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一种望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，针对天文定位中背景高星等滑动恒星检测率低及定位精度不高的问题，将天文和图像处理技术相结合，利用天文信息来计算恒星滑动的轨迹，并使用了背景均衡化法、半随机定轨累加法、噪声归一法、双阈值定轨关联法、两步质心提取法等图像处理技术，来实现高星等滑动恒星的可靠增强和高精提取，从而为天文定位提供技术支持。其有益效果在于：误检率和漏检率极小，可以很好地克服恒星之间、其它天体、背景噪声等干扰因素的影响，提取很弱的高星等恒星，并同步得到恒星的数量、大小、位置和精度等信息，而且参数设置少而简单，可实现实时处理。
【专利说明】—种望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法

【技术领域】
[0001]本发明属于光电测量领域，具体涉及一种望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法。

【背景技术】
[0002]天文定位是望远镜常用的一种对空间目标跟踪定位的方法，它是指利用望远镜图像系统采集空间目标及背景恒星的图像，经过恒星提取和星图匹配，获取目标相对于恒星的位置信息。与其它定位方法相比，天文定位方法不受望远镜指向误差、大气折射等因素的影响，大大提高了定位精度，是新一代望远镜测定空间目标采用的主要方法。对于大视场的望远镜来说，视场中低星等的恒星往往较多，因此不需要进行特别的处理即可提取到一定数量的恒星。然而，对于视场小于度级的望远镜，很难保证视场中有足够的低星等恒星可用以提取定位。因此，要在这类望远镜中实现天文定位，只能利用密集而微弱的高星等恒星。
[0003]高星等恒星由于亮度很小，往往信噪比极低，甚至视觉上无法观测，故直接提取的误检率和漏检率通常是非常高的，因此必须首先进行增强处理。然而，天文定位的目的是对其它空间目标进行跟踪和定位，所以此时恒星在视场中是滑动的，而不是驻留在一个固定的位置，并且望远镜的移动路径、机架晃动和视场畸变等因素还会导致恒星滑动的轨迹不规则。要在这种条件下对恒星进行增强，属于一个未知数量弱小机动目标的检测问题，实现起来有如下几个难点:
[0004](I)图像噪声剧烈，部分恒星信噪比极低，甚至无法直接观测；
[0005](2)恒星滑动的轨迹可能不规则；
[0006](3)恒星之间亮度相差很大，较亮的恒星常常将较暗的恒星掩盖；
[0007](4)恒星个数不确定，是一个不定数的多目标提取问题；
[0008](5)恒星与其它天体没有形状和亮度等特征，难以区别；
[0009](6)图像背景不均，常伴有波状起伏；
[0010](7)对实时性有要求，算法不能太繁琐，等等。
[0011]通常而言，单纯用图像来实现上述增强和提取是非常困难的。目前的方法主要分为两类:一是先探测后跟踪，二是先跟踪后探测。由于弱小目标特征不明显，因此多以先跟踪后探测算法为主。先跟踪后探测算法是先搜索所有可能的运动轨迹再来判断真实的轨迹并进行多帧关联，目前常用的方法有霍夫变换、多级假设检验、粒子滤波、二维自适应滤波、三重时空滤波、定向滤波、形态学滤波、二次面模型、神经网络、动态规划、穷举法等等。然而，这些方法仍然无法完全克服上述的轨迹不规则、个数不确定、天体之间难以区分、实时性有要求等几个问题。尤其是在实时性的问题上，以上方法都需要很大的计算量和存储量，导致延迟时间过长，容易造成与实时目标失去同步，因此难以在实际工程中应用。
[0012]另外，恒星增强和提取的目的是用于天文定位，故对提取的精度还有较高的要求。以上探测方法无一例外都会使用多帧关联，虽然多帧关联可以使检测更加准确，但是却会降低提取的精度。天文定位需要的是恒星的实时位置，而多帧关联后会导致恒星趋于平均位置，从而使提取精度受到影响。因此，还亟需一种适用于多帧关联的、精度更高的的恒星提取方法来解决上述矛盾，从而提高恒星的定位精度。


