[发明专利]一种星空图像处理方法

摘要

一种星空图像处理方法，包括以下步骤：步骤一：星图预处理，包括暗场校正和平场校正；步骤二：噪声剔除，采用阈值处理的方法剔除天光背景噪声和CCD噪声；步骤三：星像分割，基于阈值处理后星空图像的灰度值分布特性，采用叉投影的方法来进行星像分割；步骤四：星像质心提取，采用重心定位法进行星像质心提取。

主权项

一种星空图像处理方法，包括以下步骤：步骤一：星图预处理，包括暗场校正和平场校正；步骤二：噪声剔除，采用阈值处理的方法剔除天光背景噪声和CCD噪声；步骤三：星像分割，基于阈值处理后星空图像的灰度值分布特性，采用交叉投影的方法来进行星像分割；步骤四：星像质心提取，采用重心定位法进行星像质心提取；其特征在于：所述暗场校正的具体过程为：CCD原始图像R(x,y)，x,y分别为像素的坐标，用同样的曝光时间，在全黑的环境下摄得一帧图像，称为暗场d(x,y)，将两图相减得：S(x,y)＝R(x,y)‑d(x,y)，S(x,y)即为去除各像素暗流的图像；所述平场校正的具体过程为：平场就是CCD在同样温度和望远镜取向的条件下，对均匀亮度的面光源摄取的一帧图像，这时所有CCD像素在曝光时间内受光情况完全相同，因而应有相同的输出，若有差别，则是由于各像素灵敏度不同所引起的，将一帧平场图像F(x,y)与图像S(x,y)按对应像素一一相除，就校正了灵敏度差别；S1(x,y)=k·R(x,y,t)-d(x,y,t)F(x,y,t′)-d(x,y,t′)...(2)]]>式中t和t′分别为原始图像R和平场F的曝光时间，通常并不相同，k是比例系数，如CCD行像素为m，列像素为n，k常用下式计算；k=Σx=1mΣy=1n[F(x,y,t′)-d(x,y,t′)]/m·n...(3)]]>为了改善暗场d(x,y)和F(x,y)的信噪比，在短时间内用同样的曝光时间摄取许多帧暗场和平场，然后加以平均，以提高图像的信噪比；所述噪声剔除的具体过程为：采用阈值处理的方法剔除天光背景噪声和CCD噪声，凡低于阈值的像素均置为零，从而生成只保留星像点的星空图像，通过星图处理程序实现阈值的动态调整，以阈值和目标数量为双判据，通过循环逼近处理，最终得到准确的星像坐标；对CCD系统的硬件参数进行初始设置，现将曝光时间设为40ms，增益旋钮调到最大，此两项一经设定不再变化；将阈值确定为50，仅是阈值的下限，也可以理解为初始值，当对一帧图像进行初始阈值处理后，如果发现目标数量大于200，则自动提高阈值，而当目标数量小于或等于150时，自动降低阈值，直到目标数量在150‑200范围内，停止阈值变换，此时获得的目标中存在着许多孤立的噪声，再通过目标的成像区域判比函数，剔除掉不具有成像面积的目标，这样就实现了真实星像的准确提取；所述星像分割具体过程为：像平面坐标的定义：原点为图像的左上角，横轴为X轴，水平向右为正方向；纵轴为Y轴，竖直向下为正方向，单位为像素；星图经过阈值处理，剔除了天光背景噪声和CCD噪声，星图中只剩下一些孤立的星像，其余部分灰度值为0，对经过降噪处理的星空图像，首先在竖直方向上进行投影运算，即投影到X轴上，并检测投影灰度值大于0的横坐标区间，则这些区间必定是存在星像的区间；然后，对每个区间的条形图像进行水平方向的投影，即投影到Y轴上，进而确定该区间内各星像的纵坐标范围，经过竖直和水平投影检测，就得到了各星像外接四边形的4个顶点坐标，即确定了星像点的分布范围；对于一帧宽度为w，高度为h的灰度图像，投影函数的计算公式如下；纵向投影为：横向投影为：式中，p(x,y)表示位于坐标(x,y)处的像素点的灰度值，由于星图经过了阈值处理，在没有星点的区域，投影函数P的值为0，只要P的值不为0，就说明该坐标区域内存在星像；采用重心定位法进行星像质心提取，该法的基本原理是：对观测数据加与星像中心距离成反比的权，求取星像重心的位置，作为星像位置，具体方法是首先选取一个足够覆盖星像的方盒，计算重心；xc=Σx=x1x2Σy=y1y2x·Ss(x,y)Σx=x1x2Σy=y1y2Ss(x,y)yc=Σx=x1x2Σy=y1y2y·Ss(x,y)Σx=x1x2Σy=y1y2Ss(x,y)...(6)]]>上式x2‑x1,y2‑y1为方盒范围，Ss(x,y)为像素(x,y)的光量，由于背景数据会带有噪声，用上式计算时，方盒中无星部分像素会出现高于和低于背景平均值的数据，造成xc和yc的变化，使星像偏中，而本发明中分割提取的星像外接四边形，也就是重心定位法中的方盒，经过了阈值处理，方盒中无星部分像素全部置零，并不参与星像重心计算，背景引起星像偏中的效应已经消除，则上式可变为；xc=Σx=x1x2Σy=y1y2x·p(x,y)Σx=x1x2Σy=y1y2p(x,y)yc=Σx=x1x2Σy=y1y2y·p(x,y)Σx=x1x2Σy=y1y2p(x,y)...(7);]]>p(x,y)为像素点(x,y)的灰度值；重心定位法的计算只有四则运算，计算量小，在处理大量星像时极为有利，并且该方法对星体成像形状没有苛刻要求，符合实际情况，具有较好的自适应性，最为适用于船用星敏感器的质心提取。