本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理和伺服控制領(lǐng)域，主要涉及一種適用于各種光電穩(wěn)定跟蹤平臺中的快速反射鏡(FSM)穩(wěn)像方法，具體為一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置及方法。
背景技術(shù)：
：光電穩(wěn)定跟蹤平臺被廣泛應(yīng)用于地基、車載、艦載、機(jī)載、彈載以及各種航天設(shè)備中。當(dāng)這些平臺上的成像系統(tǒng)對目標(biāo)成像時，會由于一些內(nèi)部原因(例如平臺的運(yùn)動、抖動及姿態(tài)變化等)，或者一些外部原因(例如大氣效應(yīng)，即風(fēng)效應(yīng)或載體上局部壓力變化等)使各種圖像傳感器(相機(jī)、多光譜及超光譜傳感器或電視或紅外傳感器等)在曝光的同時，待成像物體與感光元件間存在相對運(yùn)動。這種相對運(yùn)動會導(dǎo)致成像模糊或產(chǎn)生拖尾效應(yīng)，使得成像質(zhì)量往往產(chǎn)生一定程度的退化，對比度以及分辨率降低，對于高分辨率圖像傳感器的來說情況更為嚴(yán)重。這嚴(yán)重影響了光電穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的精確跟蹤和打擊能力。如何降低甚至消除各種干擾對成像質(zhì)量的影響也成為了穩(wěn)像技術(shù)的關(guān)鍵所在。目前常用的穩(wěn)像技術(shù)主要有：光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)、微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)、電子穩(wěn)像技術(shù)。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)是在光路中設(shè)置一些光學(xué)元件作為對不穩(wěn)定圖像的補(bǔ)償，典型的光學(xué)穩(wěn)像方法是利用光楔來控制瞄準(zhǔn)線的方向，通過移動或者轉(zhuǎn)動光楔，改變出射光線的角度和方向，來進(jìn)行像移的補(bǔ)償，從而達(dá)到穩(wěn)像的目的。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的主要缺陷是僅適用于振動較小的環(huán)境條件，且補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)和制造工藝太復(fù)雜。同時，如果僅依靠棱鏡、反射鏡或者光楔等光學(xué)元件進(jìn)行被動補(bǔ)償，穩(wěn)定能力受到較大限制。微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)是通過微機(jī)械裝置直接控制偏轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動或成像焦面移動，補(bǔ)償像移，完成穩(wěn)像任務(wù)。微機(jī)械穩(wěn)需要通過一定方法來獲得焦面位置并對位移進(jìn)行控制。電子穩(wěn)像技術(shù)是應(yīng)用數(shù)字圖像處理的方法來直接確定圖像序列的偏移并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，電子穩(wěn)像方法只是去除視頻圖像序列幀間因攝像機(jī)無意抖動造成的擾動，它只能使視頻序列在播放過程中在視覺上產(chǎn)生一種穩(wěn)定播放的效果，而不能對單幅圖像在曝光時間內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)像，不能對瞄準(zhǔn)線進(jìn)行穩(wěn)定控制，也不能真正提高其成像的分辨率。中國專利201210073946.1公開了一種基于圖像相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)來解決一些光學(xué)成像體統(tǒng)對相機(jī)高分辨像質(zhì)的要求。但是該專利中的方法主要適用于高分辨率遙感器，并且該專利中提到的算法運(yùn)算量大，對于圖像的處理是在整像素精度上，精度不高。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置及方法。本發(fā)明中所使用的方法不僅具有運(yùn)算量小、速度快、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且由于在光電穩(wěn)瞄、跟蹤系統(tǒng)中普遍采用快速反射鏡來進(jìn)行二級穩(wěn)定，所以本發(fā)明的方法還有提高瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度的作用，在實戰(zhàn)中應(yīng)用本發(fā)明的方法可以提高武器系統(tǒng)的精確跟蹤、打擊能力，提高我軍的作戰(zhàn)能力。