[發明專利]一種基于FPGA的實時星點質心定位方法及裝置

有效

• 申請號: 201610072227.6
• 申請日: 2016-02-02
• 公開（公告）號: CN105761288B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 桑紅石;高英華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06T7/60
• 分類號: G06T7/60
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

本發明公開了一種基于FPGA的實時星點質心定位的方法，包含以下步驟：對當前掃描輸入的星圖像素計算閾值，同時對像素形成M通道數據進行閾值分割,將閾值分割的M路結果輸出到M*M的模板，利用模板對像素進行星點質心判斷，判斷模板內中心像素所在的行像素灰度和是否為各行灰度像素和的最大值，列像素灰度和是否為各列像素灰度和的最大值，以此粗定位星點質心所在位置是否為中心像素所在坐標位置，對屬于本星點的模板內像素進行質心計算，細定位星點質心坐標位置，最后將質心特征和坐標緩存輸出。該方法充分利用硬件運行并行性的特點對星點實現直接的判斷和提取，硬件設計采用流水線結構可以實時對像素進行處理，存儲資源耗費少，質心定位快速準確。

技術領域

本發明屬于航天領域星敏感器圖像處理領域，更具體地，涉及一種基于FPGA的實時星點質心定位方法及裝置。

背景技術

星敏感器是天文導航系統的主要設備，是一種高精度、高可靠性的姿態測量部件。星敏感器的工作原理是圖像傳感器拍攝當前視場的星圖，通過對星圖的預處理獲得星點粗定位，然后通過亞像素細定位技術提取星點并計算星點質心坐標和灰度信息，最后利用星點信息采用星圖識別算法獲得載體相對于地心慣性坐標系的三軸姿態。

星圖中星點質心定位精度和定位速度會影響星點識別中姿態測量的可靠性和識別速度，如何更準確快速進行星點質心定位是星光導航的關鍵技術。目前對于星敏感器所成星圖的預處理硬件實現的方法主要有以下：

目前常用的閾值分割方法包括自適應閾值分割、基于灰度直方圖的分割、Otsu、迭代閾值等分割算法。星圖的背景噪聲主要是由于光學系統引入的雜散光、圖像傳感器作為光電采樣器件帶來的噪聲以及質心定位算法本身的噪聲。星圖中的噪聲近似符合均勻分布，且噪聲灰度均值遠小于有效星點的灰度峰值。由于星圖中目標總能量小，背景噪聲分布均勻且比重大，基于灰度直方圖、Otsu的分割算法等方法不容易找到分割點，迭代閾值的算法不易于硬件實現。

星點提取一般采用的算法有多個文獻中提到的連通性分析，如郝雪濤等在《北京航空航天大學學報》上發表的論文《CMOS星敏感器圖像驅動及實時星點定位算法》(1001-5965(2005)04-0381-04)提到的基于四連通的星點提取方法，這種連通性分析方法的有效性和精度與閾值的選取相關，閾值選取不合適容易產生大量虛假目標點，同時在實際操作中要反復疊加新的目標像素到存儲星點的存儲器，同時要對已經提取的星點像素進行合并連通域的操作，難以實現實時質心計算。馮國杰等在《測控技術》上發表的論文《一種用于星敏感器的星點提取方法》(1000-8829(2010)10-0013-03)提到的判定行與行之間的連接關系的提取方法需要存儲包含星點的外接矩形的四點坐標，并且隨著行的增加要不斷進行坐標值大小的判斷和外接矩形的四點坐標的更新，所需存儲器容量較大，不利于硬件實現。除此之外的星點提取方法有結合模板的直接判斷的方法，直接判斷模板內大于閾值的像素的個數，塊掃描法用來直接判斷分塊星圖的每行每列的最大值，這些方法的精度不高，容易產生誤判。

Chemielowski等提出的利用點擴散函數模型進行星點質心亞像素細定位的方法，在此基礎上發展而來的常用的方法包括矩心法如傳統加權質心計算、帶閾值加權質心計算、平方加權質心計算以及在結合仿真實驗上提出改進的光強矩次的質心算法，還包括基于邊緣的高斯曲面擬合，橢圓擬合以及結合插值的擬合算法等方法。近來波前檢測技術應用到質心定位的研究成為一個熱點。橢圓擬合、高斯曲面擬合的算法比較復雜，不易于硬件實現。比較簡單的適合硬件實現的就是矩心法，其計算公式要用到除法運算，除法運算比較耗費硬件資源且計算緩慢，所以如何實現快速精確質心計算也是研究的重點。

發明內容

本發明的技術解決的問題是：根據星點圖像的特點，確定閾值分割和質心計算的算法，結合硬件實現速度快、并行執行、存儲資源有限等特點實現星點提取和上述算法是本發明的重點。

為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于FPGA的實時星點質心定位方法，包含以下步驟：