一種從星圖中提取星像的方法
2023-10-09 22:24:44
專利名稱：一種從星圖中提取星像的方法
技術領域：
本發明屬於天文導航技術鄰域，涉及一種從星圖中提取星像的方法。
背景技術：
準確的姿態信息為太空飛行器的順利飛行提供重要保障，星敏感器是目前精度最高的一種姿態測量儀器，工作過程主要由星圖獲取、星像提取、星圖識別、姿態估算等步驟組成。星像提取是通過處理星圖得到星像亮度和位置等數據的過程，是順利進行星圖識別的前提。隨著採用的圖像傳感器陣列增大，星像提取處理時間增加，時效問題突顯。研究快速星像提取算法，對於提高測姿速率，研發高性能實時姿態測量星敏感器具有重要意義。星像提取包括星像和背景分離、星像與星像的分離、質心計算和亮度計算處理過 程，目前的星像提取算法大都是改進其中一個或幾個步驟的處理方法。針對星像和背景的分離，李廣澤等在2005年第13卷SI期「光學精密工程」上報導了基於雙正交小波的星像提取算法，通過雙正交小波變換分解星圖，確定閾值分割星像和背景。在2009年第35卷第3期「光學技術」上發表的《基於背景自適應預測的星點提取算法》在背景預測的基礎上，採用自適應閾值法分割圖像，提出了背景自適應預測的星像提取算法。它們都屬於動態閾值分割算法，雖然提高了分割準確性，但處理速率低於固定閾值法。在星像間分離方面，最常用的方法是連通域標記法，除需要遍歷星圖外，鄰域像元經常發生標記衝突，算法須回溯掃描。分別發表在2005年「北京航空航天大學學報」第31卷第3期和第4期的《內嵌ARM核的FPGA技術在星敏感器中的應用》和《CMOS星敏感器圖像驅動及實時星點定位算法》基於嵌入式技術，採用FPGA硬體方法實現了 4連通域實時星像提取，提高了運行速率。區域增長算法也是一種常用的方法，不存在標記衝突問題，不需回溯掃描，但為了尋找啟始種子，需重複遍歷星圖，處理速率還不夠理想。2005年柳健等在「光電工程」第32卷第2期上提出了極值點法，利用最小二乘向量機求出星圖局部區域灰度的最佳擬合曲面，以曲面的最大值點作為像素聚類的啟始點，分離各個星像。2006年王兆魁等在「空間科學學報」第26卷第3期上提出交叉投影星像提取算法，通過檢測豎直和水平方向上的星圖投影，得到各個星像外接四邊形的頂點坐標，確定每個星像的分布範圍。與質心計算有關的星像提取算法中，曲面擬合方法精度較高，抗噪性能優於帶閾值的質心算法和加權質心算法。2006年李春豔等在「光電工程」第33卷第2期上提出基於亞像元相關法的星像質心算法，將星像數據擬合成解析曲面函數，並與理想模板函數作相關運算，求相關函數，通過計算相關函數最大值，求出星像位置，計算精度優於1/12個像元，由於計算過程複雜，星像提取速率低。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種快速從星圖中提取星像，以縮短星象提取時間的方法。
本發明的從星圖中提取星像的方法的基本思想是，經過灰度閾值處理後的星圖，星像只佔少部分區域，大部分區域灰度值為O。以十字鍊表稀疏矩陣結構記錄星圖，可剔除無關信息，避免重複判斷非星像像元。通過處理十字鍊表，即可完成提取星像。區域增長算法從啟始種子開始連通星像區域，減少了判斷非星像像元的次數。星圖以十字鍊表存儲時，十字鍊表的每個節點都代表星像像元。而以區域增長算法處理十字鍊表星圖，不必再判斷當前像元是否為星像像元。這樣，可以避免重複掃描星圖。如果十字鍊表中的星像像元已經連通，當提取一個連通區域後，該區域像元已全部從鍊表中刪除。提取出的像元數據直接用於計算星像質心。當提取新的星 像時，啟始種子總是十字鍊表的第一個節點，不需再次掃描星圖。按照區域增長算法的基本原理，在一個星像區域的增長過程中遇到的每一個灰度大於閾值的像元都是種子，它們將執行相同的任務，檢查鄰域是否有新的種子，直到在新種子鄰域中找不到未知的種子，此時一個星像區域已經連通，本發明將該過程稱為像元聚類。本發明提供了一種從星圖中提取星像的方法，包括步驟一、設一星圖的背景區域像元的灰度值為0，星像像元的灰度值為非O;對該星圖進行遍歷，以將所述星圖轉換為十字鍊表；提取灰度值為非O的星像像元的坐標(X，y)和灰度值f (χ, y)，並把所述星像像元的坐標(χ, y)和灰度值f (χ, y)存儲到十字鍊表的節點中；通過該步驟一能有效的做到星象和背景的分離。