吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (4): 1467-1473.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230730

• 通信与控制工程 • 上一篇    下一篇

改进游程编码算法的快速星点提取

章家保(),张剑阳,刘赫,李岩   

  1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130061
  • 收稿日期:2023-07-12 出版日期:2025-04-01 发布日期:2025-06-19
  • 作者简介:章家保(1981-),男,副教授,博士.研究方向:卫星星敏感器系统设计、仿真及测试技术;卫星姿控部件电子学设计与测试技术.E-mail: zhangjiabao@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(62073150)

Fast star point extraction with improved run-length encoding algorithm

Jia-bao ZHANG(),Jian-yang ZHANG,He LIU,Yan LI   

  1. College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China
  • Received:2023-07-12 Online:2025-04-01 Published:2025-06-19

摘要:

为提高星点质心提取的实时性与准确性,提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的改进游程编码算法来实现快速星点提取。该算法结合星点目标特点和FPGA的并行处理结构,改进了传统游程编码算法在提取时需要设置等价表进行标号合并以及多次轮询游程编码的不足,只需扫描一次图像后延迟若干个时钟周期便可提取星点质心坐标。将本文算法在星敏感器的FPGA上进行测试验证,在时钟频率为50 MHz、输入图像分辨率为1 280×1 024像素的情况下,本文算法星点质心提取时间仅需2 μs左右,提取星点质心位置完全正确。与用RISC微处理器(ARM)进行星点质心提取时消耗时间近19 ms相比,本文算法优势明显,具有显著的工程应用价值。

关键词: 信号与信息处理, 质心提取, 现场可编程逻辑门阵列, 连通域扫描, 星敏感器, 游程编码

Abstract:

To enhance the real-time performance and accuracy of star point centroid extraction, an improved run-length encoding algorithm based on field programmable gate array(FPGA) was proposed for fast star point extraction. The algorithm combines the characteristics of star point targets with the parallel processing structure of field programmable gate array, addressing the shortcomings of the traditional run-length encoding algorithm that requires setting equivalence tables for label merging and multiple rounds of polling for run-length encoding during extraction. It only requires scanning the image once, and after a delay of several clock cycles, the centroid coordinate of the star point can be extracted. Finally, the algorithm is tested and validated on an field programmable gate array of a star sensor. With a clock frequency of 50 MHz and an input image resolution of 1 280×1 024 pixels, the algorithm takes about 2 us to extract the centroid of the star point, and the position is completely accurate. Compared to the nearly 19 ms consumed by centroid extraction using an Advanced RISC Machine(ARM), the improved algorithm demonstrates significant advantages and holds notable engineering application value.

Key words: signal and information processing, centroid extraction, field programmable gate array (FPGA), connected domain scan, star sensor, run-length encoding

中图分类号: 

  • V448.22

图1

连通区域判定状态"

图2

原始星点与畸变星点"

图3

畸变星点标号合并与回收示意图"

图4

异常星点目标"

图5

本文算法流程图"

表1

FPGA资源使用情况"

4LUTDFFRAM1K18User I/O
Used1 017(1.18%)555(0.64%)2(1.83%)41(15.36%)

表2

模拟星图中有5个星点的提取结果"

目标

序号

MATLAB提取质心坐标/像素本算法提取质心坐标/像素

FPGA中质心

提取时间/μs

ARM中质心

提取时间/μs

XYXY
11 053.760 41645.715 4601 053.760 41645.715 4600.616 464
2920.490 788224.004 605920.490 788224.004 605
31 010.325 242364.962 7831 010.325 242364.962 783
4602.477 215761.500 000602.477 215761.500 000
5530.214 577983.606 267530.214 577983.606 267

表3

模拟星图中有10个、15个星点的对比结果"

星点个数对比结果

FPGA中质心

提取时间/μs

ARM中质心

提取时间/μs

10完全一致1.017 544
15完全一致1.418 624

图6

仿真数据"

图7

模拟星图(反色处理)"

图8

模拟特殊星图(反色处理)"

图9

实际拍摄测试"

表4

特殊星图星点提取结果"

目标序号

MATLAB提取

质心坐标/像素

本文算法提取

质心坐标/像素

XYXY
1367.919 469409.935 398367.919 469409.935 398
2470.379 032537.242 943470.379 032537.242 943
3393.917 574543.201 525393.917 574543.201 525
4217.110 975613.310 975217.110 975613.310 975
5676.900 000671.700 000676.900 000671.700 000
6188.531 914701.067 375188.531 914701.067 375
7642.077 777824.655 555642.077 777824.655 555
8231.578 651862.460 674231.578 651862.460 674
971.000 00060.200 000071.000 00060.200 000
10552.000 000173.357 142552.000 000173.357 142
11166.000 000755.500 000异常星点目标
12656.000 000400.500 000异常星点目标
13687.769 328635.372 269异常星点目标

图10

外场观星实验"

表5

外场观星星点提取结果"

目标

序号

MATLAB提取

质心坐标/像素

本文算法提取

质心坐标/像素

XYXY
1510.000 000517.500 000异常星点目标
2530.500 000395.000 000异常星点目标
3736.535 874439.867 713736.535 874439.867 713
4970.006 906104.754 143970.006 906104.754 143
51 097.141 509172.858 4901 097.141 509172.858 490
61 245.315 420380.996 4951 245.315 420380.996 495
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