本發(fā)明的技術(shù)方案為：所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置，其特征在于：包括探測器和圖像相關(guān)處理單元；探測器處于光電穩(wěn)定跟蹤平臺的成像光路中，光電穩(wěn)定跟蹤平臺快速反射鏡反射的光學(xué)信號匯聚在探測器上；探測器將采集的圖像信號輸出給圖像相關(guān)處理單元，并在圖像相關(guān)處理單元中緩存；圖像相關(guān)處理單元將輸入的圖像與緩存的前一幀圖像進(jìn)行亞像素級的圖像相位互相關(guān)計算，得到兩幀圖像的全局運(yùn)動矢量；圖像相關(guān)處理單元根據(jù)得到的全局運(yùn)動矢量和光電穩(wěn)定跟蹤平臺光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，計算得到引起兩幀圖像位移的偏轉(zhuǎn)角度；圖像相關(guān)處理單元將計算得到的偏轉(zhuǎn)角度輸出給光電穩(wěn)定跟蹤平臺中快速反射鏡的控制模塊，控制模塊驅(qū)動快速反射鏡偏轉(zhuǎn)。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置，其特征在于：探測器采用CCD/CMOS探測器，圖像相關(guān)處理單元為基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置，其特征在于：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元由圖像預(yù)處理單元、幀緩存模塊、圖像FFT變換模塊、圖像iFFT變換模塊和軟核模塊組成。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置，其特征在于：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元中，采用快速傅里葉變換的方法實現(xiàn)兩幀圖像的實時相關(guān)運(yùn)算，采用在FPGA內(nèi)部調(diào)用軟核的方法，在軟核內(nèi)部計算兩幀圖像的互相關(guān)譜以及計算全局運(yùn)動矢量。所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元從CCD/CMOS探測器讀取第N幀圖像信息，當(dāng)N＝1時，該幀圖像存入緩存中，作為參考幀；當(dāng)N＝2,3,…時，該幀圖像作為本次圖像處理流程的當(dāng)前幀，并存入緩存中作為下一次圖像處理流程的參考幀；步驟2：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對當(dāng)前幀進(jìn)行暗電流校正、增益校正、濾波處理，消除圖像噪聲；步驟3：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對當(dāng)前幀和參考幀進(jìn)行采樣，并進(jìn)行快速傅里葉變換；利用FPGA內(nèi)部的軟核計算快速傅里葉變換后的當(dāng)前幀和參考幀的互相關(guān)譜；基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對互相關(guān)譜進(jìn)行反傅立葉變換后再送入軟核，在軟核內(nèi)計算當(dāng)前幀和參考幀的整像素全局運(yùn)動矢量；步驟4：依據(jù)整像素全局運(yùn)動矢量，選取當(dāng)前幀和參考幀重疊的部分進(jìn)行插值，對插值后的兩幀圖像再進(jìn)行快速傅里葉變換；利用FPGA內(nèi)部的軟核計算快速傅里葉變換后的兩幀插值圖像的互相關(guān)譜；基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對互相關(guān)譜進(jìn)行反傅立葉變換后再送入軟核，在軟核內(nèi)計算插值后的兩幀圖像的亞像素運(yùn)動矢量；步驟5：根據(jù)整像素全局運(yùn)動矢量和亞像素運(yùn)動矢量加權(quán)計算得到當(dāng)前幀和參考幀的亞像素全局運(yùn)動矢量。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像方法，其特征在于：步驟3計算當(dāng)前幀和參考幀的整像素全局運(yùn)動矢量的具體過程為：對當(dāng)前幀f(x,y)和參考幀g(x,y)進(jìn)行n倍下采樣得到f′(x,y)和g′(x,y)；再對f′(x,y)和g′(x,y)進(jìn)行FFT變換后得到F(u,v)和G(u,v)；在FPGA內(nèi)部調(diào)用軟核根據(jù)公式P(u,v)=F(u,v)·G*(u,v)|F(u,v)·G*(u,v)|]]>計算互功率譜，其中G*(u,v)為G(u,v)的復(fù)共軛，|·|表示取模；在FPGA內(nèi)部對互功率譜P(u,v)進(jìn)行反傅立葉變換后再送入軟核，在軟核內(nèi)計算當(dāng)前幀和參考幀的整像素全局運(yùn)動矢量。