本發(fā)明涉及一種空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取系統(tǒng)及方法，屬于計算機中的高性能計算。

背景技術(shù)：

1、隨著人類對空間技術(shù)開發(fā)利用規(guī)模的不斷擴大,空間已經(jīng)成為獲取和傳遞信息的重要平臺，對空間信息的利用和控制尤為重要?？臻g信息獲取的前提是對空間目標(biāo)進行有效的檢測、識別和跟蹤?？臻g目標(biāo)主要指空間碎片，人造衛(wèi)星以及進入地球外太空的各種飛行物?？臻g目標(biāo)檢測、跟蹤和識別指的是從復(fù)雜的星空背景中檢測出所需的目標(biāo)，獲取目標(biāo)的運動軌跡，是空間態(tài)勢感知的重要組成部分,也是確保載人航天安全和空間預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)保障，具有非常重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

2、傳統(tǒng)的空間目標(biāo)探測，面臨多方面的問題和挑戰(zhàn)：一是空間圖像天光條件和輻射噪聲的干擾，造成拍攝的圖像背景起伏；二是相機工藝不均勻會導(dǎo)致圖像的不均勻；三是視場中密集恒星背景的存在，影響目標(biāo)提取的效率和準(zhǔn)確性；五是空間目標(biāo)信噪比低，目標(biāo)信息和特征容易被噪聲淹沒。上述特點都為空間目標(biāo)的提取帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

3、空間目標(biāo)自身的體積小、能量弱，在地基/天基望遠(yuǎn)鏡的焦平面上成像為只占幾個像元的點目標(biāo)，容易被背景和噪聲淹沒。傳統(tǒng)的單幀圖像處理已經(jīng)很難有效地檢測和分割出目標(biāo)，存在檢測率低、虛警率高等問題。因此，根據(jù)目標(biāo)在序列幀中的運動信息完成空間目標(biāo)的軌跡關(guān)聯(lián)和目標(biāo)提取成為的有效手段。

4、空間目標(biāo)的多幀檢測方法主要分為兩大類：先檢測后跟蹤(detection?beforetracking，簡稱dbt)和先跟蹤后檢測(tracking?before?detection，簡稱tbd)。dbt首先對單幀圖像進行處理，判斷單幀中是否存在目標(biāo)，然后利用目標(biāo)在序列幀中的運動特征對單幀檢測的結(jié)果進行確認(rèn)和修正，最終輸出檢測結(jié)果得到目標(biāo)。tbd首先對圖像中可能的目標(biāo)進行跟蹤，然后根據(jù)目標(biāo)特性建立判據(jù)，對目標(biāo)航跡進行篩選，逐步剔除虛假軌跡，最終得出正確的目標(biāo)航跡。

5、先跟蹤后檢測算法是利用目標(biāo)的連續(xù)性和相似性進行檢測，難以處理運動較快的目標(biāo)，且對計算資源和存儲資源需求高，不適用于大型工程項目。相比之下，先檢測后跟蹤技術(shù)是應(yīng)用范圍較廣的小目標(biāo)提取算法，具有計算簡單、運算快速等優(yōu)點，在工程實踐中被廣泛應(yīng)用。

6、先檢測后跟蹤技術(shù)分為前處理和后處理環(huán)節(jié)，前處理環(huán)節(jié)通過濾波，插值和背景剔除等方法得到圖像中的星點數(shù)據(jù)，星點數(shù)據(jù)既包括恒星點，又包括空間目標(biāo)點。后處理環(huán)節(jié)通過多幀間星點數(shù)據(jù)的運動分析，提取出每幀圖像中的空間目標(biāo)點，構(gòu)建空間目標(biāo)點的運動軌跡，實現(xiàn)空間目標(biāo)的檢測和跟蹤。

7、在圖像規(guī)模較小時，每幀圖像中的恒星點及目標(biāo)點較少，依靠傳統(tǒng)串行處理器完成空間目標(biāo)的關(guān)聯(lián)與提取，但較小的圖像規(guī)模也限制了依靠相機對空間目標(biāo)的感知能力。近年來，隨著星圖尺寸的擴大，視場內(nèi)的星點以平方級的規(guī)模擴大，使得串行處理器難以在規(guī)定的時間內(nèi)完成關(guān)聯(lián)和提取任務(wù)。需要設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)定制化計算單元，構(gòu)建空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取系統(tǒng)及方法，解決了傳統(tǒng)的串行處理器算力不能滿足多幀間數(shù)據(jù)處理計算需求的技術(shù)問題。本發(fā)明能夠有效檢測和跟蹤空間目標(biāo)及其運動軌跡特征，計算并行度高、計算延遲低，具有很好的實用性和推廣價值。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取系統(tǒng)，包括：目標(biāo)點接收模塊、特征星圖構(gòu)建模塊、初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊和疑似/真實軌跡拓展模塊；

