一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种硬件加速方法，特别是一种基于快速归一化互相关法的相似性测 度硬件加速方法，适用于专用算法硬件电路设计领域。
【背景技术】
[0002] 基于图像匹配的信息处理技术在新一代航天型号中已经开始大量应用，图像处理 的实时性直接影响着制导精度。以往基于通用处理器（如DSP)采用软件实现图像处理算 法越来越难以满足航天型号的实时性要求。目前，经常采用简化算法牺牲算法精度的方式 来减小算法运算时间。通过算法硬件化实现算法加速是减小算法运算时间的最有效手段。
[0003] 目前图像处理采用的是基于灰度信息的匹配方法，这种方法匹配精度高但是运算 量比较大。基于相似性测度的图像匹配算法是其中计算量最大，耗时最长的算法。相似性 度量准则是计算目标模板图与实时图之间相似程度的准则。在众多相似性评判依据中，归 一化互相关法（NCC)被认为是最佳的。它具有匹配精确度高，抗背景噪声能力强、图像畸变 适应性强（当图像围绕中心点旋转、相对缩放所导致的畸变差异不大时，其匹配结果也能 令人满意）等特性。基于以上特点，归一化互相关法在匹配问题上得到了广泛且有效的应 用。但是归一化互相关法运算复杂度较高，计算时间耗费较长，对于实时性要求较高的匹配 应用有一定的局限性。现基于归一化互相关法的相似性测度的图像匹配算法多采用高性能 DSP来实现。但随着图像尺寸的增加运算量的增大，此方案很难满足航天型号的实时性要 求。为满足实时性，甚至采用牺牲算法精度的方式，基于归一化互相关法的相似性测度算法 的硬件加速迫在眉睫。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于归一化互相 关法的相似性测度硬件加速方法，通过优化改进相关系数算法公式，在硬件计算中采用 两层流水线设计，合理控制硬件资源代价，采用状态机进行相关系数的计算，并在Xilinx Virtex5-XC5VFX100T下满足达到100M的要求，极大的提高了算法速度，最大程度上满足了 专用算法硬件电路设计的需求。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速 方法，步骤如下：
[0006] (1)建立实时图与模板图之间相关系数的数学模型；所述数学模型由公式：
【主权项】
1. 一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速方法，其特征在于步骤如下： (1) 建立实时图与模板图之间相关系数的数学模型；所述数学模型由公式：
给出，P (p，q)为搜索窗口选定的实时图与模板图之间的相关系数；P和q分别为搜索 窗口左上角在实时图坐标系中的横坐标和纵坐标，T(x，y)为模板图中坐标点（x，y)的图像 灰度值，S(x+p，y+q)为实时图中对应点的图像灰度值，所述坐标点（x，y)位于模板图坐标 系中，表示实时图中搜索窗口所覆盖子图区域的灰度均值，T表示模板图的灰度均值， m为模板图宽度，η为模板图高度，所述搜索窗口为与模板图大小、形状均相同的矩形窗口， 所述实时图坐标系的坐标原点为实时图的左上角，左上角向右为实时图坐标系X轴正方 向，左上角向下为实时图坐标系Y轴正方向，所述模板图坐标系的坐标原点为模板图的左 上角，左上角向右为模板图坐标系X轴正方向，左上角向下为模板图坐标系Y轴正方向； (2) 利用硬件从存储器中读取实时图和模板图，根据步骤（1)中的数学模型，分别求得 数学模型中的
},y + ci)?F(x,y). (3) 步骤（2)中的计算完成后，进入步骤（4)，利用步骤（1)中数学模型和步骤（2)中 的结果计算搜索窗口选定的实时图与模板图之间的相关系数；同时，利用硬件从存储器中 读取下一幅实时图和模板图，返回步骤（2); (4) 利用有限状态机方法计算搜索窗口选定的实时图与模板图之间的相关系数； (5) 所有搜索窗口选定的实时图与模板图之间的相关系数计算完成后，找出相关系数 中的最大值和对应搜索窗口左上角在实时图坐标系中的横坐标和纵坐标，该搜索窗口对应 的选定区域即为目标区域。
2. 根据权利要求1中的一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速方法，其 特征在于：所述步骤（2)中的硬件为FPGA或者ASIC。
3. 根据权利要求1中的一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速方法，其 特征在于：所述步骤（4)中利用有限状态机方法计算搜索窗口选定的实时图与模板图之间 的相关系数，具体为： 所述硬件中包括两个除法器和两个开方器，所述状态机包括6个状态，分别为StaO~ sta5,每个状态下硬件的具体操作为： staO:备份步骤（2)中的计算结果，若是第一次相关系数运算，准备模板图两个 除法
的除数和被除数，并打开两个除法器使 能，计算实时图求和的平方
及实时图平方和与m*n的乘积
转到stal，若不是第一次相关系数，计算实时图求和的平 方以及实时图平方和与m*n的乘积，转到sta2 ; stal :计寞
，计算完成后保存数据并跳转至 sta2 ； sta2 :由stal中的结果计算中间变量
，并确定相关系数运算 中的开方数，跳转至sta3 ; sta3 :由sta2中的中间变量计算相关系数数学模型中的分子；根据sta2中确定的相 关系数运算开方数，若是第一次相关系数运算，则打开模板图和实时图开方运算使能，进行 模板图和实时图开方运算；若不是第一次相关系数运算，则打开实时图开方运算使能，进行 实时图开方运算；跳转至sta4 ; sta4 :实时图开方运算结束后，计算实时图与模板图开方结果的乘积；打开除法器使 能；跳转至sta5 ; sta5 :进行除法计算得到相关系数，除法运算结束后跳转至StaO，进行下一幅实时图 相关系数运算。
4.根据权利要求3中的一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速方法， 其特征在于：所述状态机中的状态采用格雷码编码，具体对应关系为：StaO~000, stal~ 001，sta2 ~010, sta3 ~011，sta4 ~111，sta5 ~110。
【专利摘要】一种基于快速归一化互相关法的相似性测度硬件加速方法，首先建立实时图与模板图之间相关系数的数学模型；然后利用两层流水线进行硬件算法的设计，并利用有限状态机方法计算搜索窗口选定的实时图与模板图之间的相关系数；在所有搜索窗口选定的实时图与模板图之间的相关系数计算完成后，找出相关系数中的最大值和对应搜索窗口左上角在实时图坐标系中的横坐标和纵坐标，该搜索窗口对应的选定区域即为匹配区域，本发明合理控制硬件资源代价，在Xilinx Virtex5-XC5VFX100T下满足达到100M的要求，对大小为80*64的实时图和大小为25*25的模板图进行相似性匹配运算只需3.5ms，极大的提高了算法速度。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104657553
【申请号】CN201510070071
【发明人】赵雄波, 刘亮亮, 吴松龄, 范仁浩, 严志刚, 蒋彭龙, 田甜, 孟景
【申请人】北京航天自动控制研究所, 中国运载火箭技术研究院
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月10日