【发明内容】

[0013]本发明解决的技术问题:针对天文定位中背景高星等滑动恒星检测率低及定位精度不高的问题，将天文和图像处理技术相结合，提供一种快捷有效的恒星增强和提取方法，可大幅度提高滑动恒星的信噪比，实现高星等滑动恒星的可靠检测，并准确地提取出恒星的实时质心位置，从而为天文定位提供技术支持。
[0014]本发明采用的技术方案为:一种望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，利用天文信息来计算恒星滑动的轨迹，并使用了背景均衡化法、半随机定轨累加法、噪声归一法、双阈值定轨关联法、两步质心提取法等图像处理技术，来确保恒星增强提取的可靠性和准确性。其基本原理如图1所示，实现步骤如下:
[0015]第(I)步、用星表计算恒星在望远镜视场中滑动的帧间偏移量；
[0016]第(2)步、用中值滤波和背景均衡化法对当前帧图像进行预处理；
[0017]第(3)步、用半随机定轨累加法、背景均衡化法和噪声归一法对恒星进行增强；
[0018]第(4)步、用阈值分割法和形态学滤波对恒星进行分割；
[0019]第(5)步、用双阈值定轨关联法和连通域标记法对恒星进行检测；
[0020]第(6)步、用包含相对定位和绝对定位的两步法对恒星进行质心提取。
[0021]进一步的，所述第(I)步的实现步骤为:
[0022]I)用天文算法将当前帧的地方平时转换为当地恒星时；
[0023]2)用当地恒星时、站址纬度和当前帧视场中心的地平坐标，计算当前帧视场中心的第二赤道坐标；
[0024]3)在星表中找到两颗以上距离当前帧视场中心最近的恒星，组成当前帧的子星表;
[0025]4)将当前帧子星表中恒星的平位置用天文算法转换到观测位置，并计算其地平坐标；
[0026]5)用当前帧子星表中恒星的观测位置的地平坐标计算其视场坐标；
[0027]6)找出当前帧子星表中与上一帧子星表中共有的、距离当前帧视场中心最近的一颗恒星，并用之来计算当前帧的帧间偏移量。
[0028]进一步的，所述第(2)步的实现步骤为:
[0029]I)对当前帧原始图像进行中值滤波，消除毛刺噪声；
[0030]2)对中值滤波后的图像进行低通滤波，获取整幅图像的低频成分；
[0031]3)对整幅图像的低频成分进行形态学开运算，屏蔽掉恒星的幅度，从而获取背景的低频成分；
[0032]4)将中值滤波后的图像减去背景的低频成分，得到背景均衡化后的图像；
[0033]5)剔除空间目标的像素点，得到当前帧的最终预处理图像。
[0034]进一步的，所述第(3)步的实现步骤为:
[0035]I)选取定轨累加所用的必选帧和随机帧，组成一个半随机帧集；
[0036]2)以当前帧为基准，将半随机帧集中的历史预处理图像按与当前帧的累积帧间偏移量进行平移配准，然后取各像素的平均值，得到定轨累加图像；
[0037]3)对定轨累加图像重新进行背景均衡化处理；
[0038]4)对背景均衡化后的定轨累加图像进行噪声归一化，得到最终定轨累加图像。
[0039]进一步的，所述第(4)步的实现步骤为:
[0040]I)计算最终定轨累加图像背景噪声的3倍标准差，并以此为阈值对最终定轨累加图像进行分割，得到初步分割图像；
[0041]2)对初步分割图像进行形态学滤波，填补恒星内部的空洞并滤除大部分噪声。
[0042]进一步的，所述第(5)步的实现步骤为:
[0043]I)对形态学滤波后的分割图像进行四领域膨胀，得到扩充分割图像；
[0044]2)对分割图像缓冲器中所有扩充分割图像重新进行定轨累加，得到一个定轨累加矩阵；
[0045]3)使用双阈值法来对定轨累加矩阵进行再次分割；
[0046]4)用双阈值法的分割结果判定恒星的像素区域，得到恒星区域二值图；
[0047]5)将恒星区域二值图进行连通域标记，划分出各个恒星的范围。
[0048]进一步的，所述第(6)步的实现步骤为:
[0049]I)用最终定轨累加图像计算各恒星的质心，得到各恒星的相对质心位置；
[0050]2)选出当前帧最终预处理图像中大于一定阈值的恒星作为参考恒星，并计算其绝对质心位置；
[0051]3)用相对质心找出当前帧各个恒星的最邻近参考恒星；
[0052]4)用最邻近的参考恒星修正当前帧各个恒星的质心位置，从而得到当前帧全部恒星的修正质心位置，即最终结果。
[0053]本发明与现有技术相比的有益效果在于:
[0054](I)误检率和漏检率极小；
[0055](2)可以提取很弱的高星等恒星；
[0056](3)恒星等天体的相对亮度对检测率基本没有影响；
[0057](4)可以同步得到恒星的数量、大小、位置和精度等信息；
[0058](5)可将恒星和其它天体分离，即使恒星穿过其它天体也可以稳定提取；
[0059](6)可以很好地克服图像背景起伏不均的问题；
[0060](7)对噪声大小没有太多要求，只需要是高斯噪声；
[0061](8)参数设置少而简单；
[0062](9)算法不复杂，可实现实时处理。

【专利附图】

【附图说明】
[0063]图1是本发明方法原理示意图。
[0064]图2是实施例中用来计算帧间偏移量的恒星在视场中的轨迹图。
[0065]图3是实施例的预处理结果，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别是当前帧原始图像、中值滤波后的图像、整幅图像的低频成分、背景的低频成分、背景均衡化后的图像和最终预处理图像。
[0066]图4是实施例的恒星增强结果，其中(a)、(b)和(C)分别是定轨累加图像、背景均衡化后的定轨累加图像和噪声归一化后的最终定轨累加图像。
[0067]图5是实施例的恒星分割结果，其中(a)和(b)分别是初步分割图像和形态学滤波后的分割图像。
[0068]图6是实施例的恒星检测结果，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别是扩充分割图像、定轨累加矩阵、第一阈值分割图、第二阈值分割图、恒星区域二值图和连通域标记图。
[0069]图7是实施例的质心提取结果，其中圆圈是相对质心位置，菱形是绝对质心位置，十字是修正质心位置。

