本发明专利技术公开了一种基于FPGA的目标观瞄点实时定位装置，包括：用于对图像的原始光信号进行校正并映射成像到所述图像采集模块上的光学镜头、用于将所述经校正的图像的光信号转换成图像的数字信号，并传输给所述处理器模块的图像采集模块、用于将从图像采集模块接收的图像的数字信号缓存到存储模块中；之后从存储模块中读取所述数字信号，并进行光斑中心坐标快速提取运算的设置于FPGA芯片上处理器模块，以及用于缓存所述图像的数字信号的存储模块。本发明专利技术还同时公开了一种基于FPGA的目标观瞄点实时定位方法，本发明专利技术可克服现有视觉测量系统体积庞大、功耗大，且实时性差、不利于使用和维护的缺点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及视觉测量领域中的实时定位技术，尤其涉及一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的目标观瞄点实时定位装置和方法。
技术介绍
计算机视觉是一门采用图像传感器，如:电荷耦合元件(CXD)摄像机，获得客观世界的图像信息，并由计算机对图像进行分析与处理从而获知所需信息的新兴技术。视觉测量技术是计算机视觉的工程应用，在国民经济、科学研究以及国防建设等领域有着越来越广泛的应用，它具有非接触、精度高、动态响应快、自动化程度高等优点，是解决光点实时定位的有效途径，光点定位是视觉测量技术的一种典型应用。所述目标观瞄是指目标的观测与瞄准，在目标跟踪仿真实验中，经常采用激光光点实时定位并跟踪空间成像平面上的目标，若通过空间平面上的真实光点获知原投影图像中目标所在位置，就可以将获得的位置与实际设定的目标位置比较从而评价定位准确度，可应用于射击手射击模拟训练、武器瞄准装置的研究等。在视觉测量系统中，视觉传感器起着至关重要的作用，传统视觉传感器基于个人计算机(Personal Computer, PC)架构，即由一台或多台摄像机、采集卡和PC组成,还包括其它辅助测量的装置，如激光器、光栅投射器等。所述视觉传感器的工作原理是:摄像机完成图像的捕获，采集卡完成图像采集和传输，最终由PC机完成图像处理并发出执行响应。传统的视觉测量系统的优势体现在其通用性和可扩充性上，但是，由于这种系统的组成结构复杂，且视觉传感器需多个辅助装置，整体结构庞大，因此系统的开发工作较繁琐，且成本高、功耗大，也受工作环境的限制、移动性能较差，因此不利于维护、控制和使用。此外，图像的处理基于PC机，不仅处理速度缓慢、智能化程度低，且实时性差、精度不高。传统的视觉测量系统采用单`目视觉处理技术，单目视觉是指仅利用一台摄像机拍摄单张相片进行分析与处理，因此具有结构简单、现场安装、调试容易等优点，同时可避免双目视觉中匹配难的问题。然而，对于单目视觉技术，目前并没有空间成像平面上的光点在原投影图像上的定位研究。此外，目前应用较为广泛的激光测距也仅限于空间物理坐标的测量，从实时性、自动化程度方面考虑，不适用于光点的实时定位。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于FPGA的目标观瞄点实时定位装置和方法，可克服现有视觉测量系统体积庞大、功耗大，且实时性差、不利于使用和维护的缺点。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的:本专利技术提供了一种基于现场可编程门阵列FPGA的目标观瞄点实时定位装置，该装置包括:光学镜头、图像采集模块、处理器模块和存储模块；其中，所述光学镜头，用于对图像的原始光信号进行校正并映射成像到所述图像采集模块上；所述图像采集模块，用于将所述经校正的图像的光信号转换成图像的数字信号，并传输给所述处理器模块；所述处理器模块设置于FPGA芯片上，用于将从图像采集模块接收的图像的数字信号缓存到存储模块中；之后从存储模块中读取所述数字信号，并进行光斑中心坐标快速提取运算；所述存储模块，用于缓存所述图像的数字信号。进一步地，该装置还包括:通信模块和上位机界面模块；其中，所述通信模块，用于将所述处理器模块提取的光斑中心坐标输出给所述上位机界面模块；所述上位机界面模块设置于个人计算机上，用于光斑中心坐标的显示，还用于图像的显示以及目标观瞄点运动轨迹的绘制。其中，所述处理器模块，还用于通过所述通信模块将所述光斑中心坐标的提取结果输出给所述上位机界面模块。优选的，所述处理器模块包括:处理模块和控制模块；其中，所述处理模块，用于将从图像采集模块接收的图像的数字信号缓存到存储模块中；之后从存储模块中读取数字信号，并进行光斑中心坐标快速提取运算，通过通信模块将所述光斑中心坐标的提取结果输出给所述上位机界面模块；所述控制模块，用于控制所述图像采集模块、存储模块、处理模块和通信模块执行相应操作。 