一种基于图像识别的望远镜搜星方法、搜星装置及望远镜与流程

本发明涉及天文望远领域，特别涉及一种基于图像识别的望远镜搜星方法、搜星装置及望远镜。

背景技术：

望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。

望远镜设备在搜星前需要调节望远镜镜头的角度，使搜寻的目标星体出现在镜头中。现有技术中，望远镜开机后需要预先进行误差校正，然后搜星的过程中需要是采用赤道仪及一系列的角度传感器如陀螺仪等进行检测追踪，但是，赤道仪笨重且价格昂贵，也无法保证在追踪星体时不产生脱线。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于图像识别的望远镜搜星方法、搜星装置及望远镜，利用随意拍摄的星空图像计算基准角度，利用目标搜寻星体计算目标角度，将两者角度差作为角度调节值，实现快速搜星。所述技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种基于图像识别的望远镜搜星方法，包括：

利用望远镜的图像传感器拍摄星空图像，所述星空图像中至少包括三颗星体；

根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别，并在星体数据库中匹配被识别星体的赤经和赤纬信息；

根据所述星空图像的拍摄时间和拍摄设备所在位置，以及被识别星体的赤经和赤纬信息，得到第一俯仰角度和第一水平角度；

在所述星体数据库中匹配目标搜寻星体的赤经和赤纬信息；

根据所述拍摄设备当前位置和当前时间，以及目标搜寻星体的赤经和赤纬信息，得到第二俯仰角度和第二水平角度；

将所述望远镜的俯仰角度由第一俯仰角度调节至第二俯仰角度，并将所述望远镜的水平角度由第一水平角度调节至第二水平角度。

进一步地，所述第一俯仰角度通过以下公式计算得到：

sin(h1)＝sin(w1)×sin(cw1)+cos(w1)×cos(cw1)×cos(t1×15)，其中，h1为第一俯仰角度，w1为拍摄星空图像时的拍摄设备所在位置的纬度信息，cw1为被识别星体的赤纬信息，t1为被识别星体的天体时角；

所述第二俯仰角度通过以下公式计算得到：

sin(h2)＝sin(w2)×sin(cw2)+cos(w2)×cos(cw2)×cos(t2×15)，其中，h2为第二俯仰角度，w2为拍摄设备当前位置的维度信息，cw2为目标搜寻星体的赤纬信息，t2为目标搜寻星体的天体时角。

进一步地，所述被识别星体的天体时角通过以下公式计算得到：

t1＝100/15+n1×24/365.2422+t1'-cj1/15，其中，n1为星空图像的拍摄时间在当年内从元旦日起的日序数，t1’为星空图像的拍摄时间在拍摄设备当前位置的时间转化值，cj1为被识别星体的赤经信息；

所述目标搜寻星体的天体时角通过以下公式计算得到：

t2＝100/15+n2×24/365.2422+t2'-cj2/15，其中，n2为目标搜寻星体的观测时间在当年内从元旦日起的日序数，t2’为目标搜寻星体的观测时间在拍摄设备当前位置的时间转化值，cj2为目标搜寻星体的赤经信息。

进一步地，所述第一水平角度通过以下公式计算得到：

cos(f1)＝sin(cw1)/(cos(w1)×cos(h1)-tan(w1)×tan(h1))，其中，f1为第一水平角度，cw1为被识别星体的赤纬信息，w1为拍摄星空图像时的拍摄设备所在位置的纬度信息，h1为第一俯仰角度；

所述第二水平角度通过以下公式计算得到：

cos(f2)＝sin(cw2)/(cos(w2)×cos(h2)-tan(w2)×tan(h2))，其中，f2为第二水平角度，cw2为目标搜寻星体的赤纬信息，w2为拍摄设备当前位置的维度信息，h2为第二俯仰角度。

