[0001] 本发明涉及空间飞行器图像采集分析处理技术领域，尤其涉及一种航天器分离目标测距图像处理系统及其方法。

[0002] 随着我国航天技术的快速发展，航天器上的各个设备具有了更高的性能，承担的任务也更加多样化。随着不断更新换代，航天器中传统的监视设备不能满足更高的标准，传统的监视设备不能为其添加不同的算法以承担更多任务，如不能实现检测探测分离目标的实时距离需求；因此，有必要提出一种适用于空间中航天器分离目标测距的图像处理系统。

[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 实施例一

[0034] 如图1‑2所示，本发明提供了一种航天器分离目标测距图像处理系统，包括：

[0035] 视频采集单元，用于在空间环境下进行光电转换及图像预处理，在对待测距目标进行标定的情况下，对标定后的目标图像进行采集；

[0036] 图像编码单元，用于对采集到的目标图像执行压缩转换后进行图像编码；所述图像编码单元，使用3559平台的VENC处理图像，通过H.265协议对图像进行编码。

[0037] 算法处理单元，用于基于测距算法对采集到的目标图像进行计算，得到目标的实时距离；

[0038] 遥测传输单元，用于对编码流和目标距离数据进行收集并进行打包，作为遥测输出发送至对应的下传信道，通过LVDS和RS422下传。所述遥测传输单元，收集编码帧码流和目标距离，编码帧有帧序号。保证进入算法处理模块的源图像帧序号和测得的目标距离信息一一对应，并按照特定协议打包帧序号和目标距离信息作为遥测信息。最后将编码码流打包后通过LVDS下传，将打包后的遥测信息通过RS422下传。

[0039] 本发明实施例主要包括以下单元：视频采集单元、算法处理单元、图像编码单元、遥测传输单元。该处理系统工作流程主要包括以下步骤：首先在地面对待测距目标进行标定，处理系统的视频采集单元拍摄距处理模块某已知距离下的目标图像，记录目标在拍摄图像中的外接矩像素周长和目标物理距离的比例；在空间中，视频采集单元拍摄分离目标的分离过程；视频采集单元将视频数据送至算法处理模块，算法处理模块使用形态学分析对图像中的目标进行提取，获得目标的最小外接矩，带入第一步标定获得的比例，计算获得目标的物理距离；而后，图像编码单元将目标图像编码；最终，遥测发送模块将目标码流和目标距离打包，作为遥测输出发送至下传信道。使用本发明，可以支持探测航天器分离后的距离，本发明测得的目标距离结合图像信息可以作为决策辅助依据。

[0040] 参考图3所示，所述视频采集单元包括镜头组、图像传感器模块、FPGA、DDR、存储器、晶振、对外接口。其中，镜头组采用定制的光学镜头，图像传感器模块采用光传感器CMV12000，光学镜头对可见光谱段光学信号进行采集，将采集到的光信号传输至光传感器，光传感器芯片将靶面采集到的光学信号转换为电信号，图像像素分辨率为4096×3072,通过并行同步视频接口送入传送至FPGA，FPGA芯片将采集到图像电信号进行预处理、图像BT1120数据转换，发送后至图像编码单元和算法处理单元，通过内总线接收压缩编码后图像数据流和目标距离信息，并将数据流按照要求速率通过对外接口进行视频数据流发送；这里的DDR用于进行FPGA芯片的数据缓存；存储器用于作为FPGA芯片的程序存储芯片；晶振用于为所述FPGA芯片提供时钟源；对外接口接收FPGA均速恒定速率图像数据发送，并接受外部控制信号。本实施例中，FPGA将处理后的原始图像数据(BT1120)通过LVDS接口发送
3559芯片，3559内的图像编码单元以进一步进行编码和码流控制。

[0041] 本实施例中的镜头组为自研可见光镜头，光传感器为一款支持4096×3072像素靶面的CMV12000，FPGA为Xi l i nx公司的XC7K325T‑1FFG676I。所述的可见光镜头为自研的可见光镜头，所述的图像传感器芯片为CMOS型CMV12000图像传感器，所述的FPGA芯片为现场可编程门阵列。

[0042] 所述遥测传输单元包括FPGA模块，所述FPGA模块用于将采集到的图像电信号进行预处理、图像BT1120数据转换，接收压缩编码后的数据缓存并传输发送至所述算法处理单元。

[0043] 参考图4所示，所述图像编码单元采用3559芯片的编码处理器作为运行环境，所述3559芯片与外围电路连接，所述3559平台为一款海思开发的专业图像数字处理SOC芯片。所述3559芯片内部包括CPU核、ARM控制核和编码核，所述ARM控制核用于运行用户的服务程序以及图像处理算法；所述编码核包括VI模块、VPSS模块和VENC模块，所述VI模块用于从3559芯片上的M IP I接口处接收来自FPGA预设分辨率的图像数据并存入DDR内；VPSS模块用于对图像数据进行预处理；VENC模块用于对目标图像进行编码并将码流存入输出缓存，等待CPU核内的服务程序申请拉取码流，其中，所述服务程序用于配置编码核参数以及内部模块链接，同时通过SPI高速总线向FPGA传输编码核心输出的H265码流。可以理解为，本实施例中的图像编码单元和算法处理单元均在3559芯片中；其中：图像编码单元选用3559芯片的编码处理器作为运行环境，算法处理单元选用3559芯片的多核心CPU处理器作为运行环境；
3559芯片辅以外围电路。其中，DDR为数据缓存芯片，存储器为图像编码单元和算法处理单元的存储芯片。晶振为3559芯片提供时钟源。该SOC芯片具备ARMCPU、编码核、DSP核，多核心平台。所述的3559的VENC模块为一款3559SOC内置的图像数字处理芯片，该芯片拥有图像编码库，支持H.265编码。

[0044] ARM控制核，负责运行用户的服务程序以及图像处理算法；服务程序负责配置编码核参数以及内部模块链接。同时负责使用3559片上SPI高速总线向FPGA传输编码核心输出的H265码流；图像处理算法每500ms从编码核VI模块获得原始图像数据，运行测距算法，得出目标距离后将帧序号和目标距离参数发送至遥测传输单元。编码核包括VI,VPSS,VENC等模块，VI负责从3559M IP I接口接收来自FPGA4096×3072分辨率的图像数据并存入DDR内；VPSS对图像数据进行预处理；VENC对图像进行编码并将码流存入输出缓存，等待CPU核内的服务程序申请拉取码流。

[0045] 参考图5所示，本实施例的算法处理单元的流程如图，流程包括：图像预处理，图像平均灰度计算，图像腐蚀，膨胀，二值化，联通与分析，目标轮廓提取，根据标定数据计算目标距离以及遥测参数输出。其中，所述的图像预处理包括，图像平均灰度计算，图像腐蚀，膨胀，二值化。所述形态学分析包括：轮廓提取，小连通域去除，连通域填充，目标外层包络提取，最小外接矩提取。本实施例中监测连通域并筛选过小的部分主要是为了屏蔽星光，具体地，所述测距算法包括：获取原始图像，对所述原始图像进行预处理，计算图像的平均灰度Theta，以Theta为阈值进行二值化，以3*3p i xe l为模图像腐蚀，以5*5p i xe l为模图像膨胀，检测图像轮廓，判断是否有新的连通域来屏蔽星光，有则判断连通域的大小，若连通域小于50*50p i xe l则舍弃，若连通域大于50*50p i xe l则保留，检测新一处连通域，返回判断是否有新的连通域，没有则获得所有连通域的最外层包络，计算包络最小外接矩，根据最小外接矩和标定数据计算目标距离，输出帧序号和目标距离并传送至要测传输单元。本实施例中算法处理单元的图像预处理包括将原始YUV格式数据转为Gray灰度图，将获得的灰度图进行均值滤波抑制图像中的噪点。