4、目標(biāo)點接收模塊接收星點目標(biāo)信息，對星點目標(biāo)信息進行緩存；

5、特征星圖構(gòu)建模塊接收星點目標(biāo)信息，根據(jù)星點目標(biāo)信息構(gòu)建特征星圖，將特征星圖輸出至初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊和疑似/真實軌跡拓展模塊；

6、初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊提取目標(biāo)點接收模塊緩存的星點目標(biāo)信息，同時接收由特征星圖構(gòu)建模塊輸入的特征星圖，根據(jù)星點目標(biāo)信息和特征星圖進行幀間疑似軌跡關(guān)聯(lián)，得到初始的疑似軌跡，將初始的疑似軌跡輸出至疑似/真實軌跡拓展模塊；

7、疑似/真實軌跡拓展模塊接收由特征星圖構(gòu)建模塊輸入的特征星圖和由初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊輸入的初始的疑似軌跡，根據(jù)特征星圖將初始的疑似軌跡拓展為真實軌跡。

8、進一步的，目標(biāo)點接收模塊、特征星圖構(gòu)建模塊、初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊和疑似/真實軌跡拓展模塊設(shè)置于fpga上，星點目標(biāo)信息由fpga的gtx接口輸入。

9、進一步的，還包括設(shè)于ddr上的目標(biāo)點緩存模塊、連續(xù)幀特征星圖緩存模塊、疑似軌跡緩存模塊和真實軌跡緩存模塊；

10、ddr與fpga接口采用mig接口及地址仲裁映射實現(xiàn)；

11、目標(biāo)點緩存模塊、連續(xù)幀特征星圖緩存模塊、疑似軌跡緩存模塊和真實軌跡緩存模塊分別用于緩存星點目標(biāo)信息、特征星圖、疑似軌跡和真實軌跡。

12、進一步的，疑似/真實軌跡拓展模塊根據(jù)特征星圖將初始的疑似軌跡拓展為真實軌跡的方法包括：

13、當(dāng)接收到新的特征星圖時，以預(yù)設(shè)的搜索半徑尋找特征星圖的潛在目標(biāo)點，根據(jù)潛在目標(biāo)點將疑似軌跡在新的特征星圖上拓展，得到新的疑似軌跡，并判斷拓展是否有效，當(dāng)拓展有效時增加新的疑似軌跡的置信度，當(dāng)拓展無效時減少新的疑似軌跡的置信度；

14、重復(fù)上述步驟，當(dāng)新的疑似軌跡的置信度達到設(shè)定閾值后，將該疑似軌跡更新為真實軌跡；

15、以預(yù)設(shè)的搜索半徑尋找新接收的特征星圖的潛在目標(biāo)點，根據(jù)潛在目標(biāo)點將真實軌跡在新的特征星圖上拓展，并判斷拓展是否有效，當(dāng)拓展有效時增加置信度，當(dāng)拓展無效時減少置信度；

16、當(dāng)置信度低于設(shè)定閾值后，認(rèn)為真實軌跡失效；

17、對疑似軌跡或真實軌跡進行拓展時，利用當(dāng)前軌跡的最新的兩個軌跡點進行下一軌跡點的預(yù)測。

18、進一步的，在ddr劃分了乒乓存儲軌跡數(shù)據(jù)和軌跡信息的區(qū)域，采用fpga實現(xiàn)軌跡數(shù)據(jù)和軌跡信息的分層存儲機制；