【具体实施方式】
[0070]以下是本发明的具体实施办法。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
[0071]本发明的第一步是用星表计算恒星在望远镜视场中滑动的帧间偏移量，具体实现步骤为:
[0072]I)用天文算法将当前帧的地方平时转换为当地恒星时\ΒΤ。
[0073]2)用当地恒星时tMST、站址纬度炉和当前帧视场中心的地平坐标(Atl, E0)，计算当前帧视场中心的第二赤道坐标(α & δ0),计算公式为:
[0074]

【权利要求】
1.一种望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于实现步骤如下: 第(I)步、用星表计算恒星在望远镜视场中滑动的帧间偏移量； 第(2)步、用中值滤波和背景均衡化法对当前帧图像进行预处理； 第(3)步、用半随机定轨累加法、背景均衡化法和噪声归一法对恒星进行增强； 第(4)步、用阈值分割法和形态学滤波对恒星进行分割； 第(5)步、用双阈值定轨关联法和连通域标记法对恒星进行检测； 第(6)步、用包含相对定位和绝对定位的两步法对恒星进行质心提取。
2.根据权利要求1所述的望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于:所述第(I)步的实现步骤为: 1)用天文算法将当前帧的地方平时转换为当地恒星时； 2)用当地恒星时、站址纬度和当前帧视场中心的地平坐标，计算当前帧视场中心的第二赤道坐标； 3)在星表中找到两颗以上距离当前帧视场中心最近的恒星，组成当前帧的子星表； 4)将当前帧子星表中恒星的平位置用天文算法转换到观测位置，并计算其地平坐标； 5)用当前帧子星表中恒星的观测位置的地平坐标计算其视场坐标； 6)找出当前帧子星表中与上一帧子星表中共有的、距离当前帧视场中心最近的一颗恒星，并用之来计算当前帧的帧间偏移量。
3.根据权利要求1所述的望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于:所述第(2)步的实现步骤为: 1)对当前帧原始图像进行中值滤波，消除毛刺噪声； 2)对中值滤波后的图像进行低通滤波，获取整幅图像的低频成分； 3)对整幅图像的低频成分进行形态学开运算，屏蔽掉恒星的幅度，从而获取背景的低频成分； 4)将中值滤波后的图像减去背景的低频成分，得到背景均衡化后的图像； 5)剔除空间目标的像素点，得到当前帧的最终预处理图像。
4.根据权利要求1所述的望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于:所述第(3)步的实现步骤为: 1)选取定轨累加所用的必选帧和随机帧，组成一个半随机帧集； 2)以当前帧为基准，将半随机帧集中的历史预处理图像按与当前帧的累积帧间偏移量进行平移配准，然后取各像素的平均值，得到定轨累加图像； 3)对定轨累加图像重新进行背景均衡化处理； 4)对背景均衡化后的定轨累加图像进行噪声归一化，得到最终定轨累加图像。
5.根据权利要求1所述的望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于:所述第(4)步的实现步骤为: 1)计算最终定轨累加图像背景噪声的3倍标准差，并以此为阈值对最终定轨累加图像进行分割，得到初步分割图像； 2)对初步分割图像进行形态学滤波，填补恒星内部的空洞并滤除大部分噪声。
6.根据权利要求1所述的望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于:所述第(5)步的实现步骤为: 1)对形态学滤波后的分割图像进行四领域膨胀，得到扩充分割图像； 2)对分割图像缓冲器中所有扩充分割图像重新进行定轨累加，得到一个定轨累加矩阵； 3)使用双阈值法来对定轨累加矩阵进行再次分割； 4)用双阈值法的分割结果判定恒星的像素区域，得到恒星区域二值图； 5)将恒星区域二值图进行连通域标记，划分出各个恒星的范围。
7.根据权利要求1所述的望远镜视场中高星等滑动恒星的增强和提取方法，其特征在于:所述第(6)步的实现步骤为: 1)用最终定轨累加图像计算各恒星的质心，得到各恒星的相对质心位置； 2)选出当前帧最终预处理图像中大于一定阈值的恒星作为参考恒星，并计算其绝对质心位置； 3)用相对质心找出当前帧各个恒星的最邻近参考恒星； 4)用最邻近的参考恒星修正当前帧各个恒星的质心位置，从而得到当前帧全部恒星的修正质心位置，即最终结果。
【文档编号】G01C21/02GK104197933SQ201410473235
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】罗一涵, 陈科 申请人:中国科学院光电技术研究所