[0046] 本实施例中采用的算法处理单元使用海思3559平台自有的4核心CPU，接收到的YUV图像作为输入，经过图像预处理和形态学分析，获得目标外层包络，根据目标外层包络计算目标最小外接矩。根据标定比例和目标最小外接矩面积计算目标的实时距离。使用目标的仿真模型，正面放置于相机20M距离,通过算法获得目标外接矩，进一步获得外接矩周长，面积和目标距离的数量比值，多次实验获得均值作为标定比例。然后用标定比例在其他距离下通过目标外接矩反算具体距离。假设目标不发生旋转，目标图像到相机的像素矩阵是严格的线性变化。那么单纯的目标图像大小就能反应距离。

[0047] 所述算法处理模块基于海思3559平台的CPU和opencv算法库，通过LVDS从FPGA获取BT1120图像数据，对BT1120图像数据进行图像预处理和形态学分析，提取目标掩模，计算最小外接矩，按照标定比例获得目标距离，其中，所述图像预处理包括将原始YUV格式数据转为Gray灰度图，将获得的灰度图进行均值滤波抑制图像中的噪点。所述标定比例指在地面制作待分离目标1:1模型，基于图像采集模块采集20m距离下的目标模型图像，基于算法处理模块处理目标模型图像，获得目标最小外接矩面积，标定比例为当前目标最小外接矩面积和20m的比值。

[0048] 参考图5所示，本实施例的遥测传输单元负责接收编码核VENC的码流、图像处理单元的目标距离参数并将二者按照指定规则打包并使用SPI传输至FPGA。

[0049] 参考图6所示，为本实施例提供的遥测传输单元实现模块遥测信息和码流打包下传的流程图。

[0050] 本实施例提供的遥测传输单元定期查询VENC的Chn输出缓存，在3559VENC准备好一帧的H.265码流之后，VENC Chn的输出缓存会变为可读状态，遥测传输单元获取一帧码流和其对应的帧序号；遥测传输单元查询模块遥测结构体获取当前的遥测信息并将其与H265码流打包为SPI输出包；遥测传输单元在进行传输之前会查询算法处理单元的遥测输出，如果目标的帧序号更新，证明算法处理单元完成的新的一帧的目标距离检测，遥测传输单元将目标的距离和目标对应的帧序号更新进入SPI输出包中的遥测信息中。

[0051] 本实施例中3559VENC输出缓存的查询方式由海思AP I接口提供。

[0052] 基于相同的发明构思，本发明还提供了一种航天器分离目标测距图像处理方法，应用于如本发明实施例所述的航天器分离目标测距图像处理系统，包括：

[0053] 在空间环境下进行光电转换及图像预处理，在对待测距目标进行标定的情况下，对标定后的目标图像进行采集；

[0054] 对采集到的目标图像执行压缩转换后进行图像编码；

[0055] 基于测距算法对采集到的目标图像进行计算，得到目标的实时距离；

[0056] 对编码流和目标距离数据进行收集并进行打包，作为遥测输出发送至对应的下传信道。

[0057] 具体地，所述测距算法包括如下步骤：

[0058] 获取原始图像，对所述原始图像进行预处理，计算图像的平均灰度Theta，以Theta为阈值进行二值化，以3*3p i xe l为模图像腐蚀，以5*5p i xe l为模图像膨胀，检测图像轮廓，判断是否有新的连通域来屏蔽星光，有则判断连通域的大小，若连通域小于50*50p i xe l则舍弃，若连通域大于50*50p i xe l则保留，检测新一处连通域，返回判断是否有新的连通域，没有则获得所有连通域的最外层包络，计算包络最小外接矩，根据最小外接矩和标定数据计算目标距离，输出帧序号和目标距离并传送至要测传输单元。

[0059] 具体地，所述遥测传输单元包括如下步骤：

[0060] 定期查询VENC的Chn输出缓存，判断查询VENC输出缓存是否可读，在VENC准备好一帧的H.265码流之后，VENC Chn输出缓存转换为可读状态，获取一帧码流和对应的帧序号；获取当前的遥测信息并与H265码流打包为SPI输出包；遥测传输单元在进行传输之前查询算法处理单元的遥测输出，判断遥测目标数据是否更新，如果目标数据的帧序号更新，则证明算法处理单元完成的新的一帧的目标距离检测，遥测传输单元将目标的距离和目标对应的帧序号更新进入SPI输出包中的遥测信息中。

[0061] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。