19、fpga上存儲疑似軌跡和真實軌跡的信息頁數(shù)據(jù)；

20、即，對于所有的軌跡都是fpga存儲信息頁，ddr存放整個軌跡數(shù)據(jù)；

21、每條軌跡的信息頁數(shù)據(jù)包含每條軌跡最新的兩個軌跡點數(shù)據(jù)、軌跡點數(shù)量以及整條軌跡在ddr中的存放地址。

22、進一步的，疑似/真實軌跡拓展模塊在每次進行軌跡拓展時，先加載軌跡的信息頁數(shù)據(jù)，根據(jù)信息頁數(shù)據(jù)完成該軌跡的拓展并更新該軌跡的置信度，如軌跡置信度更新后降低到0，則不再進行該軌跡數(shù)據(jù)的處理(不再更新，后續(xù)如發(fā)現(xiàn)新的軌跡將會覆蓋該軌跡的存儲空間)，該軌跡及其信息的存放空間將被新發(fā)現(xiàn)的軌跡覆蓋，只對置信度大于0的軌跡數(shù)據(jù)進行加載和更新后重新放入ddr中。具體的說，當(dāng)一條軌跡判定無效后，下次來新的圖像就不會再處理了，也不會加載信息頁。本次嘗試用過去兩個最新的軌跡點預(yù)測當(dāng)前圖像中是否有符合的星點，如果在預(yù)測的位置有星點，就繼續(xù)拓展，保持有效，如果沒有星點，就對置信度減一，但如果置信度大于0，此時仍然會用預(yù)測的點更新軌跡，直到置信度減到0，這條軌跡被“丟棄”，認(rèn)為無效。無效的概念出現(xiàn)在預(yù)測-更新的過程中，認(rèn)定無效的軌跡信息頁也會被丟棄，不會再處理。

23、進一步的，疑似/真實軌跡拓展模塊在對每幀特征星圖處理完成后，通過乒乓操作，切換軌跡處理緩存的空間地址，將軌跡通過追加、插入或剔除操作轉(zhuǎn)化為對順序遞增地址的依次有序操作，無需對所有軌跡地址進行更新。疑似/真實軌跡拓展的過程中，拓展涉及到利用軌跡信息和數(shù)據(jù)預(yù)測星圖中應(yīng)該有星點的坐標(biāo)區(qū)域，然后掃描星圖中的區(qū)域，看是否有星點，如果有，就用星點的坐標(biāo)更新軌跡最新的點，并更新置信度，如果沒有，就用過去最近的兩個點預(yù)測一個坐標(biāo)追加到軌跡上。

24、進一步的，fpga上設(shè)有片上計數(shù)器，采用片上計數(shù)器對特征星圖的幀數(shù)量進行編號；

25、疑似/真實軌跡拓展模塊每接收一幀特征星圖，片上計數(shù)器加1，完成特征星圖編號最低位0和1的切換；

26、當(dāng)計數(shù)器編號最低位為1時，疑似/真實軌跡拓展模塊從乒乓緩存的第一個軌跡信息存儲空間和軌跡數(shù)據(jù)存儲空間中加載已有的軌跡數(shù)據(jù)進行拓展，將初始軌跡關(guān)聯(lián)獲得的新的疑似軌跡和真實/疑似軌跡拓展與確認(rèn)后的軌跡放入乒乓緩存第二個軌跡信息存儲空間和軌跡數(shù)據(jù)存儲空間；而當(dāng)片上計數(shù)器編號最低位為0時，疑似/真實軌跡拓展模塊從乓乒乓緩存第二個軌跡信息存儲空間和軌跡數(shù)據(jù)存儲空間中加載已有的軌跡數(shù)據(jù)，將初始軌跡關(guān)聯(lián)獲得的新的疑似軌跡和真實/疑似軌跡拓展與確認(rèn)后的軌跡放入乒乓緩存的第一個軌跡信息存儲空間和軌跡數(shù)據(jù)存儲空間；

27、追加和插入操作統(tǒng)一為對連續(xù)遞增地址的操作，剔除操作則轉(zhuǎn)換為不處理，下一次寫入時直接由新的軌跡對地址空間進行覆蓋。

28、進一步的，初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊和疑似/真實軌跡拓展模塊中均包含像素點并行處理單元，用于對切分加載的圖像的像素點進行并行處理。

29、一種空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取方法，采用上述一種空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取系統(tǒng)實現(xiàn)，包括：

30、初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊根據(jù)星點目標(biāo)信息和特征星圖進行幀間疑似軌跡關(guān)聯(lián)，得到初始的疑似軌跡，將初始的疑似軌跡輸出至疑似/真實軌跡拓展模塊；

31、疑似/真實軌跡拓展模塊接收由特征星圖構(gòu)建模塊輸入的特征星圖和由初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊輸入的初始的疑似軌跡，根據(jù)特征星圖將初始的疑似軌跡拓展為真實軌跡。

32、進一步的，初始軌跡關(guān)聯(lián)模塊單次讀取第k幀特征星圖的一個星點數(shù)據(jù)，向第k+1幀特征星圖進行遍歷和拓展，遍歷操作涉及對圖像數(shù)據(jù)的切片訪存操作和邏輯判斷操作，采用并行單元實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)處理；k≥1；

