基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法，其中SoPC系統(tǒng)主要由FPGA和雙核ARM構(gòu)成；具體步驟如下：步驟一、區(qū)域信息與輔助數(shù)據(jù)接收；步驟二、雙核ARM提取當前處理的圖像區(qū)域的四個頂點并進行定位解算，獲取四個頂點的位置信息；步驟三、進行指定目標點與當前處理的圖像區(qū)域的比對，通過四個頂點的位置信息判斷該目標點是否在當前處理的圖像區(qū)域內(nèi)，若是，則進入步驟四，否則，以當前處理的圖像區(qū)域的下一區(qū)域作為當前處理的圖像區(qū)域，并返回步驟二；步驟四、如果搜索到目標點則通過網(wǎng)口返回相應的區(qū)域信息，否則返回未搜索到。本發(fā)明實現(xiàn)自動提取目標點區(qū)域遙感圖像，降低后續(xù)應用遙感數(shù)據(jù)處理量的目的。
【專利說明】
基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn) 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光學遙感圖像預處理技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于SoPC的遙感CCD原 始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展W及開發(fā)人員的設(shè)計水平的不斷提高，嵌入式SoPC 系統(tǒng)從規(guī)模、性能、體積、功耗、靈活性、研發(fā)周期等方面都得到了優(yōu)化。2013年Xilinx公司 推出的新一代巧nq-7000系列可編程邏輯器件將ARM處理器和28皿可編程邏輯資源集成在 同一片忍片里，W可擴展處理器平臺的形式打破了 W往對SoPC概念的認識，Zynq-7000平臺 為開發(fā)人員從系統(tǒng)層面解決問題提供了可能，改變了系統(tǒng)開發(fā)人員和嵌入式軟件開發(fā)人員 的設(shè)計思路和設(shè)計理念?；媒?7000系列專為要求高處理性能的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建，其目標市 場包括汽車駕駛員輔助、智能視頻監(jiān)控、工業(yè)自動化、航空航天與軍用、廣播及新一代無線 應用等。
[0003] 光學遙感獲取的圖像數(shù)據(jù)量較大，針對某些特定感興趣區(qū)域，進行指定目標區(qū)域 自動提取對于后續(xù)救災、應急等需要快速響應的應用具有重要意義。目前遙感圖像主要由 CPU/GPU等進行處理，其在移動便攜、實時處理等方面存在局限性，本發(fā)明充分考慮系統(tǒng)在 功耗、體積、重量W及可靠性方面的設(shè)計約束并結(jié)合巧nq-7000平臺特點，提出了基于SoPC 的高分辨率遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了降低遙感數(shù)據(jù)處理量，提高感興趣區(qū)域數(shù)據(jù)提取的時效性，提出了一 種基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法，該方法能夠在FPGA+雙核 ARM( SoPC)上實現(xiàn)CCD原始數(shù)據(jù)指定區(qū)域自動提取，具有很好實時性和穩(wěn)定性。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法，其中SoPC系 統(tǒng)主要由FPGA和雙核ARM構(gòu)成;具體步驟如下：
[0007] 步驟一、區(qū)域信息與輔助數(shù)據(jù)接收
[000引指定目標點的位置信息W及待捜索的一軌CCD原始數(shù)據(jù)總長度L通過網(wǎng)口發(fā)送到 SoPC系統(tǒng)，待捜索一軌CCD原始數(shù)據(jù)及所對應的輔助數(shù)據(jù)通過FMC接口發(fā)送到SoPC系統(tǒng)； SoPC系統(tǒng)根據(jù)所述總長度L和設(shè)定的圖像區(qū)域長度，將CCD原始數(shù)據(jù)劃分為N個圖像區(qū)域，然 后SoPC系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)分離后分別存入片外存儲器DDR中；
[0009] 步驟二、定位解算
[0010] 雙核ARM提取當前處理的圖像區(qū)域的四個頂點并進行定位解算，獲取四個頂點的 位置信息；
[0011] 步驟S、與目標點位置信息比對
[0012]進行指定目標點與當前處理的圖像區(qū)域的比對，通過四個頂點的位置信息判斷該 目標點是否在當前處理的圖像區(qū)域內(nèi)，若是，則進入步驟四，否則，W當前處理的圖像區(qū)域 的下一區(qū)域作為當前處理的圖像區(qū)域，并返回步驟二；
