激光通信系統(tǒng)中光斑采集處理算法研究

徐高魁，王曉艷

（1.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

隨著科學(xué)的發(fā)展和航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)激光技術(shù)研究已成為一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。激光通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、準(zhǔn)確、快速的信息傳輸，抗干擾性也很強(qiáng)。在激光通信技術(shù)的研究中，快速捕獲、精確跟蹤、精確瞄準(zhǔn)等方向是激光通信領(lǐng)域的重要一環(huán)。

目前，數(shù)字圖像處理通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，為現(xiàn)代激光圖像通信處理技術(shù)的科學(xué)研究應(yīng)用提供了更多的便利。采用數(shù)字圖像處理激光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在激光射頻通信中物體光斑圖像識(shí)別與定位檢測(cè)的技術(shù)研究，已經(jīng)發(fā)展成為提取光斑識(shí)別目標(biāo)物體位置相關(guān)信息的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。各個(gè)學(xué)術(shù)研究合作單位都積極開(kāi)展了電子光斑反射位置成像信息分析檢測(cè)的基礎(chǔ)研究。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，國(guó)外許多研究技術(shù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)采用FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)較高幀頻的高速圖像信號(hào)處理控制系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)對(duì)多點(diǎn)光斑灰度檢測(cè)的模擬算法主要包括：自動(dòng)化閾值處理模擬算法，圓心擬合的中心節(jié)點(diǎn)定位處理算法，基于小波的多點(diǎn)光斑灰度去噪處理算法，單點(diǎn)光斑灰度值算法等。這些實(shí)驗(yàn)方法都認(rèn)為是在高度仿真好的環(huán)境下可以進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)分析研究的，其實(shí)際上在應(yīng)用中的效果并不明確。目前，已實(shí)際投入應(yīng)用的技術(shù)研究中，相關(guān)研究人員提出了通過(guò)采用中值粒子幀頻濾波算法可以實(shí)現(xiàn)了對(duì)640×480 分辨率底片圖像的24Hz 幀頻的幀率檢測(cè)；相關(guān)文獻(xiàn)同時(shí)提出采用幀頻中值粒子濾波的算法可以實(shí)現(xiàn)了對(duì)1024×1024 分辨率底片圖像的幀頻檢測(cè)，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了25Hz 幀頻時(shí)的響應(yīng)；相關(guān)文獻(xiàn)同時(shí)提出了通過(guò)采用三鄰域幀頻計(jì)數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)320×256 圖像的83Hz 的幀頻處理。根據(jù)前期的市場(chǎng)調(diào)研，目前的彩色激光圖像通信處理技術(shù)對(duì)激光圖像通訊處理的幀頻速度要求在1000 ～3000Hz 范圍，研制出高幀頻快速響應(yīng)的彩色光斑衍射圖像通訊處理系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足目前激光圖像通信的幀頻要求，有效地提高激光通訊系統(tǒng)的通信性能。因此，本文建立了一個(gè)高度現(xiàn)實(shí)的FPGA 圖像處理系統(tǒng)，可以在高速圖像領(lǐng)域有效地識(shí)別和探測(cè)目標(biāo)。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)10000Hz 的預(yù)處理和256×256 圖像分辨率的點(diǎn)位檢測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光探測(cè)系統(tǒng)主要以計(jì)算機(jī)為核心來(lái)輸出處理。在以計(jì)算機(jī)作為核心的情況下，通過(guò)圖像采集卡接收攝像機(jī)的圖像信息，然后，將其傳輸至計(jì)算機(jī)，完成光斑中心位置的計(jì)算。當(dāng)要處理的圖像的幀速率太高時(shí)，高速圖像處理需要非常高的計(jì)算機(jī)硬件，使得設(shè)計(jì)成本提高。同時(shí)，傳統(tǒng)方法也使用FPGA+DSP 進(jìn)行圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。盡管這種方法使用FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)高速圖像采集，但是，由于DSP 單線(xiàn)程操作的局限性，圖像處理速度仍然不太高。

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理控制能力，本文設(shè)計(jì)了一種需要采用一個(gè)FPGA 硬核的高速數(shù)字圖像信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于FPGA 系統(tǒng)硬核是一個(gè)高端化FPGA 中的一種內(nèi)部運(yùn)算資源，它通常在保證高端FPGA 的快速數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力的同時(shí)，進(jìn)行卷積、除法等復(fù)雜公式運(yùn)算。采用了FPGA 內(nèi)部多核設(shè)計(jì)出的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制系統(tǒng)，能夠極大地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)算處理速度。所需要設(shè)計(jì)的相關(guān)硬件集成電路及原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中主要設(shè)備包括微計(jì)算機(jī)、FPGA 芯片和視頻攝像機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 光斑中心計(jì)算

系統(tǒng)中光斑位置的定位是通過(guò)探測(cè)圖像目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，通常使用的目標(biāo)定位方法有：?jiǎn)螆D像檢測(cè)方法和序列圖像檢測(cè)方法。序列圖像檢測(cè)方法需基于多個(gè)幀進(jìn)行操作才能輸出一個(gè)結(jié)果，不適合高幀率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，本文使用單幅圖像檢測(cè)技術(shù)，首先，是初步處理；然后，是計(jì)算目標(biāo)的中心位置。其工作原理如圖2 所示。在處理中，它必須首先經(jīng)過(guò)中值濾波和形態(tài)學(xué)開(kāi)放運(yùn)算預(yù)處理，然后，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的質(zhì)心和形心；最后，通過(guò)融合輸出結(jié)果。

圖2 光斑中心計(jì)算流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由激光器、準(zhǔn)直光管、兩組快速反射鏡、快速反射鏡控制器、高速CMOS 攝像機(jī)、實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)和上位機(jī)組成。除計(jì)算機(jī)外，所有其他部件和設(shè)備都位于氣浮平臺(tái)上。激光發(fā)射到850nm 的范圍內(nèi)，經(jīng)光管準(zhǔn)直，依次入射到第一和第二快反射鏡上。所用攝像機(jī)為Mc-3082 型CMOS 攝像機(jī)，它的調(diào)整分辨率為256×256，幀率為10000Hz，曝光時(shí)間為0.09ms。功能是在兩次反射后接收光信號(hào)，并將數(shù)字圖像信號(hào)引入實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)完成從中心位置提取圖像和光斑，然后，將圖像信號(hào)和目標(biāo)位置信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上顯示和存儲(chǔ)。主控制計(jì)算機(jī)使用Amax，是一個(gè)小工作站。

在靜態(tài)環(huán)境下，采集光斑圖像并計(jì)算光斑位置。再將計(jì)算結(jié)果和設(shè)定好的光斑位置值做差來(lái)獲得脫靶量?？梢钥闯?，在沒(méi)有干擾的原始靜態(tài)條件下，系統(tǒng)誤差為0.034 像素，是比較小的。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10000Hz 幀頻的圖像光斑探測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了激光通信過(guò)程中光斑的捕獲方式，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA 的高速光斑采集系統(tǒng)。研究了中值濾波對(duì)圖像的優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了加權(quán)平均算法識(shí)別光斑位置。結(jié)果證明，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取激光光斑數(shù)據(jù)。