本發(fā)明涉及一種基于圖像行數(shù)據(jù)掃描的星空目標(biāo)最大光強(qiáng)位置的識(shí)別方法，屬于一種對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)心提取的圖像處理算法。

背景技術(shù)：

空間已成為新時(shí)期各國家政治、軍事、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等競爭的熱點(diǎn)，空間攻防是未來太空戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)手段。為了能夠使得衛(wèi)星自動(dòng)捕獲、跟蹤空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，需要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行快速姿態(tài)計(jì)算，然后使用準(zhǔn)確的光軸指向信息，推導(dǎo)出恒星在星圖中的位置，完成星點(diǎn)映射，最終找到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，完成對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)捕獲、跟蹤。以上所有的步驟都是基于能夠準(zhǔn)確的找到星空背景下的恒星和目標(biāo)的質(zhì)心位置(即最大光強(qiáng)位置)來實(shí)現(xiàn)的。

恒星為觀測目標(biāo)，恒星可以看作無窮遠(yuǎn)的具有一定光譜特性的點(diǎn)光源，因此其在圖像傳感器的感光面上成像為分布在較暗背景上的點(diǎn)狀光斑，光斑的灰度分布反映了星的亮度。

點(diǎn)狀光斑目標(biāo)的細(xì)分定位方法可以分為基于灰度和基于邊緣的兩大類?；诨叶鹊姆椒ㄒ话憷媚繕?biāo)的灰度分布信息，如質(zhì)心法、曲面擬合法等。基于邊緣的方法一般利用目標(biāo)的邊緣形狀信息，這些方法有邊緣圓(橢圓)擬合、Hough變換等。一般而言，基于灰度的方法比較適用于較小的且灰度分布均勻的目標(biāo)，而基于邊緣的方法則適合較大的目標(biāo)，它對(duì)灰度的分布不太敏感。實(shí)際觀測星圖中星空目標(biāo)的直徑一般為3～5個(gè)像元的大小，且灰度近似成高斯分布。因此，對(duì)于星空目標(biāo)，宜采用基于灰度的方法進(jìn)行細(xì)分定位處理。

目前，使用最多是圖像連通域方法，算法步驟是：

(1)從左至右、從上至下掃描圖像；

(2)如果像素點(diǎn)的灰度大于背景閾值(T)，則：a.如果上面點(diǎn)或左面點(diǎn)有一個(gè)標(biāo)記，則復(fù)制這個(gè)標(biāo)記；b.如果上面點(diǎn)或左面點(diǎn)有相同的標(biāo)記，則復(fù)制這一標(biāo)記；c.如果上面點(diǎn)或左面點(diǎn)的標(biāo)記不同，則復(fù)制上面點(diǎn)的標(biāo)記并將這兩個(gè)標(biāo)記輸入等價(jià)表作為等價(jià)標(biāo)記，如圖1中的標(biāo)記2與3為等價(jià)標(biāo)記；d.否則給這個(gè)像素點(diǎn)分配一個(gè)新的標(biāo)記；

(3)重復(fù)(2)直到掃描完圖像中所有灰度值大于T的像素點(diǎn)；

(4)將等價(jià)表里具有相同標(biāo)記的像素點(diǎn)合并，并重新分配一個(gè)低序號(hào)的標(biāo)記。經(jīng)過連通域分割處理之后，各個(gè)星空目標(biāo)在星圖中表現(xiàn)為相鄰的具有相同標(biāo)記點(diǎn)的像素點(diǎn)的集合。如圖1所示，圖中數(shù)字1為一個(gè)目標(biāo)，數(shù)字2和3為另一個(gè)目標(biāo)，圖2所示的是上述算法的流程圖。

由于傳統(tǒng)算法中需要把整幅圖像全部接收存儲(chǔ)后才能進(jìn)行計(jì)算，如果圖像分辨率為1024*1024*8bits的話，至少需要兩片1MBits的SRAM來對(duì)圖像同時(shí)進(jìn)行接收存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。并且對(duì)圖像處理時(shí)，使用連通域算法，需要從SRAM中讀取出圖像，在把處理的圖像存儲(chǔ)到SRAM后，再對(duì)處理后的圖像進(jìn)行掃描計(jì)算后才能完成質(zhì)心提取。

