一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法与fpga实现装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及星图处理的技术领域，具体涉及一种基于形态学的鲁棒的星点分割方 法与FPGA实现装置。
【背景技术】
[0002] 航天器的姿态信息在天文导航中起到很重要的作用，星敏感器是测量航天器姿态 的重要技术手段。星敏感器的工作原理是利用CCD或CMOS相机在某一时刻拍摄到的星图， 提取出星图中星点的位置信息，通过星图识别算法在导航星库中找到观测星的对应匹配， 最后利用这些匹配星对的方向矢量信息计算出星敏感器三轴姿态，从而确定航天器的空间 姿态。星图中包含星点以及不同种类的干扰，如噪声，杂光等。如果未能排除干扰，则无法 准确的分割出星点，从而影响姿态的精度。星点质心的精度是星敏感器整体精度的基础，它 直接决定了星图识别的姿态测量精度，所以排除星图中的干扰，准确的分割星点是星点质 心精度的保证。
[0003] 传统的星点分割的方法为全局阈值法。但是全局阈值只适用于光照均匀，没有杂 光干扰的星图，对光照不均，含有月光或鬼影的星图，全局阈值无法去除杂光的干扰，从而 无法准确的分割星点。现有的局部阈值方法虽然能够抑制光照不均匀对分割结果的影响， 但对星点周边低灰度值的像素保留较差，星点分割的不完整，从而无法保证质心精度。星图 分割中，可采用最大值和最小值的均值的方法确定自适应阈值，但该方法对噪声抑制能力 差，易将图像中的噪声或杂点当作星点分割，并且无法完整的去除月光的干扰。
[0004] 由于星敏感器对数据更新率要求较高，因此星图分割的实时实现非常重要。为了 保证星图分割的实时性，则需要提高系统的快速处理能力和数据吞吐能力。FPGA是并行处 理结构，可同时进行不同性质的运算，可在一个时钟内迅速的完成一次复杂运算，因此采用 FPGA实现星图分割方法，可以提高系统处理速度，满足实时性要求。目前，在抑制不同干扰 下星图的分割方面研究较少。
【发明内容】
[0005] 本发明一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法及FPGA实现装置，主要是解决以 下几部分问题：
[0006] (1)针对不同干扰下星点的分割，目前研究较少，而传统的阈值分割方法，无法适 用于月亮干扰下星点的准确分割。
[0007] (2)当星图中出现光照不均，高噪声等不同种类的干扰时，传统的阈值分割方法无 法完好的抑制这些干扰，并完整的分割星点。
[0008] (3)现有的星点的分割方法，主要针对的是星图中亮星点的分割，无法分割出星图 中的暗星点，且分割不够完整。
[0009] (4)由于星敏感器对数据更新率要求较高，需要提升系统处理速度以满足实时性 要求。
[0010] 本发明采用的技术方案为：一种基于形态学的鲁棒的星点分割方法，该方法步骤 如下：
[0011] 首先，用较小的结构元素 Bs对原图进行开运算，得到开运算结果，由于心小于星点 尺寸，所以开运算不能把星点去除，同时也对月光及噪声部分起了平滑的作用；
[0012] 其次，用较大的边缘结构元素 Bm对原图进行膨胀运算，之后利用实心结构元素 B E进行腐蚀运算，得到新型闭运算结果，在星点区域，星点的灰度大于周围噪声；
[0013] 最后，用开运算结果减去开运算结果和新型闭预算结果的较小值，然后像素坐标 对应原图中的星点提取出来，则星点的像素得以完整分割，并且去除了噪声的干扰。
[0014] 本发明另外提供一种基于形态学的鲁棒的星点分割的FPGA实现装置，其特征在 于：包括利用FPGA实现的保留小目标的新型闭运算、抑制噪声的开运算模块以及数据处理 三个模块，由于前两个模块之间的并行性，采用FPGA并行流水线结构可以提升该FPGA实现 装置处理速度，由于两个模块同时处理，该FPGA实现装置处理时间由其中耗时最长的模块 决定，在两个模块内部，又包含数个小的模块，它们通过并行流水线结构进行处理，以降低 系统运行所需时间，其中，新型闭运算模块依次包括膨胀运算模块和腐蚀运算模块，膨胀运 算模块包括提取星点膨胀窗口生成模块和Bm膨胀运算模块，腐蚀运算模块包括提取星点腐 蚀行窗口生成模块、腐蚀列窗口生成模块和Be腐蚀运算模块，开运算模块依次包括去噪腐 蚀窗口生成模块、Bs腐蚀运算模块、去噪膨胀窗口生成模块、B 5膨胀运算模块。
