CN101852616B - 一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置，均可针对星体选取自适应窗口，在选取的自适应窗口内进行星体断点判定，根据断点判定结果对断裂的星体进行基于结构元素的主动生长，针对完成星体主动生长的所述窗口进行用于支持星体目标提取的质心计算。由于应用自适应窗口进行星体目标提取，并且利用主动生长的方法对断裂星体进行修补，因此本发明方法和装置可适应星敏感器不同的运动状态，对星体目标进行有效提取；可在星体图像出现断裂情况下，进行有效提取；可对断裂星体进行生长修补，有效提高了定位精度；可有效去除如月光等造成的大面积噪声。

Description

一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置

技术领域

本发明涉及星体数据处理技术，具体涉及一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置。

背景技术

星敏感器(Star Sensor)是当今航天飞行器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量部件，国内外星敏感器在精度指标上都已经达到了很高的水平。由于高动态载体的运行对星敏感器姿态测量器件的动态性能提出了非常高的要求，因此如何提高星敏感器动态性能成为当前新的研究热点。

在高动态条件下，如何从图像传感器输出的原始星图图像中提取出用于星图识别的星体位置坐标——即星体图像定位，是星敏感器设计中的一项关键性和基础性工作。在提取星体位置信息之前必须对星图图像中的星体目标进行提取，再利用质心法等算法提取星体图像中心。星体目标提取实际上是一个图像分割过程，这一过程可以分为两个阶段：1)将星体目标和背景分离开；2)将单个星体目标与其他的星体目标分离开。国内外星敏感器普遍采用的将单个星体目标与其他的星体目标分离的分割方法主要有窗口法、聚类算法、连通域算法等。

动态条件下，星敏感器成像星图发生模糊，星体成像不再为近似理想的高斯光斑分布，而会出现像素拖移现象，并且当星敏感器载体运动角速度较大时像素拖移现象较为严重。由于像素拖移现象的存在，使星体能量趋于分散，经过星图滤波及阈值分割等处理后，星体图像会出现断裂现象。在2°/s动态条件下，拍摄某天区星图经滤波、阈值分割处理后的图像如图1所示，图中②号、④号星体图像出现明显断裂现象。

目前，美国加州理工大学的JPL实验室提出的方法是以检测大于阈值的像素为中心点，以固定大小的像素范围作为窗口提取星体目标，即窗口法。在进行星体目标提取时，窗口法方法简单，能在星体图像断裂情况下实现分割，但固定的窗口不能适应星敏感器运动方向及速度的变化；并且窗口法对断裂星体不进行处理，会降低星体图像定位精度。

另外，还可以应用质心跟随成像方法，如：采用4连通域算法将单个星体目标与其他星体目标分离。连通域算法虽然具有算法简单、便于硬件实现、处理速度快等优点，但此方法基于连通原理，会将一个星体从其断裂部分分割为不同的星体，造成分割错误，不利于顺利实现星体目标提取。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现星体目标提取的方法和装置，以在高动态条件下对星体目标进行有效提取，提高星体目标提取精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高动态条件下实现星体目标提取的方法，该方法包括：

针对星体选取自适应窗口，在选取的自适应窗口内进行星体断点判定，根据断点判定结果对断裂的星体进行基于结构元素的主动生长，针对完成星体主动生长的所述窗口进行用于支持星体目标提取的质心计算；其中，

所述自适应窗口的选取是根据星敏感器运动速度及星体拖影特点实现的，并且在选择自适应窗口的大小及方向时设定窗口内有效像素数范围；在所述有效像素数范围中，有效像素数上限值的设定用以滤除大面积噪声，有效像素数下限值的设定用以滤除孤立噪点；

所述选取自适应窗口的过程包括：

第一步：计算窗口大小N；

$N=\frac{P}{\mathrm{FOV}}\·v\·t$

其中，P表示图像传感器每行有效像素数；

FOV表示星敏感器视场；

v表示星敏感器载体运动速度；

t表示曝光时间；

第二步：从上至下、从左至右扫描星空图像；

第三步：设当前像素点坐标为(x，y)，其灰度为f(x，y)；如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则：

扫描以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为右窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T时，则像素数numr加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numr；

扫描以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为中间窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numm加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numm；

扫描以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为左窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numl加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numl；