進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像方法，其特征在于：步驟5中根據(jù)整像素全局運(yùn)動矢量和亞像素運(yùn)動矢量加權(quán)計算得到當(dāng)前幀和參考幀的亞像素全局運(yùn)動矢量的具體過程為：根據(jù)公式x=Delta_nx*n±Delta_mxmy=Delta_ny*n±Delta_mym]]>計算得到亞像素全局運(yùn)動矢量Δ(x,y)，其中Δ(Delta_nx，Delta_ny)為整像素全局位移矢量，Δsub(Delta_mx，Delta_my)為亞像素運(yùn)動矢量；m為步驟4中的插值倍數(shù)，n為步驟3中的下采樣倍數(shù)。有益效果本發(fā)明中所使用的方法不僅具有運(yùn)算量小、速度快、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。并且由于在光電穩(wěn)瞄、跟蹤系統(tǒng)中普遍采用快速反射鏡來進(jìn)行二級穩(wěn)定，所以本發(fā)明的方法還有提高瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度的作用，在實戰(zhàn)中應(yīng)用本發(fā)明的方法可以提高武器系統(tǒng)的精確跟蹤、打擊能力，提高我軍的作戰(zhàn)能力。附圖說明圖1是基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖像處理硬件平臺原理圖。圖3是FPGA內(nèi)部工作流程圖。圖4是快速反射鏡控制原理圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例描述本發(fā)明：本如圖1所示，實施例中的基于亞像素相位相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像裝置括高速CCD/CMOS探測器5和基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元7。CCD/CMOS探測器5處于光電穩(wěn)定跟蹤平臺的成像光路中，光電穩(wěn)定跟蹤平臺的成像光路以及其余控制系統(tǒng)還有固定反射鏡1、第一透鏡組2、快速反射鏡3、第二透鏡組4，光電-電視傳感器6，以及快速反射鏡控制單元8。固定反射鏡1采用普通的反射鏡；第一透鏡組2，口徑為150mm，焦距1800mm，F(xiàn)數(shù)為12，分辨率＜5”，系統(tǒng)瞬時視場為8urad，總視場0.95°；快速反射鏡3采用四支點(diǎn)XY軸壓電偏轉(zhuǎn)平臺，其閉環(huán)傾斜角度可達(dá)+2mrad，分辨率達(dá)0.05urad，鏡面直徑為50mm，閉環(huán)線性度0.2％，共振頻率3.3KHz，其鏡面與焦平面的距離H為100mm；第二透鏡組4，口徑為150mm，焦距1800mm，F(xiàn)數(shù)為12，分辨率＜5”，系統(tǒng)瞬時視場為8urad，總視場0.95°；高速CCD/CMOS探測器5采用高幀頻CMOS器件，其面陣大小可配置，最大2048×1088，本發(fā)明中配置為640×480，可見光波段，像移尺寸為5.5μm×5.5μm，幀頻最大幀頻780fps，本發(fā)明中設(shè)置為500fps，積分時間小于1ms；光電-電視傳感器6采用具有全局快門的單色面陣CCD器件，其面陣大小為1024×768，響應(yīng)波長為400～1000nm，像元尺寸為14um×14um，幀頻25fps，積分時間可調(diào)整，模擬接口，PAL制式；FPGA圖像相關(guān)處理單元7如圖2所示，它由圖像預(yù)處理單元、幀緩存模塊、圖像FFT變換模塊、圖像iFFT變換模塊和軟核模塊組成。FPGA選用Xilinx公司的XC6SLX45T-3FGG484I，該芯片屬于Spartan-6系列，性價比高，資源豐富，速度等級高，有296個有效I/O口，54576個slice，2088Kbramblock，4個鎖相環(huán)，1個microblaze軟核，工業(yè)級溫度范圍-40℃～85℃；快速反射鏡控制單元8采用四支點(diǎn)XY軸壓電偏轉(zhuǎn)平臺，其閉環(huán)傾斜角度可達(dá)+2mrad，分辨率達(dá)0.05urad，鏡面直徑為50mm，閉環(huán)線性度0.2％，共振頻率3.3KHz，其鏡面與焦平面的距離H為100mm。目標(biāo)的光學(xué)信號通過成像光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過快速反射鏡3的反射后將信號匯聚在CCD/CMOS探測器5和光電-電視傳感器6上，F(xiàn)PGA圖像相關(guān)處理單元7實現(xiàn)對CCD/CMOS探測器5的控制和圖像信號采集，采集后的圖像信號在FPGA圖像相關(guān)處理單元7內(nèi)部進(jìn)行緩存，并與前一幀圖像進(jìn)行亞像素級的圖像相位互相關(guān)計算，得到前后兩幀圖像的全局運(yùn)動矢量，根據(jù)圖像的全局運(yùn)動矢量結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)計算出前后引起兩幀圖像位移的偏轉(zhuǎn)角度。