步驟二、定義初始值為O的三個變量ACC1、ACC2、ACC3作為三個累加器。步驟三、在星圖中，一個星像佔據一個連通的區域，將該連通的區域稱為一個星像區域；以區域增長算法連通一星像區域，即以所述十字鍊表中的第一個節點為啟始種子，依次提取代表鄰域節點的像元的坐標(x，y)和灰度值f(x，y)，同時將所述的三個累加器分別增加xf (χ, y)、yf (χ, y)、f (x, y)，並將提取過所述坐標(x, y)和灰度值f (x, y)的節點從所述十字鍊表中刪除；重複該步驟三，直至所述星像區域已經連通；通過區域增長算法能夠快速的查找並判斷星像區域，並實現星像和星像的分離。步驟四、使用所述三個累加器計算該星像的質心坐標(X。，yc)和亮度Y，即
ACC\ A Cd質心坐標(xc，yc)為X=-,Jc =-.
A CC 3 ACC3 1亮度為Y= ACC3;通過以上兩個公式能快速的計算出質心坐標和亮度。步驟五、將所述的三個累加器置0，重複上述步驟三至四，直至所述十字鍊表為空，即所有星像提取完畢。進一步，為了能更好的達到分離星象和背景的目的，取閾值約等於背景灰度均值，帶閾值的質心算法精度高。固定閾值法先以灰度閾值T處理星圖，如下式計算，
m 、 /(λ% y) - τ 士ι/(χ，y) ^ τ
r (Λ*, V) = iΛ .■ [ο其餘其中f (χ，y)、F(x，y)分別為星圖像元閾值處理前和處理後的灰度值。所述步驟一中將所述星圖轉換為十字鍊表的方法包括設所述星圖的背景灰度均值為閾值T，若一星圖像元的灰度值f(x，y)大於該閾值T，則該星像像元的灰度值為非O ;若星圖像元的灰度值f(x, y)等於該閾值T，則該星像像元的灰度值為O。本發明具有以下優點(I)採用固定閾值法能快速的將星圖轉換為十字鍊表，並將星像像元的坐標U，y)和灰度值f(x，y)存儲到十字鍊表的節點中，有效的做到星象和背景的分離；(2)取閾值約等於背景灰度均值，帶閾值的質心算法精度高；(3)通過區域增長算法能夠快速的查找並判斷星像區域，並實現星像和星像的分離；(4)當連通一個星像後，直接計算星像質心，提取星像速率快；(5)該方法只需一次星圖遍歷，避免重複判斷星像像
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為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據的具體實施例並結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中
圖I是本發明的從星圖中提取星像的方法的流程圖；圖2是本發明的從星圖中提取星像的方法處理一幅星圖的耗時統計圖；圖3是本發明的從星圖中提取星像的方法處理一幅星圖耗費時間統計圖；圖4是本發明的從星圖中提取星像的方法提取一個星像平均耗費時間統計圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明實施例I一種從星圖中提取星像的方法，包括步驟一、設一星圖的背景區域像元的灰度值為0，星像像元的灰度值為非O ;對該星圖進行遍歷，以將所述星圖轉換為十字鍊表；提取灰度值為非O的星像像元的坐標(X，y)和灰度值f (χ, y)，並把所述星像像元的坐標(χ, y)和灰度值f (χ, y)存儲到十字鍊表的節點中；進一步，為了能更好的達到分離星象和背景的目的，固定閾值法的取閾值約等於背景灰度均值，帶閾值的質心算法精度高。固定閾值法先以灰度閾值T處理星圖，如下式計算，
、If(^y)-T 3/(x,j)>r
