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1、(10)申请公布号 CN 103578088 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103578088 A (21)申请号 201310596390.9 (22)申请日 2013.11.20 G06T 5/00(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军海军大连舰艇学院 地址 116018 辽宁省大连市中山区解放路 667 号 (72)发明人 王安国 佟帅 孙兴 (74)专利代理机构 北京科亿知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11350 代理人 汤东凤 (54) 发明名称 一种星空图像处理方法 (57) 摘要 一种星空图像处理方法， 包括以下步骤 ： 步骤 一 ： 星。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103578088 A CN 103578088 A 1/1 页 2 1. 一种星空图像处理方法， 包括以下步。
3、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 ； 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 。
4、； 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 ； 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。
5、坐 标 ； 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。
6、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 ； 所述星像质心提取的具体过程为 ： 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。 权 利 要 求 书 CN 103578088 A 2 1/6 页 3 一种星空图像处理方法 技术领域 0001 本发明涉及一种图像处理方法， 特别是涉及一种星空图像处理方法。 背景技术 0002 在天文导航中需要利用 CCD 摄取星空图像， 利用 CCD 摄取的星空图像进一步完成 天文导航。 0003 CCD 摄取的星空图像是星敏感器的原始观测数据， 星图处理的最终目的就是在原 始观测数据中精确提取星像点的质。
7、心坐标。 但是， 舰船所处的海上环境不同于外层空间， 星 空图像除了受光学系统内部因素的影响外， 还会受云、 雾、 大气湍流等外部因素的影响， 这 对星图的处理提出了更高的要求。 发明内容 0004 针对现有技术中存在的缺陷， 本发明提供一种星空图像处理方法。 0005 技术方案 1 ： 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， 。
8、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,。
9、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 ； 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 ； 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。
10、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 ； 所述星像质心提取的具体过程为 ： 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。 0006 本发明的有益效果是 ： 本发明从星图预处理， 噪声剔除， 星像分割， 质心提取等。
11、方 说 明 书 CN 103578088 A 3 2/6 页 4 面进行研究分析， 实现了一套完整高效的 CCD 星空图像处理技术。 附图说明 0007 图 1 是暗星区域灰度值三维曲面图。 0008 图 2 是孤立噪声区域灰度值三维曲面图。 0009 图 3 是纵向投影示意图。 0010 图 4 是横向投影示意图。 具体实施方式 0011 下面结合附图， 进一步阐述本发明。 应理解， 这些实施例仅用于说明本发明而不用 于限制本发明的范围。此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后， 本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改， 这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范 围。 00。
12、12 如图 1-4 所示， CCD 摄取的星空图像是星敏感器的原始观测数据， 星图处理的最终 目的就是在原始观测数据中精确提取星像点的质心坐标。但是， 舰船所处的海上环境不同 于外层空间， 星空图像除了受光学系统内部因素的影响外， 还会受云、 雾、 大气湍流等外部 因素的影响， 这对星图的处理提出了更高的要求。本发明从星图预处理， 噪声剔除， 星像分 割， 质心提取等方面进行研究分析， 实现了一套完整高效的 CCD 星空图像处理技术。 0013 1） 星图预处理 0014 将 CCD 放在完全黑暗的环境中， 此时在 CCD 位阱中收集到基板晶格中热激发所生 成的电荷， 称为暗流。在 CCD 正。
13、常曝光过程中， 暗流和光生电荷同时积累于位阱。引起两种 后果 ： 一是暗流同样存在起伏， 增加噪声 ； 二是暗流占用了位阱的部分容量， 导致用于存放 信号的空间变小。 0015 CCD 摄得的图像是数字图像， 图像的不同部分由对应的不同像素来测量。CCD 的每 一个像素相当于一个光敏二极管， 二极管在制作过程中由于制作工艺问题， 其暗流和光灵 敏度各不相同。 由于各像素具有不完全相同的特性， 要比较它们所摄得的数据， 必须预先加 以校正。 0016 （1） 暗场校正。暗场， 是指在全黑的环境下摄取的一帧图像。设有一帧 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。
14、间， 在全黑的环境下摄得一帧图像， 称 为暗场 d(x,y)， 这帧图像实际上包括了暗流和本底。本底是指系统在没有任何输入的时输 出的数据， 一般无法单独测得， 往往和暗流混在一起。实际上， 单独求取系统本底也没有实 际意义， 只要本底稳定， 无需知道其真值， 将两图相减得 ： 0017 S(x,y) R(x,y)-d(x,y)（1） 0018 S(x,y) 即为去除各像素暗流的图像， 也同时减去了系统本底。 0019 （2） 平场校正， 为了消除各像素灵敏度不同的影响， 采用平场校正的方法。所谓平 场， 就是 CCD 在同样条件下 （温度、 望远镜取向） ， 对均匀亮度的面光源摄取的一帧图像。
15、。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。 注意， 校正前， 必须先对平场图像做暗场处理， 并且该暗场不同 说 明 书 CN 103578088 A 4 3/6 页 5 于 d(x,y), 需采用和平场具有相同曝光时间的暗场校正方为有效。 0020 0021 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。
