块，所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接，
所述顶层控制模块，用于Z个通道数据间连接，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中；
所述数据缓存模块，用于每个通道的M行数据预缓存；
所述阈值计算模块，用于将所述数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，进行不同位置的数据计算，所述M为开窗的行数；
所述均值方差计算模块，用于计算开窗中心点的均值和方差值，得到灰度分割低阈值；
所述星点判断模块，用于判断星点有效性并记录坐标。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速星点检测系统，其特征在于，所述数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块是所述顶层控制模块的子模块。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的高速星点检测系统，其特征在于，所述RAM中共有M+1行图像数据存储空间。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的高速星点检测系统，其特征在于，所述M+1行图像数据存储空间中同一时刻只存储M行图像数据，当起始位置进入一行新的图像数据时，则末端位置释放出M行旧的图像数据。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速星点检测系统，其特征在于，所述数据缓存模块的数目为Z个。
6.一种基于FPGA的高速星点检测方法，其特征在于，包括：
顶层控制模块连接Z个通道间数据，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中；
数据缓存模块将每个通道的M行数据预缓存；
阈值计算模块将所述数据缓存模块释放出的M行数据，以中间像素行作为中心开M×N窗口，进行不同位置的数据计算，所述M为开窗的行数；
均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值，得到灰度分割低阈值；
星点判断模块判断星点有效性并记录坐标；
所述顶层控制模块、数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块均在FPGA中运行，其中数据缓存模块、阈值计算模块、均值方差计算模块和星点判断模块顺次连接。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的高速星点检测方法，其特征在于，每个通道的图像信号按像素行存储在RAM中，RAM中共有M+1行图像数据存储空间。
8.根据权利要求6所述的基于FPGA的高速星点检测方法，其特征在于，所述阈值计算模块进行不同位置的数据计算包括：计算阈值计算区域的像素的和与平方和。
9.根据权利要求6所述的基于FPGA的高速星点检测方法，其特征在于，所述均值方差计算模块计算开窗中心点的均值和方差值根据算法：
thd_low＝avg+k×δ
k为阈值计算系数，avg为“阈值计算区域”的像素灰度均值，
δ为“阈值计算区域”的像素灰度标准差，
gij为i行j列的像素值。
10.根据权利要求9所述的基于FPGA的高速星点检测方法，其特征在于，所述星点判断模块判断星点有效性包括：星点判断模块接收均值方差计算模块传来的灰度分割低阈值，“当前扫描像素”满足下面条件之一后即认为是星点像斑：
a、“当前扫描像素”灰度值为“星点判断区域”灰度最大值，星点判断区域为星点周边3×3区域；
b、“星点判断区域”灰度大于thd_low的像素个数大于等于pixnum_thd，pixnum_thd为设定个数，为常数值；
c、“当前扫描像素”灰度值小于等于thd_high，thd_high为设定高阈值，为常数值。
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