從上面步驟可以看出，對(duì)一副圖像進(jìn)行質(zhì)心提取，至少需要2次圖像數(shù)據(jù)的操作，假設(shè)SRAM的接口速率為40MHz，數(shù)據(jù)位數(shù)位32bits，則接口傳輸需要的時(shí)間為13.1ms，而對(duì)于捕獲模塊的跟蹤速度的要求為20fps，去掉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和算法余量等時(shí)間后，每幀圖像的處理時(shí)間小于40ms左右，如果在讀取圖像方面花費(fèi)的時(shí)間占用了整個(gè)算法32.75％的時(shí)間，那么對(duì)后面的算法提出了很大的要求。

另外一種是使用卷積的方法，需要固定大小的模板進(jìn)行卷積來完成識(shí)別，這種方法主要針對(duì)已知且固定大小的物體，不能對(duì)任意大小的圖像進(jìn)行識(shí)別，而在星空的目標(biāo)識(shí)別時(shí)，目標(biāo)離觀測點(diǎn)的距離會(huì)變化，在像平面上的大小也會(huì)發(fā)生變化，并且變化范圍也很大，幾個(gè)像素到幾百個(gè)像素都有可能，所以該方法不適合。

因此，目前現(xiàn)有的方法難以滿足實(shí)時(shí)地對(duì)大小可變的目標(biāo)最大光強(qiáng)特征位置進(jìn)行識(shí)別的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于圖像行數(shù)據(jù)掃描的星空目標(biāo)最大光強(qiáng)位置，簡單，實(shí)現(xiàn)容易，并且運(yùn)算效率高，識(shí)別速度快，同時(shí)可以確保準(zhǔn)確性、可靠性與實(shí)時(shí)性的最大光強(qiáng)位置的識(shí)別方法，以完成識(shí)別恒星和目標(biāo)的最大光強(qiáng)特征位置。

當(dāng)使用CMOS相機(jī)時(shí)，圖像背景會(huì)存在一定的噪聲，所以需要確定一個(gè)背景閾值(T)來消除噪聲的影響。根據(jù)CMOS相機(jī)的特點(diǎn)，相鄰幀之間噪聲幅值變化較小，時(shí)間間隔較大時(shí)，噪聲變化較大，所以本發(fā)明采取了動(dòng)態(tài)背景閾值，即，背景閾值是由前一幀圖像的像素灰度平均值確定的。

本發(fā)明包括如下技術(shù)方案：

一種基于圖像行數(shù)據(jù)掃描的星空目標(biāo)最大光強(qiáng)位置的識(shí)別方法，如圖7所示，步驟如下：

1.接收相機(jī)數(shù)據(jù)，所述相機(jī)數(shù)據(jù)是按行傳輸?shù)?，使用乒乓緩沖技術(shù)對(duì)行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；

2.對(duì)緩沖的行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，如果某像素的灰度大于背景閾值T，并且該像素左邊相鄰的像素值小于T時(shí)，記錄該像素所在列的坐標(biāo)為L_n；如果某像素的灰度小于背景閾值T，并且該像素左邊相鄰的像素值大于T時(shí)，記錄該像素的左邊像素所在列的坐標(biāo)為R_n，L_n與R_n成對(duì)出現(xiàn)，寫作L_n-R_n。一行數(shù)據(jù)中可以有多個(gè)L_n-R_n對(duì)；

3.將步驟2中L_n-R_n對(duì)之間的數(shù)據(jù)定義為行目標(biāo)，并且在掃描行數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)行目標(biāo)按行目標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)行目標(biāo)掃描完成時(shí)，把該行目標(biāo)按行目標(biāo)組合方法進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，使行目標(biāo)組成星空目標(biāo)；

4.重復(fù)步驟2和步驟3，直到掃描完該行數(shù)據(jù)；

5.如果某星空目標(biāo)在一行數(shù)據(jù)掃描結(jié)束后，仍然沒有被更新過，說明該星空目標(biāo)已經(jīng)結(jié)束。圖5為一個(gè)星空目標(biāo)的完整的掃描過程，L_n-R_n為當(dāng)前行目標(biāo)，由于L_n>R，所以星空目標(biāo)1已經(jīng)結(jié)束，而星空目標(biāo)2仍未結(jié)束；

