CN108168541B - 一种改进的亚像元星点质心定位方法 - Google Patents

一种改进的亚像元星点质心定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的亚像元星点质心定位方法，本发明方法首先确定灰度值最高的象元的窗口区域，然后分别根据X、Y方向累加和次高值对应的Y、X方向坐标确定新窗口区域，最后通过对两个选取的窗口区域进行阈值化分别求取质心位置，最后求取两个质心位置的均值，从而完成星点质心定位。本发明方法通过对两个星点窗口的质心定位结果求平均值，来解决星点质心可能落到多个像元接合部的问题，质心定位精度高。

Description

一种改进的亚像元星点质心定位方法
技术领域
本发明涉及一种星点质心定位方法，特别是一种改进的亚像元星点质心定位方法。
背景技术
星光导航技术是一种以恒星为拍摄目标，通过测量恒星像斑在成像面上的位置，解算姿态/角度信息的导航技术，其测量精度可达1角秒，为当前世界上测角精度最高的技术。利用星光进行导航的仪器设备被称作星敏感器。星敏感器在成像时，每颗星点都会在多个像元上弥散分布，这就需要对星点的质心位置进行定位。星点的质心定位精度直接决定了星敏感器的最终测量精度，是一项非常关键的指标。
亚像元星点质心定位方法，是指利用特定算法解星点的质心位置，并将质心定位精度保持在单个像元以内，比如0.5个像元，俗称亚像元。传统的亚像元星点质心定位方法都是针对星点质心完整落在一个像斑上的情况，这方面主要的方法有：一是普通质心法，以像素灰度值作为唯一权重因子进行质心定位，实现简单；二是平方加权质心法，采用灰度值的平方代替灰度值作为权重因子，突出了离中心较近的灰度值像素点对中心位置的影响；三是带阈值的质心法，将原始图像与背景阈值相减，对原始图像中大于设定阈值的像素点进行质心定位，以提高精度；四是曲面拟合法，用高斯曲面对星点像斑的灰度分布进行拟合，再对拟合曲线采用最小二乘法求出质心的位置坐标。然而，所有这些方法都有一个弊端，当星点质心落到两个或多个像元之间的接合部时，传统方法的质心定位精度会迅速下降，需要通过一些方法加以弥补和改进。
发明内容
本发明目的在于提供一种改进的亚像元星点质心定位方法，解决传统质心定位方法当星点质心落到两个或多个像元之间的接合部时，质心定位精度迅速下降的问题。
一种改进的亚像元星点质心定位方法的具体步骤为：
第一步确定星点窗口区域
设星点像斑中灰度最大的像元位置为(x0,y0)，以(x0,y0)为中心，以
Figure BDA0001515740020000021
为半径，选取星点的窗口区域记为W0，则窗口区域W0内的任意星点(x,y)满足：
Figure BDA0001515740020000022
第二步确定新窗口开窗坐标
对窗口区域W0内部在Y方向上的各列像素的灰度值进行累加，共得到
Figure BDA0001515740020000023
个累加和值，筛选出该累加和值中的次高累加和值，获取其所在列对应的X方向坐标为x'。
对窗口区域W0内部在X方向上的各列像素的灰度值进行累加，共得到
Figure BDA0001515740020000024
个累加和值，筛选出该累加和值中的次高累加和值，获取其所在列对应的Y方向坐标为y'。
第三步重新划分星点区域
以(x',y')为中心，以
Figure BDA0001515740020000025
为半径，形成一个新的星点区域，记为W1：
Figure BDA0001515740020000026
其中，(x,y)代表了窗口区域W1内的任意星点。
第四步星点质心定位
设星点区域某像素(x,y)的灰度为f(x,y)，背景阈值为T，当f(x,y)大于该阈值T的时候，保持f(x,y)不变；当小于该阈值时，f(x,y)变为0，此为阈值化过程，具体如下：
Figure BDA0001515740020000027
其中，F(x,y)代表了阈值化后的灰度。
对于星点窗口区域W0，阈值化后窗口区域的质心位置为：
Figure BDA0001515740020000031
其中m为星点窗口区域W0在X方向上的跨度大小；n为星点窗口区域W0在Y方向上的跨度大小。
采用相同的方式获取星点窗口区域W1的星点质心位置
Figure BDA0001515740020000032
则最终的星点质心为
Figure BDA0001515740020000033
为：
Figure BDA0001515740020000034
更优的，第一步中
Figure BDA0001515740020000035
的取值为2或3。
一种改进的亚像元星点质心定位系统，包括：灰度最高像元窗口区域确定模块、新窗口区域确定模块和星点质心定位模块。灰度最高像元窗口区域确定模块、新窗口区域确定模块和星点质心定位模块顺次连通。其中灰度最高像元窗口区域确定模块确定灰度值最高的象元的窗口区域，新窗口区域确定模块分别根据X、Y方向累加和次高值对应的Y、X方向坐标确定新窗口区域，星点质心定位模块通过对两个选取的窗口区域进行阈值化分别求取质心位置，最后求取两个质心位置的均值，从而完成星点质心定位。
