盛琳陽，周國輝，崔元全，趙 巍，趙國生，李麗萍

(哈爾濱師范大學(xué))

基于單片F(xiàn)PGA的星提取星識(shí)別圖像處理IP核研究*

盛琳陽，周國輝，崔元全，趙 巍，趙國生，李麗萍

(哈爾濱師范大學(xué))

給出了一種星敏感器星提取和星識(shí)別算法的并行處理方案，設(shè)計(jì)了在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)星點(diǎn)提取和星識(shí)別功能的IP核.該IP核有利于提高星敏感器星圖處理的數(shù)據(jù)更新率及可靠性，降低系統(tǒng)功耗，縮小系統(tǒng)體積.

FPGA;IP核;星敏感器

0 引言

星敏感器是天文導(dǎo)航系統(tǒng)的主要設(shè)備，是一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測量部件.星點(diǎn)提取和星識(shí)別是其關(guān)鍵的技術(shù)［1－2］.近年來在星提取和星識(shí)別算法效率方面有了長足的進(jìn)步，但是在算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上卻存在著忽視星提取和星識(shí)別的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)這兩個(gè)部分的并行處理機(jī)制的研究不夠深入的問題.由于應(yīng)用領(lǐng)域的限制，在星提取和星識(shí)別的硬件實(shí)現(xiàn)方面具有一定的不足，落后于當(dāng)前高速發(fā)展的、已經(jīng)成熟了的電子技術(shù).星點(diǎn)提取和星識(shí)別盡管經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，卻沒有形成一個(gè)具有普適性的IP核.這構(gòu)成了星敏感器數(shù)據(jù)更新率的提升和星敏感器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸.

該文對(duì)星提取和星識(shí)別的并行處理機(jī)制作了研究，采用Xilinx Virtex－5系列的FPGA作為驗(yàn)證平臺(tái)，設(shè)計(jì)了在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)星點(diǎn)提取和星識(shí)別圖像處理的IP核，將星圖量化、微處理器、識(shí)別算法等集成在一塊芯片上，從而提高星圖處理的數(shù)據(jù)更新率、提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)功耗、縮小系統(tǒng)體積.

1 星提取和星識(shí)別的算法及并行處理方案

1.1 星提取及星識(shí)別的并行處理方案

星提取和星識(shí)別具有高度的并行性［3］.實(shí)現(xiàn)星提取和星識(shí)別的高速圖像處理IP核的關(guān)鍵技術(shù)之一是要實(shí)現(xiàn)各個(gè)圖像處理模塊的高度并行機(jī)制.在分析星敏感器圖像處理流程的基礎(chǔ)上，給出如圖1所示的并行處理方案.

圖像的數(shù)據(jù)流以一定的時(shí)序依次傳輸星點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)有效期和消隱期.并行處理方案的基本原理是:在圖像數(shù)據(jù)開始有效時(shí)啟動(dòng)圖像統(tǒng)計(jì)特性流水線以確定圖像分割的閾值;同時(shí)啟動(dòng)圖像分割流水線，分割出星圖中的星點(diǎn);分割流水線啟動(dòng)后，要啟動(dòng)星點(diǎn)定位流水線確定星點(diǎn)坐標(biāo)并計(jì)算星點(diǎn)的能量;當(dāng)確定出三個(gè)星點(diǎn)以后啟動(dòng)星識(shí)別流水線進(jìn)行星匹配，并進(jìn)而計(jì)算星像坐標(biāo)和天球坐標(biāo)獲取該時(shí)刻的三軸姿態(tài)數(shù)據(jù).

1.2 星提取算法

星提取的關(guān)鍵問題是閾值分割和星點(diǎn)定位算法.

圖1 IP核的并行處理方案

星圖閾值的確定對(duì)星提取的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，直接影響到后續(xù)的星識(shí)別工作.這里采用自動(dòng)(自適應(yīng))閾值法作為實(shí)際圖像閾值的確定方法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中E為圖像的均值，β為圖像的方差，α是一個(gè)與噪聲有關(guān)的系數(shù)，這里取5.

為利于并行處理，閾值采用相鄰的上一幅星圖的統(tǒng)計(jì)閾值.