[0015] 进一步的，该FPGA实现装置中，由于结构元素 Bm无法分解，所以新型闭运算模块 中的膨胀模块采用ηXη大小的窗口，通过从左到右，从上到下滑动的方式，进行最大值滤 波，膨胀运算中采用（η-1)个大小和图像宽度相等的先进先出缓存器（FIFO)来缓存（η-1) 行以数据流形式逐个时钟进入的图像数据以生成ηΧη的窗口，选取窗口中环形区域的 4 (η-1)个像素，经树状流水线比较器得到最大值，得到膨胀结果，再将膨胀模块与腐蚀模块 连接，得到新型闭运算结果。
[0016] 本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：
[0017] (1)、本发明能够完全抑制星图不同种类的干扰并提取星点。
[0018] (2)、本发明能够实现暗星和亮星的准确分割，提高质心精度。
[0019] (3)、本发明充分利用FPGA在并行流水线运算体系结构设计中的优势，采用并行 流水线体系结构组织星点分割算法中的运算模块，大幅提高运算速度，降低系统处理所需 时间。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明结构元素定义示意图；
[0021] 图2为星图中星点及月光干扰示意图；
[0022] 图3 (a)为星点处理不意图，图3 (b)为杂光处理不意图；
[0023] 图4为FPGA硬件实现整体结构；
[0024] 图5为分离式形态学运算模块；
[0025] 图6为滑动窗口运算结构；
[0026] 图7为树状流水线最大值滤波器；
[0027] 图8为对月亮的抑制结果，其中a为源图像，b为分割后的结果；
[0028] 图9为对星点的分割结果，其中a为源图像，b为分割后的结果；
[0029] 图10为高斯噪声对星点精度的影响。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图以及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0031] 1.算法描述
[0032] 定义两个扁平的方形结构元素，Bmi和B M。。使D (B)表示结构元素 B的尺寸，即方 形结构元素的边长。其中D(Bmi) <D(BM。）。设Bm为Bmi和Bmci之间的方形环状边缘区域，设 d(Bm)为边缘结构元素的宽度，
Be是扁平方形结构元素，且 D(BM。）>D(BE)。定义扁平结构元素 Bs，其中&的尺寸大于杂点和噪声，但小于目标的尺寸， 即 D(Bs) < D(BMi)。Bm, Bs, Be, BMi, BM。的关系如图 1 所不。
[0033] 真实的星点与背景噪声区域存在差异，星点区域灰度起伏较大，并且为较大尺寸 的亮斑，星点周围的噪声灰度起伏相对较小；杂光区域的灰度较高，并且起伏较小；由高温 引起的噪声灰度起伏较大，并且包含高灰度的单点噪声或小尺寸的亮斑。为此，定义新型星 点分割方法 NSTS (New Star Target Segmentation)为：
[0038] 式中：I (x, y)为原始图像，K(x, y)为结构元素&对I (x, y)做开运算的结果， N(x，y)为边缘结构元素 Bm对做膨胀运算后用结构元素 B ￡对I (x，y)做腐蚀运算的结果， R(x，y)为K(x，y)减去K(x，y)与N(x，y)的较小值，最后将R(x，y)中灰度值大于零的像素 灰度替换为I (X，y)对应坐标中的灰度值。
[0039] 以包含月光的星图为例，图中包含月光及噪声的干扰，以及星点，如图2所示。其 中星点区域灰度起伏较大，并且为较大尺寸的亮斑，星点周围的噪声灰度起伏相对较小，有 单点噪声；月光区