李一芒，盛 磊，陳云善

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械及物理研究所，長春130033)

引 言

由于激光通信系統(tǒng)具有帶寬、高速、抗截獲能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和輕小型等突出優(yōu)點(diǎn)，使其非常適合深空、星際、星地、空空、空地等鏈路通信，因此在近年來得到了迅速發(fā)展［1-3］。激光通信鏈路的建立與保持離不開對信標(biāo)光的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)(acquisition，tracking and pointing，ATP)［4］。基于數(shù)字圖像處理的光斑目標(biāo)位置信息提取是ATP中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其提取速度與精度直接影響鏈路的通斷，開展相關(guān)研究有著重要的意義。

對基于數(shù)字圖像處理的激光通信光斑檢測技術(shù)的研究主要可分為算法理論和實(shí)際應(yīng)用兩個方面。算法方面，ZHANG等人［5］提出了基于噪聲特性的自動閾值處理算法;LIU等人［6］提出了基于圓心擬合的中心定位算法;SUN等人［7］提出了基于小波的光斑去噪算法;SHAO［8］提出了修正的單點(diǎn)灰度值算法。上述對于算法的研究均是通過仿真環(huán)境進(jìn)行處理效果的驗(yàn)證，其硬件可移植性和算法實(shí)時性尚有待考量。在應(yīng)用方面，LU等人［9］提出的基于粒子濾波的方法應(yīng)用于分辨率為640piexl×480piexl，幀頻為24Hz的序列圖像中;CHENG［10］采用中值濾波實(shí)現(xiàn)了分辨率1024piexl×1040piexl，幀頻25Hz序列圖像的光斑提取;XU等人［11］提出的基于上三鄰域連續(xù)點(diǎn)計(jì)數(shù)法能夠?qū)Ψ直媛?20piexl×256piexl，幀頻83Hz的圖像進(jìn)行實(shí)時處理。隨著對激光通信研究的不斷深入，對提取光斑目標(biāo)的頻率要求也越來越高，100Hz及以下的提取頻率已經(jīng)不能滿足動態(tài)鏈路的建立與保持。

國外一些學(xué)者通過以現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammable gate array，F(xiàn)PGA)為核心器件的系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對高幀頻圖像的實(shí)時處理，為提高國內(nèi)在研的激光通信系統(tǒng)在圖像方面的處理速度，本文中針對高速序列圖像中激光光斑目標(biāo)的檢測問題設(shè)計(jì)了基于FPGA的實(shí)時圖像處理系統(tǒng)，提出了基于1維濾波算子的方位濾波器，并實(shí)現(xiàn)了分辨率為 300piexl×300piexl，幀頻1000Hz序列圖像的預(yù)處理與激光光斑中心位置的實(shí)時提取。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

已有的激光光斑檢測系統(tǒng)其硬件設(shè)計(jì)主要分為基于計(jì)算機(jī)和基于FPGA與數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)架構(gòu)兩種方案?；谟?jì)算機(jī)處理的方案通過圖像采集卡獲取相機(jī)拍攝的圖像信息，由計(jì)算機(jī)完成對圖像的處理及對光斑中心位置的提取等任務(wù)。在高幀頻情況下，普通計(jì)算機(jī)很難完成對圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，使用研華工控機(jī)運(yùn)行Visual Studio2008軟件編寫的圖像處理軟件對包含光斑的分辨率為300piexl×300piexl的圖像進(jìn)行目標(biāo)提取，每幅圖像需耗時0.707s，采用高性能多核計(jì)算機(jī)并輔以多線程技術(shù)雖然能提高這一方案下的數(shù)據(jù)處理能力，但同時會大幅提高成本，且計(jì)算機(jī)內(nèi)部資源需要通過操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，因此這一方案的資源利用率低，實(shí)現(xiàn)難度大?；贔PGA+DSP的方案是目前實(shí)時圖像處理領(lǐng)域常用架構(gòu)，F(xiàn)PGA主要擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)緩存和信號控制等任務(wù)，DSP則主要進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。由于DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算時是順序執(zhí)行，因此其對高幀頻圖像的實(shí)時處理能力存在一定局限，使用以TMS320C6678型DSP為核心器件的圖像處理平臺對包含光斑的分辨率為300piexl×300piexl的圖像進(jìn)行目標(biāo)提取，每幅耗時約0.032s。上述方案均不能滿足對1000Hz頻率的圖像進(jìn)行實(shí)時處理的需求。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA在保留其并行處理能力的同時，能夠進(jìn)行除法和卷積等運(yùn)算操作，為保證系統(tǒng)的實(shí)時處理能力，本文中的設(shè)計(jì)光斑檢測系統(tǒng)以FPGA作為核心芯片展開，在硬件設(shè)計(jì)中，采用賽靈思公司(Xilinx)的XC5VLX110T型FPGA芯片為核心運(yùn)算器件。該款FPGA內(nèi)部資源豐富，根據(jù)其技術(shù)資料顯示，有17280個資源單元，每個資源單元內(nèi)包括4個顯示查找表和4個觸發(fā)器，擁有5328×1000塊隨機(jī)存儲器可作為緩存;運(yùn)算能力方面，該FPGA擁有64個DSP48E數(shù)字信號運(yùn)算內(nèi)核，能夠進(jìn)行卷積、除法等復(fù)雜運(yùn)算。利用XC5VLX110T型FPGA內(nèi)的功能內(nèi)核和豐富的存儲資源可以實(shí)現(xiàn)對高幀頻圖像的實(shí)時處理與通信控制等功能，其框圖如圖1所示。

