一种对具有靶面像素横向多通道并行输出特点的图像传感器进行哈特曼波前传感器一阶矩质心运算的流水线装置，它包括：X方向乘累加单元、Y方向乘累加单元、像素值累加单元、X方向除法单元、Y方向除法单元、地址和控制单元。其中X方向乘累加单元和Y方向乘累加单元结构相同，包括一个乘法器组单元和两个结构相同的累加单元；像素值累加单元由两个结构相同的累加单元组成；X方向除法单元和Y方向除法单元结构相同，由一个单独的除法器组成；地址和控制单元由控制表单元、X方向地址产生单元、Y方向地址产生单元和控制信号产生单元组成。本发明专利技术构成了对多通道并行输出的多个像素同时进行质心运算的流水线，每帧图像的质心运算延时仅为最后一个时钟输出像素的计算延时，同时还可以方便地根据像素并行输出的通道数调整运算单元的数量，从而适应于不同输出通道数的图像传感器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种哈特曼波前传感器子孔径质心运算的高速实时实现技术，更具体地，涉及一种基于可编程逻辑器件的，对具有靶面像素横向多通道并行输出特点的图像传感器进行哈特曼波前传感器一阶矩质心运算的流水线装置。
技术介绍
在需要对光波入射波前进行探测的场合，由微透镜阵列和放置在微透镜阵列焦平面上的光电探测器组成的哈特曼波前传感器得到了广泛的应用。哈特曼波前传感器中通常使用CCD或CMOS图像传感器作为光电探测器件，入射波前经微透镜阵列进行子孔径分割后，在焦平面上形成多个子光斑，利用图像传感器获取子光斑的光能分布状况后，再对光斑图像进行斜率运算、波前复原等波前处理，即可得到入射波前信息。在哈特曼波前传感器的波前处理过程中，多个子孔径内光斑光强的质心计算作为斜率运算的主要环节，其运算速度对整个算法的运行速度有相当的影响。在各种质心算法中，一阶矩质心算法的应用最为广泛，其表达式如下LMLMLMLMxc = X xiNu 丨 Σ Ν>βο = Σ yjNu' Σ Nui,jUiJ其中Xi、yj是像素坐标，Niij是该像素的读出值。由算法表达式可以看出，一阶矩质心算法的延时主要包括乘法延时、累加延时和除法延时。由于该算法主要是乘加运算，适合以硬件方式完成，目前在对实时性要求较高的场合中，多采用FPGA等可编程逻辑器件来进行逐像素质心运算，极大地提高了系统的实时性。随着图像传感器技术的发展，为了在靶面像素数不断增多的条件下获得更高的帧频，一些高性能图像传感器采用了像素并行输出的方式，即通过增加输出位宽，将图像传感器上相邻的若干个像素在一个像素时钟内同时输出，这就对质心运算装置的结构提出了新的要求。目前已有的基于可编程逻辑器件的质心运算装置多是针对单像素逐个输出特点的图像传感器设计，如中国科学院光电技术研究所自适应光学研究室的61单元自适应光学系统中基于FPGA的波前斜率处理机，可以完成对单个像素的逐像素斜率处理，但是无法适用于多像素并行输出的情况。为了实现对横向并行输出多个像素进行逐像素质心计算，需要充分利用可编程逻辑器件良好的并行性能，结合像素横向多通道并行输出方式与一阶矩质心算法的特点，设计新的质心运算结构来完成这一工作。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种哈特曼波前传感器质心运算的流水线装置，实现了对具有靶面像素横向多通道并行输出特点的图像传感器进行哈特曼波前传感器一阶矩质心运算的流水线，可实现对同时输出多个像素的实时质心运算， 并可通过修改运算器件数量来适应不同输出通道数的图像传感器。