一种大面阵CMOS探测器图像开窗平移与输出方法

技术领域

本发明涉及探测器成像技术领域，特别是涉及一种大面阵CMOS探测器图像开窗平移与输出方法。

背景技术

在航天遥感应用中，大面阵CMOS探测器多达到百兆量级的像元规模，在应用中，需要对大面阵CMOS探测器进行开窗处理，截取有效视场窗口，降低像元输出数量。

大面阵CMOS探测器像元数据通过多路数据通道并行输出，并接入到FPGA中，由FPGA完成探测器并行图像数据的接收和转存。

由于大面阵CMOS探测器采用多数据通道、高速率方式输出图像数据，探测器多数据通道图像数据输入到FPGA完成数据整合后，需要通过多路数传通道同时并行输出。探测器输出的数据通道数和相机数传通道数不能整除匹配时，每路数传通道实际输出的像元数与探测器的数据通道数不能实现整数对应。

为了实现相机数传通道数据格式规范化设计，要求每路数传通道传输固定规格的像元数据，每路数传通道传输的像元数据量相同。在现有方法中，对探测器数据通道数进行划分时，每个数传通道与整数个探测器数据通道相对应，输出整数个探测器数据通道对应的像元数量，这就导致每个数传通道传输的数据通道数不同，像元数量也不同；在图像采集设备、数据判断软件中，需要根据每个数传通道输出的探测器数据通道数进行针对性设计；当需要调整探测器输出窗口尺寸和位置时，每个数传通道输出的图像数据量又会发生变化，数传协议变更变得复杂又繁琐。

这种探测器像元数据划分结构灵活性较差，当需要调整窗口位置时，需要更新FPGA软件。由于探测器开窗位置需要在整机装调后确认，此时进行程序更改、软件上注的影响范围大，更改时间较长，在航天工程实践中要杜绝此类问题。更改探测器输出窗口位置后，图像数传协议会发生改变，对接口数据单、下游采集设备影响较大。因此，在整机装调时，需要通过调整机构的方式控制窗口位置精度，但这又提升了设计装调的难度。

发明内容

为了解决现有方法中探测器像元数据划分结构灵活性较差、程序更改及软件上注的影响范围大、更改时间长以及设计装调难度大等问题，本发明提出一种大面阵CMOS探测器图像开窗平移与输出方法。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种大面阵CMOS探测器图像开窗平移与输出方法，在多路数传通道下，所述图像开窗平移与输出方法包括以下步骤：

步骤一：根据相机数传通道数量N和每行图像的像元数量Q之比计算得到每个数传通道传输的像元数量M，再根据每个数传通道传输的像元数量M与探测器每通道的数据量A的比值以及像元输出区间，确定需要拆分的探测器数据通道；

步骤二：对拆分的探测器数据通道的图像数据进行RAM备份存储；

步骤三：将每路数传通道的起止像元对应的拆分探测器数据通道中的像元位置以及窗口平移调整值以参数映射的方式传入FPGA的数据整合逻辑模块中，所述数据整合逻辑模块按照设定的像元起止位置，将图像数据从RAM中读出，完成图像数据整合输出；

对窗口位置进行平移调整时，根据探测器通道像元数据拆分位置计算得到所述窗口平移调整值的有效范围，在所述有效范围内的窗口平移调整值参数设置不改变FPGA内部的数据存储结构；如果所述窗口平移调整值超出所述有效范围，则需要变更数传通道对应的探测器数据通道号，重新进行数据备份，然后切换输出RAM通道号，实现输出窗口图像数据的选择控制。

本发明的有益效果：(1)本发明的一种大面阵CMOS探测器图像开窗平移与输出方法提供了一种基于探测器输出像元数量均分及实时调整的数传输出结构，并给出了FPGA内部图像数据存储结构和开窗平移方法，本发明的方法不受探测器数据通道数的限制，且可在一定的像素空间内任意调整开窗位置，在大面阵CMOS探测器开窗成像、窗口移动、相机焦面标定等试验中，通过上注参数的方式灵活切换，实现了大面阵CMOS探测器开窗成像时更加灵活的窗口设置；这种基于参数设置的大面阵CMOS探测器窗口平移与输出方法在线阵CMOS探测器、TDI-CCD探测器中均可应用；(2)多路数传协议的一致性设计，降低了快视采集设备、图像判读软件的开发难度，缩短了开发周期，简化了测试过程，为后续图像数据预处理提供方便，增加了相机应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例中探测器通道数据在FPGA内的RAM存储结构示意图；

