一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種硬件加速方法，特別是一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測 度硬件加速方法，適用于專用算法硬件電路設(shè)計領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于圖像匹配的信息處理技術(shù)在新一代航天型號中已經(jīng)開始大量應(yīng)用，圖像處理 的實時性直接影響著制導精度。以往基于通用處理器（如DSP)采用軟件實現(xiàn)圖像處理算 法越來越難以滿足航天型號的實時性要求。目前，經(jīng)常采用簡化算法犧牲算法精度的方式 來減小算法運算時間。通過算法硬件化實現(xiàn)算法加速是減小算法運算時間的最有效手段。
[0003] 目前圖像處理采用的是基于灰度信息的匹配方法，這種方法匹配精度高但是運算 量比較大。基于相似性測度的圖像匹配算法是其中計算量最大，耗時最長的算法。相似性 度量準則是計算目標模板圖與實時圖之間相似程度的準則。在眾多相似性評判依據(jù)中，歸 一化互相關(guān)法（NCC)被認為是最佳的。它具有匹配精確度高，抗背景噪聲能力強、圖像畸變 適應(yīng)性強（當圖像圍繞中心點旋轉(zhuǎn)、相對縮放所導致的畸變差異不大時，其匹配結(jié)果也能 令人滿意）等特性?；谝陨咸攸c，歸一化互相關(guān)法在匹配問題上得到了廣泛且有效的應(yīng) 用。但是歸一化互相關(guān)法運算復雜度較高，計算時間耗費較長，對于實時性要求較高的匹配 應(yīng)用有一定的局限性?，F(xiàn)基于歸一化互相關(guān)法的相似性測度的圖像匹配算法多采用高性能 DSP來實現(xiàn)。但隨著圖像尺寸的增加運算量的增大，此方案很難滿足航天型號的實時性要 求。為滿足實時性，甚至采用犧牲算法精度的方式，基于歸一化互相關(guān)法的相似性測度算法 的硬件加速迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于歸一化互相 關(guān)法的相似性測度硬件加速方法，通過優(yōu)化改進相關(guān)系數(shù)算法公式，在硬件計算中采用 兩層流水線設(shè)計，合理控制硬件資源代價，采用狀態(tài)機進行相關(guān)系數(shù)的計算，并在Xilinx Virtex5-XC5VFX100T下滿足達到100M的要求，極大的提高了算法速度，最大程度上滿足了 專用算法硬件電路設(shè)計的需求。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速 方法，步驟如下：
[0006] (1)建立實時圖與模板圖之間相關(guān)系數(shù)的數(shù)學模型；所述數(shù)學模型由公式：
【主權(quán)項】
1. 一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速方法，其特征在于步驟如下： (1) 建立實時圖與模板圖之間相關(guān)系數(shù)的數(shù)學模型；所述數(shù)學模型由公式：
給出，P (p，q)為搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間的相關(guān)系數(shù)；P和q分別為搜索 窗口左上角在實時圖坐標系中的橫坐標和縱坐標，T(x，y)為模板圖中坐標點（x，y)的圖像 灰度值，S(x+p，y+q)為實時圖中對應(yīng)點的圖像灰度值，所述坐標點（x，y)位于模板圖坐標 系中，表示實時圖中搜索窗口所覆蓋子圖區(qū)域的灰度均值，T表示模板圖的灰度均值， m為模板圖寬度，η為模板圖高度，所述搜索窗口為與模板圖大小、形狀均相同的矩形窗口， 所述實時圖坐標系的坐標原點為實時圖的左上角，左上角向右為實時圖坐標系X軸正方 向，左上角向下為實時圖坐標系Y軸正方向，所述模板圖坐標系的坐標原點為模板圖的左 上角，左上角向右為模板圖坐標系X軸正方向，左上角向下為模板圖坐標系Y軸正方向； (2) 利用硬件從存儲器中讀取實時圖和模板圖，根據(jù)步驟（1)中的數(shù)學模型，分別求得 數(shù)學模型中的