其中，所述控制模块通过硬件描述语言VHDL或Verilog编写状态机实现。上述方案中，所述图像采集模块设置于互补金属氧化物半导体CMOS、或电荷耦合元件CXD图像传感器芯片上。其中，所述光学镜头的光轴垂直于所述图像采集模块的图像传感器阵列面，且所述光轴与图像传感器阵列面的几何中心同心。上述方案中，所述存储模块为同步动态随机存取存储器SDRAM或快速闪存flash。上述方案中，所述处理器模块为主频在IOOMHz及IOOMHz以上的FPGA芯片。其中，所述通信模块采用以太网高速通信接口。本专利技术还提供了一种基于现场可编程门阵列FPGA的目标观瞄点实时定位方法，该方法包括:将图像的原始光信号进行校正并映射成像；将所述经校正的图像的光信号转换成图像的数字信号，并进行缓存；读取所述数字信号，并进行光斑中心坐标快速提取运算。进一步地，该方法还包括:将所述已提取的光斑中心坐标输出并显示，显示图像并进行目标观瞄点运动轨迹的绘制。其中，所述光斑中心坐标快速提取运算方法包括:目标观瞄点区域预测、光斑中心点提取以及光点定位。 其中，所述目标观瞄点区域预测，为:采用卡尔曼滤波器预测目标观瞄点的位置。其中，所述光斑中心点提取，为:采用基于Hessian矩阵的光斑中心坐标精确提取方法，达到亚像素精度。其中，所述光点定位过程采用光点定位模型，即:摄像机像平面上点到原仿真图像上对应点的关系模型。本专利技术提供的基于FPGA的目标观瞄点实时定位装置和方法，将图像的原始光信号进行校正并映射成像；将所述经校正的图像的光信号转换成图像的数字信号，并进行缓存；读取所述数字信号，并进行光斑中心坐标快速提取运算。所述光斑中心坐标快速提取运算由本专利技术设置于FPGA芯片上的处理器模块实现，相对现有的PC机对图像处理，本专利技术不需等所有数据都采集完成后再进行数据的处理，而是基于FPGA采用串行方式处理图像数据，实时性强。此外，本专利技术的光斑中心坐标快速提取方法结合卡尔曼滤波器和Hessian矩阵，计算精度更高。此外，本专利技术图像数据处理过程由FPGA芯片实现，可见本专利技术的装置相对现有视觉测量系统中处理图像数据的PC来说，体积大大减小，而且便于使用和维护，FPGA芯片相对PC的功耗也大大减小。另外,本专利技术所述图像采集模块对应的电路板尺寸很小，如:4.6cmXX4.6cm，相比传统相机而言，体积也大大减少，从而提高本专利技术所述装置的集成度，同样较小了体积。附图说明图1为本专利技术所述基于FPGA的目标观瞄点实时定位装置结构示意图；图2为本专利技术所述控制模块对其他模块的控制状态示意图；图3为本专利技术 所述基于FPGA的目标观瞄点实时定位装置一实施例的结构示意图；图4为本专利技术实施例所述处理模块的处理流程示意图；图5为本专利技术实施例所述卡尔曼滤波器状态一步预测FPGA实现方法示意图；图6为本专利技术实施例所述Hessian矩阵求目标观瞄点亚像素中心点的方法流程示意图；图7为本专利技术实施例所述高斯滤波器FPGA实现方法示意图；图8 (a)为本专利技术实施例所述数字仿真图像到显示器的成像变换关系；图8 (b)为本专利技术实施例所述空间平面到摄像机像平面的成像变换关系。具体实施例方式X随着以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术的迅速发展，嵌入式系统得到了广泛应用。嵌入式系统具有专用性、小体积、低功耗、低成本、高性能等优点。嵌入式系统与视觉测量系统的结合本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于现场可编程门阵列FPGA的目标观瞄点实时定位装置，其特征在于，该装置包括：光学镜头、图像采集模块、处理器模块和存储模块；其中，所述光学镜头，用于对图像的原始光信号进行校正并映射成像到所述图像采集模块上；所述图像采集模块，用于将所述经校正的图像的光信号转换成图像的数字信号，并传输给所述处理器模块；所述处理器模块设置于FPGA芯片上，用于将从图像采集模块接收的图像的数字信号缓存到存储模块中；之后从存储模块中读取所述数字信号，并进行光斑中心坐标快速提取运算；所述存储模块，用于缓存所述图像的数字信号。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙军华，潘念，刘震，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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