一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统，包括图像预处理模块、模板更新模块、边缘匹配模块、边缘图像缓存模块和边缘模板缓存模块。所述图像预处理模块负责提取输入图像的边缘信息，所述模板更新模块以积分的方式更新边缘模板，所述边缘匹配模块负责并行化的相关匹配操作，所述边缘图像缓存模块负责边缘图像的临时缓存，所述边缘模板缓存模块负责边缘模板的临时缓存。本发明专利技术提出的基于积分型边缘模板的模板更新策略能够将目标的姿态变化逐渐同步到边缘模板中，从而增强了模板的鲁棒性，对无人机扩展目标有着较好的定位效果。位效果。位效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统


[0001]本专利技术属于图像处理
，具体为一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统。

技术介绍

[0002]无人机目标定位技术作为计算机视觉的一个重要研究方向，在各个领域上发挥着越来越重要的作用。在对无人机目标进行定位的过程中，目标的飞行姿态、目标大小和环境光照可能会发生复杂的变化，这些复杂的变化给目标定位的准确性和实时性提出了巨大的挑战。扩展目标定位是目标跟踪领域中的一个重要分支。扩展目标是指占据视野空间三分之二以上的目标。在定位扩展目标过程中的典型场景是目标尺度过大、目标姿态变化和环境光照变化。目标尺度过大会造成计算量过大，从而导致定位的实时性差。目标姿态变化和环境光照变化则会降低定位精度。在针对无人机扩展目标定位的算法中，边缘匹配算法由于算法复杂度低且易于硬件实现而得到了广泛的应用。但是随着目标的姿态和大小发生变化，模板可能会发生退化现象。为了避免模板退化对边缘匹配精度造成的影响，就需要有合理的模板更新方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供了一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统，所述系统包括图像预处理模块、边缘图像缓存模块、模板更新模块、边缘模板缓存模块和边缘匹配模块；
[0006]所述图像预处理模块的输出端分别连接所述边缘图像缓存模块的输入端和边缘匹配模块的输入端；所述边缘图像缓存模块的输出端连接所述模板更新模块的输入端；所述模板更新模块的输出端连接所述边缘模板缓存模块的输入端；所述边缘模板缓存模块的输出端分别连接所述模板更新模块的输入端和边缘匹配模块的输入端；所述边缘匹配模块的输出端连接所述模板更新模块的输入端；
[0007]所述图像预处理模块的内部包括中值滤波模块、sobel边缘提取模块、局部均值二值化模块、腐蚀模块和膨胀模块；所述中值滤波模块的输出端连接所述sobel边缘提取模块的输入端；所述sobel边缘提取模块的输出端连接所述局部均值二值化模块的输入端；所述局部均值二值化模块的输出端连接所述腐蚀模块的输入端；所述腐蚀模块的输入端连接有所述膨胀模块的输入端；所述中值滤波模块、sobel边缘提取模块、局部均值二值化模块、腐蚀模块和膨胀模块分别设有各自的并行化硬件电路。
[0008]进一步的，所述中值滤波模块采用3
×
3方形窗口对图像进行滤波降噪，用于过滤图像中的椒盐噪声；所述中值滤波模块的并行化硬件电路包括2个FIFO，该2个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有3个移位寄存器，同时输入图像数
据流后端连接有3个移位寄存器，这9个移位寄存器构成了3
×
3大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于中值滤波操作。
[0009]进一步的，所述Sobel边缘提取模块采用3
×
3大小的窗口在四个方向上进行边缘提取，并将四个方向上提取到的边缘进行叠加；所述Sobel边缘提取模块的并行化硬件电路包括2个FIFO，该2个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有3个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有3个移位寄存器，这9个移位寄存器构成了3
×
3大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于Sobel滤波操作。
[0010]进一步的，所述局部均值二值化模块通过计算中心像素周围5
×
5大小区域的所有像素点的平均值来确定中心像素二值化的结果；所述局部均值二值化模块的并行化硬件电路包括4个FIFO，该4个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有5个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有5个移位寄存器，这25个移位寄存器构成了5
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5大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于均值计算操作。
[0011]进一步的，所述腐蚀模块采用3
×
3大小的方形窗口进行腐蚀操作，用于去除二值化图像上的孤立点；所述腐蚀模块的并行化硬件电路包括2个FIFO，该2个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有3个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有3个移位寄存器，这9个移位寄存器构成了3
×
3大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于腐蚀操作。
[0012]进一步的，所述膨胀模块采用3
×
3大小的方形窗口进行膨胀操作，用于扩大边缘的宽度；所述膨胀模块的并行化硬件电路包括2个FIFO，该2个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有3个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有3个移位寄存器，这9个移位寄存器构成了3
