一種月光干擾下星點(diǎn)分割方法及其fpga實(shí)現(xiàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種月光干擾下星點(diǎn)分割方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)裝置，屬于星敏感器技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 星敏感器，是基于當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)星點(diǎn)信息與星圖進(jìn)行匹配而獲得空間飛行器三軸姿 態(tài)信息的空間精密儀器，主要應(yīng)用于空間飛行器天文導(dǎo)航。星敏感器工作過(guò)程主要包括三 個(gè)過(guò)程：星點(diǎn)提取、星圖識(shí)別和姿態(tài)計(jì)算。星點(diǎn)分割，是星點(diǎn)提取中的第一步，也是星敏感器 設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)且關(guān)鍵的一步，其分割精度將會(huì)嚴(yán)重影響到后續(xù)步驟的效率與精度，進(jìn)而影響 星敏感器的可靠性、測(cè)量精度和數(shù)據(jù)更新率等。
[0003] 無(wú)月亮星圖中，星點(diǎn)和背景在灰度上區(qū)別較大，可用一個(gè)閾值將二者有效的分割 開來(lái)。傳統(tǒng)的全局閾值方法有基于直方圖的全局閾值方法，基于聚類的全局閾值方法，基于 熵的全局閾值方法等。星點(diǎn)分割中常用的全局閾值為圖像均值加3到5倍方差。當(dāng)受到月 亮干擾而導(dǎo)致光照不均勻時(shí)，全局閾值無(wú)法分割出星點(diǎn)，此時(shí)需要根據(jù)圖像局部特性為每 一個(gè)像素點(diǎn)計(jì)算一個(gè)自適應(yīng)閾值。局部閾值方法在像素點(diǎn)周圍像素信息的基礎(chǔ)上為每一個(gè) 像素點(diǎn)計(jì)算一個(gè)閾值，能夠抑制光照不均勻帶來(lái)的干擾。傳統(tǒng)的局部閾值方法有基于局部 方差的方法、基于局部對(duì)比度的方法、閾值曲面擬合、圖像分塊閾值、結(jié)合形狀信息的方法 等。傳統(tǒng)局部閾值方法適用于白色背景下黑色字符的分割，將其應(yīng)用于黑色背景下的白色 星點(diǎn)的分割時(shí)，雖然能夠抑制光照不均勻?qū)Ψ指罱Y(jié)果的影響，但仍然會(huì)分割出月亮以及由 月亮產(chǎn)生的噪聲，并且無(wú)法提取出暗星點(diǎn)。星圖分割中，可采用局部均值加固定值的方法確 定自適應(yīng)閾值，但該方法會(huì)分割出月亮邊緣，并且無(wú)法分割出暗星點(diǎn)。
[0004] 由于星敏感器對(duì)數(shù)據(jù)更新率要求較高，因此星圖分割的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)非常重要。為了 保證星圖分割的實(shí)時(shí)性，則需要提高系統(tǒng)的快速處理能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。FPGA是并行處 理結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行不同性質(zhì)的運(yùn)算，可在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)迅速的完成一次復(fù)雜運(yùn)算，因此采用 FPGA實(shí)現(xiàn)星圖分割方法，可以提高系統(tǒng)處理速度，滿足實(shí)時(shí)性要求。目前，在月亮干擾下星 圖的分割方面研宄較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種月光干擾下星點(diǎn)分割方法及 其FPGA實(shí)現(xiàn)裝置主要是解決以下幾部分問(wèn)題：（1)針對(duì)月亮干擾下星點(diǎn)的分割，目前研宄 較少，而傳統(tǒng)的閾值分割方法，無(wú)法適用于月亮干擾下星點(diǎn)的準(zhǔn)確分割。（2)當(dāng)?shù)玫降男菆D 中有月亮且月亮在灰度上存在突變時(shí)，現(xiàn)有的針對(duì)月亮干擾下星點(diǎn)的分割方法，將會(huì)提取 出月亮的邊緣，無(wú)法完全抑制月亮的干擾。（3)現(xiàn)有的針對(duì)月亮干擾下星點(diǎn)的分割方法，主 要針對(duì)的是星圖中亮星點(diǎn)的分割，無(wú)法分割出星圖中的暗星點(diǎn)，且分割不夠完整。（4)由于 星敏感器對(duì)數(shù)據(jù)更新率要求較高，需要提升系統(tǒng)處理速度以滿足實(shí)時(shí)性要求。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種月光干擾下星點(diǎn)分割方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] (1)計(jì)算月光干擾下的星點(diǎn)窗口圖像的局部梯度G，所述局部梯度G為星點(diǎn)窗口圖 像像素周圍梯度值的最大值，即：
[0008] G (x, y) = max (g)
[0009] 其中g(shù)是像素（x，y)周圍的梯度值；
[0010] (2)在局部梯度G梯度的基礎(chǔ)上，通過(guò)梯度閾值排除月光噪聲的影響，所述梯度閾 值為：
[0011] 1 = 0. 125Xm2(x, y)+210
[0012] 其中m(x，y)為像素（x，y)周圍圖像均值，若局部梯度G大于梯度閾值1，則說(shuō)明窗 口圖像內(nèi)有星點(diǎn)或部分星點(diǎn)；