进一步地，所述根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别包括：

以星空图像中至少包括的三颗星体中的一颗星体作为基准星；

在星空图像中寻找另外两颗星体，与所述基准星构成三角形，得到三角形边长比例关系；

在星体数据库中查找满足所述三角形边长比例关系的三颗星体的组合，所述组合的数量为一组或多组；

以构成三角形的非基准星星体作为新基准星，与其他星体构建不同比例关系的新三角形，得到新三角形边长比例关系；

结合所述星体数据库，在查找得到的三颗星体的组合中排除不具备能够满足新三角形边长比例关系的组合；

选择新基准星进行一次或多次迭代以进行排除操作，直至仅剩余一组三颗星体的组合。

进一步地，所述根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别包括：

以星空图像中至少包括的三颗星体中的一颗星体作为基准星；

在星空图像中寻找另外n颗星体，与所述基准星构成多条线段，得到线段比例关系；

在星体数据库中查找满足所述线段比例关系的n+1颗星体的组合，所述组合的数量为一组或多组；

其中一个线段一端的非基准星星体作为新基准星，与其他n颗星体构成新线段比例关系；

结合所述星体数据库，在查找得到的n+1颗星体的组合中排除不具备能够满足新线段比例关系的组合；

选择新基准星进行一次或多次迭代以进行排除操作，直至仅剩余一组n+1颗星体的组合。

进一步地，所述根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别之前还包括：对拍摄的星空图像中的星体进行噪点判别，包括：

寻找星空图片中发光体的中心像素点，其亮度记为pmax；

以所述中心像素点为圆心，以r0为半径确定圆形范围，计算该范围内亮度均值，记为p0；

若pmax-p0<k*pmax，则调整r0为r0+rstep，直至pmax-p0≥k*pmax，其中，k为设定的降噪系数，rstep为半径步进调整值；

若r0≥rth，其中，rth为设定的半径阈值，此处r0为调整后的新的半径值，则判定所述发光体为星体，否则判定其为噪点，并删除所述发光体的像素点。

进一步地，所述时间在拍摄设备当前位置的时间转化值通过以下公式计算得到：

t'＝t-δt＝t-(sj-j)/15，其中t’为在拍摄设备当前位置的时间转化值，t为时区时间，sj为时区经度信息，j为拍摄设备当前位置的经度信息。

另一方面，本发明提供了一种基于图像识别的望远镜搜星装置，其特征在于，包括：

拍摄模块，用于利用望远镜的图像传感器拍摄星空图像，所述星空图像中至少包括三颗星体；

图像星体识别模块，用于根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别，并在星体数据库中匹配被识别星体的赤经和赤纬信息；

第一计算模块，用于根据所述星空图像的拍摄时间和拍摄设备所在位置，以及被识别星体的赤经和赤纬信息，得到第一俯仰角度和第一水平角度；

目标星体信息模块，用于在所述星体数据库中匹配目标搜寻星体的赤经和赤纬信息；

第二计算模块，用于根据所述拍摄设备当前位置和当前时间，以及目标搜寻星体的赤经和赤纬信息，得到第二俯仰角度和第二水平角度；

角度调节模块，用于将所述望远镜的俯仰角度由第一俯仰角度调节至第二俯仰角度，并将所述望远镜的水平角度由第一水平角度调节至第二水平角度。

再一方面，本发明提供了一种利用上述的搜星方法进行搜星的望远镜。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

1)望远镜开机后无需预先进行误差校准，随意拍摄星体图像即可计算当前俯仰角度和水平角度；

2)以目标搜寻星体计算目标俯仰角度和水平角度，得到望远镜的调节角度目标；

3)计算出目标俯仰角度和水平角度后，根据与拍摄星体图像当前俯仰角度和水平角度的差值，调节望远镜的角度，无需追踪，实现快速搜星。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于图像识别的望远镜搜星方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的天体俯仰角度和水平角度原理图；

图3是本发明实施例提供的第一种星体图像识别方法流程图；

图4是本发明实施例提供的第二种星体图像识别方法流程图；

图5是本发明实施例提供的基于图像识别的望远镜搜星装置的模块框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种基于图像识别的望远镜搜星方法，参见图1，所述方法包括以下流程：

s1、利用望远镜的图像传感器拍摄星空图像，所述星空图像中至少包括三颗星体。

可以采用摄像设备或摄像传感器对望远镜当前视场角度下的镜头所观察到的星空进行拍摄照片，得到星空图像，优选地，所述摄像设备或摄像传感器为ccd传感器或cmos传感器。

s2、根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别，并在星体数据库中匹配被识别星体的赤经和赤纬信息。

根据星体数据库进行图像识别，分析拍摄的星空图像中存在的星体对应于星体数据库中具体哪一颗星体，所述星体数据库中还能查询该星体的赤经和赤纬信息，比如天狼星在天球上的坐标是赤经06h45m08.9173s，赤纬-16°42'58.017"(历元2000.0)。