6.當(dāng)星空目標(biāo)已經(jīng)結(jié)束時(shí)，對(duì)星空目標(biāo)進(jìn)行最終判定，對(duì)于符合判定的即為需要的星空目標(biāo)，利用公式x₀＝I_x/I和y₀＝I_y/I對(duì)星空目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算，即最大光強(qiáng)位置計(jì)算；當(dāng)多個(gè)星空目標(biāo)同時(shí)結(jié)束時(shí)，需要順序進(jìn)行質(zhì)心運(yùn)算。在質(zhì)心計(jì)算中，需要用到除法，本發(fā)明為了能夠該算法可以獨(dú)立運(yùn)行在FPGA中，所以使用了試商法完成了除法運(yùn)算；

7.當(dāng)相機(jī)數(shù)據(jù)接收完成后，星空目標(biāo)識(shí)別結(jié)束，當(dāng)完成剩余的質(zhì)心計(jì)算后，星空目標(biāo)質(zhì)心也完成了提取。

在步驟3中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)行目標(biāo)后，利用FPGA的并行性，在掃描行目標(biāo)的過程中，需要對(duì)行數(shù)據(jù)進(jìn)行乘累加計(jì)算，對(duì)于第N行數(shù)據(jù)，計(jì)算該行中的L_n-R_n之間數(shù)據(jù)的加權(quán)值和I_n＝[F(x,y)-T]，其中F(x,y)為圖像的灰度值，T為圖像的背景閾值，x為圖像的行坐標(biāo)，y為L_n-R_n之間行數(shù)據(jù)的列坐標(biāo)；如果一行有多個(gè)L_n-R_n對(duì)，則計(jì)算多個(gè)I_xn、I_yn和I_n對(duì)。

在步驟3中的行目標(biāo)組合方法為，當(dāng)某個(gè)行目標(biāo)掃描完成后，與已有星空目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)判定，判斷過程為：該行目標(biāo)的L_n和R_n值與已有星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的L和R值比較，如果L_n≤R-k1且R_n≥L-k2時(shí)，則該星空目標(biāo)與該行目標(biāo)是連通的，為同一個(gè)星空目標(biāo)，如圖3所示，其中k1,k2根據(jù)星空目標(biāo)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則為兩個(gè)獨(dú)立的星空目標(biāo)，如圖4所示，如果該行目標(biāo)的L_n和R_n與所有星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的L和R值都沒有匹配，則記錄該行目標(biāo)為新星空目標(biāo)。如果屬于某個(gè)星空目標(biāo)，則對(duì)該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，如果是新星空目標(biāo)，則需要在星空目標(biāo)隊(duì)列中建立新的星空目標(biāo)數(shù)據(jù)；如圖3所示為同一個(gè)星空目標(biāo)，圖4所示為兩個(gè)獨(dú)立星空目標(biāo)；星空目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖6所示，其中L、R、I_x、I_y、I分別是星空目標(biāo)的左邊界，右邊界，行累加值，列列累加值和坐標(biāo)累加值；更新數(shù)據(jù)的過程為：如果某行目標(biāo)與某星空目標(biāo)連通，則把該行目標(biāo)對(duì)應(yīng)的I_zn累加到該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)的I_x中，該行目標(biāo)對(duì)應(yīng)的I_yn累加到該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)的I_y中，該行目標(biāo)對(duì)應(yīng)的I_n累加到該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)的I中，并將該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的L和R更新為該行目標(biāo)的L_n和R_n。

經(jīng)過上述步驟，當(dāng)整幅圖像按行接收完成后，行掃描數(shù)據(jù)也已經(jīng)完成，所以此算法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的處理行數(shù)據(jù)，并能在行數(shù)據(jù)中提取出星空目標(biāo)的信息，計(jì)算出星空目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1))實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)算速度快，只需要接收完圖像數(shù)據(jù)，就已經(jīng)完成了目標(biāo)質(zhì)心提取，與傳統(tǒng)的連通域相比，大大提升了計(jì)算質(zhì)心的速度

