一種基於fpga的星敏感器多模式圖像預處理方法
2023-10-08 03:52:59
一種基於fpga的星敏感器多模式圖像預處理方法
【專利摘要】一種基於FPGA的通用多模式圖像預處理方法，步驟如下：處理器設置預處理電路的存圖模式，共有原圖模式、自適應灰度加權濾波模式和窗口模式三種；原圖模式：依據行場信號，將數據順次存入片外存儲器；濾波模式：圖像數據進行自適應梯度加權濾波後，僅將像素大於0的有效像元的原始灰度值、濾波灰度值及行、列位置信息進行存儲；開窗模式：進行窗口截取處理，每幀圖像數據的第一字節為窗口編號，第二字節為行編號，後續字節為像元數據；依據窗口編號和行編號計算該行首個像元存儲位置，然後以該地址為首地址存儲後續像元數據。本發明提高了圖像預處理電路的存儲效率，提升了系統處理運算性能。
【專利說明】—種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，適用於甚高精度星敏感器的星點導航預處理，屬於星敏感器圖像處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]甚高精度星敏相機廣泛應用於星船交會對接和交會測量子系統中，單幀捕獲精度可達400W像素，如果每個控制周期內都對整幀圖像進行星點提取運算，將加重處理器負擔並耗費大量控制周期時間與系統資源，故應在起始時間點對整幀信息處理，捕獲星點位置後，在星點位置附近以開窗模式完成後續圖像序列中星點的提取，以降低待處理像元數量，節省處理器開銷。
[0003]由於星載應用，高動態星敏感器工作原理的複雜性和應用環境的特殊性，國內尚無法獲取專用的與之相適應的宇航等級多模式轉存圖像預處理晶片，因此一般採用具有抗輻照能力的FPGA晶片實現多模式轉存圖像預處理電路功能。甚高精度圖像的多模式轉存及圖像濾波處理算法依靠具有大數據量處理能力的大規模可編程邏輯器件完成，高動態星敏相機研製過程中要求FPGA具有全圖模式、開窗模式圖像轉存能力以及自適應濾波等圖像預處理功能，以便獲取有限數量的有效像元，降低後續制導導航過程中的運算量。
[0004]多模式甚高精度圖像預處理方法存在著如下應用問題需要解決:
[0005]第一，圖像自適應梯度加權濾波功能。須在規定的有限像素時鐘周期時間內，完成對當前像素的加權濾波，目的為提取相鄰像素值變化劇烈的奇異點，該預處理算法為迭代運算，具有誤差累積和錯誤傳遞的特點，電路設計需嚴格滿足數據採集的時序要求。
[0006]第二，需具備多種模式圖像轉存功能:
[0007](I)原圖模式下，需按整幀格式將圖像數據行順次存入片外RAM。
[0008](2)濾波模式下，對圖像數據進行自適應梯度加權濾波後，僅將像素大於O的有效星點像元的原始灰度值、濾波灰度值及行、列位置等信息進行轉存。
[0009](3)開窗模式下，進行窗口圖像格式的截取，處理後窗口圖像數據各行第一字節為窗口編號，第二字節為行編號，後續M字節為像元數據。應依據窗口編號和行編號計算該行首個像元存儲位置，然後以該地址為首地址存儲後續有效窗口像元數據。
[0010]目前國內外對多種模式的研究仍處於起步階段，沒有見到相關詳細的報導，現急需一種方法能夠實現多種模式的圖像存儲。
【發明內容】
[0011]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，本發明通過全圖模式、濾波模式和窗口模式實現了星敏感器在不同工作環境下的圖像準確處理，同時通過濾波和窗口處理提高了圖像預處理電路的存儲效率，提升了系統處理運算性能。
[0012]本發明的技術解決方案:
[0013]一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，包括步驟如下:
[0014](I)選擇圖像存儲的模式，若選擇原圖模式則進入步驟(2);若選擇濾波模式則進入步驟⑶；若選擇窗口模式則進入步驟⑷；
[0015](2)全圖模式，當行、場信號均有效時，將圖像數據順次存儲進存儲器L，進入步驟
(5)；
[0016](3)濾波模式，當行、場信號均有效時，對圖像進行自適應梯度加權濾波後，將像素大於O的有效星點像元的原始灰度值、濾波灰度值及行、列位置信息存儲到存儲器L，進入步驟(5)；
[0017](4)窗口模式，當行、場信號均有效時，將待存儲圖像截取為窗口圖像，進而將窗口圖像轉換為窗口模式的傳輸格式，依據新的傳輸格式計算窗口圖像中每行首個像元存儲地址，然後以該地址為首地址順次將窗口圖像數據存儲進存儲器L，進入步驟(5)；
[0018](5)存儲結束。
[0019]所述步驟⑴中選擇圖像存儲模式的具體實現原則如下:
[0020]針對星敏感器不同的運行狀態，採用三種不同的圖像存儲模式，全圖模式保證下傳信息的完整和真實，濾波模式對原始圖像進行粗提取，利用少量的有效像元確保捕獲的有效性和實時性，窗口模式在跟蹤模式下利用最少的像元信息保證有效的跟蹤，本發明採用三種模式，實現了圖像的預處理，實用性強，可靠性高，提高了實時性和工作效率。
[0021](I)星敏感器原始圖像數據下傳時選擇全圖模式；
[0022](2)星敏感器進行初始星點捕獲時選擇濾波模式；
[0023](3)星敏感器進行星點跟蹤時選擇窗口模式。
[0024]所述步驟(I)選擇圖像存儲模式的具體實現形式如下:
[0025]步驟Ia:處理器對預處理電路中模式選擇寄存器進行配置，設置模式選擇寄存器中濾波標誌、開窗標誌以及窗口模式下首字節數據的行地址、列地址(待存儲圖像放入XY坐標系中，行地址對應為Y方向坐標，列地址對應為X方向坐標)，進入步驟Ib ;所述開窗標誌為處理器向預處理模式寄存器配置的模式選擇標誌，所述的濾波標誌為處理器向預處理模式寄存器配置的濾波選擇標誌；
[0026]步驟Ib:預處理電路檢測到場信號上升沿，並當場信號有效、行信號無效時，將開窗標誌賦給當前開窗標誌，濾波標誌賦給當前濾波標誌，同時若檢測到濾波標誌上升沿，進入步驟Ic ;所述的當前開窗標誌為預處理電路實際執行過程中選擇的模式標誌，為中間量；所述的當前濾波標誌為預處理電路實際執行過程中濾波選擇標誌；
[0027]步驟Ic:當場信號有效、行信號有效時，進行不同圖像存儲模式選擇:
[0028](lc a)若當前開窗標誌為O且當前濾波標誌為0，則選擇全圖模式；
[0029](lc b)若當前開窗標誌為O且當前濾波標誌為1，則選擇濾波模式；
[0030](lc c)若當前開窗標誌為1，則選擇窗口模式。
[0031]所述步驟(2)中在全圖模式下進行數據存儲的具體實現方法如下:
[0032]步驟2a:當預處理電路檢測到行信號有效，並在像素時鐘下降沿，將圖像數據存儲到預處理電路的緩存寄存器，並轉入步驟2b ；
[0033]步驟2b:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的圖像數據寫入存儲器L，並轉入步驟2c ；
[0034]步驟2c:當場信號有效時，表示一個字節的圖數據像存儲結束，回到步驟2a進行剩餘字節圖像數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟2d ；
[0035]步驟2d:整個圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)。
[0036]所述步驟(3)進行自適應梯度加權濾波的具體實現方法如下:
[0037]當關閉濾波功能時，濾波輸出為原始圖像傳輸接口時序與數據，當開啟濾波功能時，濾波輸出時序與原始圖像傳輸接口時序相同，數據為濾波後的數據。FPGA在接收圖像數據的過程中進行濾波。
[0038]步驟3a:設置濾波係數S和背景估值修正量B，S的取值為4、8、16、32 (本實施例中默認值為16)，B取值範圍為-255?+255(本實施例中默認值為80)，進入步驟3b ;所述的背景估值修正量為用於控制經過濾波後的有效像元數量的值；
[0039]步驟3b:設置中間寄存器mdl、md2、mf，並將中間寄存器清零，跳轉到步驟3c ；
[0040]步驟3c:當檢測到行信號下降沿時，中間寄存器mdl、md2清零，並進入步驟3d ；
[0041]步驟3d:在像素時鐘上升沿時，根據濾波係數S的取值，將圖像數據中當前像素時鐘對應的數據D(與當前像素時鐘對應的數據指像素時鐘的高電平對應的數據)和將D左移一定位數後的數據賦值給中間寄存器md2和中間寄存器mdl，同時判斷背景估值修正量B是否為負數，若是則將中間寄存器mf的值置為0，否則將中間寄存器mf的值賦值為B ;像素計數器加1，並進入步驟3e ;所述根據濾波係數S的取值將數據D和D左移以後的數據賦值給中間寄存器md2和中間寄存器mdl的具體方法:當S = 4時，D左移2位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 8時，D左移3位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 16時，D左移4位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 32時，D左移5位賦值給中間寄存器mdl ；
