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基本信息
- 項目名稱：
- 嵌入式緊湊型并行光學(xué)處理器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目制作了國內(nèi)首臺并行光學(xué)處理器樣機(jī)，并開發(fā)了相應(yīng)的嵌入式目標(biāo)識別和跟蹤應(yīng)用系統(tǒng)。目前該光學(xué)并行處理器圖像相關(guān)運算速度達(dá)300幀/秒，是現(xiàn)有數(shù)字處理速度的10倍以上，有著強(qiáng)大的監(jiān)控、預(yù)警和分析能力。集成到現(xiàn)有導(dǎo)彈系統(tǒng)中構(gòu)成的彈載圖像信息處理系統(tǒng)，可將圖像處理速度由目前基于DSP數(shù)字處理芯片的30次/秒提升到300次/秒，且成本降低到現(xiàn)有芯片的40%左右。本成果可廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天器交會對接、智能視頻監(jiān)控、身份認(rèn)證等軍事和城市安防領(lǐng)域。相關(guān)核心技術(shù)已申報發(fā)明專利兩項。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著圖像傳感器空間、時間分辨率性能的飛速提升，導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天器交會對接、智能視頻監(jiān)控、身份認(rèn)證等領(lǐng)域中實時圖像數(shù)據(jù)處理和分析的信息量顯著增大。目前普遍采用的數(shù)字處理技術(shù)限于存儲器、運算器等器件的性能的制約，難以滿足實時處理的要求。與現(xiàn)有的數(shù)字處理器相比，并行光學(xué)處理器具有數(shù)據(jù)帶寬大、固有的二維并行處理能力、運算速度快，設(shè)備簡單、造價低廉等特點。 本項目制作出國內(nèi)首臺并行光學(xué)處理器的樣機(jī)及相應(yīng)的嵌入式目標(biāo)識別和跟蹤應(yīng)用演示實例。在光路設(shè)計及光學(xué)精密試驗技術(shù)、嵌入式圖像處理技術(shù)以及反饋跟蹤精確控制技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的突破，在并行光學(xué)處理器實物空間和光學(xué)相關(guān)空間之間的映射關(guān)系、光學(xué)處理器結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計以及嵌入式跟蹤控制反饋控制一體化設(shè)計等理論與工程實踐領(lǐng)域獲得了多項創(chuàng)新成果。已有兩項發(fā)明專利正在受理，并將在今年光學(xué)儀器技術(shù)國際會議上宣讀項目研究成果。 目前該光學(xué)并行處理器圖像相關(guān)運算速度達(dá)300幀/秒，是現(xiàn)有數(shù)字處理速度的10倍以上，有著強(qiáng)大的監(jiān)控、預(yù)警和分析能力，可在城市安防系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。集成到現(xiàn)有導(dǎo)彈系統(tǒng)中構(gòu)成的彈載圖像信息處理系統(tǒng)，可將圖像處理速度由目前基于DSP數(shù)字處理芯片的30次/秒提升到300次/秒，且成本降低到現(xiàn)有芯片的40%左右。項目研究成果本成果可廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天器交會對接、智能視頻監(jiān)控、身份認(rèn)證等軍事和城市安防領(lǐng)域。展示了光計算技術(shù)在實時海量圖像信息分析處理方面的性能優(yōu)勢，為我國實時圖像識別和跟蹤技術(shù)的發(fā)展方向提供參考。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目前，基于圖像傳感器的實時圖像數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)正愈發(fā)顯現(xiàn)出重要應(yīng)用價值，隨著圖像傳感器空間、時間分辨率性能的飛速提升，需要處理的信息量顯著增大。目前普遍采用件的數(shù)字處理技術(shù)限于器件的性能的制約，難以滿足實時處理的要求。 并行光學(xué)處理器用光學(xué)方法實現(xiàn)二維圖像的相關(guān)運算，與數(shù)字處理器相比，并行光學(xué)處理器具有固有的二維并行處理能力、運算速度快，設(shè)備簡單等特點。美、德、英、法等國在基于光學(xué)處理器的圖像處理領(lǐng)域已有較多研究。 