16、算 ： 0022 0023 暗场和平场对同一套 CCD 系统来说相对稳定， 但数据中仍包含有噪声， 这意味着 校正会存在误差。为了改善暗场 d(x,y) 和 F(x,y) 的信噪比， 最好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。 0024 2） 噪声剔除 0025 对摄取的一帧 CCD 星图来说， 不可避免地会受到噪声的影响， 我们可以把该噪声 广义地理解为除去星像点外所有的干扰信号。 广义的噪声包括两部分 ： 一是天光背景噪声 ； 二是 CCD 噪声。由于天文观测对象十分暗弱， 所以消除噪声干扰是一个非常重要的问题， 对 于本发明研究的系统来说。
17、， 该问题的关键就是选取一个适当的阈值， 将原始星空图像进行 阈值过滤处理， 从而实现噪声的剔除。 0026 通常情况下 CCD 噪声混杂于天光背景噪声中， 没有必要将其单独分离， 我可以通 过阈值处理的方法将其一同剔除， 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。但是， CCD 系统曝光时间的长短和增益的大小， 以及观测天气和观测星空的不同 都会对阈值的确定产生影响。为了最大限度消除这些影响， 使确定的阈值具有客观性和通 用性， 需要对 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。 0027 天文观测会。
18、受到天气情况的制约， 即使是满足观测条件的每个晴朗的夜晚， 其天 气情况也不尽相同。 但是， 阈值确定就是要得到噪声和星像点间的灰度级差异， 经大量实验 验证， 只要在满足观测需要的天气情况下， 噪声和星像点的灰度级差异相对稳定， 且级差较 为明显。 一般来说， 星点目标总是集中在一小块近似于圆形的连续像元区域内， 星敏感器采 用的光学系统决定了焦面上的星象能量分布是光学系统的点扩散函数， 采用二维高斯分布 函数近似， 且 80% 的能量主要集中在 3x3 像元区域内。区域中间是灰度信号的峰值， 对于比 较亮的星， 信号峰值远高于背景平均值 ; 对于比较暗的星， 灰度信号的峰值与背景的平均 值。
19、相差不多， 区域边缘的像元灰度逐渐减小接近背景的平均值。 0028 表 1 暗星附近区域灰度值 说 明 书 CN 103578088 A 5 4/6 页 6 0029 0030 表 1 中列出了暗星附近区域内各像素点的灰度值， 暗星成像区域如表中标注部分 数据所示。从图 1 暗星区域灰度值三维曲面图直观可见， 暗星成像区域的灰度值要明显高 于其它噪声点。 0031 在满足观测需求的天气条件下， 保持 CCD 系统的硬件参数不便， 进行多次观测实 验。 本着最大限度抑制噪声， 尽可能多的提取星像的原则， 确定初始阈值大小为50。 但是在 实际试验中发现， 即使经过阈值处理， 一些具有较高灰度值的。
20、噪声点仍然存在， 如果增大阈 值， 又难以避免的会将某些暗星和噪声一起剔除， 使观测数据丢失。 0032 暗星和孤立噪声相比较， 除了存在的灰度差异外， 暗星像点还会集中在一定的像 素范围内， 也就是说暗星成像具有一定的区域面积， 并且该面积在阈值处理后仍然存在。 但 是噪声点却是成单独像素孤立存在， 不具有面积特征。 本发明正是利用这种成像差别， 实现 了暗星提取和孤立噪声的剔除。 0033 事实上， 只要星敏感器能够成功识别三颗以上星体就可以进行姿态求解， 星体数 量的增加对提高姿态精度有一定帮助， 但也不宜过多， 否则会导致计算量的急剧增加， 影响 系统效率。 因此， 本发明通过星图处理。
21、程序实现阈值的动态调整， 该方法以阈值和目标数量 为双判据， 通过循环逼近处理， 最终得到准确的星像坐标。实现过程是 ： 首先将阈值确定为 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 （实验证明步长为 3 比较合适） ， 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 （孤立噪声） ， 这样就实现了真实星像的准确提取。 0034 3） 星像分割。
22、 0035 通过阈值处理我们已经实现了星像点和噪声的分离， 但是此时的星像是由一些像 素组成的近似圆形的区域。为了准确提取星像质心坐标， 必须先将星像区域分割出来。本 发明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。 0036 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 说 明 书 CN 103578088 A 6 5/6 页 7 为 Y 轴， 竖直向下为正方向， 单位为像素。 0037 星图经过阈值处理， 剔除了天光背景和 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。交叉投影算法的基本原理为 。
23、： 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 （也就是先纵后横） 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， 如图 3、 4 所示， 图中 A、 B、 C 分别表示三个星像， 交叉投影具体步骤 ： 0038 第一步， 进行纵向投影， 检测到两个存在星像区域的 x 坐标范围即为 x1,x2 和 x3,x4 ； 。
24、0039 第二步， 分别在横坐标区间x1,x2和x3,x4上取出高度为原始图像高度的图像， 进行横向投影检测， 进而得到每个星像区域对应的纵坐标范围， 从而也就确定了每个星点 外接四边形的坐标范围 ； 0040 第三步， 星像A和B的分割区域并不是它们严格的外接四边形， 这是由两个星像在 X轴的坐标区间存在重叠所造成的。 在实验过程中， 这种现象经常出现， 为解决这一问题， 将 得到的星像四边形分别再进行一次纵向投影， 即采用纵向 - 横向 - 再纵向的三次交叉投影 的方法， 得到关于所有星像的严格外接四边形。 0041 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 。
25、： 0042 纵向投影为 ： 0043 0044 横向投影为 ： 0045 0046 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。 0047 4） 星像质心提取 0048 天文观测的星体在天光背景上成一点光源， 通过大气和光学系统， 在镜头的焦面 上扩散成一个近似的圆面， 在 CCD 上占有一定数量的像素， 通过星像分割可以提取出星像 圆面的外接四边形。为了得到星体在像平面坐标系的对应坐标， 需要对星像区域进行质心 坐标的提取。 0049 本。
26、发明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 ： 说 明 书 CN 103578088 A 7 6/6 页 8 0050 0051 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 ： 0052 0053 p(x,y) 为像素点 (x,y) 的灰度值。 0054 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。 说 明 书 CN 103578088 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103578088 A 9 2/2 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103578088 A 10 。