CN103578088A - 一种星空图像处理方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种星空图像处理方法

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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，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；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。

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。

附图说明

图1是暗星区域灰度值三维曲面图。

图2是孤立噪声区域灰度值三维曲面图。

图3是纵向投影示意图。

图4是横向投影示意图。

具体实施方式

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。

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。

1）星图预处理

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。

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。

（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：

S(x,y)＝R(x,y)-d(x,y)……………………（1）

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。

（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。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。

$S_1(x,y)=k\·\frac{R(x,y,t)-d(x,y,t)}{F(x,y,t^{\′})-d(x,y,t^{\′})}...\left(2\right)$

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：

$k=\underset{x=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[F(x,y,t^{\′})-d(x,y,t^{\′})]/m\·n...\left(3\right)$

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。

2）噪声剔除

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，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。

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。

天文观测会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。

表1暗星附近区域灰度值

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。

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。

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。

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。

3）星像分割

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。

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：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：

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]；

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；

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。

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：

$P\left(x\right)=\underset{y=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}p(x,y)...\left(4\right)$

横向投影为：

$P\left(y\right)=\underset{x=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}p(x,y)...\left(5\right)$

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。

4）星像质心提取

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。

本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：

$x_c=\frac{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}x\·S_s(x,y)}{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}{S}_s(x,y)}{y}_c=\frac{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}y\·S_s(x,y)}{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}{S}_s(x,y)}...\left(6\right)$

上式x₂-x₁,y₂-y₁为方盒范围，S_s(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x_c和y_c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：

$x_c=\frac{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}x\·p(x,y)}{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}p(x,y)}{y}_c=\frac{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}y\·p(x,y)}{\underset{x=x_1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=y_1}{\overset{y_2}{\mathrm{\Σ}}}p(x,y)}...\left(7\right)$

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。

Claims (1)

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，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；

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。

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