[0042]步驟3e:在像素時鐘上升沿時，計算中間寄存器mdl的值與圖像數據中當前像素時鐘對應的數據Dl之和減去中間寄存器md2的值，並將計算得到的結果賦值給中間寄存器mdl以及將數據Dl賦值給比較量T，進入步驟3f ；
[0043]步驟3f:根據濾波係數S將中間寄存器mdl右移一定位數(右移方法與步驟3d中的移動方法類似)，並將中間寄存器mdl的值賦值給中間寄存器md2以及將比較量T與md2做差的結果賦值給中間量V，進入步驟3g ；
[0044]步驟3g:再次判斷B是否為負數，若是則將中間量V的值賦值為中間量V和B之和；若B為正數，則將中間量V的值賦值為中間量V和B之差，並進入步驟3h ；
[0045]步驟3h:判斷V是否為負數，若為負則中間寄存器mf賦值為O ;若V為正數，mf賦值為中間量V的值濾波後數據賦值為mf的值，並進入步驟3m進行存儲，同時進行場信號是否失效判斷，若場信號失效，則認為整個圖像數據濾波完成，若場信號有效，則進入步驟3b繼續存儲；
[0046]在每一個像素時鐘上升沿，對圖像數據中該像素時鐘對應的數據進行上述步驟濾波，每一個像素時鐘對應的數據濾波完成後直接進入步驟(3m)中存儲，同時進行後續圖像數據的濾波。
[0047]所述步驟(3)中濾波模式下圖像存儲的具體實現方法如下:
[0048]步驟3m:當預處理電路檢測到像素時鐘下降沿時，若步驟(3h)濾波後的像素大於0，則將濾波後數據及未經濾波的數據鎖存至緩存寄存器，並進入步驟3n ；
[0049]步驟3n:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的濾波後的數據寫入存儲器L，並進入步驟30，並進入步驟3ο ；
[0050]步驟3ο:將像素大於O的濾波後的數據對應的行、列地址鎖存至緩存寄存器，並進入步驟3ρ ；
[0051]步驟3ρ:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的行、列地址寫入存儲器L，並進入步驟3q;
[0052]步驟3q:當場信號有效時，表示一個字節的濾波後圖像數據存儲結束，回到步驟3m進行剩餘字節濾波後的數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟3r ；
[0053]步驟3r:整個濾波後的圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)重新進入存儲模式選擇。
[0054]所述步驟(4)中進行將圖像轉換為窗口模式下傳輸格式的具體實現方法如下:
[0055]步驟(4a):將窗口模式的開窗大小設置為M*M，圖像大小設置為N*N個像素大小，其中M、N均為正整數，同時外部處理器將窗口模式下首字節數據的行、列地址寫入預處理電路的模式選擇寄存器；
[0056]步驟(4b):預處理器電路根據行、列地址進行行信號及圖像數據的裁剪調整，截取當前圖像數據中範圍為第A至第A+N-1行中第B至第B+N-1列的對應圖像數據作為窗口圖像數據；A為行地址，B為列地址；
[0057]步驟(4c):截取範圍為第A至第A+N-1行中行信號生成新的行信號；
[0058]步驟(4d):在步驟(4b)的窗口圖像數據的每一行數據和行信號之前增加兩字節數據，分別為窗口編號和行編號；故窗口行場信號調整後的最終窗口圖像數據格式為，第一字節為窗口編號(當前幀圖像中第幾個窗口)，第二字節為行編號(輸入該窗口中第幾行)，後續M個固定字節為像元數據，數據共2+M個字節大小。
[0059]所述步驟(4)中實現窗口模式下圖像存儲的具體實現方法如下:
[0060]步驟(4e):當行信號有效時，在像素時鐘下降沿將窗口圖像數據中的窗口編號鎖存至窗口編號寄存器存儲，將行編號鎖存至行編號寄存器存儲，然後將窗口圖像數據存入緩衝寄存器，並進入到步驟(4f)；
[0061]步驟(4f):根據窗口編號和行編號計算窗口數據各行首地址，並以首地址為存儲開始地址將窗口圖像數據順次存儲進存儲器L，進入到步驟(4g);窗口數據存儲地址計算方法為:(窗口編號寄存器的值+1)*E+行編號寄存器的值*M，E為存儲器L的每行數據存儲空間深度。
[0062]步驟(4g):預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將窗口圖像數據寫入存儲器L，並進入步驟4h ；
[0063]步驟4h:當場信號有效時，表示一行的窗口圖像數據存儲結束，回到步驟4e進行剩餘行的窗口圖像數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟4i ；