星點(diǎn)定位算法采用質(zhì)心法.設(shè)一顆恒星圖像分布在一個(gè)矩形窗口內(nèi)，包含目標(biāo)的圖像表示為Axy，窗口左上角像元坐標(biāo)為(1，1)，右下角像元坐標(biāo)為(m，n)，閾值化過程表述如下［4］:

質(zhì)心法實(shí)際上就是計(jì)算二值化后圖像的一階矩，即

其中，Axy是像元灰度值，xc和yc是星點(diǎn)信號(hào)矩心橫縱坐標(biāo)，單位為像元，(xc，yc)代表了星點(diǎn)信號(hào)的定位位置.

1.3 星識(shí)別算法

星識(shí)別算法的優(yōu)劣和并行程度的高低關(guān)乎到數(shù)據(jù)更新率和三軸姿態(tài)的精度.筆者選擇當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的三角形算法，算法流程如下［5］:

(1)根據(jù)星點(diǎn)探測亮度，從觀測星圖中選取亮度最大的m顆恒星，作為待識(shí)別星組.

(2)如果3顆恒星不在同一條直線上，則這3顆恒星可以組成一個(gè)星三角形.按照這一規(guī)則，將待識(shí)別星組中所有的觀測星三角形提取出來，并分別予以標(biāo)識(shí).則至多存在個(gè)待識(shí)別星三角形.

(3)取其中一個(gè)星三角形，計(jì)算其三個(gè)邊長edge－星角距;

(4)在導(dǎo)航星表中搜索與三個(gè)星對(duì)角距誤差在 ±εdist范圍內(nèi)的導(dǎo)航星對(duì)Stars.

(5)在Stars中搜索與星圖中的導(dǎo)航星對(duì)星等差值在設(shè)定的誤差門限 ±εbright內(nèi)的導(dǎo)航星對(duì)NewStars.

(6)判定NewStars中是否包含唯一的導(dǎo)航星三角形;若包含則認(rèn)為該次匹配成功，輸出頂點(diǎn)恒星信息;否則該次匹配失敗，轉(zhuǎn)至步驟(7).

(7)判定星圖中所有三角形是否完成匹配:若已經(jīng)全部完成則繼續(xù)下一步;否則轉(zhuǎn)至步驟(3).

(8)檢查星圖識(shí)別記錄，若不為空，則星圖識(shí)別完成，進(jìn)入姿態(tài)求解運(yùn)算;否則，認(rèn)為該次星圖識(shí)別過程失敗.

在此基礎(chǔ)上，在導(dǎo)航星的選取、星座數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造和算法等方面參考了文獻(xiàn)［6］對(duì)三角形算法進(jìn)行了改進(jìn)，使數(shù)據(jù)庫容量、實(shí)時(shí)性及識(shí)別成功率等都得到進(jìn)一步改善.

2 IP核實(shí)現(xiàn)方案

設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的FPGA XC5VFX100T作為驗(yàn)證的實(shí)際器件平臺(tái)，充分利用FPGA中的兩個(gè)PowerPC440和FPGA固有的并行性實(shí)現(xiàn)星點(diǎn)提取和星點(diǎn)識(shí)別的并行運(yùn)算處理任務(wù).按著實(shí)際的功能，將星提取和星識(shí)別高速圖像處理IP核分成兩個(gè)模塊(如圖2所示):星點(diǎn)提取模塊和星識(shí)別模塊.圖中標(biāo)識(shí)的XC5VFX100T模塊1部分為星點(diǎn)提取模塊;標(biāo)識(shí)的XC5VFX100T模塊2為星識(shí)別模塊部分.

圖2 IP核功能模塊的劃分

兩個(gè)模塊間的耦合度很小，一個(gè)模塊的輸出僅是另外一個(gè)模塊的輸入，故兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)可同步進(jìn)行，在兩個(gè)模塊驗(yàn)證可靠后，將它們合并為一個(gè)統(tǒng)一的IP核.

星提取模塊設(shè)計(jì)過程大致分為如下幾個(gè)步驟:

(1)設(shè)計(jì)星圖模擬器，星圖模擬器應(yīng)該能夠接收PC機(jī)仿真星圖的數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)按實(shí)際的圖像時(shí)序提供給星提取模塊.