在第二赤道坐标系中，天体的位置根据规定用经纬度来表示，称作赤经(α)、赤纬(δ)。赤纬就是天体的位置与天赤道位置的差，赤纬的取值为-90度到+90度，在天赤道以北多少度就为正多少度，反之，在天赤道以南多少度为负多少度。赤经类似于地球经度的角距离，和赤纬一起用来确定天体在天球中的位置，从春分点起沿天赤道向东计算，类似于地球纬度的赤纬指天体到天赤道的南、北角距离，指通过春分点的赤经圈与通过天体的赤经圈之间在天赤道上的弧段，以α表示，自春分点起，按与天球周日视运动相反的方向量度，从0h到24h。

s3、根据所述星空图像的拍摄时间和拍摄设备所在位置，以及被识别星体的赤经和赤纬信息，得到第一俯仰角度和第一水平角度。

具体地，所述第一俯仰角度通过以下公式计算得到：

sin(h1)＝sin(w1)×sin(cw1)+cos(w1)×cos(cw1)×cos(t1×15)，其中，h1为第一俯仰角度，w1为拍摄星空图像时的拍摄设备所在位置的纬度信息，cw1为被识别星体的赤纬信息。

其中，所述被识别星体的天体时角通过以下公式计算得到：

t1＝100/15+n1×24/365.2422+t1'-cj1/15，其中，t1为被识别星体的天体时角，n1为星空图像的拍摄时间在当年内从元旦日起的日序数，t1’为星空图像的拍摄时间在拍摄设备当前位置的时间转化值，cj1为被识别星体的赤经信息，比如，星空图像的拍摄时间为公元2018年1月23日北京时间22:00，拍摄地点在乌鲁木齐，则n1为23，t1’为北京时间转换为乌鲁木齐当地时间，其转换公式如下：

t'＝t-δt＝t-(sj-j)/15，其中t’为在拍摄设备当前位置的时间转化值，t为时区时间，sj为时区经度信息，j为拍摄设备所在位置的经度信息。以上述乌鲁木齐为例，即拍摄设备所在位置的经度为东经e87°37′23.93″，而北京时间的时区经度为e120°，代入上述公式即为：乌鲁木齐的当地时间转化值t’＝22-(120-87)/15＝19.8，转化为时分秒即为19点48分，公式中省略了经度的小数部分(不作省略则精度更高)。

求得第一俯仰角度h1后，代入以下公式计算第一水平角度：

cos(f1)＝sin(cw1)/(cos(w1)×cos(h1)-tan(w1)×tan(h1))，其中，f1为第一水平角度，cw1为被识别星体的赤纬信息，w1为拍摄星空图像时的拍摄设备所在位置的纬度信息，h1为第一俯仰角度。

s4、在所述星体数据库中匹配目标搜寻星体的赤经和赤纬信息。

比如，comethalebopp(海尔波普彗星)在星体数据库中可以查询得到赤经23h、赤纬42.467°。

s5、根据所述拍摄设备当前位置和当前时间，以及目标搜寻星体的赤经和赤纬信息，得到第二俯仰角度和第二水平角度。

在已知赤经、赤纬信息，当前位置和当前时间的前提下，同计算第一俯仰角度和第一水平角度，计算第二俯仰角度和第二水平角度：

所述第二俯仰角度通过以下公式计算得到：

sin(h2)＝sin(w2)×sin(cw2)+cos(w2)×cos(cw2)×cos(t2×15)，其中，h2为第二俯仰角度，w2为拍摄设备当前位置的维度信息，cw2为目标搜寻星体的赤纬信息，t2为目标搜寻星体的天体时角，其中，t2＝100/15+n2×24/365.2422+t2'-cj2/15，其中，n2为目标搜寻星体的观测时间在当年内从元旦日起的日序数，t2’为目标搜寻星体的观测时间在拍摄设备当前位置的时间转化值，cj2为目标搜寻星体的赤经信息，t2'＝t2-δt2＝t2-(sj2-j2)/15，其中t2’为当前时间在拍摄设备当前位置的时间转化值，t2为时区时间，sj为时区经度信息，j为拍摄设备当前位置的经度信息。