[0064]步驟41:整個濾波後的圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)重新進入存儲模式選擇。
[0065]本發明與現有技術相比有益效果為:
[0066](I)本發明針對星敏感器不同的運行狀態，採用三種不同的圖像存儲模式，全圖模式保證遙測下傳信息的完整和真實，濾波模式能夠保證對有效像元進行捕獲的有效性和實時性，窗口模式在跟蹤模式下利用最少的像元信息保證有效的跟蹤，同時在轉存過程中通過有限數量的像元體現原圖中的星點信息，提高系統制導導航運算效率；本發明採用三種模式，實現了圖像的預處理，實用性強，可靠性高，提高了實時性和工作效率。
[0067](2)本發明通過濾波對原始圖像進行背景抑制處理，增強星點奇異性，有效提升了星點檢測精度，減少了有效像元數量，節省了處理器開銷，提高了圖像預處理電路的存儲效率，提升了系統處理運算性能。
[0068](3)本發明是針對高動態甚高精度星敏感器提出的一種基於FPGA的多模式甚高精度圖像預處理電路設計，其實現載體可以是多樣的，初期在FPGA上應用外，根據需要可進行適當調整，轉化為抗輻射加固的ASIC應用。本發明有效解決型號應用中的技術難題，具有重要的現實應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0069]圖1為本發明方法流程示意圖；
[0070]圖2為本發明預處理器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0071]下面結合附圖對本發明的工作原理和工作過程做進一步解釋和說明。
[0072]本發明，一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，本發明基於如圖2所示的多模式圖像處理電路，包括窗口數據截取模塊、自適應加權濾波模塊、全圖模式存儲模塊、濾波模式存儲模塊、窗口模式存儲模塊以及窗口行地址寄存器、窗口列地址寄存器、模式選擇寄存器、數據緩衝寄存器、背景估值修正量寄存器、濾波係數寄存器。
[0073]背景估值修正量寄存器用於存儲背景估值修正量，該寄存器共16位，其中D8高位表示數據正負(1:負；0:正)，D7?DO表示背景估值修正量具體數值，其他位保留。
[0074]濾波係數寄存器用於存儲濾波係數S的具體數值，該寄存器共16位，其中Dl?DO表示濾波係數，其他位保留:D1?DO為00，濾波係數設定為4 ；D1?DO為01，濾波係數設定為8 ；D1?DO為10，濾波係數設定為16 ;D1?DO為11，濾波係數設定為32 ;模式選擇寄存器數據位共16位，其中DO表示濾波標誌，I為使能濾波，O為禁止濾波。Dl表示開窗標誌，I為使能開窗，O為禁止開窗。
[0075]窗口行地址寄存器共16位，表示窗口模式下首字節數據的行地址。
[0076]窗口列地址寄存器共16位，表示窗口模式下首字節數據的列地址。數據緩衝寄存器均為16位寄存器，用來緩存要存儲到外部存儲器的數據。
[0077]全圖模式存儲模塊、濾波模式存儲模塊、窗口模式存儲模塊分別用於進行全圖模式、濾波模式和窗口模式下的圖像數據的存儲。
[0078]如圖1所示，本發明具體包括步驟如下:
[0079](I)選擇圖像存儲的模式，若選擇原圖模式則進入步驟(2);若選擇濾波模式則進入步驟⑶；若選擇窗口模式則進入步驟⑷；
[0080]選擇圖像存儲模式的具體實現原則如下:
[0081]針對星敏感器不同的運行狀態，採用三種不同的圖像存儲模式，全圖模式保證下傳信息的完整和真實，濾波模式對原始圖像進行粗提取，利用少量的有效像元確保捕獲的有效性和實時性，窗口模式在跟蹤模式下利用最少的像元信息保證有效的跟蹤，本發明採用三種模式，實現了圖像的預處理，實用性強，可靠性高，提高了實時性和工作效率。
[0082](I)星敏感器原始圖像數據下傳時選擇全圖模式；
[0083](2)星敏感器進行初始星點捕獲時選擇濾波模式；
[0084](3)星敏感器進行星點跟蹤時選擇窗口模式。
[0085]選擇圖像存儲模式的具體實現形式如下:
[0086]步驟Ia:處理器對預處理電路中模式選擇寄存器進行配置，設置模式選擇寄存器中的濾波標誌、開窗標誌以及窗口模式下首字節數據的行地址、列地址(待存儲圖像放入XY坐標系中，行地址對應為Y方向坐標，列地址對應為X方向坐標)，進入步驟Ib ;開窗標誌為處理器向預處理模式寄存器配置的模式選擇標誌，濾波標誌為處理器向預處理模式寄存器配置的濾波選擇標誌；
[0087]步驟Ib:預處理電路檢測到場信號上升沿，並當場信號有效、行信號無效時，將開窗標誌賦給當前開窗標誌，濾波標誌賦給當前濾波標誌，同時若檢測到濾波標誌上升沿，進入步驟Ic ;當前開窗標誌為預處理電路實際執行過程中選擇的模式標誌，為中間量；當前濾波標誌為預處理電路實際執行過程中濾波選擇標誌；