比较上述三个窗口中大于灰度阈值T的像素个数，分别为numr，numm及numl，并记录其最大值为nummax；如果nummax大于设定的记为NUML的有效像素数下限值，且小于设定的记为NUMH的有效像素数上限值，则：

如果nummax＝numl，则选取以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的右窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numm，则选取以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的中间窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numr，则选取以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的左窗口作为要处理的自适应窗口；

所述星体断点判定是基于以下约束实现的：约束一：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素数目小于等于3；约束二：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素横、纵坐标均位于该像素的同一方向；约束三：当前像素的横、纵坐标值均非该星体图像内坐标极值；

所述星体断点判定的过程包括：

第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；

第二步：如果当前所扫描的像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则扫描该像素8连通域内像素；如果当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数为0，则将当前像素灰度清零；否则，判断当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数是否大于3，在判断结果为不大于时判断当前像素横坐标或纵坐标是否为窗口内有效像素极值，只有当判断结果为否时，确定当前像素为断点，并存储其坐标值及像素灰度；

所述主动生长是基于结构元素实现的，所述结构元素包括：结构元素a、结构元素b、结构元素c、结构元素d；其中，结构元素a为代表点的右像素及右像素的下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素b为代表点的左像素及左像素的下像素、左下像素组成的结构元素；结构元素c为代表点的右像素及右像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素d为代表点的下像素及下像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；

所述主动生长的过程包括：

第一步：顺序扫描断点；

第二步：设当前断点坐标为(x_n，y_n)，下一断点坐标为(x_n+1，y_n+1)；判断当前断点与下一断点关系：

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＞x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素a进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素b进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＝y_n，则选取结构元素c进行生长操作；

在均不符合以上判断的情况下，选取结构元素d进行生长操作；

所述质心计算的过程包括：第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；第二步：如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则累加当前像素的灰度值及灰度与坐标的乘积；第三步：将当前像素灰度值清零；第四步：判断是否扫描完整个窗口，在扫描完的情况下记录上述的累加值；否则，重新执行第一步，继续扫描图像，直到窗口内的图像扫描完毕。

选取结构元素a进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

选取结构元素b进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

选取结构元素c进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

选取结构元素d进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

进行上述生长操作时进一步判断断点是否连接，在未连接的情况下重复生长操作，直到断点连接为止。

一种实现星体目标提取的装置，该装置包括：自适应窗口选取单元、星体断点判定单元、断裂星体生长单元、质心计算单元；其中，

所述自适应窗口选取单元，用于针对星体选取自适应窗口，并将选取的自适应窗口的信息通知给所述星体断点判定单元；

所述星体断点判定单元，用于根据收到的自适应窗口的信息，在自适应窗口内进行星体断点判定，并将判定结果通知给所述断裂星体生长单元；

所述断裂星体生长单元，用于根据收到的判定结果以及断点相对位置，选取结构元素对断裂的星体应用主动生长的方法进行修补，并将完成断裂星体生长后的自适应窗口的信息通知给所述质心计算单元；

所述质心计算单元，用于根据收到的自适应窗口的信息进行支持星体目标提取的质心计算；

其中，所述自适应窗口选取单元在进行自适应窗口的选取时，用于根据星敏感器运动速度及星体拖影特点实现自适应窗口的选取，并且在选择自适应窗口的大小及方向时设定窗口内有效像素数范围；在所述有效像素数范围中，有效像素数上限值的设定用以滤除大面积噪声，有效像素数下限值的设定用以滤除孤立噪点；

所述选取自适应窗口的过程包括：

第一步：计算窗口大小N；

$N=\frac{P}{\mathrm{FOV}}\·v\·t$

其中，P表示图像传感器每行有效像素数；

FOV表示星敏感器视场；

v表示星敏感器载体运动速度；

t表示曝光时间；

第二步：从上至下、从左至右扫描星空图像；

第三步：设当前像素点坐标为(x，y)，其灰度为f(x，y)；如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则：

扫描以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为右窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T时，则像素数numr加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numr；

扫描以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为中间窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numm加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numm；

扫描以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为左窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numl加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numl；

比较上述三个窗口中大于灰度阈值T的像素个数，分别为numr，numm及numl，并记录其最大值为nummax；如果nummax大于设定的记为NUML的有效像素数下限值，且小于设定的记为NUMH的有效像素数上限值，则：