所述第二水平角度通过以下公式计算得到：

cos(f2)＝sin(cw2)/(cos(w2)×cos(h2)-tan(w2)×tan(h2))，其中，f2为第二水平角度，cw2为目标搜寻星体的赤纬信息，w2为拍摄设备当前位置的维度信息，h2为第二俯仰角度。

s6、将所述望远镜的俯仰角度由第一俯仰角度调节至第二俯仰角度，并将所述望远镜的水平角度由第一水平角度调节至第二水平角度。

在两次计算后分别得到拍摄星空图像时的第一俯仰角度和第一水平角度，以及目标搜寻星体的第二俯仰角度和第二水平角度，后者与前者的差值，即为望远镜的角度调节幅值，其原理如图2所示，天体与球心的连线与其在地平圈上的投影的夹角即为俯仰角，上半球的天体的俯仰角为正，下半球的天体的俯仰角为负，如图2中俯仰角r为正。天体与球心的连线在地平圈上的投影在天体赤道面上的平面角度为水平角度，在此，需要利用建立水平坐标系，比如图2中的南点、北点，以及未标识的东点、西点。在建立水平坐标系之后，根据角度差可以确定顺时针还是逆时针调节望远镜的水平角度。

本发明实现快速搜星的原理是，以随意拍摄的一个星空图像为基准，识别出拍摄的星体的身份，计算得到的第一俯仰角度和第一水平角度实际上是图像识别得到的星体在天体中的俯仰角度和水平角度，以拍摄到的星体的俯仰/水平角度来反推拍摄设备当前的俯仰/水平角度。

在水平角度调节过程中，还需要通过地磁传感器建立水平坐标系，即确定水平角度调节的方向，利用手动或者电机驱动的方式，将设备的水平角度/俯仰角度调节至第二水平角度/第二俯仰角度。其后，启动图像传感器拍摄当前星体图像，即可获得目标搜寻星体的图像。

在本发明的一个可选实施例中，参见图3，所述根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别包括以下流程：

s211、以星空图像中至少包括的三颗星体中的一颗星体作为基准星。

优选地，选择图像中间的亮度较大的星体作为基准星。

s212、在星空图像中寻找另外两颗星体，与所述基准星构成三角形，得到三角形边长比例关系。

优选地，选择与基准星较近的星体构成三角形。

s213、在星体数据库中查找满足所述三角形边长比例关系的三颗星体的组合，所述组合的数量为一组或多组。

如果为一组，则可以按照该组三颗星体的形状直接确定其中一颗为基准星；如果为多组，则继续执行以下s214-s216：

s214、以构成三角形的非基准星星体作为新基准星，与其他星体构建不同比例关系的新三角形，得到新三角形边长比例关系；

s215、结合所述星体数据库，在查找得到的三颗星体的组合中排除不具备能够满足新三角形边长比例关系的组合；

s216、选择新基准星进行一次或多次迭代以进行排除操作，直至仅剩余一组三颗星体的组合。

需要说明的是，本发明实施例中将三颗星构成三角形与现有技术中的构图寻星存在本质区别，本发明中不属于构图技术，形成三角形仅仅是用于测量三角形的边长，基于此，即使不实际构图形成三角形，同样可以实现在三颗星中测量两两之间的距离。

排除后得到唯一一组三颗星体的组合后，根据该组三颗星体的形状直接确定其中一颗为基准星。

在本发明的另一个可选实施例中，参见图4，所述根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别包括以下流程：

s221、以星空图像中至少包括的三颗星体中的一颗星体作为基准星。

优选地，选择图像中间的亮度较大的星体作为基准星。

s222、在星空图像中寻找另外n颗星体，与所述基准星构成多条线段，得到线段比例关系。

优选地，选择较近的星体与基准星连成线段。

s223、在星体数据库中查找满足所述线段比例关系的n+1颗星体的组合，所述组合的数量为一组或多组。

如果为一组，则可以在该组星体中直接确定其中一颗为基准星(n条线段的公共点)；如果为多组，则继续执行以下s224-s226：

s224、以其中一个线段一端的非基准星星体作为新基准星，与其他n颗星体构成新线段比例关系；

s225、结合所述星体数据库，在查找得到的n+1颗星体的组合中排除不具备能够满足新线段比例关系的组合；

s226、选择新基准星进行一次或多次迭代以进行排除操作，直至仅剩余一组n+1颗星体的组合。

排除后得到唯一一组n+1颗星体的组合后，确定其中一颗为基准星(n条线段的公共点)。

在以上两个实施例中所述根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别之前还包括：对拍摄的星空图像中的星体进行噪点判别，所述噪点判别的方法包括以下流程：

