專利名稱：基于fpga的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法，可用于對(duì)面成像目標(biāo)的定位和跟蹤。
背景技術(shù)：
目標(biāo)的跟蹤定位主要涉及到對(duì)目標(biāo)的測(cè)距。定位系統(tǒng)自身的位置可以通過(guò)GPS定位裝置得到，目標(biāo)相對(duì)定位系統(tǒng)的角度方位可以通過(guò)角度傳感器得到，因此要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位就要在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)測(cè)距。被動(dòng)測(cè)距由于不需要向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，具有隱蔽性好的特點(diǎn)。單目測(cè)距相對(duì)于雙目和多目測(cè)距具有實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。單目被動(dòng)測(cè)距的主要方法有圖像分析法。圖像分析法的原理是通過(guò)對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行處理，提取和分析圖像中的距離相關(guān)特征，并利用該特征對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距。目前這一領(lǐng)域比較有代 表性的理論研究成果有以下幾篇文獻(xiàn)[l]Lepetit V. , Fua P. :Monocular Model Based3DTracking Rigid Objects(2005), [2]RaghuveerR. , Seungsin L. :A Video ProcessingApproach for Distance Estimation(2006)和[3]de Visser M. :Passive Ranging Usingan Infrared Search and Track Sensor (2006)。文獻(xiàn)[I]提出了一種基于單目成像模型的3D重建方法，可用于對(duì)目標(biāo)的跟蹤定位，但是該方法由于涉及3D重建，因而較為復(fù)雜，不適用于嵌入式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]提出了一種利用目標(biāo)成像的尺度變化和小波分析來(lái)估計(jì)目標(biāo)距離的方法，但是該方法需要目標(biāo)在成像尺度上發(fā)生變化，因而適用范圍較小，實(shí)用性不強(qiáng)，同時(shí)計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜；文獻(xiàn)[3]提出了一種基于大氣傳輸特性、目標(biāo)成像面和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析的被動(dòng)測(cè)距方法，但是由于該方法涉及的計(jì)算參數(shù)過(guò)多，因而較為復(fù)雜，不適合于在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。此外，目前的單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位方法在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)遇到一些問(wèn)題。首先是目標(biāo)的成像過(guò)程容易受到背景光和噪聲的干擾，導(dǎo)致無(wú)法從目標(biāo)圖像中提取出距離相關(guān)特征，定位過(guò)程的可靠性會(huì)受到影響；其次目標(biāo)的跟蹤對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求比較高，但由于目標(biāo)圖像中的距離相關(guān)特征的提取過(guò)程一般較復(fù)雜，而嵌入式設(shè)備的計(jì)算能力較為有限，因此單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位方法不易在嵌入式設(shè)備上得到實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于FPGA的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法，以提升定位跟蹤的可靠性和實(shí)時(shí)性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于FPGA的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，包括目標(biāo)成像裝置，用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)成像；光電經(jīng)緯儀，用于獲得目標(biāo)的角度方位信息；GPS定位裝置,用于確定系統(tǒng)自身的空間位置；FPGA嵌入式處理單元，用于對(duì)目標(biāo)的圖像進(jìn)行處理，提取距離相關(guān)特征并完成測(cè)距，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位；所述的FPGA嵌入式處理單元，包括功能模塊
CPU核心模塊，用于控制和完成定位過(guò)程中的數(shù)學(xué)運(yùn)算；系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊，用于存儲(chǔ)CPU程序和數(shù)據(jù)，以及對(duì)運(yùn)算過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；積分圖像模塊，用于提取圖像特征點(diǎn)時(shí)的積分操作，讀入圖像的灰度數(shù)據(jù)，輸出積分圖像數(shù)據(jù)；Hessian響應(yīng)模塊,用于在提取圖像特征點(diǎn)時(shí)計(jì)算Hessian響應(yīng)，即對(duì)于圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)，Hessian響應(yīng)模塊讀取該像素點(diǎn)的相關(guān)積分圖像數(shù)據(jù)，輸出該像素點(diǎn)的Hessian 響應(yīng)；·DMA控制器模塊，用于控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊和積分圖像模塊以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊和Hessian響應(yīng)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于FPGi的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位方法，包括如下步驟( I)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)成像，得到目標(biāo)圖像序列，該圖像序列的灰度格式為8位，分辨率為256*256，每次讀取序列中的一幅圖像計(jì)算其對(duì)比度O 2 ；
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，包括 目標(biāo)成像裝置，用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)成像； 光電經(jīng)緯儀，用于獲得目標(biāo)的角度方位信息； GPS定位裝置，用于確定系統(tǒng)自身的空間位置； FPGA嵌入式處理單元，用于對(duì)目標(biāo)的圖像進(jìn)行處理，提取距離相關(guān)特征并完成測(cè)距，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位； 所述的FPGA嵌入式處理單元，包括功能模塊 CPU核心模塊，用于控制和完成定位過(guò)程中的數(shù)學(xué)運(yùn)算； 系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊，用于存儲(chǔ)CPU程序和數(shù)據(jù)，以及對(duì)運(yùn)算過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存； 積分圖像模塊，用于提取圖像特征點(diǎn)時(shí)的積分操作，讀入圖像的灰度數(shù)據(jù)，輸出積分圖像數(shù)據(jù)； Hessian響應(yīng)模塊,用于在提取圖像特征點(diǎn)時(shí)計(jì)算Hessian響應(yīng),即對(duì)于圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)，Hessian響應(yīng)模塊讀取該像素點(diǎn)的相關(guān)積分圖像數(shù)據(jù),輸出該像素點(diǎn)的Hessian響應(yīng)； DMA控制器模塊，用于控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊和積分圖像模塊以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊和Hessian響應(yīng)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其中積分圖像模塊使用Verilog硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，在FPGA硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的積分操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其中Hessian響應(yīng)模塊使用Verilog硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，在FPGA硬件上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算像素點(diǎn)的Hessian響應(yīng)。
4.一種基于FPGA的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位方法，包括如下步驟 (1)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)成像，得到目標(biāo)圖像序列，該圖像序列的灰度格式為8位，分辨率為256*256，每次讀取序列中的一幅圖像計(jì)算其對(duì)比度0 2 ；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的目標(biāo)跟蹤定位方法，其中第(4)步所述的根據(jù)Hessian響應(yīng)提取圖像的特征點(diǎn)，按如下步驟進(jìn)行 (4a)對(duì)于圖像的每個(gè)像素點(diǎn)(i，j)，計(jì)算該點(diǎn)的積分圖像值I(i，j)
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于FPGA的嵌入式單目被動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可靠性和實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。該系統(tǒng)包括目標(biāo)成像裝置、光電經(jīng)緯儀、GPS定位裝置和FPGA嵌入式處理單元，其中FPGA嵌入式處理單元的功能模塊包括CPU核心模塊、系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊、積分圖像模塊、Hessian響應(yīng)模塊和DMA控制器模塊。目標(biāo)成像裝置、光電經(jīng)緯儀和GPS定位裝置分別與FPGA嵌入式處理單元連接，目標(biāo)成像裝置對(duì)目標(biāo)成像后，送入FPGA嵌入式處理單元估計(jì)出目標(biāo)距離，再結(jié)合光電經(jīng)緯儀測(cè)得的目標(biāo)角度信息和GPS定位裝置測(cè)得的系統(tǒng)自身空間位置信息，完成對(duì)目標(biāo)的定位。本發(fā)明具有可靠性強(qiáng)和實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，可用于對(duì)面成像目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤定位。
文檔編號(hào)G01S19/42GK102778684SQ20121024551
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者付小寧, 何天祥, 王陸 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)