如果nummax＝numl，则选取以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的右窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numm，则选取以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的中间窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numr，则选取以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的左窗口作为要处理的自适应窗口；

所述星体断点判定单元在进行星体断点判定时，用于基于以下约束实现：约束一：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素数目小于等于3；约束二：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素横、纵坐标均位于该像素的同一方向；约束三：当前像素的横、纵坐标值均非该星体图像内坐标极值；

所述星体断点判定的过程包括：

第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；

第二步：如果当前所扫描的像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则扫描该像素8连通域内像素；如果当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数为0，则将当前像素灰度清零；否则，判断当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数是否大于3，在判断结果为不大于时判断当前像素横坐标或纵坐标是否为窗口内有效像素极值，只有当判断结果为否时，确定当前像素为断点，并存储其坐标值及像素灰度；

所述断裂星体生长单元在进行主动生长时，用于基于结构元素实现，所述结构元素包括：结构元素a、结构元素b、结构元素c、结构元素d；其中，结构元素a为代表点的右像素及右像素的下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素b为代表点的左像素及左像素的下像素、左下像素组成的结构元素；结构元素c为代表点的右像素及右像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素d为代表点的下像素及下像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；

所述主动生长的过程包括：

第一步：顺序扫描断点；

第二步：设当前断点坐标为(x_n，y_n)，下一断点坐标为(x_n+1，y_n+1)；判断当前断点与下一断点关系：

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＞x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素a进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素b进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＝y_n，则选取结构元素c进行生长操作；

在均不符合以上判断的情况下，选取结构元素d进行生长操作；

所述质心计算单元在进行质心计算时，用于执行如下过程：第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；第二步：如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则累加当前像素的灰度值及灰度与坐标的乘积；第三步：将当前像素灰度值清零；第四步：判断是否扫描完整个窗口，在扫描完的情况下记录上述的累加值；否则，重新执行第一步，继续扫描图像，直到窗口内的图像扫描完毕。

由于应用自适应窗口进行星体目标提取，并且利用主动生长的方法对断裂星体进行修补，因此本发明方法和装置可适应星敏感器不同的运动状态，对星体目标进行有效提取；可在星体图像出现断裂情况下，进行有效提取；可对断裂星体进行生长修补，有效提高了定位精度；可有效去除如月光等造成的大面积噪声。

附图说明

图1为天区星图经滤波、阈值分割处理后的图像示意图；

图2为本发明一实施例的实现星体目标提取的流程图；

图3为本发明一实施例的自适应窗口选取流程图；

图4为本发明一实施例的星体断点判定流程图；

图5a至图5d分别为本发明一实施例的断裂星体生长所基于的结构元素示意图；

图6为本发明一实施例的断裂星体生长流程图；

图7为本发明一实施例的质心计算流程图；

图8为本发明一实施例的实现星体目标提取的装置图；

图9a至图9d为本发明一实施例的实现星体目标提取的效果示意图。

具体实施方式

在高动态条件下，可以针对星体选取自适应窗口的大小及方向。在选定的窗口内首先进行星体断点判定，对断裂的星体根据断点相对位置选取结构元素，利用主动生长的方法进行修补，以提高星体图像定位精度。最后进行质心计算以实现星体分割。具体的实现过程如图2所示。

参见图2，图2为本发明一实施例的实现星体目标提取的流程图，该流程包括以下步骤：

步骤201：从上至下，从左至右扫描星空图像。

步骤202：判断当前像素灰度是否大于预设的阈值，如果大于，进入步骤203；否则，进入步骤209。

步骤203：自适应窗口选取。

步骤204：从上至下，从左至右扫描选定窗口内图像。

步骤205：星体断点判定。

步骤206：断裂星体主动生长。

步骤207：判断是否扫描完整个窗口，如果是，进入步骤209；否则，返回步骤204。

步骤208：星体分割。

步骤209：判断是否扫描完整幅图像，如果是，结束本流程；否则，返回步骤201。

自适应窗口选取的操作原理通常为：根据星敏感器运动速度及星体拖影特点，选择窗口大小及方向，并且设定窗口内有效像素数范围。在有效像素数范围中，有效像素数上限值的设定用以滤除如月光等的大面积噪声，有效像素数下限值的设定用以滤除孤立噪点。其具体实现过程可以表示如下：

