一种超近距目标图像快速建模配准方法技术

本发明专利技术提供一种超近距目标图像快速建模配准方法，包括如下步骤：S1、对获取的参考点云信息和待配准点云信息进行预处理，使其满足FPGA运算；S2、构建FPGA流水线结构，将参考点云均分读入多个unit单元，待配准点云存入乒乓reg以实现不间断搜索；S3、在每个unit单元内部的计算模块内对点云对进行减法运算，输出最小值所对应的待配准点索引；S4、在CPU协助处理下，进行点云姿态变换并判断误差是否符合阈值要求，若为否，则进入步骤S5，若为是，则结束；S5、判断迭代次数是否到达上限，若为否，则更新待配准点坐标，返回步骤S2，若为是，则结束。本发明专利技术提高点云配准的速度，从而提高TOF相机的数据更新率。数据更新率。数据更新率。

【技术实现步骤摘要】
一种超近距目标图像快速建模配准方法


[0001]本专利技术涉及TOF相机快速点云配准处理
，特别涉及一种超近距目标图像快速建模配准方法。

技术介绍

[0002]传统的成像系统提供的是二维图像信息，这些信息适用于电子设备的记录和展示，能够被人眼观察和理解，但由于二维图像不包含深度信息，其应用具有一定的局限性。TOF(Time
‑
Of
‑
Flight)相机的探测机理使其具有测量空间位置关系的独特优势，获取的信息同时包含深度和图像信息，扩展了信息维度，不但可以用于目标图像的分割、标记、识别、跟踪等任务，也为目标特征提取与识别提供了新的途径，在空间非合作目标检测、交会对接、空间操控等宇航领域有广泛的应用前景。
[0003]在宇航领域，一定场景下被测目标的相对位姿变化可能高达15
°
/s，要求TOF相机必须具备大动态的响应能力。然而，传统的ICP算法需要计算大量的系统数据，占用了绝大部分配准时间。解决ICP算法计算问题有多种途径。一方面，可以通过算法本身的优化实现加速。Nuchter A等人利用k
‑
dtree和最近点缓存技术来加速最近点的查找，提高了ICP算法的效率。Li W利用模型点云三角网格计算最近点，在迭代过程中引入动态调节因子，提高了ICP算法的配准精度和速度。另一方面，也可通过处理器的性能提升实现加速。
[0004]由于宇航应用的特殊性，高性能多核处理器功耗高、占用空间大，无法适应空间辐射环境，因此采用FPGA构建并行计算的架构，从而实现加速是解决问题的有效途径。ICP算法由最近点搜索及位姿解算两反复迭代过程组成，其中最近点搜索又以欧氏距离计算过程最为复杂，其解算过程导致CPU(central processing unit)处理极高的数据计算量时运算速度下降。

