一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法及系统，包括：红外图像数据采用高速串行数据接口传输至系统，经过接口芯片转换，输出并行数据至FPGA；FPGA先接收图像数据，并将原始图像数据缓存至外部存储器中。然后，对红外图像进行单帧检测得到单帧疑似目标点。然后根据目标帧间关联，确定真实目标点。再对多帧检测后的图像进行八连通域标记，确定目标区域及其位置信息，根据位置信息读出存储器中部分原始图像数据，输出包含目标位置信息和目标部分图像信息的数据。本发明专利技术采取全局流水线设计，处理速度快，适合星载红外小目标实时检测。

A Spaceborne Infrared Small Target Detection Method Based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法
本专利技术涉及红外目标检测
，特别是涉及一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法及系统。
技术介绍
随着现代航天技术的不断发展，星载条件下的红外小目标实时检测技术一直是重要的研究方向。由于星上图像分辨率越来越高，算法复杂度越来越大，系统实时性的难度增大。因此研究星载红外小目标检测实时处理系统和方法具有重要意义。由于星载相机与目标间距离远，目标成像面积小、对比度低、无纹理特征、形状变化不定，尤其是在复杂背景条件下，使得小目标检测工作变得更加困难。在单帧图像中检测小目标，漏警率和虚警率都很高，一般都要通过多帧红外图像，利用序列的时间和空间信息，依据序列图像中目标运动的连续性和轨迹的一致性来实施目标检测任务。根据所利用的空间信息和时间信息的先后顺序，红外小目标检测方法可分为先检测后跟踪(Detect-Before-Track,DBT)算法和先跟踪后检测(Track-Before-Dectect,TBD)算法两大类。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，用以解决现有技术存在的目标检测实时性差的技术问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，采用FPGA同步并依次执行以下步骤，包括：步骤1、实时接收红外图像的数据流，对所述数据流进行保存；步骤2、对所述数据流进行二值化处理，得到二值图像并保存，并确定每帧所述二值图像中的疑似目标点；步骤3、判断数据库是否存有该帧二值图像的相邻前两帧二值图像，若无，执行步骤1，若有，获取并基于所述前两帧二值图像，从该帧二值图像中的所述疑似目标点中识别真实目标点；步骤4、将该帧二值图像中的所有所述真实目标点进行八连通域标记分区，得到该帧二值图像中的目标区域，完成目标检测。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对星载图像红外小目标的检测，基于FPGA采取数据流存储和二值化处理并行执行、二值化图像保存和疑似目标点确定并行执行、各个步骤同步执行等，实现全局流水线、局部并行化的处理方式，显著提高了处理速度，可达到实时性要求。另外，本专利技术方法利用目标帧间运动轨迹特征进行综合分析，减弱了场景中复杂虚警源的干扰，有效地减少了目标虚检和漏检情况，增强了检测算法的鲁棒性。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做以下改进。进一步，所述采用FPGA同步并依次执行以下步骤之前，所述方法还包括：步骤0、接收通过串行传输方式输入的每一帧红外图像的数据流，并对所述数据流进行并行转换，以通过并行传输方式传输所述数据流至所述FPGA；则步骤1中，所述实时接收红外图像的数据流，包括：实时接收通过所述并行传输方式输入的所述红外图像的所述数据流。本专利技术的进一步有益效果是：数据远距离传输采用串行传输方式可以节约通信成本，接收到串行传输的数据后转为并行传输，可以降低数据的伴随时钟频率，提升系统的稳定性。进一步，所述步骤2中，所述对所述数据流进行二值化处理，包括：步骤2.1、采用预设尺寸的滤波器窗口，对所述数据流在多个方向同步进行去中值滤波处理，得到滤波图像；步骤2.2、基于所述滤波图像的像素，计算该帧二值图像的阈值，并同步基于前一帧所述二值图像的阈值，对所述滤波图像进行自适应阈值分割，得到该滤波图像对应的二值图像。本专利技术的进一步有益效果是：在进行去中值滤波处理时，对八个方向同步执行去中值滤波处理，局部并行化，提高处理速度，同时有效对目标进行背景抑制，减弱了场景中复杂虚警源的干扰，有效地减少了目标虚检和漏检情况，增强了算法的鲁棒性。另外，由于实际情况中，图像帧间差异较小，使用上一帧图像计算出的阈值对当前帧进行自适应阈值分割，从而使当前帧阈值分割与当前帧的阈值计算并行执行，实现局部并行化，提高系统的处理速度。进一步，所述步骤2.2中，所述基于所述滤波图像的像素，计算该帧二值图像的阈值，包括：基于阈值计算公式和所述滤波图像的像素，进行阈值计算，其中，当在后执行的除法运算对应的第一算法的位宽W1小于在前执行的乘法运算对应的第二算法的位宽W2时，则所述第一算法对所述第二算法输入的计算结果根据W1和W2进行多次迭代计算。本专利技术的进一步有益效果是：在具体数学运算上采取资源复用的策略进行替代和简化，合理地使用了FPGA资源，计算简单且高效。达到了性能与资源利用的最优化。进一步，所述数据库包括：所述第一DDR存储器，用于存储所述数据流；所述第二DDR存储器，分为三个存储区域，分别用于存储每相邻三帧所述二值图像中的一帧；所述第三DDR存储器，用于存储所述八连通域标记分区得到的所述目标区域的位置信息。本专利技术的进一步有益效果是：存储器分区对相邻的三帧二值图像进行存储，当进行目标多帧检测时，从两个存储器中分别获取相邻两帧二值图像，提高处理速度。