第一步：计算窗口大小N；

$N=\frac{P}{\mathrm{FOV}}\·v\·t$

其中，P表示图像传感器每行有效像素数；

FOV表示星敏感器视场；

v表示星敏感器载体运动速度；

t表示曝光时间。

第二步：从上至下、从左至右扫描星空图像。

第三步：设当前像素点坐标为(x，y)，其灰度为f(x，y)。如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则：

扫描以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的方形窗口区域，可以将该方形窗口称为右窗口。当像素灰度值大于设定的灰度阈值T时，则像素数numr加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numr。

扫描以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的方形窗口区域，可以将该方形窗口称为中间窗口。当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numm加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numm。

扫描以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的方形窗口区域，可以将该方形窗口称为左窗口。当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numl加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numl。

比较上述三个窗口中大于灰度阈值T的像素个数(分别为numr，numm及numl)，并记录其最大值为nummax。如果nummax大于设定的记为NUML的有效像素数下限值，且小于设定的记为NUMH的有效像素数上限值，则：

如果nummax＝numl，则选取以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的右窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numm，则选取以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的中间窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numr，则选取以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的左窗口作为要处理的自适应窗口。

当然，如果当前像素灰度值小于设定的灰度阈值T，或者NUMH＞nummax＞NUML的条件没有得到满足，那么直接结束自适应窗口选取的流程。

上述的自适应窗口选取流程可以表示如图3所示，参见图3，图3为本发明一实施例的自适应窗口选取流程图，该流程包括以下步骤：

步骤310：计算窗口大小N。

步骤320：从上至下，从左至右扫描左窗口内图像。

步骤321：判断当前所扫描的像素灰度是否大于预设的阈值，如果大于，进入步骤322；否则，进入步骤323。

步骤322：像素数加1。

步骤323：判断是否扫描完整个窗口，如果是，进入步骤350；否则，返回步骤320。

步骤330：从上至下，从左至右扫描中间窗口内图像。

步骤331：判断当前所扫描的像素灰度是否大于预设的阈值，如果大于，进入步骤332；否则，进入步骤333。

步骤332：像素数加1。

步骤333：判断是否扫描完整个窗口，如果是，进入步骤350；否则，返回步骤330。

步骤340：从上至下，从左至右扫描右窗口内图像。

步骤341：判断当前所扫描的像素灰度是否大于预设的阈值，如果大于，进入步骤342；否则，进入步骤343。

步骤342：像素数加1。

步骤343：判断是否扫描完整个窗口，如果是，进入步骤350；否则，返回步骤340。

步骤350：比较各窗口大于灰度阈值像素数，求最大像素数nummax。

步骤351：NUMH＞nummax＞NUML的条件是否得到满足，如果满足，进入步骤352；否则，结束本流程。

步骤352：判断左窗口中大于灰度阈值的像素数是否为三个窗口中的最大值，如果是，进入步骤360；否则，进入步骤353。

步骤353：判断右窗口中大于灰度阈值的像素数是否为三个窗口中的最大值，如果是，进入步骤370；否则，进入步骤354。

步骤354：选取中间窗口作为自适应窗口。

步骤360：选取左窗口作为自适应窗口。

步骤370：选取右窗口作为自适应窗口。

针对断裂星体进行修补之前，首先需要进行星体断点判定。当星体中的像素满足以下约束时，即可判定为断点：

约束一：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素数目小于等于3；

约束二：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素横、纵坐标均位于该像素的同一方向；

约束三：当前像素的横、纵坐标值均非该星体图像内坐标极值。

星体断点判定的具体实现过程可以表示如下：

第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像。

第二步：如果当前所扫描的像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则扫描该像素8连通域内像素。如果当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数为0，则将当前像素灰度清零。否则，判断当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数是否大于3，如果大于3，结束本流程；否则，判断当前像素横坐标或纵坐标是否为窗口内有效像素极值，只有当判断结果为否时，确定当前像素为断点，并存储其坐标值及像素灰度。