×
3大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于膨胀操作。
[0013]进一步的，所述边缘匹配模块使用边缘模板与边缘图像重合的激活点的数量来评价模板与目标之间的相关度；所述边缘匹配模块的并行化硬件电路包括31个FIFO，该31个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有32个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有32个移位寄存器，这1024个移位寄存器构成了32
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32大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于模板匹配操作。
[0014]进一步的，所述模板更新模块使用每一帧的边缘图像以积分的方式对边缘模板进行更新。
[0015]进一步的，所述边缘图像缓存模块对预处理输出的二值化边缘图像进行临时缓存；临时缓存的二值化边缘图像用于后续的模板更新操作。
[0016]进一步的，所述边缘模板缓存模块实现对边缘模板的临时缓存；缓存的边缘模板用于后续的模板更新操作和边缘匹配操作。
[0017]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0018](1)本专利技术为边缘匹配模块设计了并行化计算电路，从而使多个区域的边缘匹配操作能够同时进行，提高了整个系统的运行速度。同时本专利技术使用边缘特征作为匹配特征，因为边缘特征对无人机目标表面光照变化不敏感，所以本专利技术能够适应野外光照剧烈变化的场景。
[0019](2)本专利技术所设计的电路结构能够直接使用从外部图像传感器流入的图像数据流
进行边缘匹配操作，而无需在边缘匹配操作之前将当前帧的图像进行缓存，所以能够减少无人机目标定位延时和节省FPGA的存储资源。
[0020](3)本专利技术通过使用积分的方式对边缘模板进行更新。这种模板更新方式能够更好地适应目标和环境的变化从而保持稳定长时间的跟踪效果。同时本专利技术提出的模板更新策略既能够引入当前帧的目标的信息又能够保留之前模板的信息，从而保证了跟踪过程中模板信息的可靠性，并且能够较为明显地提高算法对环境变化的适应性。
[0021](4)本专利技术的边缘匹配操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统，其特征在于：所述系统包括图像预处理模块(1)、边缘图像缓存模块(2)、模板更新模块(3)、边缘模板缓存模块(4)和边缘匹配模块(5)；所述图像预处理模块(1)的输出端分别连接所述边缘图像缓存模块(2)的输入端和边缘匹配模块(5)的输入端；所述边缘图像缓存模块(2)的输出端连接所述模板更新模块(3)的输入端；所述模板更新模块(3)的输出端连接所述边缘模板缓存模块(4)的输入端；所述边缘模板缓存模块(4)的输出端分别连接所述模板更新模块(3)的输入端和边缘匹配模块(5)的输入端；所述边缘匹配模块(5)的输出端连接所述模板更新模块(3)的输入端；所述图像预处理模块(1)的内部包括中值滤波模块(6)、sobel边缘提取模块(7)、局部均值二值化模块(8)、腐蚀模块(9)和膨胀模块(10)；所述中值滤波模块(6)的输出端连接所述sobel边缘提取模块(7)的输入端；所述sobel边缘提取模块(7)的输出端连接所述局部均值二值化模块(8)的输入端；所述局部均值二值化模块(8)的输出端连接所述腐蚀模块(9)的输入端；所述腐蚀模块(9)的输入端连接有所述膨胀模块(10)的输入端；所述中值滤波模块(6)、sobel边缘提取模块(7)、局部均值二值化模块(8)、腐蚀模块(9)和膨胀模块(10)分别设有各自的并行化硬件电路。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统，其特征在于：所述中值滤波模块(6)采用3
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3方形窗口对图像进行滤波降噪，用于过滤图像中的椒盐噪声；所述中值滤波模块(6)的并行化硬件电路包括2个FIFO，该2个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有3个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有3个移位寄存器，这9个移位寄存器构成了3
×
3大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于中值滤波操作。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统，其特征在于：所述Sobel边缘提取模块(7)采用3
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3大小的窗口在四个方向上进行边缘提取，并将四个方向上提取到的边缘进行叠加；所述Sobel边缘提取模块(7)的并行化硬件电路包括2个FIFO，该2个FIFO对输入的图像数据流进行行缓存操作，每个FIFO的输出端连接有3个移位寄存器，同时输入图像数据流后端连接有3个移位寄存器，这9个移位寄存器构成了3
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3大小的寄存器窗口，该寄存器窗口内的数据用于Sobel滤波操作。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA图像处理的无人机扩展目标定位系统，其特征在于：所述局部均值二值化模块(8)通过计算中心像素周围5
×
5大小区域的所有像素点的平均值来确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛磊杰，张耀，贾格，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：