[0013] (3)在確定窗口內(nèi)包含星點(diǎn)或部分星點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)閾值用來(lái)確定窗口 中心像素是否是星點(diǎn)，若中心像素灰度值高于自適應(yīng)閾值，則中心像素是星點(diǎn)，所述自適應(yīng) 閾值：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種月光干擾下星點(diǎn)分割方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下： (1) 計(jì)算月光干擾下的星點(diǎn)窗口圖像的局部梯度G，所述局部梯度G為星點(diǎn)窗口圖像像 素周圍梯度值的最大值，即： G (X，y) = max (g) 其中g(shù)是像素（x，y)周圍的梯度值； (2) 在局部梯度G梯度的基礎(chǔ)上，通過(guò)梯度閾值排除月光噪聲的影響，所述梯度閾值 為： 1 = 0. 125 Xm2 (x, y)+210 其中m(x，y)為像素（x，y)周圍圖像均值，若局部梯度G大于梯度閾值1，則說(shuō)明窗口圖 像內(nèi)有星點(diǎn)或部分星點(diǎn)； (3) 在確定窗口內(nèi)包含星點(diǎn)或部分星點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)閾值用來(lái)確定窗口中心 像素是否是星點(diǎn)，若中心像素灰度值高于自適應(yīng)閾值，則中心像素是星點(diǎn)，所述自適應(yīng)閾 值：
其中midvalue為灰度值中值，m(x, y)為局部均值。
2. -種實(shí)現(xiàn)月光干擾下星點(diǎn)分割方法的FPGA裝置，其特征在于包括：灰度窗口生成模 塊、局部梯度模塊、自適應(yīng)閾值模塊和分割結(jié)果處理模塊；其中： 所述灰度窗口生成模塊，緩存部分灰度數(shù)據(jù)后生成不同大小的灰度窗口數(shù)據(jù)，分別進(jìn) 入局部梯度模塊和自適應(yīng)閾值模塊；局部梯度模塊和自適應(yīng)閾值模塊的結(jié)果進(jìn)入分割結(jié)果 處理模塊，若局部梯度模塊確定窗口內(nèi)包含星點(diǎn)或星點(diǎn)的一部分，同時(shí)自適應(yīng)閾值模塊確 定窗口中心像素灰度值高于自適應(yīng)閾值，則窗口中心像素最終確定為星點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)月光干擾下星點(diǎn)分割方法的FPGA裝置，其特征在于：所 述局部梯度模塊包括Sobel濾波器、梯度窗口生成模塊、最大值濾波器、均值濾波器，梯度 閾值計(jì)算模塊和梯度閾值比較模塊；灰度窗口數(shù)據(jù)進(jìn)入Sobel濾波器計(jì)算圖像梯度，圖像 梯度經(jīng)梯度窗口生成模塊緩存后生成梯度窗口數(shù)據(jù)并進(jìn)入最大值濾波器，得到局部梯度； 同時(shí)，灰度窗口數(shù)據(jù)進(jìn)入均值濾波器計(jì)算局部均值，局部均值進(jìn)入梯度閾值計(jì)算模塊計(jì)算 出梯度閾值；計(jì)算得到的局部梯度和梯度閾值進(jìn)入梯度閾值比較模塊，通過(guò)比較確定窗口 內(nèi)是否包含星點(diǎn)或星點(diǎn)的一部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)月光干擾下星點(diǎn)分割方法的FPGA裝置，其特征在于：所 述自適應(yīng)閾值模塊包括均值濾波器、中值濾波器、自適應(yīng)閾值計(jì)算模塊和自適應(yīng)閾值比較 模塊；灰度窗口數(shù)據(jù)進(jìn)入均值濾波器和中值濾波器計(jì)算局部均值和局部中值，得到的局部 均值和局部中值進(jìn)入自適應(yīng)閾值計(jì)算模塊，計(jì)算出自適應(yīng)閾值，得到的自適應(yīng)閾值進(jìn)入自 適應(yīng)閾值比較模塊，通過(guò)與窗口中心灰度值比較，確定窗口中心像素是否高于自適應(yīng)閾值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)月光干擾下星點(diǎn)分割方法的FPGA裝置，其特征在于：所 述梯度窗口數(shù)據(jù)的最大值濾波器是可分離的，可先進(jìn)行列最大值濾波，再進(jìn)行行最大值濾 波。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)月光干擾下星點(diǎn)分割方法的FPGA裝置，其特征在于：所 述均值濾波器采用兩個(gè)一維均值濾波器組合實(shí)現(xiàn)二維均值濾波器，即當(dāng)新的一列進(jìn)入星點(diǎn) 窗口圖像時(shí)，計(jì)算新的一列的和，并與窗口圖像內(nèi)灰度總和相加，然后減掉離開窗口圖像的 第八列的列和，只需一次加法和一次減法即可實(shí)現(xiàn)均值濾波，而無(wú)需考慮圖像窗口大小，每 一個(gè)列和需要使用兩次，一次是它進(jìn)入窗口時(shí)，一次是它離開窗口時(shí)；為了列和的第二次使 用，采用FIFO來(lái)緩存列和。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種月光干擾下星點(diǎn)分割方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)裝置，該方法計(jì)算月光干擾下的星點(diǎn)窗口圖像的局部梯度G；通過(guò)梯度閾值排除月光噪聲的影響；采用自適應(yīng)閾值用來(lái)確定窗口中心像素灰度值是否高于自適應(yīng)閾值；若確定窗口內(nèi)包含星點(diǎn)或星點(diǎn)的一部分的同時(shí)確定窗口中心像素灰度值高于自適應(yīng)閾值，則窗口中心像素最終確認(rèn)為星點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)方法的FPGA裝置包括灰度窗口生成模塊，局部梯度模塊，自適應(yīng)閾值模塊和分割結(jié)果處理模塊。本發(fā)明將星點(diǎn)分割的所有工作全部采用FPGA實(shí)現(xiàn)，功耗低、小型化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，能充分發(fā)揮其并行流水線計(jì)算優(yōu)勢(shì)，滿足實(shí)時(shí)性要求。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號(hào)】CN104835177
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510288957
【發(fā)明人】江潔, 陳科吉, 張廣軍
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月29日