上述的星体断点判定流程可以表示如图4所示，参见图4，图4为本发明一实施例的星体断点判定流程图，该流程包括以下步骤：

步骤401：从上至下，从左至右扫描选定的自适应窗口内的图像。

步骤402：判断当前所扫描的像素灰度是否大于预设的阈值，如果是，进入步骤403；否则，结束本流程。

步骤403：检测8连通域内灰度大于预设阈值的像素个数n。

步骤404：判断n＝0的条件是否满足，如果满足，进入步骤410；否则，进入步骤405。

步骤405：判断n＞3的条件是否满足，如果满足，结束本流程；否则，进入步骤406。

步骤406：判断作为横坐标的x或作为纵坐标的y是否为窗口内极值，如果是，结束本流程；否则，进入步骤407。

步骤407：判定为断点，存储当前像素坐标及灰度，结束本流程。

步骤410：将当前像素灰度值清零。

接下来，可以采用主动生长的方法对断裂星图进行修补，以提高星体图像定位精度。由于星体丢失的像素是与断点相连的，并且断裂的方向应与星体拖影方向相一致，因此可以利用相邻断点相对位置选取生长操作的结构元素，对断裂星体进行修补。

上述的主动生长操作的结构元素如图5所示。具体而言，结构元素中的X为结构元素的局部原点，可称为代表点。图像中对应于结构元素代表点的像素称为当前像素，而黑色四方形实体则表示用于生长的结构元素，其像素灰度值与扫描的图像中的当前像素灰度值相同。

其中，图5a所示为结构元素a，结构元素a为代表点的右像素及右像素的下像素、右下像素组成的结构元素；图5b所示为结构元素b，结构元素b为代表点的左像素及左像素的下像素、左下像素组成的结构元素；图5c所示为结构元素c，结构元素c为代表点的右像素及右像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；图5d所示为结构元素d，结构元素d为代表点的下像素及下像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素。

断裂星体主动生长的具体实现过程可以表示如下：

第一步：顺序扫描断点。

第二步：设当前断点坐标为(x_n，y_n)，下一断点坐标为(x_n+1，y_n+1)。判断当前断点与下一断点关系：

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＞x_n且y_n+1＞y_n，则：

a、选取结构元素a进行生长操作；

b、将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n+2，y_n＝y_n+1；

c、判断断点是否连接，在未连接的情况下重复第二步，直到断点连接为止。

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＞y_n，则：

a、选取结构元素b进行生长操作；

b、将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n-2，y_n＝y_n+1；

c、判断断点是否连接，在未连接的情况下重复第二步，直到断点连接为止。

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＝y_n，则：

a、选取结构元素c进行生长操作；

b、将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n+2，y_n＝y_n；

c、判断断点是否连接，在未连接的情况下重复第二步，直到断点连接为止。

在均不符合以上判断的情况下，

a、选取结构元素d进行生长操作；

b、将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n，y_n＝y_n+2；

c、判断断点是否连接，在未连接的情况下重复第二步，直到断点连接为止。

实现上述主动生长的过程可以表示如图6所示。参见图6，图6为本发明一实施例的断裂星体生长流程图，该流程包括以下步骤：

步骤601：判断x_n+1＞x_n以及y_n+1＞y_n的条件是否满足，如果满足，进入步骤610；否则，进入步骤602。

步骤602：判断x_n+1＜x_n以及y_n+1＞y_n的条件是否满足，如果满足，进入步骤620；否则，进入步骤603。

步骤603：判断x_n+1＜x_n以及y_n+1＝y_n的条件是否满足，如果满足，进入步骤630；否则，进入步骤604。

步骤604：选取结构元素d进行生长操作。

步骤605：将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n，y_n＝y_n+2。

步骤606：判断断点是否连接，该判断方式通常为：判断|x_n+1-x_n|≤1以及|y_n+1-y_n|≤1的条件是否满足，如果满足，结束本流程；否则，返回步骤601。

步骤610：选取结构元素a进行生长操作。

步骤611：将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n+2，y_n＝y_n+1。结束本流程。

步骤620：选取结构元素b进行生长操作。

步骤621：将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即x_n＝x_n-2，y_n＝y_n+1。结束本流程。

步骤630：选取结构元素c进行生长操作。

步骤631：将生长后的端点坐标值赋给当前断点，即xn＝xn+2，yn＝yn。结束本流程。

在完成断裂星体主动生长之后，可以进行质心计算，总体计算原则为：

将选定的自适应窗口内大于设定的灰度阈值T的像素的灰度值和灰度与坐标的乘积进行累加，将累加结果作为质心计算数据输出，即输出当前星体的∑f(x，y)x，∑f(x，y)y，∑f(x，y)；

