一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法技术

一种基于FPGA的通用多模式图像预处理方法，步骤如下：处理器设置预处理电路的存图模式，共有原图模式、自适应灰度加权滤波模式和窗口模式三种；原图模式：依据行场信号，将数据顺次存入片外存储器；滤波模式：图像数据进行自适应梯度加权滤波后，仅将像素大于0的有效像元的原始灰度值、滤波灰度值及行、列位置信息进行存储；开窗模式：进行窗口截取处理，每帧图像数据的第一字节为窗口编号，第二字节为行编号，后续字节为像元数据；依据窗口编号和行编号计算该行首个像元存储位置，然后以该地址为首地址存储后续像元数据。本发明专利技术提高了图像预处理电路的存储效率，提升了系统处理运算性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法
本专利技术涉及一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，适用于甚高精度星敏感器的星点导航预处理，属于星敏感器图像处理

技术介绍
甚高精度星敏相机广泛应用于星船交会对接和交会测量子系统中，单帧捕获精度可达400W像素，如果每个控制周期内都对整帧图像进行星点提取运算，将加重处理器负担并耗费大量控制周期时间与系统资源，故应在起始时间点对整帧信息处理，捕获星点位置后，在星点位置附近以开窗模式完成后续图像序列中星点的提取，以降低待处理像元数量，节省处理器开销。由于星载应用，高动态星敏感器工作原理的复杂性和应用环境的特殊性，国内尚无法获取专用的与之相适应的宇航等级多模式转存图像预处理芯片，因此一般采用具有抗辐照能力的FPGA芯片实现多模式转存图像预处理电路功能。甚高精度图像的多模式转存及图像滤波处理算法依靠具有大数据量处理能力的大规模可编程逻辑器件完成，高动态星敏相机研制过程中要求FPGA具有全图模式、开窗模式图像转存能力以及自适应滤波等图像预处理功能，以便获取有限数量的有效像元，降低后续制导导航过程中的运算量。多模式甚高精度图像预处理方法存在着如下应用问题需要解决：第一，图像自适应梯度加权滤波功能。须在规定的有限像素时钟周期时间内，完成对当前像素的加权滤波，目的为提取相邻像素值变化剧烈的奇异点，该预处理算法为迭代运算，具有误差累积和错误传递的特点，电路设计需严格满足数据采集的时序要求。第二，需具备多种模式图像转存功能：(1)原图模式下，需按整帧格式将图像数据行顺次存入片外RAM。(2)滤波模式下，对图像数据进行自适应梯度加权滤波后，仅将像素大于0的有效星点像元的原始灰度值、滤波灰度值及行、列位置等信息进行转存。(3)开窗模式下，进行窗口图像格式的截取，处理后窗口图像数据各行第一字节为窗口编号，第二字节为行编号，后续M字节为像元数据。应依据窗口编号和行编号计算该行首个像元存储位置，然后以该地址为首地址存储后续有效窗口像元数据。目前国内外对多种模式的研究仍处于起步阶段，没有见到相关详细的报道，现急需一种方法能够实现多种模式的图像存储。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，本专利技术通过全图模式、滤波模式和窗口模式实现了星敏感器在不同工作环境下的图像准确处理，同时通过滤波和窗口处理提高了图像预处理电路的存储效率，提升了系统处理运算性能。本专利技术的技术解决方案：一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，包括步骤如下：(1)选择图像存储的模式，若选择原图模式则进入步骤(2)；若选择滤波模式则进入步骤(3)；若选择窗口模式则进入步骤(4)；(2)全图模式，当行、场信号均有效时，将图像数据顺次存储进存储器L，进入步骤(5)；(3)滤波模式，当行、场信号均有效时，对图像进行自适应梯度加权滤波后，将像素大于0的有效星点像元的原始灰度值、滤波灰度值及行、列位置信息存储到存储器L，进入步骤(5)；(4)窗口模式，当行、场信号均有效时，将待存储图像截取为窗口图像，进而将窗口图像转换为窗口模式的传输格式，依据新的传输格式计算窗口图像中每行首个像元存储地址，然后以该地址为首地址顺次将窗口图像数据存储进存储器L，进入步骤(5)；(5)存储结束。