將該角度送給快速反射鏡控制單元8，由快速反射鏡控制轉(zhuǎn)換成電壓量來驅(qū)動快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)。使圖像在光電-電視傳感器6上保持相對穩(wěn)定或抖動頻率保持在一定范圍內(nèi)，最后光電-電視傳感器6對圖像信號進(jìn)行積分，這樣光電-電視傳感器6就獲得了穩(wěn)定的高分辨率的視頻圖像。同時抑制了瞄準(zhǔn)線的漂移，并且保證探測器的圖像穩(wěn)定。由于圖像相關(guān)計算量較大的問題，本發(fā)明設(shè)計了基于FPGA的數(shù)字圖像采集及數(shù)字圖像處理模塊，F(xiàn)PGA具有并行處理，靈活編程的特點(diǎn)。由于FPGA處理邏輯和時序信號效率很高，但是對于數(shù)字信號處理相對較弱。本發(fā)明采用了在FPGA內(nèi)部調(diào)用軟核的方法進(jìn)行數(shù)字信號計算。該系統(tǒng)中的FPGA圖像相關(guān)處理單元采用快速傅里葉變換的方法實現(xiàn)兩幀圖像的實時相關(guān)運(yùn)算，而計算兩幀圖像的互相關(guān)譜和計算位移矢量則在軟核內(nèi)部完成。其內(nèi)部功能模塊如圖3所示，其進(jìn)行圖像處理的流程如下：步驟1：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元從CCD/CMOS探測器讀取第N幀圖像信息，當(dāng)N＝1時，該幀圖像存入緩存中，作為參考幀；當(dāng)N＝2,3,…時，該幀圖像作為本次圖像處理流程的當(dāng)前幀，并存入緩存中作為下一次圖像處理流程的參考幀。步驟2：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對當(dāng)前幀進(jìn)行暗電流校正、增益校正、濾波處理，消除圖像噪聲。步驟3：基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對當(dāng)前幀f(x,y)和參考幀g(x,y)進(jìn)行n倍下采樣得到f′(x,y)和g′(x,y)；再對f′(x,y)和g′(x,y)進(jìn)行FFT變換后得到F(u,v)和G(u,v)；這里為了保證FPGA的處理速度，選擇流水處理方式，在FPGA內(nèi)部調(diào)用軟核根據(jù)公式P(u,v)=F(u,v)·G*(u,v)|F(u,v)·G*(u,v)|]]>計算互功率譜，其中G*(u,v)為G(u,v)的復(fù)共軛，|·|表示取模；在FPGA內(nèi)部對互功率譜P(u,v)進(jìn)行反傅立葉變換后再送入軟核，在軟核內(nèi)計算當(dāng)前幀和參考幀的整像素全局運(yùn)動矢Δ(Delta_nx，Delta_ny)。步驟4：依據(jù)整像素全局運(yùn)動矢量，選取當(dāng)前幀和參考幀重疊的部分fsub(x,y)和gsub(x,y)進(jìn)行m倍插值得到f’sub(x,y)和g’sub(x,y)，對插值后的兩幀圖像f’sub(x,y)和g’sub(x,y)再進(jìn)行快速傅里葉變換；利用FPGA內(nèi)部的軟核計算快速傅里葉變換后的兩幀插值圖像的互相關(guān)譜；基于FPGA的圖像相關(guān)處理單元對互相關(guān)譜進(jìn)行反傅立葉變換后再送入軟核，在軟核內(nèi)計算插值后的兩幀圖像的亞像素運(yùn)動矢量Δsub(Delta_mx，Delta_my)；步驟5：根據(jù)整像素全局運(yùn)動矢量和亞像素運(yùn)動矢量加權(quán)計算得到當(dāng)前幀和參考幀的亞像素全局運(yùn)動矢量：根據(jù)公式x=Delta_nx*n±Delta_mxmy=Delta_ny*n±Delta_mym]]>計算得到亞像素全局運(yùn)動矢量Δ(x,y)。而后將亞像素全局運(yùn)動矢量Δ(x,y)送給控制模塊8，控制模塊8內(nèi)部的角速率解析單元結(jié)合基于亞像素圖像相關(guān)檢測的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，計算出圖像全局運(yùn)動角度結(jié)合前后兩幀圖像的采樣間隔時間Δt，可計算出圖像的抖動角速度ωx，ωy，將抖動角速度信號送給如圖4中的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)將圖像的抖動角速度信號ωx，ωy與外界控制信號vx，vy疊加后得到誤差信號ex，ey，送入驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)換成快速反射鏡的驅(qū)動電壓量Vx，Vy送出，驅(qū)動快速反射鏡偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)偏移量的反饋控制。保證光電-電視傳感器所接收到的圖像相對慣性空間保持穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)像和穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線的目的。當(dāng)前第1頁1 2 3