说明书一种基于电子图像处理器的图像序列位移矢量测量装置
技术领域
本发明涉及数字图像处理领域里的运动探测技术，具体是一种基于电子图像处理器的图像序列微位移矢量测量装置，该装置能够应用于航空、航天长焦距成像光学系统稳定成像领域。
背景技术
随着机载、星载高分辨率遥感技术的不断发展，成像光学系统的焦距在不断地延长，角分辨率也在不断提高，如近年来发射的WorldView‑2、GeoEye‑1/2、IKONOS等卫星，焦距都超过10m，角分辨率均小于1μrad。角分辨率的提高使得系统对于外界的扰动更加敏感，事实上，由于卫星平台振动产生的视轴抖动已经成为影响遥感图像质量的重要因素。
为了补偿上述视轴抖动引起的图像质量下降，首先应当采用一种合适的手段，在极短的时间内精确测量视轴抖动的角位移信息。
C.J.Weaver和J.W.Goodman于1966年提出了“联合相关变换器”（C.J.Weaver, J.W.Goodman. A technique for optically convolving two functions. Appl.Opt.,5:1248‑1249,1966），该方法基于傅里叶光学原理，可以借助照相介质或空间光调制器（Space Light Modulator，SLM）实现。
上述方法的基本原理是将图像时间序列中前后相邻的两帧图像分别作为参考图像和目标图像，将二者合成一帧联合输入图像，通过对该图像实施互相关运算，得到含有位移矢量信息的频谱图像。
如果令输入的参考图像为r(x,y)，其中心位于(‑a,0)；目标图像为t(x,y)，其中心位于(a,0)；由参考图像和目标图像组成的联合输入图像为f(x,y)，则输入的图像可以表示为：
f(x,y)=r(x+a,y)+t(x‑a,y)
则经过一次傅里叶变换的频谱分布为：
F(u,v)=exp[j2πau]R(u,v)+exp[‑j2πau]T(u,v)
其中：
R(u,v)=∫∫r(x,y)exp[‑j2π(ux+vy)]dxdy
T(u,v)=∫∫t(x,y)exp[‑j2π(ux+vy)]dxdy
F(u,v)、R(u,v)和T(u,v)分别为联合输入图像、参考图像和目标图像的傅里叶变换，则联合功率谱：
将上述联合功率谱进行傅里叶逆变换可得：
式中，代表相关，*代表卷积，表达式中的前两项重叠在输出平面的中心附近，称为零级衍射，并不是所需要的信号。表达式中的第三项和第四项称为正、负一级衍射，二者在输出图像中分别平移了‑2a和2a，这两项包含了目标图像与参考图像之间的相对位移量，是所寻求的相关信号。通过质心算法等数学手段，能够在输出的图像上搜索相关峰的位置，该位置矢量即代表前后两帧图像间的相对位移矢量。
上述方法的硬件实施方式如图1所示：典型的联合相关器由两个结构完全相同的变换器组成，每个变换器的作用是对输入的图像实施一次二维傅里叶变换，经过两次傅里叶变换，即可完成相关运算。
联合相关器首先将一号面阵探测器101拍摄到的图像加载至一号SLM 105，然后由激光器102作为光源，出射的光经准直透镜103准直，经过一号SLM 105的调制，经傅里叶变换透镜104进行二维傅里叶变换后，将频谱成像于二号面阵探测器106上。然后，再将第一次傅里叶变换的频谱图像加载至二号SLM 107，最后，在三号面阵探测器108上得到含有互相关信息的图像并输出。
上述方法能够有效地提取位移矢量，测量精度优于1个像元。但是，如果按照上述基于SLM的实现方法，存在一些问题，如下：
1）系统过于复杂：
该系统至少包含如下器件：三台面阵探测器、两台空间光调制器、两台激光器、两组准直透镜、两组傅里叶透镜。另外，还要安装相应的支撑结构件、电源、电子学控制板等。增加上述器件致使系统的重量、功耗大幅增加，可靠性下降，不符合机载、星载设备的基本要求；
2）对空间环境的适应能力较差：
目前，空间光调制器多采用液晶器件，众所周知，液晶器件不能抵御空间辐射造成的损伤。并且，与一般的电子元器件不同，液晶器件本身无法实施进行抗辐射加固。
3）系统响应频率较低：
液晶空间光调制器的响应频率较低，无法适应实时探测高频的视轴抖动。以德国Holoeye公司的LC‑R720型液晶空间光调制器为例，其最高响应频率仅为180Hz，远低于遥感相机kHz量级的推扫行频（即曝光频率）。
发明内容
为了解决现有联合相关器存在的系统过于复杂、对空间环境的适应能力较差、系统响应频率较低的技术问题，本发明提供一种基于电子图像处理器的图像序列位移矢量测量装置，其是完全基于电子学图像处理器的相关器，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，其构造简单，可实现性更好，更加适用于航空、航天等恶劣环境下的应用。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种基于电子图像处理器的图像序列位移矢量测量装置包括：面阵探测器和图像处理电路，所述图像处理电路包括图像数据采集接口模块、第一图像数据缓存模块、第二图像数据缓存模块、图像处理器读写与测试接口模块、电子图像处理器、D/A转换模块和二次电源模块；
所述面阵探测器与图像数据采集接口模块连接，图像数据采集接口模块与第一图像数据缓存模块连接，第一图像数据缓存模块与第二图像数据缓存模块连接，电子图像处理器分别与第一图像数据缓存模块、第二图像数据缓存模块、图像处理器读写与测试接口模块、D/A转换模块连接，二次电源模块分别与图像数据采集接口模块、第二图像数据缓存模块、电子图像处理器、D/A转换模块连接；