[0013] 步驟四、返回捜索結(jié)果
[0014] 如果捜索到目標點則通過網(wǎng)口返回相應的區(qū)域信息，否則返回未捜索到。
[0015] 進一步地，本發(fā)明所述設(shè)定的圖像區(qū)域的長度為256，
[0016]
，'
[0017] 進一步地，所述步驟二中，按照由上至下的順序?qū)λ鶆澐值膱D像區(qū)域進行編號，若 當前處理的圖像區(qū)域為第一個區(qū)域時，由ARM CPUO解算圖像區(qū)域中左側(cè)兩個頂點的位置信 息，由ARM CPUl解算圖像區(qū)域中右側(cè)兩個頂點的位置信息，若當前處理的圖像區(qū)域的上一 區(qū)域圖像已經(jīng)比對結(jié)束，則ARM CPUO解算圖像區(qū)域中左下方頂點的位置信息，ARM CPUl解 算圖像區(qū)域中右下方頂點的位置信息，并W上一區(qū)域圖像下方兩頂點的位置信息作為當前 處理的圖像區(qū)域上方兩頂點的位置信息。
[0018] 進一步地，本發(fā)明每個頂點定位解算的具體過程為：
[0019] (1)建立地球固定參考系下的投影中屯、坐標轉(zhuǎn)換到空間固定慣性參考系的轉(zhuǎn)換關(guān) 系為：
[0020]
[0021] 式中，PN(t)為歲差和章動矩陣，R(t)為地球自轉(zhuǎn)矩陣，W(t)為極移矩陣；
[0022] (2)寄存器化載入地球固定參考系下的投影中屯、坐標[Xs Ys Zs]CTS，W(t)為3 X 3的 矩陣，寄存器Qo、Qi、化分別載入極移矩陣W(t)的S列，寄存器Q〇、Qi、化中載入的數(shù)據(jù)分別與 寄存器化中載入的數(shù)據(jù)相乘，并將相乘的結(jié)果緩存至寄存器Q4、Qs、化，將寄存器Q4、Qs、化對 應元素相加得到W(〇[A；. 的計算結(jié)果；
[0023] (3)依次將R(t)和PN(t)按照步驟(2)的形式進行處理，得到空間固定慣性參考系 下的投影中屯、坐標[Xs Ys Zs]cis;
[0024] (4)建立像方向量與物方向量的嚴格對應共線方程為：
[0025]
[0026] ^1^，71<，-門為頂點在傳感器坐標系下的坐標;^為縮放比例;1^為傳感器坐標系與 本體坐標系間的轉(zhuǎn)換矩陣，Rfb為本體坐標系與軌道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，Rgf為軌道坐標系與 空間固定慣性參考系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0027] (5)按照步驟(2)的方式進行矩陣計算，得到頂點的坐標(X，Y，Z)cis。
[0028] 有益效果
[0029] 第一，本發(fā)明對原始CCD數(shù)據(jù)劃分為小區(qū)域，采用嚴密幾何成像模型對小區(qū)域覆蓋 范圍解算，然后與指定目標點的位置信息比對，從而實現(xiàn)自動提取目標點區(qū)域遙感圖像，降 低后續(xù)應用遙感數(shù)據(jù)處理量的目的。
[0030] 第二，本發(fā)明基于ARM雙核處理器設(shè)計，根據(jù)算法特點合理分配計算任務，對提取 區(qū)域組成的四邊形的頂點由雙核ARM并行執(zhí)行定位解算，相較于傳統(tǒng)單核處理實現(xiàn)方法可 有效提高實時性。
[0031] 第S，本發(fā)明定位解算時充分利用肥ON可并行化的特點，采用肥ON協(xié)處理器對定 位過程中坐標系轉(zhuǎn)換中的矩陣運算加速，實時性得到有效提高。
【附圖說明】
[0032] 圖1為SoP巧旨定目標區(qū)域自動提取系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0033] 圖2為雙核ARM實現(xiàn)指定目標區(qū)域自動提取流程圖；
[0034] 圖3為肥ON協(xié)處理器矩陣相乘計算流程；
[0035] 圖4為目標捜索坐標系示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法的實施方式做詳細說明。
[0037] 本發(fā)明一種基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法，其具 體實施過程如下：
[0038] 步驟一、區(qū)域信息與輔助數(shù)據(jù)接收
[0039] 如圖1所示，該步驟的具體實施過程如下：
[0040] (1)將SoPC系統(tǒng)中的ARM主頻設(shè)置為666MHz ,FPGA主頻為IOOMHz ,ARM CPUO開啟串 口接收指定目標點的位置信息，即經(jīng)締度(經(jīng)度:-180度~180度，締度:-90度~90度)坐標。 同時接收待捜索的一軌CCD原始數(shù)據(jù)總長度L，默認圖像寬度為12288,接收完畢之后ARM CPUO將一軌CCD原始數(shù)據(jù)劃分為N個長度為256的小圖像區(qū)域。
[0041]
[0042] (2)SoPC系統(tǒng)通過FMC接口實時接收待捜索CCD原始數(shù)據(jù)及其所對應的輔助數(shù)據(jù)， 并將輔助數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)存入片外存儲器DDR中。DDR開辟尺寸大小為12288*12288*8位的 循環(huán)存儲區(qū)存儲圖像數(shù)據(jù)。
[0043] 步驟二、定位解算
[0044] SoPC系統(tǒng)進行行計數(shù)，累計超過256行時，啟動一次捜索。ARM讀取輔助數(shù)據(jù)，對提 取區(qū)域的四個頂點進行定位解算，在第1次解算時由ARM CPUO解算0和2點的位置信息，由 ARM CPUl解算1和3點的位置信息。在進行第2、3…次解算時，此時上一區(qū)域的2和3分別為下 一區(qū)域的0和1，此時由ARM CPUO解算2點的位置信息，由ARM CPUl解算3點的位置信息，即 可。
[0045] 單點的定位解算采用嚴密幾何成像模型，W對0點定位解算為例，具體過程為：
[0046] (1)由于投影中屯、（即衛(wèi)星坐標）、像點（即0點）與物點在一條直線上即共線，將S 個點的坐標轉(zhuǎn)換到同一個坐標系下后根據(jù)共線關(guān)系建立共線方程；
[0047] 因此，ARM CPUO將地球固定參考系（CTS)下的衛(wèi)星坐標(投影中屯、）轉(zhuǎn)換到空間固 定慣性參考系(CIS),轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
[004引
[0049] 式中，PN(t)為歲差和章動矩陣，R(t)為地球自轉(zhuǎn)矩陣，W(t)為極移矩陣。
[0050] (2)由ARM CPUO完成PN(t)、R(t)與W(t)的解算，矩陣操作采用肥ON協(xié)處理器完成。 NEON計算流程參考圖3,圖中Q表示128(4*32)位浮點向量寄存器，NEON首先計算
，寄存器化載入XsYsZs對應圖中y日yiy2，W( t)為3 X 3的矩 陣，寄存器Qo、Qi、Q2分別載入胖(〇的立列，寄存器Qo、化、化分別與寄存器化的yow細乘結(jié)果 緩存至寄存器〇4、祐、化，將寄存器化、祐、Q擁應元素相加得到\\'(〇[乂、& 的計算結(jié) 果。依次將R(t)和PN(t)代入計算W得到最終結(jié)果。
[0051 ] (3)像方向量與物方向量的嚴格對應共線方程為：
[0化2;

[00對其中，[Xk，yk,-f]為k點在CCD傳感器坐標系下的坐標，是由像點k在圖像坐標系下 的坐標計算得出，此處點k即點0，f為相機焦距；（Xs，Ys，Zs)t為投影中屯、在空間固定慣性參 考系下的坐標;A為縮放比例;化S為傳感器坐標系與本體坐標系間的轉(zhuǎn)換矩陣，化S =化（Wx) R2(-Wy) ,Rra為本體坐標系與軌道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，Rra = RYawRpitchRRoii,其中
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7] Rgf為軌道坐標系與空間固定慣性參考系之間的轉(zhuǎn)換矩陣
其中，
[005引由ARM CPUO完成轉(zhuǎn)換矩陣Rg訊yawRpitchRroiiRi(私)R2(-i1v)的計算，矩陣相乘運算同 樣采用肥ON協(xié)處理器完成。肥0的十算流程參考圖3,首先計算R2(-ilv)[xk yk -f]T并依次代入 直到計算結(jié)束，得到0點的坐標(X，Y，Z)cis。
[0059] (4)參考步驟二中的1)2)3) ,ARM CPUl對點1定位解算，ARM CPUO對點2定位解算， ARM CPUl對點3定位解算。CPUO和CPUl并行執(zhí)行，通過共享片上RAM進行通信。
[0060] 步驟S、與目標點信息比對
[0061] (1)由CPUO完成指定目標點與相應區(qū)域的比對，通過定位信息判斷該目標點是否 在該區(qū)域內(nèi)，同時接收數(shù)據(jù)。參考圖4,四個定位點兩兩連成一條直線，構(gòu)成一個四邊形，W 經(jīng)締度(〇,〇)為原點，W經(jīng)度線為Y軸W締度線為X軸建立直角坐標系。
[0062] aox+boy+co = 0 (1)
[0063] aix+biy+ci = 0 (2)
[0064] a2X+b2y+C2 = 0 (3)
[00化]a：3X+b3y+C3 = 0 (4)
[0066] 將目標點坐標代入上述四個公式，其中公式（1)(3)符號不同且公式(2)(4)符號不 同則認為目標點在四邊形內(nèi)部，即在該區(qū)域內(nèi)。如果查找成功則進入步驟4;否則等待累計 超過256行啟動下一次捜索，此時上一區(qū)域的巧日3分別為該區(qū)域的0和1 ,ARM CPUO對點2定 位解算，ARM CPUl對點3定位解算。
[0067] 步驟四、返回捜索結(jié)果
[0068] (1)如果捜索到目標點則記錄當前DDR循環(huán)存儲區(qū)位置，如果當前循環(huán)存儲區(qū)累積 不足6144行，則繼續(xù)累積數(shù)據(jù)使總行數(shù)為12288,如果當前累積行數(shù)大于等于6144行，則繼 續(xù)累積6144行數(shù)據(jù)。
[0069] (2)如果捜索到該目標點則通過網(wǎng)口返回相應的區(qū)域信息，否則返回未捜索到。
[0070] 綜上所述，W上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法，其中SoPC系統(tǒng) 主要由FPGA和雙核ARM構(gòu)成;其特征在于，具體步驟如下： 步驟一、區(qū)域信息與輔助數(shù)據(jù)接收 指定目標點的位置信息以及待搜索的一軌CCD原始數(shù)據(jù)總長度L通過網(wǎng)口發(fā)送到SoPC 系統(tǒng)，待搜索一軌CCD原始數(shù)據(jù)及所對應的輔助數(shù)據(jù)通過FMC接口發(fā)送到SoPC系統(tǒng)；SoPC系 統(tǒng)根據(jù)所述總長度L和設(shè)定的圖像區(qū)域長度，將CCD原始數(shù)據(jù)劃分為N個圖像區(qū)域，然后SoPC 系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)分離后分別存入片外存儲器DDR中； 步驟二、定位解算 雙核ARM提取當前處理的圖像區(qū)域的四個頂點并進行定位解算，獲取四個頂點的位置 信息； 步驟三、與目標點位置信息比對 進行指定目標點與當前處理的圖像區(qū)域的比對，通過四個頂點的位置信息判斷該目標 點是否在當前處理的圖像區(qū)域內(nèi)，若是，則進入步驟四，否則，以當前處理的圖像區(qū)域的下 一區(qū)域作為當前處理的圖像區(qū)域，并返回步驟二； 步驟四、返回搜索結(jié)果 如果搜索到目標點則通過網(wǎng)口返回相應的區(qū)域信息，否則返回未搜索到。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法， 其特征在于，所述設(shè)定的圖像區(qū)域的長度為256，3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法， 其特征在于，所述步驟二中，按照由上至下的順序?qū)λ鶆澐值膱D像區(qū)域進行編號，若當前處 理的圖像區(qū)域為第一個區(qū)域時，由ARM CPUO解算圖像區(qū)域中左側(cè)兩個頂點的位置信息，由 ARM CPUl解算圖像區(qū)域中右側(cè)兩個頂點的位置信息，若當前處理的圖像區(qū)域的上一區(qū)域圖 像已經(jīng)比對結(jié)束，則ARM CPUO解算圖像區(qū)域中左下方頂點的位置信息，ARM CPUl解算圖像 區(qū)域中右下方頂點的位置信息，并以上一區(qū)域圖像下方兩頂點的位置信息作為當前處理的 圖像區(qū)域上方兩頂點的位置信息。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SoPC的遙感CCD原始數(shù)據(jù)指定目標區(qū)域自動提取實現(xiàn)方法， 其特征在于，每個頂點定位解算的具體過程為： (1) 建立地球固定參考系下的投影中心坐標轉(zhuǎn)換到空間固定慣性參考系的轉(zhuǎn)換關(guān)系 為：式中，PN(t)為歲差和章動矩陣，R(t)為地球自轉(zhuǎn)矩陣，W(t)為極移矩陣； (2) 寄存器Q3載入地球固定參考系下的投影中心坐標[Xs Ys Zs]CTS，W(t)為3X3的矩陣， 寄存器Qq、Qi、Q2分別載入極移矩陣W(t)的三列，寄存器QoU 2中載入的數(shù)據(jù)分別與寄存器 Q3中載入的數(shù)據(jù)相乘，并將相乘的結(jié)果緩存至寄存器〇4、95、96，將寄存器94、95、96對應元素 相加得致丨勺計算結(jié)果； (3) 依次將R(t)和PN(t)按照步驟（2)的形式進行處理，得到空間固定慣性參考系下的 投影中心坐標[Xs Ys Zs]cis; (4) 建立像方向量與物方向量的嚴格對府共線方為，[xk，yk，_f ]為頂點在傳感器坐標系下的坐標;λ為縮放比例;Rbs為傳感器坐標系與本體 坐標系間的轉(zhuǎn)換矩陣，Rfb為本體坐標系與軌道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，Rcf為軌道坐標系與空間 固定慣性參考系之間的轉(zhuǎn)換矩陣； (5) 按照步驟(2)的方式進行矩陣計算，得到頂點的坐標(X，Y，Z)CIS。
【文檔編號】G06K9/00GK106022240SQ201610317999
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】陳禾, 劉文超, 陳亮, 閆宇松, 齊保貴, 王鵬林
【申請人】北京理工大學