[科普中國]-天文圖像處理

圖像處理

一幅數(shù)字化圖像在數(shù)學(xué)上等效為一個(gè)矩陣。圖像處理的很多方法就是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的。圖像處理的方法很多,有很多的分類方法,比如按照處理方式可以分為線性化和非線性化方法按照處理目的可以分為圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像壓縮以及圖像理解等等按照處理圖像的幀數(shù)可以分為單幀圖像處理和圖像序列處理方法。

天文圖像處理天文圖像處理就是應(yīng)用圖像處理技術(shù)在天文領(lǐng)域展開的研究，目前，國內(nèi)外很多天文臺(tái)已經(jīng)建立起了各種基于CCD技術(shù)的天文圖像采集與處理系統(tǒng)。不過它們的圖像處理過程一般都是將CCD采集到的天文圖像通過特定的數(shù)據(jù)接口（如USB等）下傳到普通的計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理板上進(jìn)行處理，也有學(xué)者研究了基于DSP的嵌入式天文圖像處理系統(tǒng)。該技術(shù)是是空間目標(biāo)光電探測(cè)的主要手段之一。

天文圖像處理技術(shù)圖像增強(qiáng)獲取的圖像往往與真實(shí)的圖像有某種程度的差別。造成這種差別可能是因?yàn)樾盘?hào)變?nèi)酢⒃肼暩蓴_,或者由于系統(tǒng)本身固有的缺陷。運(yùn)用圖像增強(qiáng)技術(shù)可以減少甚至消除這種差別。比如通過平滑濾波可以減少噪聲的影響,微分運(yùn)算可以突出圖像變化的細(xì)節(jié)等等。

平滑既可以在時(shí)域進(jìn)行,也可在頻域進(jìn)行,其中時(shí)域上的平滑方法主要是局部平均法和中值濾波法,頻域?yàn)V波的運(yùn)算量較大,為了達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的,可以采用了局部平均法。

局部平均法是一種空間域的處理方法。圖像可以認(rèn)為由許多灰度恒定的小塊組成,相鄰的象素之間有很高的相關(guān)性,而噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。因此可以使用與某個(gè)象素相鄰的各個(gè)象素的灰度平均值來代替該象素原來的灰度值,實(shí)現(xiàn)圖像的平滑。

圖像恢復(fù)通俗的說,圖像增強(qiáng)是為了看得更清楚,而圖像恢復(fù)是為了使圖像看起來更像真實(shí)的。圖像在形成、傳輸、記錄過程中都會(huì)有一定程度的退化,典型的表現(xiàn)有圖像模糊、失真等。引起退化的原因有很多,性質(zhì)也不完全相同,因此圖像恢復(fù)還沒有統(tǒng)一的方法,只能夠根據(jù)實(shí)際情況采用相應(yīng)的退化模型和估計(jì)準(zhǔn)則。

圖像分割在圖像增強(qiáng)和圖像恢復(fù)技術(shù)中,期望輸出是輸入圖像的改善,即是根據(jù)需要在輸入圖像的基礎(chǔ)上加強(qiáng)某一部分信息,使其更接近原始圖像。圖像處理的另外一個(gè)分支是圖像描述和圖像分析。圖像分割是介于圖像預(yù)處理和圖像分析之間的一個(gè)階段,它把圖像分成若干個(gè)區(qū)域,每塊區(qū)域中的象素具有某種相似性,比如把亮度相近的相鄰元素歸于一個(gè)區(qū)域,不同區(qū)域的平均亮度有較大的區(qū)別。這樣,一個(gè)區(qū)域可能是一個(gè)物體,也可能是這物體的局部。經(jīng)過分割后的圖像,可以為后續(xù)的圖像分析提供重要的目標(biāo)形狀和尺寸信息。

圖像分割的基本原則是使區(qū)域內(nèi)所考慮的特征或者屬性是相同的或相似的,并且這些特征或?qū)傩栽诓煌膮^(qū)域中存在差異。圖像分割問題可以看作是問題。

圖像分割的方法很多,有基于象素的分割、基于區(qū)域的分割等。其中閉值化分割是區(qū)域分割中最簡單、最快速的一種。

天文圖像目標(biāo)提取目標(biāo)提取就是在對(duì)圖像進(jìn)行背景估計(jì)和對(duì)消的基礎(chǔ)上,采用閑值化分割的方法提取出亮度值大于某一門限的所有區(qū)域,并根據(jù)一定的準(zhǔn)則去除虛假的目標(biāo)。目標(biāo)提取的方法有多種,常用的有兩種一種是逐列掃描法,一種是逐點(diǎn)比較法。

逐列掃描法該算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行按列掃描,把消去背景的圖像與一個(gè)門限。 是背景消去后剩余圖像的標(biāo)準(zhǔn)差比較,記錄下數(shù)值大于門限的數(shù)據(jù)段的起點(diǎn)、終點(diǎn)以及當(dāng)前的列數(shù)。在一幅圖像掃描結(jié)束之后,就得到一條條線段的信息,然后通過尋找連通域的方法就可以判定哪些線段屬于同一物體,得到各個(gè)目標(biāo)的外切矩形。

逐點(diǎn)比較法該算法包括兩步,第一步是逐點(diