基本信息
- 项目名称：
- 嵌入式紧凑型并行光学处理器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目制作了国内首台并行光学处理器样机，并开发了相应的嵌入式目标识别和跟踪应用系统。目前该光学并行处理器图像相关运算速度达300帧/秒，是现有数字处理速度的10倍以上，有着强大的监控、预警和分析能力。集成到现有导弹系统中构成的弹载图像信息处理系统，可将图像处理速度由目前基于DSP数字处理芯片的30次/秒提升到300次/秒，且成本降低到现有芯片的40%左右。本成果可广泛用于导弹制导、航天器交会对接、智能视频监控、身份认证等军事和城市安防领域。相关核心技术已申报发明专利两项。
- 详细介绍：
- 随着图像传感器空间、时间分辨率性能的飞速提升，导弹制导、航天器交会对接、智能视频监控、身份认证等领域中实时图像数据处理和分析的信息量显著增大。目前普遍采用的数字处理技术限于存储器、运算器等器件的性能的制约，难以满足实时处理的要求。与现有的数字处理器相比，并行光学处理器具有数据带宽大、固有的二维并行处理能力、运算速度快，设备简单、造价低廉等特点。 本项目制作出国内首台并行光学处理器的样机及相应的嵌入式目标识别和跟踪应用演示实例。在光路设计及光学精密试验技术、嵌入式图像处理技术以及反馈跟踪精确控制技术等技术领域取得了显著的突破，在并行光学处理器实物空间和光学相关空间之间的映射关系、光学处理器结构紧凑化设计以及嵌入式跟踪控制反馈控制一体化设计等理论与工程实践领域获得了多项创新成果。已有两项发明专利正在受理，并将在今年光学仪器技术国际会议上宣读项目研究成果。 目前该光学并行处理器图像相关运算速度达300帧/秒，是现有数字处理速度的10倍以上，有着强大的监控、预警和分析能力，可在城市安防系统中发挥重大作用。集成到现有导弹系统中构成的弹载图像信息处理系统，可将图像处理速度由目前基于DSP数字处理芯片的30次/秒提升到300次/秒，且成本降低到现有芯片的40%左右。项目研究成果本成果可广泛用于导弹制导、航天器交会对接、智能视频监控、身份认证等军事和城市安防领域。展示了光计算技术在实时海量图像信息分析处理方面的性能优势，为我国实时图像识别和跟踪技术的发展方向提供参考。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目前，基于图像传感器的实时图像数据处理和分析技术正愈发显现出重要应用价值，随着图像传感器空间、时间分辨率性能的飞速提升，需要处理的信息量显著增大。目前普遍采用件的数字处理技术限于器件的性能的制约，难以满足实时处理的要求。 并行光学处理器用光学方法实现二维图像的相关运算，与数字处理器相比，并行光学处理器具有固有的二维并行处理能力、运算速度快，设备简单等特点。美、德、英、法等国在基于光学处理器的图像处理领域已有较多研究。 本参赛作品瞄准和跟踪国外光学运算器最新研究成果，制作出并行光学处理器的样机及相应的嵌入式目标识别和跟踪应用演示实例，展示光计算技术在实时海量图像信息分析处理方面的性能优势，为我国实时图像识别和跟踪技术的发展方向提供参考。 ◆创新点 1 在国内首次开发出脱离实验平台的嵌入式紧凑型光学处理器，实现了基于光学运算的目标识别和跟踪演示系统。 2 首次提出同轴光路设计方法，对系统光学结构进一步优化设计，将国外普遍采用的4-f系统缩减为1-f系统，大大缩减了光路长度和系统体积。 3 光学系统结合FPGA嵌入式系统，实现了图像输入、光学相关运算、位置/姿态运算和跟踪控制反馈控制的一体化嵌入式光学处理器系统。 ◆技术关键：光路设计及光学精密试验技术；嵌入式图像处理技术；反馈跟踪精确控制技术。 ◆主要技术指标：图像相关匹配识别速度：300帧/秒@1024×768； 体积：17×11×5cm；重量：0.5kg；成本：1.2万元
科学性、先进性
- ◆运算速度快，数据带宽大 与现有的基于电子技术的图像处理技术比，光学并行处理具有更快的运算速度和更大的数据带宽。运算速度达光速，整体图像处理速度仅受限于光电信号转换器件的速度，其预期速度达到1000帧/秒以上，而目前的嵌入式电子芯片仅达到20~30帧/秒的处理速度，因此在各类实时图像/视频流处理领域具有极大的速度优势。 ◆光路优化设计，光学结构稳定紧凑 首次提出同轴式光路设计方法，解决了传统方法带来的体积与精度矛盾的问题，通过理论分析，将国外普遍采用的4-f系统缩减为1-f系统，优化了系统光路，大大缩减了光路长度，使得系统光学模块总体积达到世界先进水平。 ◆整体体积更小，系统可移植性和扩展性更强 由单片FPGA完成全部的视频信号的获取及转换复用等功能，所有辅助电信号处理全部由嵌入式系统完成，使得系统体积更小，可移植性和功能扩展性更强。与不同的目标图像输入设备和终端设备灵活组合，可以应用于视频监控、导弹制导、无人机巡航、高精度相机稳像等不同的领域。