(2)對(duì)星圖進(jìn)行預(yù)處理.

(3)采用FPGA統(tǒng)計(jì)上一幅星圖的均值和均方根值，由此計(jì)算當(dāng)前的星提取閾值.

(4)設(shè)計(jì)星點(diǎn)定位算法，利用第一塊Power-PC440核確定星點(diǎn).

(5)利用同一塊PowerPC440處理器，確定星點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo).

(6)將星點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)以及星點(diǎn)的灰度和以一定的編碼格式傳送給下一個(gè)模塊.

(7)驗(yàn)證可靠后以實(shí)際的相機(jī)接口替換星模擬器.

星識(shí)別模塊設(shè)計(jì)按如下步驟進(jìn)行:

(1)按著和星提取模塊相同的格式設(shè)計(jì)星點(diǎn)坐標(biāo)及能量模擬器，作為星識(shí)別的穩(wěn)定數(shù)據(jù)源.

(2)設(shè)計(jì)和星識(shí)別算法星相匹配的星庫;星庫存儲(chǔ)于XC5VFX100T外擴(kuò)的32MB SDRAM中.

(3)采用星跟蹤算法，利用第二塊Power-PC440微處理器，提取已知恒星星象坐標(biāo)，并利用星圖中的恒星星象坐標(biāo)和天球坐標(biāo)計(jì)算出星敏感器當(dāng)前的三軸姿態(tài).

(4)星識(shí)別模塊驗(yàn)證可靠后，將星點(diǎn)坐標(biāo)和能量模擬器用星提取模塊的輸出代替.

由于設(shè)計(jì)的IP核比較復(fù)雜，涉及到兩大相對(duì)獨(dú)立的模塊設(shè)計(jì)，故在FPGA的設(shè)計(jì)中采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、綜合，并將實(shí)現(xiàn)結(jié)果約束在預(yù)先設(shè)置好的區(qū)域內(nèi)，最后將所有模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果有機(jī)的組織起來，形成星提取和星識(shí)別高速圖像處理的IP核.

3 結(jié)論

為驗(yàn)證IP核設(shè)計(jì)的正確性，采用星光模擬器對(duì)星敏感器進(jìn)行靜態(tài)測試.測試結(jié)果表明，基于單片F(xiàn)PGA的星提取星識(shí)別圖像處理IP核工作正常，相對(duì)于使用兩片以上集成電路的星提取星識(shí)別實(shí)現(xiàn)方案，該方案星圖處理的數(shù)據(jù)更新率有所提高，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)功耗，縮小了系統(tǒng)體積.

［1］岳蕊，周國輝.Tycho－2星表文件格式數(shù)據(jù)的讀?。跩］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26(4):42－44.

［2］Leitmann M G，Rebordao J M.Star Imaging System.In－Flight Performance［J］.SPIE，1994，2317:167 －177.

［3］周國輝，王曉東，郝志航.星敏感器圖像處理系統(tǒng)的并行流水線操作研究［J］.航天控制，2006，24(1):87 －91.

［4］李爽.基于FPGA的CCD星敏感器星圖預(yù)處理［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］張銳.基于CCD星敏感器的星圖識(shí)別算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.鄭州:解放軍信息工程大學(xué)，2007.

［6］李立宏，林濤，寧永臣，等.一種改進(jìn)的全天自主三角形星圖識(shí)別算法［J］.光學(xué)技術(shù)，2000，26(4):372 －274.

Research on Star Acquirement and Star Identification for IP Core Based on Single Chip FPGA

Sheng Linyang，Zhou Guohui，Cui Yuanquan，Zhao Wei，Zhao Guosheng，Li Liping
(Harbin Normal University)

In this paper，a parallel processing scheme for star acquirement and star identification are presented.IP core that achieves star point acquirement and star identification is designed on a single chip of FPGA.Experimental results demonstrate that such IP core helps enhance the ratio of data update and system reliability of star map processing for star sensor，and system power dissipation and system volume are both reduced significantly.

FPGA;IP core;Star sensor

2010－10－31

*黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(11541104)

(責(zé)任編輯:李佳云)