之后，将当前窗口内像素灰度值全部清零，避免重复提取。

质心计算的具体实现过程可以表示如下：

第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像。

第二步：如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则累加当前像素的灰度值及灰度与坐标的乘积。

第三步：将当前像素灰度值清零。

第四步：判断是否扫描完整个窗口，在扫描完的情况下记录上述的累加值；否则，重新执行第一步，继续扫描图像，直到窗口内的图像扫描完毕。另外，当前像素灰度值不大于设定的灰度阈值T时，则直接进行第四步的所述判断操作。

上述质心计算过程可以表示如图7所示。参见图7，图7为本发明一实施例的质心计算流程图，该流程包括以下步骤：

步骤701：从上至下，从左至右扫描窗口图像。

步骤702：判断当前所扫描的像素灰度是否大于预设的阈值，如果大于，进入步骤703；否则，进入步骤705。

步骤703：计算∑f(x，y)x，∑f(x，y)y，∑f(x，y)。

步骤704：将当前像素灰度值清零。

步骤705：判断是否扫描完整个窗口，如果是，进入步骤706；否则，返回步骤701。

步骤706：记录∑f(x，y)x，∑f(x，y)y，∑f(x，y)。

由以上所述各流程可见，由于应用自适应窗口进行星体目标提取，并且利用主动生长的方法对断裂星体进行修补，因此本发明实现星体目标提取的方法具有以下几个优点：

1)可适应星敏感器不同的运动状态，对星体目标进行有效提取；

2)可在星体图像出现断裂情况下，进行有效提取；

3)对断裂星体进行生长修补，有效提高了定位精度；

4)可有效去除如月光等造成的大面积噪声。

为了保证上述流程的顺利进行，可以进行如图8所示的设置。参见图8，图8为本发明一实施例的实现星体目标提取的装置图，该装置包括相连的自适应窗口选取单元、星体断点判定单元、断裂星体生长单元、质心计算单元。

具体应用时，自适应窗口选取单元能够针对星体选取自适应窗口，确定窗口的大小及方向，并将选取的自适应窗口的信息通知给星体断点判定单元。星体断点判定单元根据收到的自适应窗口的信息，在自适应窗口内进行星体断点判定，并将判定结果通知给断裂星体生长单元。断裂星体生长单元则根据收到的判定结果以及断点相对位置，选取结构元素对断裂的星体应用主动生长的方法进行修补，并将完成断裂星体生长后的自适应窗口的信息通知给质心计算单元，由质心计算单元根据收到的自适应窗口的信息进行质心计算以实现星体分割。

上述各功能单元所能实现的具体操作过程已在前述的流程图中详细描述，在此不再赘述。

在实际应用中，实现星体目标提取的效果可以由图9获知。参见图9，图9为本发明一实施例的实现星体目标提取的效果示意图。图9中，利用计算机仿真得到的2°/s动态条件下模拟星图加入高斯噪声及椒盐噪声后的图像如图8a所示，对其进行滤波及阈值分割处理后的图像如图8b所示。图8c为图8b中4号星体，图8d为对其进行修补后的图像。结合以下的表1(包含分别利用窗口法、连通域法及本发明方法进行星体目标提取后，经过质心计算后得到的星体图像定位结果)可以看出，在星体图像完整的情况下，上述三种方法的分割结果相同，得到的星体定位结果相同(如2号星体及7号星体)；连通域法在星体出现断裂情况下不能进行有效提取；由于本实施例利用计算机产生在简单运动条件下的模拟星图，窗口法对星图中的星体均能有效提取，但定位精度低于本发明方法。

表1

综上所述可见，无论是方法还是装置，由于应用自适应窗口进行星体目标提取，并且利用主动生长的方法对断裂星体进行修补，因此本发明实现星体目标提取的技术具有以下几个优点：

1)可适应星敏感器不同的运动状态，对星体目标进行有效提取；

2)可在星体图像出现断裂情况下，进行有效提取；

3)对断裂星体进行生长修补，有效提高了定位精度；

4)可有效去除如月光等造成的大面积噪声。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高动态条件下实现星体目标提取的方法，其特征在于，该方法包括：