获奖情况及鉴定结果
- 本参赛作品在2009年5月9日学校“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛申报作品评审鉴定会上，被评审委员会鉴定认为本作品技术指标真实、创新性强、应用前景广泛，一致推荐作为高校直送作品参加全国比赛。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 可以以有偿转让的方式转让：①设计方案、技术示范、操作方法说明②系统各子模块以及成套硬件设备
作品可展示的形式
- ■实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘 ■现场演示 ■图片 ■录像 □样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品具有结构紧凑、运算速度快、精度高等优势，辅以不同的目标图像输入设备和终端设备，可广泛用于不同的应用领域，具有广泛的市场前景。 军事应用方面：可用于导弹制导、自主导航和航天器交会对接等。将嵌入式紧凑型并行光学处理器集成到现有导弹系统中，可以将图像处理速度由目前基于DSP数字处理芯片的30次/秒提升到300次/秒，且成本降低到现有芯片的40%左右，具有广泛的军事应用价值。 民用方面：在智能视频监控领域有较大的推广前景。目前，视频监控正在向网络化智能化发展，大规模的视频流实时识别跟踪对图像处理器件性能提出了紧迫需求，而目前的数字图像处理技术面临较大的瓶颈，仅能实现简单的入侵检测、视频计数器、目标离开侦测。光学并行处理器高达1000帧/秒的处理速度完全能够胜任智能视频监控的需求，有着强大的监控、预警和分析能力，将在城市安防系统中发挥重大作用，具有广泛的经济效应。 另外在在工业精密检测、指纹识别、安全认证、飞机盲降等需要视频图像自动识别/跟踪的领域也有广泛的前景。
同类课题研究水平概述
- 基于光学相关运算的目标识别、跟踪理论分析国外早有报道，然而直到1997年才由美国的Litton 公司将它定型化、产品化，后来由于军事保密等原因，未见该公司的其他文献报道。第二家制作光学相关目标识别器的是美国NASA的Jet Propulsion实验室，该实验室将光学相关器进一步产品化、小型化、智能化，用于自主飞行器导航。此外，美国陆军导弹局、剑桥大学开展了的相应的理论和验证型实验研究工作，AOS、INO、BNS公司也在进行相关器的产品化研发。德国、俄罗斯、法国、韩国相关机构也有相应的理论、实验研究报道。 美国Semetex公司开发生产的SMC-2000 型微型化光学相关处理器已商品化。为了适应航天等领域的应用需求，光学相关器的小型化一直是这一领域的研究热点。1997年美国Litton Data System公司推出了微型化光学相关器(MROC)系列产品，采用反射式折叠光路进行小型化设计，每秒可完成1000次运算。美国喷气推进实验室(JPL)在NASA 和美国弹道导弹司令部的支持下，研制了小型化的灰度光学相关器(Grayscale Optical Correlator ,GOC)，每秒刷新频率为1000Hz，准备应用于飞船对接和精确着陆中。瑞典斯德哥尔摩光学研究所和瑞典皇家技术学院研究开发出微型光学相关器刷新速度达220帧/秒，图像大小为256×256 像素。加拿大INO公司研制出的基于光学相关运算的高速指纹识别系统处理速度为60 帧/秒。此外，俄罗斯、法国、韩国、日本等国家也有相关报道。基于光学处理器的图像/视频处理技术已经在计算速度等方面显示出巨大的潜力。 国内中科院成都光电技术所、上海技术物理研究所、天津大学、军械工程学院、南京理工大学、长春理工大学等对基于光学运算的目标识别开展了大量的理论与实验及仿真研究，天津大学和大恒光电集团公司对光学相关运算模块的硬件进行了紧凑化、集成化设计，服务于高等学校教学实验研究。在本项目研制之前，国内还没有一套类似于美国Litton公司、Jet Propulsion实验室推出的集捕获、识别和机械装置于一体的嵌入式并行光学处理器。 本参赛作品将瞄准和跟踪国外光学运算及目标识别跟踪最新技术，制作出国内首台并行光学处理器的样机及相应的嵌入式目标识别和跟踪应用演示实例；力争带来广泛的市场价值。