本发明方法通过对两个星点窗口的质心定位结果求平均值，来解决星点质心可能落到多个像元接合部的问题，质心定位精度高。
附图说明
图1一种改进的亚像元星点质心定位方法的流程图；
图2星点质心落在单像元时的星图；
图3星点质心落在两个像元接合部时的星图；
图4星点质心落在四个像元接合部时的星图。
具体实例方式
实施例1
一种改进的亚像元星点质心定位方法的具体步骤为：
第一步确定星点窗口区域
设星点像斑中灰度最大的像元位置为(x0,y0)，以(x0,y0)为中心，以
Figure BDA0001515740020000041
为半径，
Figure BDA0001515740020000042
取2，选取星点的窗口区域记为W0，则窗口区域W0内的任意星点(x,y)满足：
Figure BDA0001515740020000043
第二步确定新窗口开窗坐标
对窗口区域W0内部在Y方向上的各列像素的灰度值进行累加，共得到
Figure BDA0001515740020000044
个累加和值，筛选出该累加和值中的次高累加和值，获取其所在列对应的X方向坐标为x'。
对窗口区域W0内部在X方向上的各列像素的灰度值进行累加，共得到
Figure BDA0001515740020000045
个累加和值，筛选出该累加和值中的次高累加和值，获取其所在列对应的Y方向坐标为y'。
第三步重新划分星点区域
以(x',y')为中心，以
Figure BDA0001515740020000046
为半径，形成一个新的星点区域，记为W1：
Figure BDA0001515740020000047
其中，(x,y)代表了窗口区域W1内的任意星点。
第四步星点质心定位
设星点区域某像素(x,y)的灰度为f(x,y)，背景阈值为T，当f(x,y)大于该阈值T的时候，保持f(x,y)不变；当小于该阈值时，f(x,y)变为0，此为阈值化过程，具体如下：
Figure BDA0001515740020000051
其中，F(x,y)代表了阈值化后的灰度。
对于星点窗口区域W0，阈值化后窗口区域的质心位置为：
Figure BDA0001515740020000052
其中m为星点窗口区域W0在X方向上的跨度大小；n为星点窗口区域W0在Y方向上的跨度大小。
采用相同的方式获取星点窗口区域W1的星点质心位置
Figure BDA0001515740020000053
则最终的星点质心为
Figure BDA0001515740020000054
为：
Figure BDA0001515740020000055
实施例2
一种改进的亚像元星点质心定位系统，包括：灰度最高像元窗口区域确定模块、新窗口区域确定模块、和星点质心定位模块。灰度最高像元窗口区域确定模块、新窗口区域确定模块和星点质心定位模块顺次连通。其中灰度最高像元窗口区域确定模块确定灰度值最高的象元的窗口区域，新窗口区域确定模块分别根据X、Y方向累加和次高值对应的Y、X方向坐标确定窗口区域，星点质心定位模块通过对两个选取的窗口区域进行阈值化分别求取质心位置，最后求取两个质心位置的均值，从而完成星点质心定位。
实施例3
利用本方法对某星敏感器进行星点质心定位测试，测试结果为：
当星点质心完整落在单个像元时如图2所示，各方法的质心定位误差结果如表1所示：
表1星点质心完整落在单个像元时不同方法质心定位误差表
方法名称 质心定位误差/像元
普通质心法 0.33
平方加权质心法 0.28
带阈值的质心法 0.21
曲面拟合法 0.29
本发明方法 0.31
依据表1可以看出，当星点质心完整落在单个像元时，本发明方法与传统方法相比无明显优势，带阈值的质心法定位精度最高，误差保持在0.21个像元。
当星点质心完整落在两个像元结合部时，如图3所示，各方法的质心定位误差结果如表2所示：
表2星点质心完整落在两个像元结合部时不同方法质心定位误差表
方法名称 质心定位误差/像元
普通质心法 0.61
平方加权质心法 0.59
带阈值的质心法 0.55
曲面拟合法 0.63
本发明方法 0.39
依据表2可以看出，当星点质心落在两个像元结合部时，本发明方法与传统方法相比有明显优势，定位精度最高，误差保持在0.39个像元。
当星点质心完整落在四个像元结合部时，如图4所示，各方法的质心定位误差结果如表3所示：
表3星点质心完整落在四个像元结合部时不同方法质心定位误差表
方法名称 质心定位误差/像元
普通质心法 0.83
平方加权质心法 0.81
带阈值的质心法 0.77
曲面拟合法 0.91
本发明方法 0.48
依据表3可以看出，当星点质心落在四个像元结合部时，本发明方法与传统方法相比有明显优势，定位精度最高，误差保持在0.48个像元。
综上所述，当星点质心落在两个或多个像元结合部时，本发明方法可以明显改善传统质心定位方法的不足，减小质心定位误差，较好的保持定位精度。