Fix, y) 二 <u A to其餘其中f (x，y)、F(x，y)分別為星圖像元閾值處理前和處理後的灰度值。所述步驟一中將所述星圖轉換為十字鍊表的方法包括設所述星圖的背景灰度均值為閾值T，若一星圖像元的灰度值f(x，y)大於該閾值T，則該星像像元的灰度值為非O ;若星圖像元的灰度值f(x, y)等於該閾值T，則該星像像元的灰度值為O。十字鍊表是一種稀疏矩陣數據結構，各個非O元素通過指針相互串接，成為鍊表的一個節點，每個節點除行、列坐標、元素值外，還以行向量指針right指向同行下一個節點，以列向量指針down指向同列下一個節點。其結構定義為struct CrossNode{int row, col;TYPE value;CrossNode*right, *down;}整個矩陣結構為struct CLMatrix {int m, n, t;CrossNode^rv[MaxRows+1];CrossNode^cv[MaxRows+1];}其中rv和cv分別代表每行、每列第一個像元的節點，MaxRows表示行數可取的最大值。由以上定義可見，每個節點本身是一個指針，包含鍊表中的後繼數據，其是一種十分緊湊的數據存儲結構。步驟二、定義初始值為O的三個變量ACC1、ACC2、ACC3作為三個累加器；步驟三、在星圖中，一個星像佔據一個連通的區域，將該連通的區域稱為一個星像區域；以區域增長算法連通一星像區域，即以所述十字鍊表中的第一個節點為啟始種子，依次提取代表鄰域節點的像元的坐標(X，y)和灰度值f(x，y)，同時將所述的三個累加器分別增加xf (χ, y)、yf (χ, y)、f (x, y)，並將提取過所述坐標(x, y)和灰度值f (x, y)的節點從所述十字鍊表中刪除，即將所述啟始種子上一節點的down指針指向下一節點,將左一節點的right指針指向右一節點，將該種子從鍊表中刪除；重複該步驟三，直至所述星像區域已經連通。步驟四、使用所述三個累加器計算該星像的質心坐標(X。，yc)和亮度Y，即
質心坐標(X。，y。)為
權利要求
1.一種從星圖中提取星像的方法，包括 步驟一、設一星圖的背景區域像元的灰度值為O，星像像元的灰度值為非O ;對該星圖進行遍歷，以將所述星圖轉換為十字鍊表；提取灰度值為非O的星像像元的坐標(X，y)和灰度值f (X，y)，並把所述星像像元的坐標(X，y)和灰度值f (X，y)存儲到十字鍊表的節點中； 步驟二、定義初始值為O的三個變量ACC1、ACC2、ACC3作為三個累加器； 步驟三、在星圖中，一個星像佔據一個連通的區域，將該連通的區域稱為一個星像區域；以區域增長算法連通一星像區域，即以所述十字鍊表中的第一個節點為啟始種子，依次提取代表鄰域節點的像元的坐標U，y)和灰度值f(x，y)，同時將所述的三個累加器分別增加Xf (X，y)、yf (X，y)、f (x, y),並將提取過所述坐標(x, y)和灰度值f (x, y)的節點從所述十字鍊表中刪除；重複該步驟三，直至所述星像區域已經連通； 步驟四、使用所述三個累加器計算該星像的質心坐標(U。)和亮度Y，即
2.根據權利要求I所述的從星圖中提取星像的方法，其特徵在於所述步驟一中將所述星圖轉換為十字鍊表的方法包括設所述星圖的背景灰度均值為閾值T，若一星圖像元的灰度值f (X，y)大於該閾值T，則該星像像元的灰度值為非O ;若星圖像元的灰度值f(x, y)等於該閾值T，則該星像像元的灰度值為O。
全文摘要
本發明涉及一種從星圖中提取星像的方法，包括一、將星圖轉換為十字鍊表；並把星像像元的坐標(x,y)和灰度值f(x,y)存儲到十字鍊表的節點中；二、定義初始值為0的三個變量ACC1、ACC2、ACC3作為三個累加器；三、以區域增長算法連通一星像區域，同時將所述的三個累加器分別增加xf(x,y)、yf(x,y)、f(x,y)，並將提取過所述坐標(x,y)和灰度值f(x,y)的節點從所述十字鍊表中刪除；重複該步驟三，直至所述星像區域已經連通；四、使用所述三個累加器計算該星像的質心坐標(xc,yc)和亮度Y；五、將所述的三個累加器置0，重複上述步驟三至四，直至所述十字鍊表為空，即所有星像提取完畢。
文檔編號G06T7/00GK102903105SQ201210344609
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者朱錫芳, 吳峰, 沈為民, 許清泉 申請人:常州工學院, 蘇州大學