本专利技术的技术解决方案一种哈特曼波前传感器质心运算的流水线装置，其特征在于包括χ方向乘累加单元、Y方向乘累加单元、像素值累加单元、χ方向除法单元、Y方向除法单元、地址和控制单元；其中X方向乘累加单元用于计算整个子孔径内的像素值经X方向地址加权后的加权和 Σ χ □ Ι，Υ方向乘累加单元用于计算整个子孔径内的像素值经Y方向地址加权后的加权和 EyDI ；X方向乘累加单元和Y方向乘累加单元结构相同，包括一个乘法器组单元和两个结构相同的累加单元，M个像素值和对应的M个像素地址进入乘法器组单元完成相乘，输出的M个乘法结果根据像素所属子孔径序号的奇偶不同，分别进入对应的累加单元，在累加单元内完成对属于同一个子孔径的乘法结果的累加。像素值累加单元，用于计算整个子孔径内的像素值的累加和Σ I，它由两个结构相同的累加单元组成，像素值根据像素所属子孔径序号的奇偶不同，进入对应的累加单元，完成对属于同一个子孔径的像素值的累加，输出累加结果Σ I。X方向除法单元和Y方向除法单元分别用于计算X方向和Y方向质心，二者结构相同，均由一个单独的除法器组成；X方向除法单元的两个输入信号分别为乘累加单元输出的像素值与X方向像素地址相乘后的累加和Σ xD I以及像素值累加和Σ I，输出质心运算结果Σ χ □ I/ Σ I，类似的，Y方向除法单元输出质心结果为Σ y □ I/ Σ I ；地址和控制单元用于产生X方向地址、Y方向地址和各部分的控制信号，地址和控制单元输入信号为像素时钟、帧有效信号FV、行有效信号LV以及外部对控制表的更新命令，该单元输出X方向像素地址到X方向乘累加单元，输出Y方向像素地址到Y方向乘累加单元，并对X方向乘累加单元、Y方向乘累加单元、像素值累加单元、X方向除法单元、Y方向除法单元输出相应的控制信号。所述乘法器组单元由与同时输出像素数M相同个数的的M个并联乘法器构成，同时进行M个像素值和M个像素地址的对应相乘运算。所述X方向乘累加单元和Y方向乘累加单元中两个结构相同的累加单元均分为累加单元1和累加单元0，用于对乘法器组单元输出的相乘结果进行累加和暂存，最终输出整个子孔径内经像素地址加权后的像素值和；累加单元1专门对子孔径行内奇数序号子孔径的乘法结果进行累加，累加单元0专门对偶数序号子孔径进行累加。所述累加单元1或累加单元0由倒金字塔结构加法器组、累加器、累加与暂存结果加法器、中间结果暂存RAM四部分构成，倒金字塔结构加法器组的输入信号为乘法器组单元输出的M个乘法结果，逐层进行两两相加后输出相加结果到累加器，累加器对当前像素行中属于同一子孔径的乘法结果累加完毕后，将累加结果输出至累加与暂存结果加法器， 该加法器的另一个输入信号为中间结果暂存RAM的输出，加法结果输出至中间结果暂存 RAM的输入端。若该子孔径的累加运算已完成，加法器的加法结果作为该子孔径累加结果输出，并将输出到中间结果暂存MM的值置零。所述倒金字塔结构加法器组由Iog2(M)层并联加法器组成流水线结构，各层加法器个数分别为Μ/2、Μ/4、M/8··· 1，其中第一层加法器在对乘法结果分别两两相加之前，通过 M个与门将乘法结果与像素控制字中的子孔径序号奇偶标志位或标志位的按位取反结果相与，以保证本累加单元只对序号为奇数或偶数的子孔径的乘法结果进行累加；通过逐层相加的流水线操作，最终得到一个像素时钟内并行输入的M个乘法结果中同属一个子孔径的乘法结果的和。所述的累加器对当前像素行中对应一个子孔径的乘法结果进行累加，累加完毕后将结果输出至后续的累加与暂存结果加法器，并将累加器清零。