针对星体选取自适应窗口，在选取的自适应窗口内进行星体断点判定，根据断点判定结果对断裂的星体进行基于结构元素的主动生长，针对完成星体主动生长的所述窗口进行用于支持星体目标提取的质心计算；其中，

所述自适应窗口的选取是根据星敏感器运动速度及星体拖影特点实现的，并且在选择自适应窗口的大小及方向时设定窗口内有效像素数范围；在所述有效像素数范围中，有效像素数上限值的设定用以滤除大面积噪声，有效像素数下限值的设定用以滤除孤立噪点；

所述选取自适应窗口的过程包括：

第一步：计算窗口大小N；

$N=\frac{P}{\mathrm{FOV}}\·v\·t$

其中，P表示图像传感器每行有效像素数；

FOV表示星敏感器视场；

v表示星敏感器载体运动速度；

t表示曝光时间；

第二步：从上至下、从左至右扫描星空图像；

第三步：设当前像素点坐标为(x，y)，其灰度为f(x，y)；如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则：

扫描以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为右窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T时，则像素数numr加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numr；

扫描以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为中间窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numm加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numm；

扫描以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为左窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numl加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numl；

比较上述三个窗口中大于灰度阈值T的像素个数，分别为numr，numm及numl，并记录其最大值为nummax；如果nummax大于设定的记为NUML的有效像素数下限值，且小于设定的记为NUMH的有效像素数上限值，则：

如果nummax＝numl，则选取以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的右窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numm，则选取以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的中间窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numr，则选取以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的左窗口作为要处理的自适应窗口；

所述星体断点判定是基于以下约束实现的：约束一：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素数目小于等于3；约束二：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素横、纵坐标均位于该像素的同一方向；约束三：当前像素的横、纵坐标值均非星体图像内坐标极值；

所述星体断点判定的过程包括：

第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；

第二步：如果当前所扫描的像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则扫描该像素8连通域内像素；如果当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数为0，则将当前像素灰度清零；否则，判断当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数是否大于3，在判断结果为不大于时判断当前像素横坐标或纵坐标是否为窗口内有效像素极值，只有当判断结果为否时，确定当前像素为断点，并存储其坐标值及像素灰度；

所述主动生长是基于结构元素实现的，所述结构元素包括：结构元素a、结构元素b、结构元素c、结构元素d；其中，结构元素a为代表点的右像素及右像素的下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素b为代表点的左像素及左像素的下像素、左下像素组成的结构元素；结构元素c为代表点的右像素及右像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素d为代表点的下像素及下像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；

所述主动生长的过程包括：

第一步：顺序扫描断点；

第二步：设当前断点坐标为(x_n，y_n)，下一断点坐标为(x_n+1，y_n+1)；判断当前断点与下一断点关系：

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＞x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素a进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素b进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＝y_n，则选取结构元素c进行生长操作；

在均不符合以上判断的情况下，选取结构元素d进行生长操作；

所述质心计算的过程包括：第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；第二步：如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则累加当前像素的灰度值及灰度与坐标的乘积；第三步：将当前像素灰度值清零；第四步：判断是否扫描完整个窗口，在扫描完的情况下记录上述的累加值；否则，重新执行第一步，继续扫描图像，直到窗口内的图像扫描完毕。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

选取结构元素a进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

选取结构元素b进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

选取结构元素c进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

选取结构元素d进行生长操作时，进一步将生长后的端点坐标值赋给当前断点；

进行上述生长操作时进一步判断断点是否连接，在未连接的情况下重复生长操作，直到断点连接为止。

3.一种实现星体目标提取的装置，其特征在于，该装置包括：自适应窗口选取单元、星体断点判定单元、断裂星体生长单元、质心计算单元；其中，

所述自适应窗口选取单元，用于针对星体选取自适应窗口，并将选取的自适应窗口的信息通知给所述星体断点判定单元；

所述星体断点判定单元，用于根据收到的自适应窗口的信息，在自适应窗口内进行星体断点判定，并将判定结果通知给所述断裂星体生长单元；

所述断裂星体生长单元，用于根据收到的判定结果以及断点相对位置，选取结构元素对断裂的星体应用主动生长的方法进行修补，并将完成断裂星体生长后的自适应窗口的信息通知给所述质心计算单元；