(2)星空目標(biāo)大小可變，不受圖像處理模板大小的限制

(3)可以不使用DSP

(4)由于不需要占用大量的存儲(chǔ)器，圖像分辨率可以很大，并且節(jié)省存儲(chǔ)空間資源，節(jié)省硬件面積。

(5)可以用于高速相機(jī)，比如分辨率為4M，像素位數(shù)為12bits，幀頻為500Hz的圖像，需要24Gbit/s的傳輸速率才能把圖像數(shù)據(jù)傳輸完成。當(dāng)使用了本文提到的技術(shù)，只需要一個(gè)FPGA在獲得數(shù)據(jù)的同時(shí)，使用基于圖像行數(shù)據(jù)掃描的方法，就可以獲得星空目標(biāo)的最大光強(qiáng)位置，然后只需要把最大光強(qiáng)位置傳送出去即可。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中連通域分割處理后的圖像數(shù)據(jù)；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中連通域分割處理的步驟；

圖3為本發(fā)明中同一個(gè)星空目標(biāo)時(shí)，行數(shù)據(jù)掃描時(shí)星空目標(biāo)與行目標(biāo)的位置關(guān)系；

圖4為本發(fā)明中兩個(gè)獨(dú)立星空目標(biāo)時(shí)，行數(shù)據(jù)掃描時(shí)星空目標(biāo)與行目標(biāo)的位置關(guān)系；

圖5為本發(fā)明中基于行數(shù)據(jù)掃描算法下識(shí)別星空目標(biāo)的完整過程；

圖6為本發(fā)明中星空目標(biāo)在FPGA中的存儲(chǔ)格式；

圖7為本發(fā)明中系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架；

圖8為本發(fā)明中數(shù)據(jù)緩沖模塊框圖；

圖9為本發(fā)明中行數(shù)據(jù)掃描算法實(shí)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的識(shí)別方法，進(jìn)行詳細(xì)描述。

按照上述步驟，基于圖像行數(shù)據(jù)掃描的方法的具體的實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖7、9所示，下面給出了圖7、9中所示的步驟。

(1)首先需要根據(jù)相機(jī)的通信協(xié)議，編寫接口代碼，完成對(duì)相機(jī)數(shù)據(jù)的讀取，一般情況下，相機(jī)的數(shù)據(jù)是行傳輸?shù)?，為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和處理，采用乒乓緩沖技術(shù)對(duì)行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。

由兩個(gè)RAM組成的，主要是為了使相機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊和處理模塊同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)相機(jī)接收數(shù)據(jù)模塊向SideA存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)時(shí)，相機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)從SideB中讀取數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)緩沖模塊兩端的時(shí)鐘域不同，所以使用了兩個(gè)雙端口RAM；為了能夠在兩端傳遞控制信號(hào)，使用了跨時(shí)鐘域同步的方式，本模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖8中給出了上述實(shí)現(xiàn)方法的框圖。

(2)對(duì)緩沖行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，需要用到背景閾值，背景閾值的確定需要根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來決定采用哪種方法。因?yàn)槭切强毡尘跋碌哪繕?biāo)，所以本文中的背景閾值是根據(jù)上一幀數(shù)據(jù)的平均像素值求得的。

根據(jù)得到的背景閾值T，來對(duì)行數(shù)據(jù)的像素值進(jìn)行判斷。如果某像素的灰度大于背景閾值T，并且該像素左邊相鄰的像素值小于T時(shí)，記錄該像素所在列的坐標(biāo)為L_n；如果某像素的灰度小于背景閾值T，并且該像素左邊相鄰的像素值大于T時(shí)，記錄該像素的左邊像素所在列的坐標(biāo)為R_n，L_n與R_n成對(duì)出現(xiàn)，寫作L_n-R_n。一行數(shù)據(jù)中可以有多個(gè)L_n-R_n對(duì)。

(3)當(dāng)步驟2中記錄L_n時(shí)，則認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了行目標(biāo)，所以可以利用FPG的并行性，在掃描行數(shù)據(jù)的過程中，對(duì)行目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行乘累加計(jì)算。

對(duì)于第N行數(shù)據(jù)，利用下列公式計(jì)算該行中的L_n-R_n之間數(shù)據(jù)的加權(quán)值。

I_n＝[F(x,y)-T]

其中F(x,y)為圖像的灰度值，T為圖像的背景閾值，x為圖像的行坐標(biāo)，y為行數(shù)據(jù)的列坐標(biāo)；如果一行有多個(gè)L_n-R_n對(duì)，則計(jì)算多個(gè)I_xn、I_yn和I_n對(duì)。