Fig.1 System framework

系統(tǒng)主要由FPGA及外圍電路組成。系統(tǒng)的主要工作過程為圖像接收模塊接收相機(jī)采集到的圖像信號，并將數(shù)字圖像信息傳輸至緩存模塊中，圖像處理模塊從緩存依次提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波和光斑中心提取等操作，圖像處理模塊將提取的光斑中心坐標(biāo)值傳輸至信號整合模塊中，信號整合模塊將圖像與其光斑中心坐標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，通過PCI-e通信模塊將原始圖像信息與光斑中心坐標(biāo)傳輸至主控計(jì)算機(jī)中。

2 系統(tǒng)算法流程

圖像處理模塊是高速激光光斑檢測系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計(jì)工作流程如圖2所示。

Fig.2 Design flow of image processing unit

為保證系統(tǒng)的實(shí)時性，在對圖像進(jìn)行預(yù)處理時設(shè)計(jì)采用空域?yàn)V波，與頻域?yàn)V波相比，F(xiàn)PGA的并行處理機(jī)制更適合實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波算法。數(shù)字圖像信息是1組2維數(shù)字信號，因此在設(shè)計(jì)時首先從2維濾波器入手展開研究，拉普拉斯-高斯(Laplacian of Gaussian，LOG)算子是典型的2維濾波算子。設(shè)原始圖像可以表示為f(x，y)，2維LOG算子的定義式為:

式中，σ為原始圖像f(x，y)的高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差，算法基本思想如下:圖像以2位數(shù)字信號形式與高斯算子卷積達(dá)到平滑效果，拉普拉斯算子將邊緣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成零交叉點(diǎn)，通過交叉零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對圖像邊緣的檢測。由于高斯函數(shù)關(guān)于軸對稱，因此LOG算子屬于各向同性算子，當(dāng)目標(biāo)性狀不規(guī)則時，采用經(jīng)典LOG算子濾波不能對不同方向的邊緣進(jìn)行有效的檢測，而且不利于FPGA進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。為解決上述問題，本文中提出1維LOG算子概念，其中1維高斯分布函數(shù)為:

式中，μ是高斯分布的期望值。當(dāng)μ=0，對其求二次微分并取反得到1維LOG算子L(x)的表達(dá)式如下:

(3)式是關(guān)于x的一元函數(shù)，而待處理圖像均為2維數(shù)字信號，采用1維算子濾波僅能從行方向或列方向?qū)D像進(jìn)行處理，因此需設(shè)計(jì)多方位濾波器對2維數(shù)字圖像信號進(jìn)行濾波。

為表述方便，以整幅圖像的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，行方向從左至右建立x軸，列方向從下至上建立y軸，則原始紅外圖像可以表示為f(x，y)，根據(jù)1維LOG算子函數(shù)定義多方位濾波算子如下:

式中，下標(biāo)l是不同方向的濾波算子標(biāo)號，σl表示各方位的高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差。將原始圖像同多方位濾波算子進(jìn)行卷積運(yùn)算得到濾波后圖像I(x，y)可表示為:

式中，“*”表示卷積運(yùn)算。(4)式與(5)式表明，多方位濾波算子能夠?qū)υ瓐D像各點(diǎn)與其八鄰域點(diǎn)所構(gòu)成的射線方向?qū)D像進(jìn)行濾波。濾波效果與序列長度Mj(j=1，2，…，8)和 σl有關(guān)。σl越大，對噪聲的濾波效果越好，但會丟失越多的邊緣信息;σl越小，對目標(biāo)的檢測效果越好，但對噪聲的平滑能力就越弱。序列長度越長，濾波效果越好，但各方位的1維濾波算子是關(guān)于變量平方的e負(fù)指數(shù)函數(shù)，當(dāng)變量的絕對值很大時，算子函數(shù)值接近于0，因此序列長度過長沒有意義，反而會影響運(yùn)算速度。設(shè)置不同方向的σl值與序列長度可以針對包含不同目標(biāo)類型的圖像進(jìn)行濾波。由于實(shí)際工程中，光斑所成形狀不是嚴(yán)格的圓形，因此通過設(shè)置不同的σl值能夠適合對相應(yīng)形狀光斑的處理。

在閾值分割算法方面，為保證系統(tǒng)實(shí)時性，設(shè)計(jì)中采用控制計(jì)算機(jī)動態(tài)設(shè)定全局閾值;為解決光斑破碎的問題，在閾值分割后進(jìn)行了二值化圖像的形態(tài)學(xué)開運(yùn)算;最后通過FPGA進(jìn)行連通域分析與目標(biāo)提取的操作，確定圖像中是否包含光斑目標(biāo)，如果有則輸出目標(biāo)形心的坐標(biāo)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示。

Fig.3 Experiment platform

Fig.4 Results of original imagesa—frame 5 b—frame 1143 c—frame 2874 d—frame 3266

Fig.5 Processing resultsa—frame 5 b—frame 1143 c—frame 2874 d—frame 3266

激光器波長為850nm，測得衰減后的輸出功率為10.5nW，相機(jī)是輸出接口為Camera Link的MC-1302型工業(yè)相機(jī)，調(diào)整分辨率為300pixel×300pixel，幀率1000Hz，曝光時間0.9ms，主控計(jì)算機(jī)選用Amax某小型工作站。實(shí)驗(yàn)時，激光經(jīng)衰減后照射在相機(jī)上，數(shù)字圖像信號經(jīng)Camera Link口傳輸至光斑檢測系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)將處理后得到的結(jié)果經(jīng)PCI-e傳輸至主控計(jì)算機(jī)上，主控計(jì)算機(jī)能夠顯示并存儲所得到的結(jié)果。圖4是采集得到的原始圖像，圖5是處理后得到的圖像。

實(shí)時輸出的光斑中心形心位置與事后通過MATLAB對原圖質(zhì)心進(jìn)行的比較結(jié)果如表1所示，其中當(dāng)未發(fā)現(xiàn)激光光斑時，給出的目標(biāo)坐標(biāo)值為(0，0)。

Table 1 Comparison between centroid and gravity

通過5000幀圖像實(shí)時形心計(jì)算結(jié)果與事后質(zhì)心計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，將事后質(zhì)心結(jié)果看作真值，則形心計(jì)算誤差平均值為:x方向0.21pixel，y方向0.15pixel。

經(jīng)測試檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行時，需占用12%的塊隨機(jī)存儲器和54%的運(yùn)算單元，系統(tǒng)硬件延時約4μm，算法延時約12μm，單幅圖像處理時間為0.03ms，小于0.9ms的單幅曝光時間。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了用于高幀頻序列圖像激光光斑目標(biāo)提取的圖像采集與處理系統(tǒng)，系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列為核心器件，系統(tǒng)通過方位濾波器對圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用連通域分析提取目標(biāo)形心，實(shí)現(xiàn)了對高幀頻圖像中的激光光斑中心的檢測。該系統(tǒng)應(yīng)用于激光通信系統(tǒng)中，可為動態(tài)鏈路的建立與保持提供必要的實(shí)時參量信息。

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