[0088]步驟Ic:當場信號有效、行信號有效時，進行不同圖像存儲模式選擇:
[0089](lc a)若當前開窗標誌為O且當前濾波標誌為0，則選擇全圖模式；
[0090](lc b)若當前開窗標誌為O且當前濾波標誌為1，則選擇濾波模式；
[0091](lc c)若當前開窗標誌為1，則選擇窗口模式。
[0092](2)全圖模式，當行、場信號均有效時，將圖像數據順次存儲進存儲器L，進入步驟
(5)；
[0093]步驟(2)中在全圖模式下進行數據存儲的具體實現方法如下:當行、場信號均有效時，將圖像數據順次存儲進存儲器L ；
[0094]步驟2a:當預處理電路檢測到行信號有效，並在像素時鐘下降沿，將圖像數據存儲到預處理電路的緩存寄存器，並轉入步驟2b ；
[0095]步驟2b:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的圖像數據寫入存儲器L，並轉入步驟2c ；
[0096]步驟2c:當場信號有效時，表示一個字節的圖數據像存儲結束，回到步驟2a進行剩餘字節圖像數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟2d ；
[0097]步驟2d:整個圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)。
[0098](3)濾波模式，當行、場信號均有效時，對圖像進行自適應梯度加權濾波後，將像素大於O的有效星點像元的原始灰度值、濾波灰度值及行、列位置信息存儲到存儲器L，進入步驟(5)；
[0099]進行自適應梯度加權濾波的具體實現方法如下:
[0100]當關閉濾波功能時，濾波輸出為原始圖像傳輸接口時序與數據，當開啟濾波功能時，濾波輸出時序與原始圖像傳輸接口時序相同，數據為濾波後的數據。FPGA在接收圖像數據的過程中進行濾波；
[0101]步驟3a:設置濾波係數S和背景估值修正量B，S的取值為4、8、16、32 (本實施例中默認值為16)，B取值範圍為-255?+255(本實施例中默認值為80)，進入步驟3b ;所述的背景估值修正量為用於控制經過濾波後的有效像元數量的值；
[0102]步驟3b:設置中間寄存器mdl、md2、mf，並將中間寄存器清零，跳轉到步驟3c ；
[0103]步驟3c:當檢測到行信號下降沿時，中間寄存器mdl、md2清零，並進入步驟3d ；
[0104]步驟3d:在像素時鐘上升沿時，根據濾波係數S的取值，將圖像數據中當前像素時鐘對應的數據D(與當前像素時鐘對應的數據指像素時鐘的高電平對應的數據)和將D左移一定位數後的數據賦值給中間寄存器md2和中間寄存器mdl，同時判斷背景估值修正量B是否為負數，若是則將中間寄存器mf的值置為0，否則將中間寄存器mf的值賦值為B ;像素計數器加1，並進入步驟3e ;所述根據濾波係數S的取值將數據D和D左移以後的數據賦值給中間寄存器md2和中間寄存器mdl的具體方法:當S = 4時，D左移2位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 8時，D左移3位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 16時，D左移4位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 32時，D左移5位賦值給中間寄存器mdl ；
[0105]步驟3e:在像素時鐘上升沿時，計算中間寄存器mdl的值與圖像數據中當前像素時鐘對應的數據Dl之和減去中間寄存器md2的值，並將計算得到的結果賦值給中間寄存器mdl以及將數據Dl賦值給比較量T，進入步驟3f ；
[0106]步驟3f:根據濾波係數S將中間寄存器mdl右移一定位數(右移方法與步驟3d中的移動方法類似)，並將中間寄存器mdl的值賦值給中間寄存器md2以及將比較量T與md2做差的結果賦值給中間量V，進入步驟3g ；
[0107]步驟3g:再次判斷B是否為負數，若是則將中間量V的值賦值為中間量V和B之和；若B為正數，則將中間量V的值賦值為中間量V和B之差，並進入步驟3h ；
[0108]步驟3h:判斷V是否為負數，若為負則中間寄存器mf賦值為O ;若V為正數，mf賦值為中間量V的值濾波後數據賦值為mf的值，並進入步驟3m進行存儲，同時進行場信號是否失效判斷，若場信號失效，則認為整個圖像數據濾波完成，若場信號有效，則進入步驟3b繼續存儲；