所述步骤(1)中选择图像存储模式的具体实现原则如下：针对星敏感器不同的运行状态，采用三种不同的图像存储模式，全图模式保证下传信息的完整和真实，滤波模式对原始图像进行粗提取，利用少量的有效像元确保捕获的有效性和实时性，窗口模式在跟踪模式下利用最少的像元信息保证有效的跟踪，本专利技术采用三种模式，实现了图像的预处理，实用性强，可靠性高，提高了实时性和工作效率。(1)星敏感器原始图像数据下传时选择全图模式；(2)星敏感器进行初始星点捕获时选择滤波模式；(3)星敏感器进行星点跟踪时选择窗口模式。所述步骤(1)选择图像存储模式的具体实现形式如下：步骤1a：处理器对预处理电路中模式选择寄存器进行配置，设置模式选择寄存器中滤波标志、开窗标志以及窗口模式下首字节数据的行地址、列地址(待存储图像放入XY坐标系中，行地址对应为Y方向坐标，列地址对应为X方向坐标)，进入步骤1b；所述开窗标志为处理器向预处理模式寄存器配置的模式选择标志，所述的滤波标志为处理器向预处理模式寄存器配置的滤波选择标志；步骤1b：预处理电路检测到场信号上升沿，并当场信号有效、行信号无效时，将开窗标志赋给当前开窗标志，滤波标志赋给当前滤波标志，同时若检测到滤波标志上升沿，进入步骤1c；所述的当前开窗标志为预处理电路实际执行过程中选择的模式标志，为中间量；所述的当前滤波标志为预处理电路实际执行过程中滤波选择标志；步骤1c：当场信号有效、行信号有效时，进行不同图像存储模式选择：(1ca)若当前开窗标志为0且当前滤波标志为0，则选择全图模式；(1cb)若当前开窗标志为0且当前滤波标志为1，则选择滤波模式；(1cc)若当前开窗标志为1，则选择窗口模式。所述步骤(2)中在全图模式下进行数据存储的具体实现方法如下：步骤2a：当预处理电路检测到行信号有效，并在像素时钟下降沿，将图像数据存储到预处理电路的缓存寄存器，并转入步骤2b；步骤2b：预处理电路生成存储器L的写信号，并将缓存寄存器中的图像数据写入存储器L，并转入步骤2c；步骤2c：当场信号有效时，表示一个字节的图数据像存储结束，回到步骤2a进行剩余字节图像数据的存储；若场信号无效时，则进入到步骤2d；步骤2d：整个图像数据存储结束，并进入步骤(1)。所述步骤(3)进行自适应梯度加权滤波的具体实现方法如下：当关闭滤波功能时，滤波输出为原始图像传输接口时序与数据，当开启滤波功能时，滤波输出时序与原始图像传输接口时序相同，数据为滤波后的数据。FPGA在接收图像数据的过程中进行滤波。步骤3a：设置滤波系数S和背景估值修正量B，S的取值为4、8、16、32(本实施例中默认值为16)，B取值范围为-255～+255(本实施例中默认值为80)，进入步骤3b；所述的背景估值修正量为用于控制经过滤波后的有效像元数量的值；步骤3b：设置中间寄存器md1、md2、mf，并将中间寄存器清零，跳转到步骤3c；步骤3c：当检测到行信号下降沿时，中间寄存器md1、md2清零，并进入步骤3d；步骤3d：在像素时钟上升沿时，根据滤波系数S的取值，将图像数据中当前像素时钟对应的数据D(与当前像素时钟对应的数据指像素时钟的高电平对应的数据)和将D左移一定位数后的数据赋值给中间寄存器md2和中间寄存器md1，同时判断背景估值修正量B是否为负数，若是则将中间寄存器mf的值置为0，否则将中间寄存器mf的值赋值为B；像素计数器加1，并进入步骤3e；所述根据滤波系数S的取值将数据D和D左移以后的数据赋值给中间寄存器md2和中间寄存器md1的具体方法：当S＝4时，D左移2位赋值给中间寄存器md1；当S＝8时，D左移3位赋值给中间寄存器md1；当S＝16时，D左移4位赋值给中间寄存器md1；当S＝32时，D左移5位赋值给中间寄存器md1；步骤3e：在像素时钟上升沿时，计算中间寄存器md1的值与图像数据中当前像素时钟对应的数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，其特征在于包括步骤如下：(1)选择图像存储的模式，若选择原图模式则进入步骤(2)；若选择滤波模式则进入步骤(3)；若选择窗口模式则进入步骤(4)；(2)全图模式，当行、场信号均有效时，将图像数据顺次存储进存储器L，进入步骤(5)；(3)滤波模式，当行、场信号均有效时，对图像进行自适应梯度加权滤波后，将像素大于0的有效星点像元的原始灰度值、滤波灰度值及行、列位置信息存储到存储器L，进入步骤(5)；(4)窗口模式，当行、场信号均有效时，将待存储图像截取为窗口图像，进而将窗口图像转换为窗口模式的传输格式，依据新的传输格式计算窗口图像中每行首个像元存储地址，然后以该地址为首地址顺次将窗口图像数据存储进存储器L，进入步骤(5)；(5)存储结