所述累加与暂存结果加法器将本子孔径在当前像素行的累加结果与中间结果暂存RAM中暂存的该子孔径前面若干个像素行的累加结果相加，并根据Y方向地址判断是否已完成该子孔径的累加若Y方向地址未达到最大值，则将相加结果存入RAM，在下一行有效乘法结果到来时继续累加；若Y方向地址已经达到最大值，表明当前像素行已经是该子孔径行对应的最后一行像素，则将该子孔径乘累加的最终结果输出至后续的除法单元，同时将输出赋零，实现对中间结果暂存RAM的清零操作。所述的中间结果暂存RAM的地址数与所有子孔径行中最大子孔径数目对应，用于暂存每个子孔径的累加中间结果。运算时，将存储的中间结果输出至累加与暂存结果加法器，并将加法器的输出结果存入RAM中覆盖先前已输出的中间结果。所述像素值累加单元由两个结构相同的累加单元构成，这两个累加单元与乘累加单元中的累加单元结构相同，分别对属于奇数序号子孔径和偶数序号子孔径的像素值进行累加。所述地址和控制单元包括控制表单元、X方向地址产生单元、Y方向地址产生单元和控制信号产本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种哈特曼波前传感器质心运算的流水线装置，其特征在于包括：Ｘ方向乘累加单元、Ｙ方向乘累加单元、像素值累加单元、Ｘ方向除法单元、Ｙ方向除法单元、地址和控制单元，整个装置采用像素时钟作为全局时钟，其中：Ｘ方向乘累加单元用于计算整个子孔径内的像素值经Ｘ方向地址加权后的加权和∑ｘ□Ｉ，其中ｘ表示像素在子孔径内的Ｘ方向地址，Ｉ表示像素值；Ｙ方向乘累加单元用于计算整个子孔径内的像素值经Ｙ方向地址加权后的加权和∑ｙ□Ｉ，其中ｙ表示像素Ｙ方向地址，Ｉ表示像素值；Ｘ方向乘累加单元和Ｙ方向乘累加单元结构相同，都包括一个乘法器组单元和两个结构相同的累加单元，Ｍ个像素值和对应的Ｍ个像素地址进入乘法器组单元完成相乘，输出的Ｍ个乘法结果根据像素所属子孔径序号的奇偶不同，分别进入对应的累加单元，在累加单元内完成属于同一个子孔径的乘法结果的累加，交替输出累加结果；像素值累加单元，用于计算整个子孔径内的像素值的累加和∑Ｉ，它由两个结构相同的累加单元组成，像素值根据像素所属子孔径序号的奇偶不同，分别进入对应的累加单元完成属于同一个子孔径的像素值的累加，两个累加单元交替输出累加结果；Ｘ方向除法单元和Ｙ方向除法单元分别用于计算Ｘ方向和Ｙ方向质心，二者结构相同，均由一个单独的除法器组成；Ｘ方向除法单元的两个输入信号分别为：乘累加单元输出的像素值与Ｘ方向像素地址相乘后的累加和∑ｘ□Ｉ以及像素值累加和∑Ｉ，输出Ｘ方向质心运算结果∑ｘ□Ｉ／∑Ｉ，类似的，Ｙ方向除法单元输出Ｙ方向质心运算结果∑ｙ□Ｉ／∑Ｉ；地址和控制单元：用于产生Ｘ方向像素地址、Ｙ方向像素地址和各部分的控制信号，该单元输入信号为像素时钟，帧有效信号ＦＶ、行有效信号ＬＶ以及外部对控制表的更新命令，输出Ｘ方向像素地址和Ｘ方向累加单元控制信号到Ｘ方向乘累加单元，输出Ｙ方向像素地址和Ｙ方向累加单元控制信号到Ｙ方向乘累加单元，输出像素值累加单元控制信号到像素值累加单元，分别输出Ｘ方向除法器控制信号和Ｙ方向除法器控制信号到Ｘ方向除法单元和Ｙ方向除法单元。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王少白，王春鸿，饶长辉，
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：90
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