一种基于FPGA的光斑质心快速定位方法及其相关设备与流程

本技术涉及激光通信，具体而言，涉及一种基于fpga的光斑质心快速定位方法及其相关设备。

背景技术：

1、卫星激光通信技术的核心之一是结合光学系统、图像处理系统和运动控制系统的跟踪瞄准技术，其中图像处理系统的关键功能就是对照射在探测器平面上的激光光斑进行质心提取。目前，在进行图像光斑的质心提取的算法中，一般包括阈值分割、光斑区域选定和质心计算三部分。传统的阈值分割方法是先对整幅图像的像素灰度值进行数学统计，使用均值或方差等统计值求取分割阈值，再对各个像素进行比较，实现背景和光斑的分离；光斑区域选定方法常见的有灰度投影法和模板匹配法，算法的核心是根据光斑的统计学或形态学特征确定光斑大致位置，然后再进行筛选排除或后续的质心计算；质心计算则主要使用灰度加权法或高斯拟合法，并根据特定的应用场景对算法进行一定的补偿。

2、上述算法的实现通常需要多次读取图像完成数据统计或者匹配度计算，而反复读写以及复杂算法的计算会在图像处理系统中增加延时，导致整个系统对光斑质心位置的跟踪速度受到限制。

3、现场可编程逻辑门阵列（fpga）作为专用集成电路中的一种半定制电路器件，具有硬件资源丰富、灵活性高的特点，适用于作为控制器驱动探测器并实现探测器输出图像数据的采集、处理和转存。激光通信系统中常使用fpga作为探测器的控制器，而且通常会为fpga外挂双倍速率同步动态随机存储器（ddr）用于图像处理时图像数据的暂存。如何利用fpga的特点以减小激光光斑质心提取过程造成的延时是有待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种基于fpga的光斑质心快速定位方法及其相关设备，能够有效减小激光光斑质心提取过程造成的延时。

2、第一方面，本技术提供了一种基于fpga的光斑质心快速定位方法，应用于激光通信系统的探测器中的fpga控制器，以对激光在所述探测器上形成的光斑的质心进行定位，包括步骤：

3、a1.基于先进先出的存储规则，按照接收顺序把由所述探测器逐行传输的光斑图像的像素数据缓存到预设的缓冲区中；

4、a2.在接收像素数据的过程中利用滑窗从所述缓冲区中滑动提取各个采样区域的像素数据；所述采样区域为进行像素数据提取时的所述滑窗内部的区域；

5、a3.在每次利用所述滑窗提取像素数据后，根据当前滑窗内的采样区域的像素数据，更新当前亮度最高的采样区域的像素信息集合以及获取背景像素信息集合；

6、a4.在完成所述光斑图像的全部像素数据接收后，根据当前亮度最高的采样区域的像素信息集合以及所述背景像素信息集合，获取光斑的有效像素的像素数据；

7、a5.根据光斑的有效像素的像素数据计算所述光斑的质心坐标。

8、该基于fpga的光斑质心快速定位方法充分利用fpga的特点，在定位过程中只需要缓存光斑图像中的部分像素的像素数据，即可完成光斑的质心提取，无需进行图片的反复读取，可以减轻甚至消除对外挂存储器的依赖；在图像接收过程中使用滑窗提取像素数据，同步进行数据处理，在完成图像接收后数十个时钟周期内即可完成质心的提取，可以减小激光光斑质心提取过程造成的延时，从而可以提高光斑质心坐标的数据更新率。

9、优选地，所述缓冲区能够缓存n行像素数据，且n=2np，np为与光斑的直径等效的像元数；

10、所述滑窗的大小为n*n。

11、从而，在定位过程中，最多只需要缓存2np行像素的像素数据，即可完成光斑的质心提取，有效减少存储资源要求。

12、优选地，步骤a2包括：

13、使滑窗随像素数据逐渐缓存而滑动并进行采样区域的像素数据提取，以使相邻的两个采样区域之间有至少np*np*2个像素重叠。

14、令相邻的两个采样区域之间有至少np*np*2个像素重叠，可以确保直径为np的光斑的所有像素必会同时全部落在至少一个采样区域内，从而保证后续可以可靠地得到光斑区域。