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，其特征在于包括步骤如下：(1)选择图像存储的模式，若选择原图模式则进入步骤(2)；若选择滤波模式则进入步骤(3)；若选择窗口模式则进入步骤(4)；选择图像存储模式的具体实现原则如下：a、星敏感器原始图像数据下传时选择全图模式；b、星敏感器进行初始星点捕获时选择滤波模式；c、星敏感器进行星点跟踪时选择窗口模式；选择图像存储模式的具体实现形式如下：步骤(1a)：处理器对预处理电路中模式选择寄存器进行配置，设置模式选择寄存器中的滤波标志、开窗标志以及窗口模式下首字节数据的行地址、列地址，进入步骤1b；所述开窗标志为处理器向预处理模式选择寄存器配置的模式选择标志，所述的滤波标志为处理器向预处理模式选择寄存器配置的滤波选择标志；步骤(1b)：预处理电路检测到场信号上升沿，并当场信号有效、行信号无效时，将开窗标志赋给当前开窗标志，滤波标志赋给当前滤波标志，同时若检测到滤波标志上升沿，进入步骤1c；所述的当前开窗标志为预处理电路实际执行过程中的模式选择标志，为中间量；所述的当前滤波标志为预处理电路实际执行过程中滤波选择标志；步骤(1c)：当场信号有效、行信号有效时，进行不同图像存储模式选择：(1ca)若当前开窗标志为0且当前滤波标志为0，则选择全图模式；(1cb)若当前开窗标志为0且当前滤波标志为1，则选择滤波模式；(1cc)若当前开窗标志为1，则选择窗口模式；(2)全图模式，当行、场信号均有效时，将图像数据顺次存储进存储器L，进入步骤(5)；(3)滤波模式，当行、场信号均有效时，对图像进行自适应梯度加权滤波后，将像素大于0的有效星点像元的原始灰度值、滤波灰度值及行、列位置信息存储到存储器L，进入步骤(5)；(4)窗口模式，当行、场信号均有效时，将待存储图像截取为窗口图像，进而将窗口图像转换为窗口模式的传输格式，依据新的传输格式计算窗口图像中每行首个像元存储地址，然后以该地址为首地址顺次将窗口图像数据存储进存储器L，进入步骤(5)；(5)存储结束。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中在全图模式下进行数据存储的具体实现方法如下：步骤(2a)：当预处理电路检测到行信号有效，并在像素时钟下降沿，将图像数据存储到预处理电路的缓存寄存器，并转入步骤(2b)；步骤(2b)：预处理电路生成存储器L的写信号，并将缓存寄存器中的图像数据写入存储器L，并转入步骤(2c)；步骤(2c)：当场信号有效时，表示一个字节的图数据像存储结束，回到步骤(2a)进行剩余字节图像数据的存储；若场信号无效时，则进入到步骤(2d)；步骤(2d)：整个图像数据存储结束，并进入步骤(1)。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的星敏感器多模式图像预处理方法，其特征在于：所述步骤(3)进行自适应梯度加权滤波的具体实现方法如下：步骤(3a)：设置滤波系数S和背景估值修正量B，S的取值为4、8、16、32，B取值范围为-255～+255，进入步骤3b；所述的背景估值修正量为用于控制经过滤波后的有效像元数量的值；步骤(3b)：设置中间寄存器md1、md2、mf，并将中间寄存器清零，跳转到步骤(3c)；步骤(3c)：当检测到行信号下降沿时，中间寄存器md1、md2清零，并进入步骤(3d)；步骤(3d)：在像素时钟上升沿时，根据滤波系数S的取值，将图像数据中当前像素时钟对应的数据D和将D左移一定位数后的数据赋值给中间寄存器md2和中间寄存器md1，同时判断背景估值修正量B是否为负数，若是则将中间寄存器mf的值置为0，否则将中间寄存器mf的值赋值为B；像素计数器加1，并进入步骤3e；所述根据滤波系数S的取值将数据D和D左移以后的数据赋值给中间寄存器md2和中间寄存器md1的具体方法：当S＝4时，D左移2位赋值给中间寄存器md1；当S＝8时，D左移3位赋值给中间寄存器md1；当S＝16时，D左移4位赋值给中间寄存器md1；当S＝32时，D左移5位赋值给中间寄存器md1；步骤(3e)：在像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶有时，孙强，施蕾，聂晓慧，彭宇，梁潇，王龙，武延鹏，熊军，刘波，吴一帆，杨桦，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11