當(dāng)步驟2中記錄R_n時(shí)，則說明該行目標(biāo)已經(jīng)掃描完成，一行可以有多個(gè)行目標(biāo)。

將本次得到的行目標(biāo)，與已有星空目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)判定，判斷過程為：

某個(gè)行目標(biāo)的L_n和R_n值與已有星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的L和R值比較，如果L_n≤R-k1且R_n≥L-k2時(shí)，則該星空目標(biāo)與該行目標(biāo)是連通的，為同一個(gè)星空目標(biāo)，此處k1,k2均取零，否則為兩個(gè)獨(dú)立的星空目標(biāo)，如果該行目標(biāo)的L_n和R_n與所有星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的L和R值都沒有匹配，則記錄該行目標(biāo)為新星空目標(biāo)。

如果此次發(fā)現(xiàn)行目標(biāo)屬于某個(gè)星空目標(biāo)，則對(duì)該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，把該行目標(biāo)對(duì)應(yīng)的I_xn累加到該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)的I_x中，該行目標(biāo)對(duì)應(yīng)的I_yn累加到該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)的I_y中，該行目標(biāo)對(duì)應(yīng)的I_n累加到該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)的I中，并將該星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的L和R更新為該行目標(biāo)的L_n和R_n；

如果是新星空目標(biāo)，則需要在星空目標(biāo)隊(duì)列中建立新的星空目標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖6所示，包括L、R、I_x、I_y、I，它們的初值分別為成為新星空目標(biāo)的行目標(biāo)的L_n、R_n、I_xn、I_yn、I_n；

如圖3所示為同一個(gè)星空目標(biāo)，圖4所示為兩個(gè)獨(dú)立星空目標(biāo)；

(4)重復(fù)步驟2和步驟3，直到掃描完該行數(shù)據(jù)。

(5)如果某星空目標(biāo)在一行數(shù)據(jù)掃描結(jié)束后，仍然沒有被更新過，說明該星空目標(biāo)已經(jīng)結(jié)束。圖6為一個(gè)星空目標(biāo)的完整的掃描過程，由于L_n>R，所以星空目標(biāo)1已經(jīng)結(jié)束，而星空目標(biāo)2仍未結(jié)束；

(6)當(dāng)星空目標(biāo)已經(jīng)結(jié)束時(shí)，對(duì)星空目標(biāo)進(jìn)行最終判定。判定方法可以根據(jù)需要來設(shè)定，本發(fā)明中認(rèn)為一個(gè)星空目標(biāo)含有的像素個(gè)數(shù)需要大于1，對(duì)于只包含1個(gè)像素的星空目標(biāo)，認(rèn)為其是由噪聲引起的誤判斷。

對(duì)于符合判定的即為需要的星空目標(biāo)，利用下列公式對(duì)其進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算。

x₀＝I_x/I

y₀＝I_y/I

其中I_x、I_y和I均為星空目標(biāo)數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，x₀為星空目標(biāo)的行坐標(biāo)，y₀為星空目標(biāo)的列坐標(biāo)，(x₀,y₀)即為星空目標(biāo)的最大光強(qiáng)位置。

在質(zhì)心計(jì)算中，需要用到除法，本發(fā)明中為了能夠可以獨(dú)立運(yùn)行在FPGA中，所以使用了試商法完成了除法運(yùn)算；當(dāng)多個(gè)星空目標(biāo)同時(shí)結(jié)束時(shí)，需要順序進(jìn)行質(zhì)心運(yùn)算。

(7)當(dāng)相機(jī)數(shù)據(jù)接收完成后，星空目標(biāo)識(shí)別結(jié)束，當(dāng)完成剩余的質(zhì)心計(jì)算后，星空目標(biāo)質(zhì)心也完成了提取。

本發(fā)明使用了FPGA實(shí)現(xiàn)，亦可使用DSP等高速處理器實(shí)現(xiàn)。該方法主要用于高速相機(jī)的圖像處理、受面積限制的圖像處理系統(tǒng)、對(duì)未知目標(biāo)大小識(shí)別的圖像處理；本發(fā)明中對(duì)星空背景下的恒星和目標(biāo)的最大光強(qiáng)位置進(jìn)行了識(shí)別。