所述面阵探测器输出的图像数据由图像数据采集接口模块采集至第一图像数据缓存模块，第一图像数据缓存模块存储该图像数据并同时将接收的图像数据传输给第二图像数据缓存模块，第二图像数据缓存模块接收到第一图像数据缓存模块传来的图像数据后，与第一图像数据缓存模块同时将图像数据输入电子图像处理器；第一图像数据缓存模块在将内部的图像数据传输至电子图像处理器后，清空内部图像数据或再读入一帧图像覆盖原图像数据；电子图像处理器读入两帧图像数据后，将二者拼接为一帧图像，并进行互相关计算得到二维位移矢量数据，然后将二维位移矢量数据传输至D/A转换模块，D/A转换模块将二维位移矢量数据由数字量转化为模拟量作为补偿信号输出；
所述图像处理器读写与测试接口模块为电子图像处理器下载程序或写入程序的接口，二次电源模块用于给图像处理电路提供电源。
本发明的有益效果如下：
1）装置结构大幅简化，可行性显著提高：
本发明所采用的结构仅包含一台面阵探测器和一台电子图像处理器，与现有实施方式相比省去了激光器、透镜、SLM等对空间辐射环境极为敏感的器件，使其在航天领域的可实现性大大增强。
2）装置体积缩小，装置重量减轻：
现有相关器包括激光器、透镜、SLM等体积较大的器件，这些光学元件总重量约占数公斤，不适合对系统重量要求苛刻的航空航天应用，而本发明省去了上述光学元件，所需要的全部重量远小于一公斤，约数十至数百克。
3）装置的测量精度和可靠性增强：
现有的联合相关器需要激光器、透镜、SLM三者间的光轴精密校准，校准精度直接制约装置的位移测量精度，当装置受到火箭发射等高强度振动时，容易使上述光学元件间产生相对位移，从而导致测量精度下降。本发明采用的结构形式简单，几乎不受振动等外界因素的影响。
4）实现成本大幅降低：
如果激光器等光学器件采用航天级产品，其成本极为高昂，而本发明所采用的器件数量较少，成本较低。
5）运算速度提升：
按照市场上的产品达到的水平，很多CMOS相机都具有较高的读出速率，尤其是选取小感兴趣区域（Region Of Interest，ROI）后（如256×128或128×64或64×32），其帧频可以达到10k fps以上。而对于电子图像处理器，以FPGA为例，FPGA芯片具有并行处理、流水线运行等特点，其运行FFT（快速傅里叶变换）计算的时间达到μs量级，因此对于高速处理很容易实现。
附图说明
图1是现有的联合相关器的结构示意图。
图2是本发明基于电子图像处理器的图像序列位移矢量测量装置的示意图。
图3是本发明中的图像处理电路的功能框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
如图2所示，本发明基于电子图像处理器的图像序列位移矢量测量装置主要由面阵探测器201和图像处理电路202组成。如图3所示，本发明测量装置中的图像处理电路202包括图像数据采集接口模块301、第一图像数据缓存模块302、第二图像数据缓存模块303、图像处理器读写与测试接口模块304、电子图像处理器305、D/A转换模块306和二次电源模块307。
所述面阵探测器201可以采用面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器；图像数据采集接口模块301可以采用National Semiconductor公司生产的DS90LV032A型接口芯片；第一图像数据缓存模块302和第二图像数据缓存模块303均可以采用DRAM（Dynamic Random Access Memory）或SRAM（Static Random Access Memory）或SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器）或FPGA内部的FIFO（First Input First Output），比如采用Hynix公司生产的HY57V643220C型SDRAM芯片；图像处理器读写与测试接口模块304可以采用XILINX公司生产的XCF16P型芯片；电子图像处理器305可以采用FPGA或DSP或CPU或GPU（Graphic Processing Unit，图形处理器）等计算能力满足要求的电子处理器，比如选用XILINX公司Virtex‑6系列中的XC6VSX475T；D/A转换模块306采用AD公司生产的AD9777芯片；二次电源模块307采用多片Linear Technology公司生产的LT1764A芯片。
上述面阵探测器201与图像数据采集接口模块301连接，图像数据采集接口模块301与第一图像数据缓存模块302连接，第一图像数据缓存模块302与第二图像数据缓存模块303连接，电子图像处理器305分别与第一图像数据缓存模块302、第二图像数据缓存模块303、图像处理器读写与测试接口模块304、D/A转换模块306连接，二次电源模块307分别与图像数据采集接口模块301、第二图像数据缓存模块303、电子图像处理器305、D/A转换模块306连接。
本发明基于电子图像处理器的图像序列位移矢量测量装置的工作过程（整个装置的运行是一个不断往复循环的过程）如下：面阵探测器201输出的图像数据由图像数据采集接口模块301采集至第一图像数据缓存模块302，第一图像数据缓存模块302存储该图像数据并同时将接收的图像数据传输给第二图像数据缓存模块303，第二图像数据缓存模块303接收到第一图像数据缓存模块302传来的图像数据后，与第一图像数据缓存模块302同时将图像数据输入电子图像处理器305；第一图像数据缓存模块302在将内部的图像数据传输至电子图像处理器305后，清空内部图像数据或再读入一帧图像覆盖原图像数据；电子图像处理器305读入两帧图像数据后，将二者拼接为一帧图像，并进行互相关计算得到二维位移矢量数据，然后将二维位移矢量数据传输至D/A转换模块306，D/A转换模块306将二维位移矢量数据由数字量转化为模拟量作为补偿信号输出；图像处理器读写与测试接口模块304为电子图像处理器305下载程序或写入程序的接口，二次电源模块307用于将飞机或卫星平台提供的一次电源电压转换为图像处理电路202中各元器件的工作电压，并为整个图像处理电路202提供电源，以保证整个装置的正常运转。