[0109]在每一個像素時鐘上升沿，對圖像數據中該像素時鐘對應的數據進行上述步驟濾波，每一個像素時鐘對應的數據濾波完成後直接進入步驟(3m)中存儲，同時進行後續圖像數據的濾波。
[0110]濾波模式下圖像存儲的具體實現方法如下:
[0111]步驟3m:當預處理電路檢測到像素時鐘下降沿時，若步驟(3h)濾波後的像素大於0，則將濾波後數據及未經濾波的數據鎖存至緩存寄存器，並進入步驟3n ；
[0112]步驟3η:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的濾波後的數據寫入存儲器L，並進入步驟30，並進入步驟3ο ；
[0113]步驟3ο:將像素大於O的濾波後的數據對應的行、列地址鎖存至緩存寄存器，並進入步驟3ρ ；
[0114]步驟3ρ:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的行、列地址寫入存儲器L，並進入步驟3q;
[0115]步驟3q:當場信號有效時，表示一個字節的濾波後圖像數據存儲結束，回到步驟3m進行剩餘字節濾波後的數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟3r ；
[0116]步驟3r:整個濾波後的圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)重新進入存儲模式選擇。
[0117](4)窗口模式，當行、場信號均有效時，將待存儲圖像截取為窗口圖像，進而將窗口圖像轉換為窗口模式的傳輸格式，依據新的傳輸格式計算窗口圖像中每行首個像元存儲地址，然後以該地址為首地址順次將窗口圖像數據存儲進存儲器L，進入步驟(5)；
[0118]進行將圖像轉換為窗口模式下傳輸格式的具體實現方法如下:
[0119]步驟(4a):將窗口模式的開窗大小設置為M*M，圖像大小設置為N*N個像素大小，其中M、N均為正整數，同時外部處理器將窗口模式下首字節數據的行、列地址寫入預處理電路的模式選擇寄存器；
[0120]步驟(4b):預處理器電路根據行、列地址進行行信號及圖像數據的裁剪調整，截取當前圖像數據中範圍為第A至第A+N-1行中第B至第B+N-1列的對應圖像數據作為窗口圖像數據；A為行地址，B為列地址；
[0121]步驟(4c):截取範圍為第A至第A+N-1行中行信號生成新的行信號；
[0122]步驟(4d):在步驟(4b)的窗口圖像數據的每一行數據和行信號之前增加兩字節數據，分別為窗口編號和行編號；故窗口行場信號調整後的最終窗口圖像數據格式為，第一字節為窗口編號(當前幀圖像中第幾個窗口)，第二字節為行編號(輸入該窗口中第幾行)，後續M個固定字節為像元數據，數據共2+M個字節大小。
[0123]實現窗口模式下圖像存儲的具體實現方法如下:
[0124]步驟(4e):當行信號有效時，在像素時鐘下降沿將窗口圖像數據中的窗口編號鎖存至窗口編號寄存器存儲，將行編號鎖存至行編號寄存器存儲，然後將窗口圖像數據存入緩衝寄存器，並進入到步驟(4f)；
[0125]步驟(4f):根據窗口編號和行編號計算窗口數據各行首地址，並以首地址為存儲開始地址將窗口圖像數據順次存儲進存儲器L，進入到步驟(4g);窗口數據存儲地址計算方法為:(窗口編號寄存器的值+1)*E+行編號寄存器的值*M，E為存儲器L的每行數據存儲空間深度。
[0126]步驟(4g):預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將窗口圖像數據寫入存儲器L，並進入步驟4h ；
[0127]步驟4h:當場信號有效時，表示一行的窗口圖像數據存儲結束，回到步驟4e進行剩餘行的窗口圖像數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟4i ；
[0128]步驟41:整個濾波後的圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)重新進入存儲模式選擇。
[0129](5)存儲結束。
[0130]本發明與現有星敏感器進行比較，最主要性能提升表現在以下幾個方面:
[0131]I)探測靈敏度提高30-50倍。
[0132]3)數據更新率由5?8Hz提高到30Hz。