本參賽作品瞄準(zhǔn)和跟蹤國外光學(xué)運算器最新研究成果，制作出并行光學(xué)處理器的樣機(jī)及相應(yīng)的嵌入式目標(biāo)識別和跟蹤應(yīng)用演示實例，展示光計算技術(shù)在實時海量圖像信息分析處理方面的性能優(yōu)勢，為我國實時圖像識別和跟蹤技術(shù)的發(fā)展方向提供參考。 ◆創(chuàng)新點 1 在國內(nèi)首次開發(fā)出脫離實驗平臺的嵌入式緊湊型光學(xué)處理器，實現(xiàn)了基于光學(xué)運算的目標(biāo)識別和跟蹤演示系統(tǒng)。 2 首次提出同軸光路設(shè)計方法，對系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，將國外普遍采用的4-f系統(tǒng)縮減為1-f系統(tǒng)，大大縮減了光路長度和系統(tǒng)體積。 3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合FPGA嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)了圖像輸入、光學(xué)相關(guān)運算、位置/姿態(tài)運算和跟蹤控制反饋控制的一體化嵌入式光學(xué)處理器系統(tǒng)。 ◆技術(shù)關(guān)鍵：光路設(shè)計及光學(xué)精密試驗技術(shù)；嵌入式圖像處理技術(shù)；反饋跟蹤精確控制技術(shù)。 ◆主要技術(shù)指標(biāo)：圖像相關(guān)匹配識別速度：300幀/秒@1024×768； 體積：17×11×5cm；重量：0.5kg；成本：1.2萬元
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ◆運算速度快，數(shù)據(jù)帶寬大 與現(xiàn)有的基于電子技術(shù)的圖像處理技術(shù)比，光學(xué)并行處理具有更快的運算速度和更大的數(shù)據(jù)帶寬。運算速度達(dá)光速，整體圖像處理速度僅受限于光電信號轉(zhuǎn)換器件的速度，其預(yù)期速度達(dá)到1000幀/秒以上，而目前的嵌入式電子芯片僅達(dá)到20~30幀/秒的處理速度，因此在各類實時圖像/視頻流處理領(lǐng)域具有極大的速度優(yōu)勢。 ◆光路優(yōu)化設(shè)計，光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定緊湊 首次提出同軸式光路設(shè)計方法，解決了傳統(tǒng)方法帶來的體積與精度矛盾的問題，通過理論分析，將國外普遍采用的4-f系統(tǒng)縮減為1-f系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)光路，大大縮減了光路長度，使得系統(tǒng)光學(xué)模塊總體積達(dá)到世界先進(jìn)水平。 ◆整體體積更小，系統(tǒng)可移植性和擴(kuò)展性更強(qiáng) 由單片F(xiàn)PGA完成全部的視頻信號的獲取及轉(zhuǎn)換復(fù)用等功能，所有輔助電信號處理全部由嵌入式系統(tǒng)完成，使得系統(tǒng)體積更小，可移植性和功能擴(kuò)展性更強(qiáng)。與不同的目標(biāo)圖像輸入設(shè)備和終端設(shè)備靈活組合，可以應(yīng)用于視頻監(jiān)控、導(dǎo)彈制導(dǎo)、無人機(jī)巡航、高精度相機(jī)穩(wěn)像等不同的領(lǐng)域。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本參賽作品在2009年5月9日學(xué)?！疤魬?zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽申報作品評審鑒定會上，被評審委員會鑒定認(rèn)為本作品技術(shù)指標(biāo)真實、創(chuàng)新性強(qiáng)、應(yīng)用前景廣泛，一致推薦作為高校直送作品參加全國比賽。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 可以以有償轉(zhuǎn)讓的方式轉(zhuǎn)讓：①設(shè)計方案、技術(shù)示范、操作方法說明②系統(tǒng)各子模塊以及成套硬件設(shè)備
作品可展示的形式