图2为大面阵CMOS探测器图像数据处理结构及窗口平移设置示意图；

图3为TDI-CCD探测器的窗口平移设置及图像输出示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明实施例提供了一种大面阵CMOS探测器图像开窗平移与输出方法，在多路数传通道下，该方法包括如下的步骤一至步骤三。

步骤一：根据相机数传通道数量N和每行图像的像元数量Q之比计算得到每个数传通道传输的像元数量M，再根据每个数传通道传输的像元数量M与探测器每通道的数据量A的比值以及像元输出区间，确定需要拆分的探测器数据通道。

本发明实施例提供了一种大面阵CMOS探测器多通道图像数据存储结构，用于快速实现探测器输出像元平分策略，实现各数传通道数据格式统一。该结构基于探测器每通道输出数据量以及数传每通道输出的数据量进行计算，确定需要拆分的探测器通道号，对该通道的像元数据进行备份存储，即2组相同的存储数据各对应1路数传通道。

具体地，在设计大面阵CMOS探测器的数据存储结构时，首先根据相机数传通道数量N，计算每个数传通道传输像元数量M。设每行图像的像元数量为Q，使得N×M＝Q(无法满足时，可适当填0处理)，保证每路数传通道的图像数据格式一致。设探测器每通道的数据量为A，则M/A表示每数传通道对应CMOS探测器的通道数量。根据M/A的计算结果和像元输出区间，确认需要拆分的探测器数据通道号，即确定了需要拆分的探测器数据通道。

这种拆分处理后，每个数传通道对应的探测器通道数量不同，可能为[M/A]、[M/A]+1、或[M/A]+2，其中，[]表示取整处理。

步骤二：确定需要拆分的探测器数据通道后，对该通道的图像数据进行RAM备份存储，如图1所示，探测器通道2、通道6、通道10的图像数据分别同时存入2个RAM中。

步骤三：通过发送指令参数的方式，将每路数传通道的起止像元对应的拆分探测器数据通道中的像元位置A1、A2、A3、A4以及窗口平移调整值T1、T2，以参数映射的方式传入FPGA的数据整合逻辑模块中。最后，数据整合逻辑模块按照设定的像元起止位置，将图像数据从RAM中读出，完成图像数据整合输出。数据整合逻辑模块在读出数据时，对于拆分的探测器数据通道，分别从备份存储的2个RAM中各读出一部分数据，读出的两部分共同组成完成的数据。

本实施例提供了一种大面阵CMOS探测器窗口位置平移调整方法，保证数传通道数据格式不改变。通过发送窗口平移参数，在不改变FPGA软件结构的前提下，快速灵活实现输出窗口平移处理。每种数传输出结构对应的可设置的窗口平移参数即窗口平移调整值均设置有效范围。在有效范围内的参数设置不改变FPGA内部的数据存储结构；在有效范围外的参数设置会改变FPGA内部的数据存储结构。

大面阵CMOS探测器确定窗口位置和数传输出结构后，增加窗口位置平移调整功能，在产品调试过程中实时调整窗口位置。

以数传通道1对应的探测器初始像元位置a为基准，进行双向平移设置，设窗口平移调整值为T。当a为探测器某通道的起始像元时，在不考虑变更FPGA内部存储结构前提下，T≥0。当探测器像元数据要求连续输出时，窗口平移调整值T可同步实现全部数传通道的起止位置参数调整功能。

窗口平移调整值T的有效范围，根据探测器通道像元数据拆分位置进行计算。当确认数传输出结构以及探测器通道数据在FPGA内部的数据存储结构后，就可以确定T的有效范围；在上注参数时，保证窗口平移调整值T在合理范围内。

如果窗口平移调整值T超出单通道调整的有效范围，则需要变更数传通道对应的探测器数据通道号。此时，需要根据调整区间，对探测器相应的数据通道重新进行数据备份，然后切换输出RAM通道号，实现输出窗口图像数据的选择控制。

窗口平移调整值T的设置范围可根据探测器拆分数据通道的像元数量在2路数传通道中的分配值确定，即保证探测器数据通道拆分为2部分后，每个部分的像元数量(记为Nd)大于0且小于A，即0＜Nd＜A，其中A为探测器每通道的数据量。

