[发明专利]一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法与FPGA实现装置

说明书

技术领域

本发明涉及星图处理的技术领域，具体涉及一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法与FPGA实现装置。

背景技术

航天器的姿态信息在天文导航中起到很重要的作用，星敏感器是测量航天器姿态的重要技术手段。星敏感器的工作原理是利用CCD或CMOS相机在某一时刻拍摄到的星图，提取出星图中星点的位置信息，通过星图识别算法在导航星库中找到观测星的对应匹配，最后利用这些匹配星对的方向矢量信息计算出星敏感器三轴姿态，从而确定航天器的空间姿态。星图中包含星点以及不同种类的干扰，如噪声，杂光等。如果未能排除干扰，则无法准确的分割出星点，从而影响姿态的精度。星点质心的精度是星敏感器整体精度的基础，它直接决定了星图识别的姿态测量精度，所以排除星图中的干扰，准确的分割星点是星点质心精度的保证。

传统的星点分割的方法为全局阈值法。但是全局阈值只适用于光照均匀，没有杂光干扰的星图，对光照不均，含有月光或鬼影的星图，全局阈值无法去除杂光的干扰，从而无法准确的分割星点。现有的局部阈值方法虽然能够抑制光照不均匀对分割结果的影响，但对星点周边低灰度值的像素保留较差，星点分割的不完整，从而无法保证质心精度。星图分割中，可采用最大值和最小值的均值的方法确定自适应阈值，但该方法对噪声抑制能力差，易将图像中的噪声或杂点当作星点分割，并且无法完整的去除月光的干扰。

由于星敏感器对数据更新率要求较高，因此星图分割的实时实现非常重要。为了保证星图分割的实时性，则需要提高系统的快速处理能力和数据吞吐能力。FPGA是并行处理结构，可同时进行不同性质的运算，可在一个时钟内迅速的完成一次复杂运算，因此采用FPGA实现星图分割方法，可以提高系统处理速度，满足实时性要求。目前，在抑制不同干扰下星图的分割方面研究较少。

发明内容

本发明一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法及FPGA实现装置，主要是解决以下几部分问题：

(1)针对不同干扰下星点的分割，目前研究较少，而传统的阈值分割方法，无法适用于月亮干扰下星点的准确分割。

(2)当星图中出现光照不均，高噪声等不同种类的干扰时，传统的阈值分割方法无法完好的抑制这些干扰，并完整的分割星点。

(3)现有的星点的分割方法，主要针对的是星图中亮星点的分割，无法分割出星图中的暗星点，且分割不够完整。

(4)由于星敏感器对数据更新率要求较高，需要提升系统处理速度以满足实时性要求。

本发明采用的技术方案为：一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法，该方法步骤如下：

首先，用较小的结构元素B_S对原图进行开运算，得到开运算结果，由于B_S小于星点尺寸，所以开运算不能把星点去除，同时也对月光及噪声部分起了平滑的作用；

其次，用较大的边缘结构元素B_M对原图进行膨胀运算，之后利用实心结构元素B_E进行腐蚀运算，得到新型闭运算结果，在星点区域，星点的灰度大于周围噪声；

最后，用开运算结果减去开运算结果和新型闭预算结果的较小值，然后像素坐标对应原图中的星点提取出来，则星点的像素得以完整分割，并且去除了噪声的干扰。

本发明另外提供一种基于形态学的鲁棒的星点分割的FPGA实现装置，其特征在于：包括利用FPGA实现的保留小目标的新型闭运算、抑制噪声的开运算模块以及数据处理三个模块，由于前两个模块之间的并行性，采用FPGA并行流水线结构可以提升该FPGA实现装置处理速度，由于两个模块同时处理，该FPGA实现装置处理时间由其中耗时最长的模块决定，在两个模块内部，又包含数个小的模块，它们通过并行流水线结构进行处理，以降低系统运行所需时间，其中，新型闭运算模块依次包括膨胀运算模块和腐蚀运算模块，膨胀运算模块包括提取星点膨胀窗口生成模块和B_M膨胀运算模块，腐蚀运算模块包括提取星点腐蚀行窗口生成模块、腐蚀列窗口生成模块和B_E腐蚀运算模块，开运算模块依次包括去噪腐蚀窗口生成模块、B_S腐蚀运算模块、去噪膨胀窗口生成模块、B_S膨胀运算模块。