技术实现思路

[0005]专利技术的目的在于提供一种超近距目标图像快速建模配准方法，提高点云配准的速度，从而提高TOF相机的数据更新率。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种超近距目标图像快速建模配准方法，包括如下步骤：
[0008]S1、对获取的参考点云信息和待配准点云信息进行预处理，使其满足FPGA运算；
[0009]S2、构建FPGA流水线结构，将参考点云均分读入多个unit单元，将待配准点云存入乒乓reg以实现不间断搜索；
[0010]S3、在每个unit单元内部的计算模块内对点云对进行减法运算，输出最小值所对应的待配准点索引；
[0011]S4、在CPU协助处理下，进行点云姿态变换，对每个待配准点与对应参考点求解欧氏距离，并取其均方根作为误差，判断误差是否符合阈值要求，若为否，则进入步骤S5，若为是，则结束；
[0012]S5、判断迭代次数是否到达上限，若为否，则更新待配准点坐标，返回步骤S2，若为是，则结束。
[0013]可选的，所述S2中，将参考点云均分读入多个unit，包括：
[0014]建立若干unit单元，根据地址将参考点云数据均分，分别存储于各unit单元的BRAM中。
[0015]可选的，所述S2中，在每个unit单元内部的计算模块内对点云对进行减法运算，包括：
[0016]所述计算模块含有若干减法器，将待配准点以乒乓操作读出，与unit单元内参考点的三轴坐标输入减法器，按公式|x1‑
x2|+|y1‑
y2|+|z1‑
z2|分别计算各参考点对应全部待配准点的距离。
[0017]可选的，所述乒乓操作包括：令状态a为读reg1、写reg2，状态b为写reg1、读reg2，即可在状态转换时完成数据不间断读写操作。
[0018]可选的，所述S4中，进行点云姿态变换，包括：
[0019]读取每一索引对应的参考点坐标和待配准点坐标，进行svd分解解算姿态变换矩阵R、t。
[0020]可选的，所述S5中，更新待配准点坐标包括：利用求解的姿态变换矩阵R、t对待配准点坐标进行姿态变换。
[0021]可选的，所述S1中，待配准点云数据采用实测数据，需对数据进行帧头识别并提取有效信息。
[0022]可选的，所述迭代次数的上限为100次。
[0023]可选的，所述迭代误差的阈值为0.001。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0025]1.针对ICP算法点云配准过程数据量大、配准时间长的难点，FPGA的并行计算特性较之传统的ICP算法，配准速度更快。
[0026]2.改进的点云配准过程，将欧氏距离繁琐的计算过程简化为简单的减法运算，不仅将上亿次复杂运算简化，提高了运算速度，同时也提高了精度，对TOF相机数据更新率的提升有着重大意义。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0028]图1为本专利技术提供的一种超近距目标图像快速建模配准方法的流程图
[0029]图2为超近距目标图像快速建模配准方法及系统总体框图；
[0030]图3为FPGA内部模块设计示意图；
[0031]图4为计算模块设计示意图。
具体实施方式
[0032]以下结合附图和具体实施方式对本专利技术提出的方案作进一步详细说明。根据下面
说明，本专利技术的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施方式的目的。为了使本专利技术的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
能涵盖的范围内。
[0033]本专利技术的方法采用CPU协助，FPGA实现快速点云信息处理功能，旨在提高TOF相机的动态性能，以提高TOF相机测量精度，并进一步提升空间非合作目标姿态解算能力。
[0034]请参考图1～4，本专利技术提供的一种超近距目标图像快速建模配准方法，包含以下步骤：
[0035]S1、对获取的参考点云信息和待配准点云信息进行预处理，使其满足FPGA运算；
[0036]具体的，可读取30000参考点、30000待配准点，解析数据包并将点云信息转换为三轴坐标供FPGA计算；所述解析数据包包括：本实施例待配准点使用实测数据，需对数据进行帧头识别并提取有效信息。
[0037]S2、构建FPGA流水线结构，将参考点云均分读入多个unit单元，将待配准点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超近距目标图像快速建模配准方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对获取的参考点云信息和待配准点云信息进行预处理，使其满足FPGA运算；S2、构建FPGA流水线结构，将参考点云均分读入多个unit单元，将待配准点云存入乒乓reg以实现不间断搜索；S3、在每个unit单元内部的计算模块内对点云对进行减法运算，输出最小值所对应的待配准点索引；S4、在CPU协助处理下，进行点云姿态变换，对每个待配准点与对应参考点求解欧氏距离，并取其均方根作为误差，判断误差是否符合阈值要求，若为否，则进入步骤S5，若为是，则结束；S5、判断迭代次数是否到达上限，若为否，则更新待配准点坐标，返回步骤S2，若为是，则结束。2.如权利要求1所述的超近距目标图像快速建模配准方法，其特征在于，所述S2中，将参考点云均分读入多个unit，包括：建立若干unit单元，根据地址将参考点云数据均分，分别存储于各unit单元的BRAM中。3.如权利要求1所述的超近距目标图像快速建模配准方法，其特征在于，所述S2中，在每个unit单元内部的计算模块内对点云对进行减法运算，包括：所述计算模块含有若干减法器，将待配准点以乒乓操作读出，与unit单元内参考点的三...

【专利技术属性】
技术研发人员：石峰源，潘迪，刘冰，练达，宋雪冬，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：