[0133]本發明未公開技術屬本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於包括步驟如下: (1)選擇圖像存儲的模式，若選擇原圖模式則進入步驟(2);若選擇濾波模式則進入步驟⑶；若選擇窗口模式則進入步驟⑷； (2)全圖模式，當行、場信號均有效時，將圖像數據順次存儲進存儲器L，進入步驟(5)； (3)濾波模式，當行、場信號均有效時，對圖像進行自適應梯度加權濾波後，將像素大於O的有效星點像元的原始灰度值、濾波灰度值及行、列位置信息存儲到存儲器L，進入步驟(5)； (4)窗口模式，當行、場信號均有效時，將待存儲圖像截取為窗口圖像，進而將窗口圖像轉換為窗口模式的傳輸格式，依據新的傳輸格式計算窗口圖像中每行首個像元存儲地址，然後以該地址為首地址順次將窗口圖像數據存儲進存儲器L，進入步驟(5)； (5)存儲結束。
2.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(I)中選擇圖像存儲模式的具體實現原則如下: (1)星敏感器原始圖像數據下傳時選擇全圖模式； (2)星敏感器進行初始星點捕獲時選擇濾波模式； (3)星敏感器進行星點跟蹤時選擇窗口模式。
3.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(I)選擇圖像存儲模式的具體實現形式如下: 步驟Ia:處理器對預處理電路中模式選擇寄存器以及窗口行地址寄存器、窗口列地址寄存器進行配置，設置模式選擇寄存器中的濾波標誌、開窗標誌以及窗口行地址寄存器、窗口列地址寄存器(窗口模式下首字節數據的行地址、列地址)，進入步驟Ib ;所述開窗標誌為處理器向預處理模式選擇寄存器配置的模式選擇標誌，所述的濾波標誌為處理器向預處理模式選擇寄存器配置的濾波選擇標誌； 步驟Ib:預處理電路檢測到場信號上升沿，並當場信號有效、行信號無效時，將開窗標誌賦給當前開窗標誌，濾波標誌賦給當前濾波標誌，同時若檢測到濾波標誌上升沿，進入步驟Ic ;所述的當前開窗標誌為預處理電路實際執行過程中的模式選擇標誌，為中間量；所述的當前濾波標誌為預處理電路實際執行過程中濾波選擇標誌； 步驟Ic:當場信號有效、行信號有效時，進行不同圖像存儲模式選擇: (lc a)若當前開窗標誌為O且當前濾波標誌為O，則選擇全圖模式； (lc b)若當前開窗標誌為O且當前濾波標誌為1，則選擇濾波模式； (lc c)若當前開窗標誌為1，則選擇窗口模式。
4.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(2)中在全圖模式下進行數據存儲的具體實現方法如下: 步驟2a:當預處理電路檢測到行信號有效，並在像素時鐘下降沿，將圖像數據存儲到預處理電路的緩存寄存器，並轉入步驟2b ； 步驟2b:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的圖像數據寫入存儲器L，並轉入步驟2c ； 步驟2c:當場信號有效時，表示一個字節的圖數據像存儲結束，回到步驟2a進行剩餘字節圖像數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟2d ； 步驟2d:整個圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)。
5.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(3)進行自適應梯度加權濾波的具體實現方法如下: 步驟3a:設置濾波係數S和背景估值修正量B，S的取值為4、8、16、32，B取值範圍為-255?+255，進入步驟3b ;所述的背景估值修正量為用於控制經過濾波後的有效像元數量的值； 步驟3b:設置中間寄存器mdl、md2、mf，並將中間寄存器清零，跳轉到步驟3c ； 步驟3c:當檢測到行信號下降沿時，中間寄存器mdl、md2清零，並進入步驟3d ； 步驟3d:在像素時鐘上升沿時，根據濾波係數S的取值，將圖像數據中當前像素時鐘對應的數據D和將D左移一定位數後的數據賦值給中間寄存器md2和中間寄存器mdl，同時判斷背景估值修正量B是否為負數，若是則將中間寄存器mf的值置為O，否則將中間寄存器mf的值賦值為B ;像素計數器加1，並進入步驟3e ;所述根據濾波係數S的取值將數據D和D左移以後的數據賦值給中間寄存器md2和中間寄存器mdl的具體方法:當S = 4時，D左移2位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 8時，D左移3位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 16時，D左移4位賦值給中間寄存器mdl ;當S = 32時，D左移5位賦值給中間寄存器mdl ；步驟3e:在像素時鐘上升沿時，計算中間寄存器mdl的值與圖像數據中當前像素時鐘對應的數據Dl之和減去中間寄存器md2的值，並將計算得到的結果賦值給中間寄存器mdl以及將數據Dl賦值給比較量T，進入步驟3f ； 步驟3f:根據濾波係數S將中間寄存器mdl右移一定位數，並將中間寄存器mdl的值賦值給中間寄存器md2以及將比較量T與md2做差的結果賦值給中間量V，進入步驟3g ；步驟3g:再次判斷B是否為負數，若是則將中間量V的值賦值為中間量V和B之和；若B為正數，則將中間量V的值賦值為中間量V和B之差，並進入步驟3h ； 步驟3h:判斷V是否為負數，若為負則中間寄存器mf賦值為O ;若V為正數，mf賦值為中間量V的值濾波後數據賦值為mf的值，並進入步驟3m進行存儲，同時進行場信號是否失效判斷，若場信號失效，則認為整個圖像數據濾波完成，若場信號有效，則進入步驟3b繼續存儲； 在每一個像素時鐘上升沿，對圖像數據中該像素時鐘對應的數據進行上述步驟濾波，每一個像素時鐘對應的數據濾波完成後直接進入步驟(3m)中存儲，同時進行後續圖像數據的濾波。
6.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(3)中濾波模式下圖像存儲的具體實現方法如下: 步驟3m:當預處理電路檢測到像素時鐘下降沿時，若步驟(3h)濾波後的像素大於O，則將濾波後數據及未經濾波的數據鎖存至緩存寄存器，並進入步驟3n ； 步驟3n:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的濾波後的數據寫入存儲器L，並進入步驟30，並進入步驟3ο ； 步驟3ο:將像素大於O的濾波後的數據對應的行、列地址鎖存至緩存寄存器，並進入步驟3ρ ； 步驟3ρ:預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將緩存寄存器中的行、列地址寫入存儲器L，並進入步驟3q; 步驟3q:當場信號有效時，表示一個字節的濾波後圖像數據存儲結束，回到步驟3m進行剩餘字節濾波後的數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟3r ； 步驟3r:整個濾波後的圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)重新進入存儲模式選擇。
7.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(4)中進行將圖像轉換為窗口模式下傳輸格式的具體實現方法如下: 步驟(4a):將窗口模式的開窗大小設置為M*M，圖像大小設置為N*N個像素大小，其中M、N均為正整數，同時外部處理器將窗口模式下首字節數據的行、列地址寫入預處理電路的模式選擇寄存器； 步驟(4b):預處理器電路根據行、列地址進行行信號及圖像數據的裁剪調整，截取當前圖像數據中範圍為第A至第A+N-1行中第B至第B+N-1列的對應圖像數據作為窗口圖像數據；A為行地址，B為列地址； 步驟(4c):截取範圍為第A至第A+N-1行中行信號生成新的行信號； 步驟(4d):在步驟(4b)的窗口圖像數據的每一行數據和行信號之前增加兩字節數據，分別為窗口編號和行編號。
8.根據權利要求1所述的一種基於FPGA的星敏感器多模式圖像預處理方法，其特徵在於:所述步驟(4)中實現窗口模式下圖像存儲的具體實現方法如下: 步驟(4e):當行信號有效時，在像素時鐘下降沿將窗口圖像數據中的窗口編號鎖存至窗口編號寄存器存儲，將行編號鎖存至行編號寄存器存儲，然後將窗口圖像數據存入緩衝寄存器，並進入到步驟(4f)； 步驟(4f):根據窗口編號和行編號計算窗口數據各行首地址，並以首地址為存儲開始地址將窗口圖像數據順次存儲進存儲器L，進入到步驟(4g);窗口數據存儲地址計算方法為:(窗口編號寄存器的值+1)*E+行編號寄存器的值*M，E為存儲器L的每行數據存儲空間深度。 步驟(4g):預處理電路生成存儲器L的寫信號，並將窗口圖像數據寫入存儲器L，並進入步驟4h ； 步驟4h:當場信號有效時，表示一行的窗口圖像數據存儲結束，回到步驟4e進行剩餘行的窗口圖像數據的存儲；若場信號無效時，則進入到步驟4i ； 步驟41:整個濾波後的圖像數據存儲結束，並進入步驟(I)重新進入存儲模式選擇。
【文檔編號】H04N5/232GK104202513SQ201410306767
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】葉有時, 孫強, 施蕾, 聶曉慧, 彭宇, 梁瀟, 王龍, 武延鵬, 熊軍, 劉波, 吳一帆, 楊樺 申請人:北京控制工程研究所