所述质心计算单元，用于根据收到的自适应窗口的信息进行支持星体目标提取的质心计算；

其中，所述自适应窗口选取单元在进行自适应窗口的选取时，用于根据星敏感器运动速度及星体拖影特点实现自适应窗口的选取，并且在选择自适应窗口的大小及方向时设定窗口内有效像素数范围；在所述有效像素数范围中，有效像素数上限值的设定用以滤除大面积噪声，有效像素数下限值的设定用以滤除孤立噪点；

所述选取自适应窗口的过程包括：

第一步：计算窗口大小N；

$N=\frac{P}{\mathrm{FOV}}\·v\·t$

其中，P表示图像传感器每行有效像素数；

FOV表示星敏感器视场；

v表示星敏感器载体运动速度；

t表示曝光时间；

第二步：从上至下、从左至右扫描星空图像；

第三步：设当前像素点坐标为(x，y)，其灰度为f(x，y)；如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则：

扫描以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为右窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T时，则像素数numr加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numr；

扫描以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为中间窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numm加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numm；

扫描以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的方形窗口区域，该方形窗口称为左窗口；当像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则像素数numl加1，直到整个窗口扫描完毕，记录numl；

比较上述三个窗口中大于灰度阈值T的像素个数，分别为numr，numm及numl，并记录其最大值为nummax；如果nummax大于设定的记为NUML的有效像素数下限值，且小于设定的记为NUMH的有效像素数上限值，则：

如果nummax＝numl，则选取以(x，y)，(x+N，y)，(x+N，y+N)，(x，y+N)为顶点的右窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numm，则选取以(x-N/2，y)，(x+N/2，y)，(x+N/2，y+N)，(x-N/2，y+N)为顶点的中间窗口作为要处理的自适应窗口；

如果nummax＝numr，则选取以(x-N，y)，(x，y)，(x，y+N)，(x-N，y+N)为顶点的左窗口作为要处理的自适应窗口；

所述星体断点判定单元在进行星体断点判定时，用于基于以下约束实现：约束一：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素数目小于等于3；约束二：当前像素8连通域内大于设定的灰度阈值T的像素横、纵坐标均位于该像素的同一方向；约束三：当前像素的横、纵坐标值均非该星体图像内坐标极值；

所述星体断点判定的过程包括：

第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；

第二步：如果当前所扫描的像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则扫描该像素8连通域内像素；如果当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数为0，则将当前像素灰度清零；否则，判断当前像素8连通域内灰度值大于设定的灰度阈值T的像素个数是否大于3，在判断结果为不大于时判断当前像素横坐标或纵坐标是否为窗口内有效像素极值，只有当判断结果为否时，确定当前像素为断点，并存储其坐标值及像素灰度；

所述断裂星体生长单元在进行主动生长时，用于基于结构元素实现，所述结构元素包括：结构元素a、结构元素b、结构元素c、结构元素d；其中，结构元素a为代表点的右像素及右像素的下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素b为代表点的左像素及左像素的下像素、左下像素组成的结构元素；结构元素c为代表点的右像素及右像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；结构元素d为代表点的下像素及下像素的右像素、下像素、右下像素组成的结构元素；

所述主动生长的过程包括：

第一步：顺序扫描断点；

第二步：设当前断点坐标为(x_n，y_n)，下一断点坐标为(x_n+1，y_n+1)；判断当前断点与下一断点关系：

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＞x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素a进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＞y_n，则选取结构元素b进行生长操作；

如果当前断点与下一断点坐标满足：x_n+1＜x_n且y_n+1＝y_n，则选取结构元素c进行生长操作；

在均不符合以上判断的情况下，选取结构元素d进行生长操作；

所述质心计算单元在进行质心计算时，用于执行如下过程：第一步：从左至右，从上至下扫描选定的自适应窗口内的图像；第二步：如果当前像素灰度值大于设定的灰度阈值T，则累加当前像素的灰度值及灰度与坐标的乘积；第三步：将当前像素灰度值清零；第四步：判断是否扫描完整个窗口，在扫描完的情况下记录上述的累加值；否则，重新执行第一步，继续扫描图像，直到窗口内的图像扫描完毕。

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