进一步，所述方法还包括：步骤5、从所述数据库存储的该帧二值图像对应的红外图像中获取每个所述目标区域对应的图像切片，并输出每个所述目标区域的位置信息及其对应的所述图像切片。本专利技术的进一步有益效果是：本专利技术方法最终仅输出目标的位置信息和以目标为中心的部分图像信息，有效减小了下传数据量。本专利技术还提供一种基于FPGA的星载红外小目标检测系统，包括：并向转换芯片，FPGA处理器，以及存储器；所述并向转换芯片，用于接收通过串行传输方式输入的每一帧红外图像的数据流，并对所述数据流进行并行转换，以通过并行传输方式将所述数据流输入至所述FPGA处理器；所述FPGA处理器，用于将所述数据流保存至所述存储器；对所述数据流进行二值化处理，得到二值图像并保存至所述存储器，同时确定每帧所述二值图像中的疑似目标点；判断所述存储器中是否存有该帧二值图像的相邻前两帧二值图像，若无，继续接收所述数据流，若有，获取并基于所述前两帧二值图像，从该帧二值图像中的所述疑似目标点中识别真实目标点；将该帧二值图像中的所有所述真实目标点进行八连通域标记分区，得到该帧二值图像中的目标区域。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对星载图像红外小目标的检测系统，基于FPGA处理器采取数据流存储和二值化处理并行执行、二值化图像保存和疑似目标点确定并行执行、各个步骤同步执行等，实现全局流水线、局部并行化的处理方式，显著提高了处理速度，可达到实时性要求。另外，本专利技术FPGA处理器利用目标帧间运动轨迹特征进行综合分析，减弱了场景中复杂虚警源的干扰，有效地减少了目标虚检和漏检情况，增强了检测算法的鲁棒性。进一步，所述FPGA处理器在对所述数据流进行二值化处理时，具体为：采用预设尺寸的滤波器窗口，对所述数据流在多个方向同步进行去中值滤波处理，得到滤波图像；基于阈值计算公式和所述滤波图像的像素，进行阈值计算，其中，当在后执行的除法器对应的计算位宽W1小于在前执行的乘法器对应的计算位宽W2时，则所述除法器对所述乘法器输入的计算结果根据W1和W2进行多次迭代计算；并同步基于前一帧所述二值图像的阈值，对所述滤波图像进行自适应阈值分割，得到该滤波图像对应的二值图像。本专利技术的进一步有益效果是：FPGA处理器在进行去中值滤波处理时，对八个方向同步执行去中值滤波处理，局部并行化，提高处理速度，同时有效对目标进行背景抑制，减弱了场景中复杂虚警源的干扰，有效地减少了目标虚检和漏检情况，增强了算法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，其特征在于，采用FPGA同步并依次执行以下步骤，包括：步骤1、实时接收红外图像的数据流，对所述数据流进行保存；步骤2、对所述数据流进行二值化处理，得到二值图像并保存，并确定每帧所述二值图像中的疑似目标点；步骤3、判断数据库是否存有该帧二值图像的相邻前两帧二值图像，若无，执行步骤1，若有，获取并基于所述前两帧二值图像，从该帧二值图像中的所述疑似目标点中识别真实目标点；步骤4、将该帧二值图像中的所有所述真实目标点进行八连通域标记分区，得到该帧二值图像中的目标区域，完成目标检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，其特征在于，采用FPGA同步并依次执行以下步骤，包括：步骤1、实时接收红外图像的数据流，对所述数据流进行保存；步骤2、对所述数据流进行二值化处理，得到二值图像并保存，并确定每帧所述二值图像中的疑似目标点；步骤3、判断数据库是否存有该帧二值图像的相邻前两帧二值图像，若无，执行步骤1，若有，获取并基于所述前两帧二值图像，从该帧二值图像中的所述疑似目标点中识别真实目标点；步骤4、将该帧二值图像中的所有所述真实目标点进行八连通域标记分区，得到该帧二值图像中的目标区域，完成目标检测。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，其特征在于，所述采用FPGA同步并依次执行以下步骤之前，所述方法还包括：步骤0、接收通过串行传输方式输入的每一帧红外图像的数据流，并对所述数据流进行并行转换，以通过并行传输方式传输所述数据流至所述FPGA；则所述步骤1中，所述实时接收红外图像的数据流，包括：实时接收通过所述并行传输方式输入的所述红外图像的所述数据流。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，其特征在于，所述步骤2中，所述对所述数据流进行二值化处理，包括：步骤2.1、采用预设尺寸的滤波器窗口，对所述数据流在多个方向同步进行去中值滤波处理，得到滤波图像；步骤2.2、基于所述滤波图像的像素，计算该帧二值图像的阈值，并同步基于前一帧所述二值图像的阈值，对所述滤波图像进行自适应阈值分割，得到该滤波图像对应的二值图像。4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，其特征在于，所述步骤2.2中，所述基于所述滤波图像的像素，计算该帧二值图像的阈值，包括：基于阈值计算公式和所述滤波图像的像素，进行阈值计算，其中，当在后执行的除法运算对应的第一算法的位宽W1小于在前执行的乘法运算对应的第二算法的位宽W2时，则所述第一算法对所述第二算法输入的计算结果根据W1和W2进行多次迭代计算。5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的星载红外小目标检测方法，其特征在于，所述数据库包括：所述第一DDR存储器，用于存储所述数据流；所述第二DDR存储器，分为三个存储区域，分别用于存储每相邻三帧所述二值图像中的一帧；所述第三DDR存储器，用于存储所述八连通域标记分区得到的所述目标区域的位置信息。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岳环，张清顺，张磊，张天序，胡科，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42