- ■實物、產(chǎn)品 □模型 □圖紙 □磁盤 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像 □樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 本作品具有結(jié)構(gòu)緊湊、運算速度快、精度高等優(yōu)勢，輔以不同的目標(biāo)圖像輸入設(shè)備和終端設(shè)備，可廣泛用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣泛的市場前景。 軍事應(yīng)用方面：可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、自主導(dǎo)航和航天器交會對接等。將嵌入式緊湊型并行光學(xué)處理器集成到現(xiàn)有導(dǎo)彈系統(tǒng)中，可以將圖像處理速度由目前基于DSP數(shù)字處理芯片的30次/秒提升到300次/秒，且成本降低到現(xiàn)有芯片的40%左右，具有廣泛的軍事應(yīng)用價值。 民用方面：在智能視頻監(jiān)控領(lǐng)域有較大的推廣前景。目前，視頻監(jiān)控正在向網(wǎng)絡(luò)化智能化發(fā)展，大規(guī)模的視頻流實時識別跟蹤對圖像處理器件性能提出了緊迫需求，而目前的數(shù)字圖像處理技術(shù)面臨較大的瓶頸，僅能實現(xiàn)簡單的入侵檢測、視頻計數(shù)器、目標(biāo)離開偵測。光學(xué)并行處理器高達(dá)1000幀/秒的處理速度完全能夠勝任智能視頻監(jiān)控的需求，有著強(qiáng)大的監(jiān)控、預(yù)警和分析能力，將在城市安防系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。 另外在在工業(yè)精密檢測、指紋識別、安全認(rèn)證、飛機(jī)盲降等需要視頻圖像自動識別/跟蹤的領(lǐng)域也有廣泛的前景。
同類課題研究水平概述
- 基于光學(xué)相關(guān)運算的目標(biāo)識別、跟蹤理論分析國外早有報道，然而直到1997年才由美國的Litton 公司將它定型化、產(chǎn)品化，后來由于軍事保密等原因，未見該公司的其他文獻(xiàn)報道。第二家制作光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別器的是美國NASA的Jet Propulsion實驗室，該實驗室將光學(xué)相關(guān)器進(jìn)一步產(chǎn)品化、小型化、智能化，用于自主飛行器導(dǎo)航。此外，美國陸軍導(dǎo)彈局、劍橋大學(xué)開展了的相應(yīng)的理論和驗證型實驗研究工作，AOS、INO、BNS公司也在進(jìn)行相關(guān)器的產(chǎn)品化研發(fā)。德國、俄羅斯、法國、韓國相關(guān)機(jī)構(gòu)也有相應(yīng)的理論、實驗研究報道。 美國Semetex公司開發(fā)生產(chǎn)的SMC-2000 型微型化光學(xué)相關(guān)處理器已商品化。為了適應(yīng)航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，光學(xué)相關(guān)器的小型化一直是這一領(lǐng)域的研究熱點。1997年美國Litton Data System公司推出了微型化光學(xué)相關(guān)器(MROC)系列產(chǎn)品，采用反射式折疊光路進(jìn)行小型化設(shè)計，每秒可完成1000次運算。美國噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)在NASA 和美國彈道導(dǎo)彈司令部的支持下，研制了小型化的灰度光學(xué)相關(guān)器(Grayscale Optical Correlator ,GOC)，每秒刷新頻率為1000Hz，準(zhǔn)備應(yīng)用于飛船對接和精確著陸中。瑞典斯德哥爾摩光學(xué)研究所和瑞典皇家技術(shù)學(xué)院研究開發(fā)出微型光學(xué)相關(guān)器刷新速度達(dá)220幀/秒，圖像大小為256×256 像素。加拿大INO公司研制出的基于光學(xué)相關(guān)運算的高速指紋識別系統(tǒng)處理速度為60 幀/秒。此外，俄羅斯、法國、韓國、日本等國家也有相關(guān)報道?；诠鈱W(xué)處理器的圖像/視頻處理技術(shù)已經(jīng)在計算速度等方面顯示出巨大的潛力。 國內(nèi)中科院成都光電技術(shù)所、上海技術(shù)物理研究所、天津大學(xué)、軍械工程學(xué)院、南京理工大學(xué)、長春理工大學(xué)等對基于光學(xué)運算的目標(biāo)識別開展了大量的理論與實驗及仿真研究，天津大學(xué)和大恒光電集團(tuán)公司對光學(xué)相關(guān)運算模塊的硬件進(jìn)行了緊湊化、集成化設(shè)計，服務(wù)于高等學(xué)校教學(xué)實驗研究。在本項目研制之前，國內(nèi)還沒有一套類似于美國Litton公司、Jet Propulsion實驗室推出的集捕獲、識別和機(jī)械裝置于一體的嵌入式并行光學(xué)處理器。 本參賽作品將瞄準(zhǔn)和跟蹤國外光學(xué)運算及目標(biāo)識別跟蹤最新技術(shù)，制作出國內(nèi)首臺并行光學(xué)處理器的樣機(jī)及相應(yīng)的嵌入式目標(biāo)識別和跟蹤應(yīng)用演示實例；力爭帶來廣泛的市場價值。