寻找星空图片中发光体的中心像素点，其亮度记为pmax；以所述中心像素点为圆心，以r0为半径确定圆形范围，计算该范围内亮度均值，记为p0；若pmax-p0<k*pmax，则调整r0为r0+rstep，直至pmax-p0≥k*pmax，其中，k为设定的降噪系数，rstep为半径步进调整值；若r0≥rth，其中，rth为设定的半径阈值，此处r0为调整后的新的半径值，则判定所述发光体为星体，否则判定其为噪点，并删除所述发光体的像素点。

本实施例中，利用的是星体较噪声点而言，具有更强的辐射力这一特性进行去噪预处理，即星体更容易实现将其光亮向周围辐射，使周围的亮度要高于噪声点周围的亮度，在一个优选的实施例中，所述k优选为0.05，即确定亮点向外辐射，使辐射区域的平均亮度小于该亮点像素亮度的95％时的辐射半径，若该辐射半径小于设定的半径阈值，则判定该亮点为噪声，并在星空图像中删除所述亮点，否则判定该亮点为星体，以上所述的r0均为当前更新的最新调整半径值。

经过上述流程，可以确定图像上亮点是星体还是噪点，重复上述流程，直至确定所需数量的星体(只要确定星体的数量达到需要的数量，其余的亮点可忽略不计)。需要说明的是，本实施例中对第一星空图像进行去噪操作是实现星体快速识别的其中一个预处理步骤，本发明的核心是利用星空数据库模拟当前望远镜，通过比对实际拍摄星空图像与模拟星空图像，以实现无校准且快速寻星，因此，本实施例中仅仅是列出了一种优选的去噪方法，其不对本发明的保护范围作出限定，任意一种现有技术中的图像去噪方法应用于本申请中均可以实现本发明的技术方案，解决不校准、快速寻星的技术问题，即现有技术中的去噪方法均落入本申请要求的保护范围。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种基于图像识别的望远镜搜星装置，参见图5，包括以下模块：

拍摄模块710，用于利用望远镜的图像传感器拍摄星空图像，所述星空图像中至少包括三颗星体；

图像星体识别模块720，用于根据星体数据库，对拍摄的星空图像中的星体进行识别，并在星体数据库中匹配被识别星体的赤经和赤纬信息；

第一计算模块730，用于根据所述星空图像的拍摄时间和拍摄设备所在位置，以及被识别星体的赤经和赤纬信息，得到第一俯仰角度和第一水平角度，第一计算模块730的计算方法参见上述基于图像识别的望远镜搜星方法实施例，在此不再赘述；

目标星体信息模块740，用于在所述星体数据库中匹配目标搜寻星体的赤经和赤纬信息；

第二计算模块750，用于根据所述拍摄设备当前位置和当前时间，以及目标搜寻星体的赤经和赤纬信息，得到第二俯仰角度和第二水平角度，第二计算模块750的计算方法参见上述基于图像识别的望远镜搜星方法实施例，在此不再赘述；

角度调节模块760，用于将所述望远镜的俯仰角度由第一俯仰角度调节至第二俯仰角度，并将所述望远镜的水平角度由第一水平角度调节至第二水平角度。

需要说明的是：上述实施例提供的基于图像识别的望远镜搜星装置在进行搜星时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将基于图像识别的望远镜搜星装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，本实施例提供的基于图像识别的望远镜搜星装置实施例与上述实施例提供的基于图像识别的望远镜搜星方法属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种利用上述实施例所述的搜星方法进行搜星的望远镜。

本发明提供了一种关于快速搜星的方法、装置及望远镜，其基于望远镜开机后随意拍摄的星空图像(保证能够识别出图像中的星体的前提下)，通过计算图像中星体的俯仰角度和水平角度作为初始状态，将目标搜寻星体的俯仰角度和水平角度作为目标状态，按照目标状态与初始状态之间的角度差对望远镜进行角度调节，即可实现对目标搜寻星体的快速搜星。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。