15、优选地，步骤a3中，根据当前滑窗内的采样区域的像素数据，更新当前亮度最高的采样区域的像素信息集合的步骤包括：

16、若当前滑窗内的采样区域为首个采样区域，则从当前滑窗内的采样区域的像素数据中提取当前滑窗内的采样区域的各像素的坐标和灰度值，作为当前亮度最高的采样区域的像素信息集合；

17、若当前滑窗内的采样区域不是首个采样区域，则根据以下公式更新当前亮度最高的采样区域的像素信息集合：

18、；

19、其中，为更新后的当前亮度最高的采样区域的像素信息集合，为更新前的当前亮度最高的采样区域的像素信息集合，为当前滑窗内的采样区域的各像素的坐标和灰度值组成的像素信息集合，为当前滑窗内的采样区域的总灰度值，为更新前的当前亮度最高的采样区域的总灰度值。

20、优选地，步骤a3中，根据当前滑窗内的采样区域的像素数据，获取背景像素信息集合的步骤包括：

21、根据当前滑窗内的采样区域的像素数据，计算当前滑窗内的采样区域中像素的灰度方差；

22、若所述灰度方差小于预设方差阈值，则判定当前滑窗内的采样区域为背景区域，并计算当前滑窗内的采样区域的总灰度值和中心像素坐标；

23、如果当前滑窗内的采样区域为首个背景区域，则把当前滑窗内的采样区域的总灰度值和中心像素坐标作为一个组元，记录到空的背景像素信息集合中；

24、如果当前滑窗内的采样区域不是首个背景区域，则在当前滑窗内的采样区域的中心像素坐标与所述背景像素信息集合中记录的任意中心像素坐标的直线距离均不小于预设距离阈值且所述背景像素信息集合记录的组元数量小于数量阈值时，把当前滑窗内的采样区域的总灰度值和中心像素坐标作为一个组元，记录到所述背景像素信息集合中。

25、优选地，步骤a4包括：

26、a401.根据背景像素信息集合计算所述光斑图像的背景像素灰度均值；

27、a402.把当前亮度最高的采样区域作为光斑区域，根据当前亮度最高的采样区域的像素信息集合，计算光斑区域灰度均值；

28、a403.根据所述背景像素灰度均值和所述光斑区域灰度均值计算分割阈值；

29、a404.基于所述分割阈值从所述光斑区域中确定光斑的有效像素，并从当前亮度最高的采样区域的像素信息集合中提取光斑的有效像素的像素数据。

30、优选地，步骤a5包括：

31、基于灰度加权法，根据光斑的有效像素的像素数据计算所述光斑的质心坐标。

32、第二方面，本技术提供了一种基于fpga的光斑质心快速定位装置，应用于激光通信系统的探测器中的fpga控制器，以对激光在所述探测器上形成的光斑的质心进行定位，包括：

33、像素缓存模块，用于基于先进先出的存储规则，按照接收顺序把由所述探测器逐行传输的光斑图像的像素数据缓存到预设的缓冲区中；

34、滑窗提取模块，用于在接收像素数据的过程中利用滑窗从所述缓冲区中滑动提取各个采样区域的像素数据；所述采样区域为进行像素数据提取时的所述滑窗内部的区域；

35、信息提取模块，用于在每次利用所述滑窗提取像素数据后，根据当前滑窗内的采样区域的像素数据，更新当前亮度最高的采样区域的像素信息集合以及获取背景像素信息集合；

36、背景分割模块，用于在完成所述光斑图像的全部像素数据接收后，根据当前亮度最高的采样区域的像素信息集合以及所述背景像素信息集合，获取光斑的有效像素的像素数据；

37、质心计算模块，用于根据光斑的有效像素的像素数据计算所述光斑的质心坐标。

38、第三方面，本技术提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，运行如前文所述的基于fpga的光斑质心快速定位方法中的步骤。

39、第四方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如前文所述的基于fpga的光斑质心快速定位方法中的步骤。

40、有益效果：本技术提供的基于fpga的光斑质心快速定位方法及其相关设备，在定位过程中只需要缓存光斑图像中的部分像素的像素数据，即可完成光斑的质心提取，无需进行图片的反复读取，可以减轻甚至消除对外挂存储器的依赖；在图像接收过程中使用滑窗提取像素数据，同步进行数据处理，在完成图像接收后数十个时钟周期内即可完成质心的提取，可以减小激光光斑质心提取过程造成的延时，从而可以提高光斑质心坐标的数据更新率。