[发明专利]基于FPGA的嵌入式单目被动目标跟踪定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种基于FPGA实现的嵌入式单目被动目标跟踪定位系统及方法，可用于对面成像目标的定位和跟踪。

背景技术

目标的跟踪定位主要涉及到对目标的测距。定位系统自身的位置可以通过GPS定位装置得到，目标相对定位系统的角度方位可以通过角度传感器得到，因此要对目标进行跟踪定位就要在一段时间内对其进行连续测距。被动测距由于不需要向目标发射探测信号，具有隐蔽性好的特点。单目测距相对于双目和多目测距具有实现方案简单的特点。单目被动测距的主要方法有图像分析法。图像分析法的原理是通过对目标图像进行处理，提取和分析图像中的距离相关特征，并利用该特征对目标进行测距。目前这一领域比较有代表性的理论研究成果有以下几篇文献：[1]Lepetit V.,Fua P.:Monocular Model Based3D Tracking Rigid Objects(2005),[2]RaghuveerR.,Seungsin L.:A Video Processing Approach for Distance Estimation(2006)和[3]de Visser M.:Passive Ranging Using an Infrared Search and Track Sensor(2006)。文献[1]提出了一种基于单目成像模型的3D重建方法，可用于对目标的跟踪定位，但是该方法由于涉及3D重建，因而较为复杂，不适用于嵌入式目标跟踪定位系统；文献[2]提出了一种利用目标成像的尺度变化和小波分析来估计目标距离的方法，但是该方法需要目标在成像尺度上发生变化，因而适用范围较小，实用性不强，同时计算也相对复杂；文献[3]提出了一种基于大气传输特性、目标成像面和目标运动分析的被动测距方法，但是由于该方法涉及的计算参数过多，因而较为复杂，不适合于在嵌入式设备上实现。此外，目前的单目被动目标跟踪定位方法在实际应用中都会遇到一些问题。首先是目标的成像过程容易受到背景光和噪声的干扰，导致无法从目标图像中提取出距离相关特征，定位过程的可靠性会受到影响；其次目标的跟踪对系统的实时性要求比较高，但由于目标图像中的距离相关特征的提取过程一般较复杂，而嵌入式设备的计算能力较为有限，因此单目被动目标跟踪定位方法不易在嵌入式设备上得到实时实现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于FPGA的嵌入式单目被动目标跟踪定位系统及方法，以提升定位跟踪的可靠性和实时性。

为实现上述目的，本发明基于FPGA的嵌入式单目被动目标跟踪定位系统，包括：

目标成像装置，用于对目标进行光学成像；

光电经纬仪，用于获得目标的角度方位信息；

GPS定位装置，用于确定系统自身的空间位置；

FPGA嵌入式处理单元，用于对目标的图像进行处理，提取距离相关特征并完成测距，进而对目标进行定位；

所述的FPGA嵌入式处理单元，包括功能模块：

CPU核心模块，用于控制和完成定位过程中的数学运算；

系统存储器模块，用于存储CPU程序和数据，以及对运算过程中的临时数据进行缓存；

积分图像模块，用于提取图像特征点时的积分操作，读入图像的灰度数据，输出积分图像数据；

Hessian响应模块，用于在提取图像特征点时计算Hessian响应，即对于图像上的每个像素点，Hessian响应模块读取该像素点的相关积分图像数据，输出该像素点的Hessian响应；

DMA控制器模块，用于控制系统存储器模块和积分图像模块以及系统存储器模块和Hessian响应模块之间的数据传输。

为实现上述目的，本发明基于FPGi的嵌入式单目被动目标跟踪定位方法，包括如下步骤：

（1）对目标进行连续成像，得到目标图像序列，该图像序列的灰度格式为8位，分辨率为256*256，每次读取序列中的一幅图像计算其对比度σ²；