},y + ci)?F(x,y). (3) 步驟（2)中的計算完成后，進入步驟（4)，利用步驟（1)中數(shù)學模型和步驟（2)中 的結(jié)果計算搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間的相關(guān)系數(shù)；同時，利用硬件從存儲器中 讀取下一幅實時圖和模板圖，返回步驟（2); (4) 利用有限狀態(tài)機方法計算搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間的相關(guān)系數(shù)； (5) 所有搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間的相關(guān)系數(shù)計算完成后，找出相關(guān)系數(shù) 中的最大值和對應(yīng)搜索窗口左上角在實時圖坐標系中的橫坐標和縱坐標，該搜索窗口對應(yīng) 的選定區(qū)域即為目標區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中的一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速方法，其 特征在于：所述步驟（2)中的硬件為FPGA或者ASIC。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中的一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速方法，其 特征在于：所述步驟（4)中利用有限狀態(tài)機方法計算搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間 的相關(guān)系數(shù)，具體為： 所述硬件中包括兩個除法器和兩個開方器，所述狀態(tài)機包括6個狀態(tài)，分別為StaO~ sta5,每個狀態(tài)下硬件的具體操作為： staO:備份步驟（2)中的計算結(jié)果，若是第一次相關(guān)系數(shù)運算，準備模板圖兩個 除法
的除數(shù)和被除數(shù)，并打開兩個除法器使 能，計算實時圖求和的平方
及實時圖平方和與m*n的乘積
轉(zhuǎn)到stal，若不是第一次相關(guān)系數(shù)，計算實時圖求和的平 方以及實時圖平方和與m*n的乘積，轉(zhuǎn)到sta2 ; stal :計寞
，計算完成后保存數(shù)據(jù)并跳轉(zhuǎn)至 sta2 ； sta2 :由stal中的結(jié)果計算中間變量
，并確定相關(guān)系數(shù)運算 中的開方數(shù)，跳轉(zhuǎn)至sta3 ; sta3 :由sta2中的中間變量計算相關(guān)系數(shù)數(shù)學模型中的分子；根據(jù)sta2中確定的相 關(guān)系數(shù)運算開方數(shù)，若是第一次相關(guān)系數(shù)運算，則打開模板圖和實時圖開方運算使能，進行 模板圖和實時圖開方運算；若不是第一次相關(guān)系數(shù)運算，則打開實時圖開方運算使能，進行 實時圖開方運算；跳轉(zhuǎn)至sta4 ; sta4 :實時圖開方運算結(jié)束后，計算實時圖與模板圖開方結(jié)果的乘積；打開除法器使 能；跳轉(zhuǎn)至sta5 ; sta5 :進行除法計算得到相關(guān)系數(shù)，除法運算結(jié)束后跳轉(zhuǎn)至StaO，進行下一幅實時圖 相關(guān)系數(shù)運算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中的一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速方法， 其特征在于：所述狀態(tài)機中的狀態(tài)采用格雷碼編碼，具體對應(yīng)關(guān)系為：StaO~000, stal~ 001，sta2 ~010, sta3 ~011，sta4 ~111，sta5 ~110。
【專利摘要】一種基于快速歸一化互相關(guān)法的相似性測度硬件加速方法，首先建立實時圖與模板圖之間相關(guān)系數(shù)的數(shù)學模型；然后利用兩層流水線進行硬件算法的設(shè)計，并利用有限狀態(tài)機方法計算搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間的相關(guān)系數(shù)；在所有搜索窗口選定的實時圖與模板圖之間的相關(guān)系數(shù)計算完成后，找出相關(guān)系數(shù)中的最大值和對應(yīng)搜索窗口左上角在實時圖坐標系中的橫坐標和縱坐標，該搜索窗口對應(yīng)的選定區(qū)域即為匹配區(qū)域，本發(fā)明合理控制硬件資源代價，在Xilinx Virtex5-XC5VFX100T下滿足達到100M的要求，對大小為80*64的實時圖和大小為25*25的模板圖進行相似性匹配運算只需3.5ms，極大的提高了算法速度。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104657553
【申請?zhí)枴緾N201510070071
【發(fā)明人】趙雄波, 劉亮亮, 吳松齡, 范仁浩, 嚴志剛, 蔣彭龍, 田甜, 孟景
【申請人】北京航天自動控制研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月10日