本发明的方法不受探测器数据通道数的限制，且可在一定的像素空间内任意调整开窗位置，在大面阵CMOS探测器开窗成像、窗口移动、相机焦面标定等试验中，通过上注参数的方式灵活切换，实现了大面阵CMOS探测器开窗成像时更加灵活的窗口设置。

对于单数传通道输出结构，本发明另一个实施例提供了一种在探测器单通道、多通道图像数据源下的开窗和图像采集方法，该方法适用于线阵CMOS探测器、TDI-CCD探测器等的图像数据开窗设计及窗口平移设计。

本方法实现对探测器输出图像的灵活控制，在后续调试、测试、相机焦面测定等试验中，增加了设计灵活性和设置方法。多路数传协议的一致性设计，降低了快视采集设备、图像判读软件的开发难度，缩短了开发周期，简化了测试过程。

在单路数传通道下，图像开窗平移与输出方法包括以下步骤：

步骤一：对大面阵CMOS探测器多通道图像数据进行整合操作；

步骤二：对整合后的图像数据进行开窗处理，完成图像数据开窗输出；在进行窗口平移处理时，根据起始像元位置和窗口像元数量进行动态开窗。

单路数传通道下，对大面阵CMOS探测器多通道图像数据进行窗口截取时，需要先完成多通道图像数据整合操作，然后对整合后的图像数据进行开窗处理；在实现窗口平移处理时，只要提供起始像元位置和窗口像元数量即可动态开窗，这种开窗方法在简化设计的同时，不会降低探测器图像数据的输出行频。

单路数传通道下，对大面阵CMOS探测器单通道图像数据进行开窗处理时，在图像数据采样过程中进行窗口截取，避免冗余图像数据在FPGA内进行存储，节省FPGA内部的存储空间。

图2为大面阵CMOS探测器图像数据处理结构及窗口平移设置示意图。如图2所示，以大面阵CMOS探测器成像为例，图像数据从4路TLK2711数传数据通道并行输出，每个数传通道输出2048像元，4通道共输出8192像元。探测器每通道输出504像元，取探测器中心8192×8192像元输出，对应探测器的通道2～通道18。根据输出像元位置进行映射，数传通道1输出探测器通道2～通道6数据；数传通道2输出探测器通道6～通道10数据；数传通道3输出探测器通道10～通道14数据；数传通道4输出探测器通道14～通道18数据。因此，通道6、通道10、通道14的图像数据分成两部分，分别从不同的数传通道输出，该数据在FPGA内部进行了备份存储。

每路探测器数据通道输出像元504个，拆分数据通道在输出窗口中的位置如图2所示，根据0＜Nd＜504，127+A1<504，可知A1<377，所以，在每路数传通道传输5个探测器数据通道的设计下，计算可调整的像元区间为[0～376]，即可调整最大像元数为376个；在该范围内调整时，不需要调整RAM存储结构。

如图3所示，以TDI-CCD探测器替换大面阵CMOS探测器后进行成像为例，TDI-CCD探测器的P谱段图像数据从2通道输出到FPGA，输出方向相反，即第一通道(RAM1)先输出1像元，第二通道(RAM2)则先输出1536像元，每通道像元数量768，共计1536个像元；P谱段数传单通道开窗输出图像数据1440，并可设置窗口位置。从简化设计角度，将P谱段图像数据中第二通道(RAM2)的图像数据逆序后，再与第一通道(RAM1)图像数据首尾连接整合，然后进行窗口选择，通过设置参数A1，在图像数据整合后，选择图像数据输出位置，完成图像数据开窗输出。P谱段多通道输出时，如果窗口数据需要从多个通道截取，方法类似。

TDI-CCD探测器的B谱段图像数据从单通道输出到FPGA，根据探测器驱动时序设计，B谱段图像数据被分成2部分。对图像数据截取时，仅对窗口图像数据进行缓存，因此，在数据采样过程中同步完成开窗截取。多光谱图像数据768个，通过设置A2值，调整探测器驱动时序，选择每段图像数据采样有效时刻，取其中720个像元缓存及输出。

上述方法实现了对探测器图像数据开窗模式下，窗口位置的动态调整，为后续图像数据预处理提供方便，增加了相机应用的灵活性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。