Claims (2)

1.一种改进的亚像元星点质心定位方法，其特征在于具体步骤为：
第一步 确定星点窗口区域
设星点像斑中灰度最大的像元位置为(x0,y0)，以(x0,y0)为中心，以
Figure FDA0002779255140000011
为半径，选取星点的窗口区域记为W0，则星点窗口区域W0内的任意星点(x,y)满足：
Figure FDA0002779255140000012
第二步 确定新窗口开窗坐标
对星点窗口区域W0内部在Y方向上的各列像素的灰度值进行累加，共得到
Figure FDA0002779255140000013
个累加和值，筛选出该累加和值中的次高累加和值，获取其所在列对应的X方向坐标为x'；
对星点窗口区域W0内部在X方向上的各行像素的灰度值进行累加，共得到
Figure FDA0002779255140000014
个累加和值，筛选出该累加和值中的次高累加和值，获取其所在行对应的Y方向坐标为y'；
第三步 重新划分星点区域
以(x',y')为中心，以
Figure FDA0002779255140000015
为半径，形成一个新的星点窗口区域，记为W1：
Figure FDA0002779255140000016
其中，(x,y)代表了星点窗口区域W1内的任意星点；
第四步 星点质心定位
设星点区域某像素(x,y)的灰度为f(x,y)，背景阈值为T，当f(x,y)大于等于该阈值T的时候，保持f(x,y)不变；当小于该阈值时，f(x,y)变为0，此为阈值化过程，具体如下：
Figure FDA0002779255140000017
其中，F(x,y)代表了阈值化后的灰度；
对于星点窗口区域W0，阈值化后窗口区域的质心位置为：
Figure FDA0002779255140000021
其中m为星点窗口区域W0在X方向上的跨度大小；n为星点窗口区域W0在Y方向上的跨度大小；
采用相同的方式获取星点窗口区域W1的星点质心位置
Figure FDA0002779255140000022
则最终的星点质心为
Figure FDA0002779255140000023
为：
Figure FDA0002779255140000024
2.如权利要求1所述的亚像元星点质心定位方法，其特征在于：其中第一步中
Figure FDA0002779255140000025
的取值为2或3。
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