一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统及方法，属于空间光学敏感器技术领域。本发明专利技术首先通过高速控制时序，实现四帧连续调制曝光图像数据并行读入，通过该步骤实现了场景反射率耦合的连续曝光灰度图像实时采集；同时，该方法通过设置数据校正以及深度图像转换为三维点云的独立MBD模块，将灰度图像和深度图像数据完成标定校正和三维点云转换，实现飞行时间成像在航天领域的应用。行时间成像在航天领域的应用。行时间成像在航天领域的应用。
【技术实现步骤摘要】
一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统及方法
[0001]本专利技术涉及一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统及方法，属于空间光学敏感器
技术介绍
[0002]空间光学敏感器作为一个直观有效的数据采集源，广泛应用于各种宇航深空探测以及地球极端环境的科学探测。在所述场景中，对空间光学敏感器尺寸、功耗和可靠性的要求高。面向高集成度、多体制的光学测量应用，光学敏感器的测量数据采集量大，预处理算法实现较为复杂。
[0003]飞行时间成像作为计算成像的一种重要实现方式，通过毫秒级多次曝光，其原始测量数据为灰度图像数据，经过计算后得到深度图像数据，具有集成度高、测量体制丰富、实时性好的优势，可与不同测量体制的光学敏感器实现跨源融合。
[0004]已有研究表明，由于飞行时间成像探测器的制造工艺、敏感器装配误差、敏感器在轨工作温度等因素，将无法避免地产生灰度成像误差和深度测量误差。对飞行时间成像的测量数据进行逐像元的预处理，包括图像中心校正、畸变校正、固定模式误差校正、线性误差校正、周期误差校正、固定模式相位误差校正、随机误差校正等，对灰度图像的成像质量和深度测量精度有极大提升，而上述预处理环节较大程度影响了敏感器输出测量数据延迟。
技术实现思路
[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统及方法，通过飞行时间成像实时预处理及其MBD表达方法，实现飞行时间成像预处理算法的高实时性、高集成度和动态迭代，适用于实际工程应用。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，包括数据缓冲模块、补码转换模块和图计算模块；数据缓冲模块使用高速控制时序触发，并行接收探测器输出的四路测量数据，数据缓冲完成后，将每个数据缓冲模块按地址顺序并行输出到补码转换模块；经过补码转换模块的数据并行输出到图计算模块，分别计算灰度数据和深度数据，完成实时预处理。
[0007]进一步地，所述数据缓冲模块包括双端口RAM模块和地址控制模块；由外部控制信号控制双端口RAM模块按地址顺序写入探测器测量数据，一帧图像写入完成后，地址控制模块生成读地址，按地址顺序输出探测器测量数据。
[0008]进一步地，所述补码转换模块包括数据类型转换模块和移位模块；输入数据经过数据类型转换模块，数据类型由无符号12位数据转换为无符号16位数据，经过移位模块左移4位，再由数据类型转换模块转换为有符号16位数据，经过移位模块右移4位，其结果作为补码转换模块输出。
[0009]进一步地，所述图计算模块包括加法模块、乘法模块和开平方模块；四路相位数据
P00、P1800、P900、P2700并行读入图计算模块，加法模块实现同一时序下两个数据的求和操作，乘法模块实现同一时序下两个数据的乘法操作，开平方模块实现数据的开平方操作。
[0010]进一步地，所述图计算模块包括灰度图计算模块和深度图计算模块，分别用于对灰度图和深度图进行处理。
[0011]进一步地，所述图计算模块输出深度数据关键变量和灰度图数据流。
[0012]根据所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统实现的基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理方法，包括：
[0013](1)当检测到同步时钟信号上升沿时，向SRAM发送图像数据请求信号DATA_START；
[0014](2)判断图像数据有效信号DATA_READY是否为高电平，当DATA_READY为高电平时，并行读取图像数据输入信号DATA_IN1、DATA_IN2、DATA_IN3、DATA_IN4；当DATA_READY为低电平时，重新发送图像数据请求信号DATA_START；
[0015](3)由图像数据输入信号读取的数据计算灰度解算数据MONO_DATA和深度解算数据DEPTH_DATA；
[0016](4)由深度数据DEPTH_DATA计算点云数据POINTCLOUD_DATA；
[0017](5)测量数据解算结束信号DATA_END置高，表示解算完成；
[0018](6)重复步骤(2)至步骤(5)，当本帧数据解算完成时，预处理成功。
[0019]进一步地，图像数据有效信号DATA_READY的上升沿与图像数据输入信号的起始时刻对齐；测量数据解算结束信号DATA_END置高电平的上升沿与点云数据POINTCLOUD_DATA的结束时刻对齐。