33、每次在第k+2幀圖像加載預(yù)定尺寸的區(qū)域，找到有效的圖像切片位置，并將可以關(guān)聯(lián)的第k、k+1和k+2幀圖像像素位置進行確認(rèn)后，將生成的疑似軌跡的信息頁和軌跡點放入ddr；

34、疑似/真實軌跡拓展模塊根據(jù)軌跡信息頁中的軌跡點數(shù)量和軌跡存放地址，從ddr加載完整的疑似/真實軌跡數(shù)據(jù)；

35、對于單個軌跡，在軌跡數(shù)據(jù)更新前，先從加載軌跡信息，利用信息頁存放的最新的兩個軌跡點，預(yù)測下一幀特征星圖里的星點潛在區(qū)域，采用流水線方式依次從ddr中加載特征星圖區(qū)域切片數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，只有在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)星點或軌跡更新后置信度大于0的情況下，才開展軌跡拓展操作；

36、將更新的軌跡進行拓展，把特征星圖的有效數(shù)據(jù)所在的像素位置，插入到舊軌跡的軌跡數(shù)據(jù)中，發(fā)送到ddr，并更新軌跡信息；

37、將更新后的軌跡信息發(fā)送到ddr緩存中。

38、本發(fā)明空間目標(biāo)快速關(guān)聯(lián)與提取系統(tǒng)屬于計算機技術(shù)領(lǐng)域中的高性能計算技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，它涉及到空間目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)，特別是基于硬件邏輯單元，搭建定制化計算系統(tǒng)，實現(xiàn)快速空間目標(biāo)檢測與跟蹤的技術(shù)。與常用的目標(biāo)檢測與跟蹤方法相比，空間圖像中的目標(biāo)具有噪聲多、目標(biāo)與噪聲相似度高、可供參數(shù)訓(xùn)練的樣本少等特點，很難依靠傳統(tǒng)的圖像處理方法從單幀圖像中有效地獲取目標(biāo)點及其運動軌跡，必須依賴多幀數(shù)據(jù)的融合處理和對比，才能實現(xiàn)目標(biāo)的有檢測和跟蹤。多幀間數(shù)據(jù)的融合處理涉及到復(fù)雜的外部存儲器訪問和數(shù)據(jù)索引操作，在視場內(nèi)星點不斷增多的趨勢下，傳統(tǒng)的串行處理器的算力已經(jīng)不能滿足多幀間數(shù)據(jù)處理的計算需求。此外，空間圖像的更新間隔是固定的，如不能在幀間隔的時間內(nèi)完成計算任務(wù)，將造成整個計算過程的擁塞，影響整個系統(tǒng)功能的執(zhí)行。因此需要有針對性地設(shè)計適用于空間目標(biāo)關(guān)聯(lián)和提取的計算系統(tǒng)，提高計算的并行度，降低計算延遲，實現(xiàn)整個計算流程的穩(wěn)定運行。因此，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域包括計算架構(gòu)設(shè)計、高性能計算、圖像處理技術(shù)、時序優(yōu)化等方面。

39、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下至少一種有益效果：

40、(1)本發(fā)明首次將傳統(tǒng)串行處理的目標(biāo)關(guān)聯(lián)與提取算法采用硬件邏輯實現(xiàn)，具備完整的初始軌跡關(guān)聯(lián)，疑似軌跡拓展，真實軌跡拓展等功能；

41、(2)本發(fā)明采用計算并行化設(shè)計，有效降低了整個目標(biāo)關(guān)聯(lián)和提取的計算延遲，提高了系統(tǒng)吞吐率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速處理；

42、(3)本發(fā)明通過ddr的乒乓處理操作，有效減少了軌跡追加、插入和刪除過程中的訪存操作數(shù)量，降低了訪存復(fù)雜度；

43、(4)本發(fā)明分層的空間目標(biāo)軌跡及信息存儲策略，有效減少了不必要的存儲訪問操作，提升了數(shù)據(jù)利用效率；

44、(5)本發(fā)明中，初始軌跡關(guān)聯(lián)，疑似軌跡拓展和真實軌跡拓展的計算單元都采用了模塊化實現(xiàn)，簡化了實現(xiàn)途徑和資源使用，便于后期的維護與更新，并可以按照資源占用情況進行裁剪和復(fù)用。