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一种FPGA实现的序列图像目标多维特征实时提取方法

冯水春 王志鹏 杨建军 周海 卞春江 孟新

冯水春, 王志鹏, 杨建军, 周海, 卞春江, 孟新. 一种FPGA实现的序列图像目标多维特征实时提取方法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(3): 576-585. doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0014
引用本文: 冯水春, 王志鹏, 杨建军, 周海, 卞春江, 孟新. 一种FPGA实现的序列图像目标多维特征实时提取方法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(3): 576-585. doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0014
FENG Shuichun, WANG Zhipeng, YANG Jianjun, ZHOU Hai, BIAN Chunjiang, MENG Xin. An FPGA-implemented Method for Real-time Multi-dimensional Feature Extraction of Sequence Image Targets (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(3): 576-585 doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0014
Citation: FENG Shuichun, WANG Zhipeng, YANG Jianjun, ZHOU Hai, BIAN Chunjiang, MENG Xin. An FPGA-implemented Method for Real-time Multi-dimensional Feature Extraction of Sequence Image Targets (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(3): 576-585 doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0014

一种FPGA实现的序列图像目标多维特征实时提取方法

doi: 10.11728/cjss2023.03.2022-0014 cstr: 32142.14.cjss2023.03.2022-0014
基金项目: 国防科技创新特区项目(1916318 ZT00900304)和中国科学院青年创新促进会项目(E0293401)共同资助
详细信息
    作者简介:
  • 中图分类号: TP75

An FPGA-implemented Method for Real-time Multi-dimensional Feature Extraction of Sequence Image Targets

  • 摘要: 目标区域多维特征的建模表征是实现目标跟踪搜索的前提。传统的特征提取方法通常先连通出目标区域,再计算目标特征,实时性不强。提出了一种基于像素的连通域标记及目标特征同步计算方法,建立特征传递机制,利用标号映射表关联标号表与特征属性表,并在区域邻接时进行标号合并和特征属性同步传递计算,保证了目标区域连通完成即可输出目标区域特征。给出一种基于FPGA硬件设计的实现方案。仿真测试结果显示,此方法具有以下几方面优势:连通域标记耗时少,仅为(L × W + 2n/m) × Tclk,接近理论最小值(L × W) × Tclk;利用循环缓存区存储图像,资源消耗小;标记与计算并行处理,提升了检测跟踪效率;多目标特征经测试验证结果准确,可有效支持后续的目标跟踪检测;具有理论与实用价值。

     

  • 图  1  目标特征提取算法流程

    Figure  1.  Algorithm flow of target feature extraction

    图  2  引入标号的工作窗

    Figure  2.  Introduce labeled work windows

    图  3  标号更新

    Figure  3.  Label update schematic diagram

    图  4  标号映射表与特征属性传递

    Figure  4.  Label mapping table and attribute passing

    图  5  FPGA硬件实现流程

    Figure  5.  FPGA hardware function block diagram

    图  6  单块特征提取运行流水

    Figure  6.  Feature extraction running flow

    图  7  连通域仿真结果

    Figure  7.  Simulation results of connected domain

    图  8  目标特征实时计算结果

    Figure  8.  Real-time calculation results of target features

    图  9  连通域分布排列

    Figure  9.  Connected domain distribution permutation

    图  10  单目标灰度及形态分布

    Figure  10.  Gray scale and morphology distribution of single target

    图  11  目标光斑连通结果(星号为能量峰值点)

    Figure  11.  Result of target spot connectivity (The asterisk is the peak energy point)

    图  12  多目标灰度及形态分布

    Figure  12.  Multi-target gray scale and morphology distribution

    图  13  多目标光斑连通结果

    Figure  13.  Multiple target light spot connectivity results

    表  1  目标区域多维特征属性信息

    Table  1.   Multi-dimensional feature attribute information of target region

    行(x)最大坐标列(y)最大坐标
    行(x)最小坐标列(y)最小坐标
    能量峰值区域点数和
    区域能量和峰值点局部灰度和
    行(x)坐标灰度积累积和列(y)坐标灰度积累积和
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    表  2  存储资源消耗

    Table  2.   Storage resource

    内容存储区域数量
    二值+原图Block RAM4
    目标特征属性集Block RAM14
    标号表Block RAM2
    标号映射表Block RAM1
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    表  3  单目标仿真参数

    Table  3.   Single objective simulation parameters

    序号参数名称含义设置值
    1峰值点坐标目标能量峰值点图像坐标${\mu _x} = 15$
    ${\mu _y} = 15$
    2协方差矩阵C用于描述形态分布[8, 2; 2, 8]
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    表  4  多目标仿真参数

    Table  4.   Multi-objective simulation parameters

    序号参数名称含义设置值
    目标1 峰值点坐标 目标能量峰值点图像坐标 (40, 65)
    协方差矩阵C 用于描述形态分布 [8, 2; 2, 8]
    目标2 峰值点坐标 目标能量峰值点图像坐标 (70, 85)
    协方差矩阵C 用于描述形态分布 [5, 2; 2, 5]
    目标3 峰值点坐标 目标能量峰值点图像坐标 (100,115)
    协方差矩阵C 用于描述形态分布 [8, 2; 2, 8]
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    表  5  多目标特征提取结果

    Table  5.   Multi-target feature extraction results

    序号特征名称目标1输出值目标2输出值目标3输出值
    1能量峰值1023800500
    2能量峰值点坐标(55, 40)(85, 70)(115, 100)
    3区域行列边界[44 66 29 51][71 99 56 84][107 123 86 114]
    4能量和497837520426830
    5区域目标像素数373689371
    6局部对比度8.257.627.27
    7灰度重心坐标(55, 41)(85, 71)(115, 101)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-29
  • 修回日期:  2022-12-16
  • 网络出版日期:  2022-12-16

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