[0020]进一步地，灰度解算数据MONO_DATA按照以下公式计算：
[0021]I_OUT＝P00
‑
P1800
[0022]Q_OUT＝P2700
‑
P900
[0023]MONO_DATA＝(I_OUT2+Q_OUT2)
1/2
。
[0024]进一步地，深度数据DEPTH_DATA按照以下方法计算点云数据POINTCLOUD_DATA：
[0025]Z＝d/s
[0026]X＝(u
‑
c
x
)
·
Z/f
x
[0027]Y＝(v
‑
c
y
)
·
Z/f
y
[0028]其中[X,Y,Z]为点云数据POINTCLOUD_DATA的三维坐标值，定义在世界坐标系下；[u,v,d]为深度数据DEPTH_DATA的三维坐标值，定义在图像坐标系下；c
x
为数据点在图像坐标系x轴的坐标值，c
y
为数据点在图像坐标系y轴的坐标值；f
x
为图像坐标系x轴的像元量化焦距，f
y
为图像坐标系y轴的像元量化焦距。
[0029]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0030](1)针对每个数据通道，设计了数据并行缓冲模块和数据转换模块，通过高速控制时序实现四帧连续调制曝光图像数据并行读入与处理，提高预处理的实时性；
[0031](2)该方法设计了灰度图像校正、深度图像校正、深度图像转换为三维点云的算法模块，将灰度图像和深度图像数据完成标定校正和三维点云转换，实现与相机载荷、激光类敏感器等多体制光学敏感器测量数据的跨源融合；
[0032](3)在MBD模型设计中进行算法功能解耦，将各处理步骤划分为独立功能模块，加强了产品研制过程中设计端到实现端的关联性，提高了产品研制的迭代效率。
附图说明
[0033]图1为本专利技术的一种飞行时间成像实时预处理算法流程；
[0034]图2为本专利技术的MBD模型示意图；
[0035]图3为本专利技术的MBD模型输出数据的仿真结果；
[0036]图4为本专利技术一种飞行时间成像实时预处理系统示意图。
具体实施方式
[0037]为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，其特征在于，包括数据缓冲模块、补码转换模块和图计算模块；数据缓冲模块使用高速控制时序触发，并行接收探测器输出的四路测量数据，数据缓冲完成后，将每个数据缓冲模块按地址顺序并行输出到补码转换模块；经过补码转换模块的数据并行输出到图计算模块，分别计算灰度数据和深度数据，完成实时预处理。2.根据权利要求1所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，其特征在于，所述数据缓冲模块包括双端口RAM模块和地址控制模块；由外部控制信号控制双端口RAM模块按地址顺序写入探测器测量数据，一帧图像写入完成后，地址控制模块生成读地址，按地址顺序输出探测器测量数据。3.根据权利要求1所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，其特征在于，所述补码转换模块包括数据类型转换模块和移位模块；输入数据经过数据类型转换模块，数据类型由无符号12位数据转换为无符号16位数据，经过移位模块左移4位，再由数据类型转换模块转换为有符号16位数据，经过移位模块右移4位，其结果作为补码转换模块输出。4.根据权利要求1所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，其特征在于，所述图计算模块包括加法模块、乘法模块和开平方模块；四路相位数据P00、P1800、P900、P2700并行读入图计算模块，加法模块实现同一时序下两个数据的求和操作，乘法模块实现同一时序下两个数据的乘法操作，开平方模块实现数据的开平方操作。5.根据权利要求4所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，其特征在于，所述图计算模块包括灰度图计算模块和深度图计算模块，分别用于对灰度图和深度图进行处理。6.根据权利要求5所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统，其特征在于，所述图计算模块输出深度数据关键变量和灰度图数据流。7.根据权利要求1所述的一种基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理系统实现的基于MBD建模的飞行时间成像实时预处理方法，其特征在于，包括：(1)当检测到同步时钟信号上升沿时，向SRAM发送图像数据请求信号DATA_START；(2)判断图像数据有效信号DATA_READY是否为高电平，当DATA_READY为高电平时，并...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢纯青，曹中祥，武延鹏，施蕾，宋玉志，李全良，苏畅，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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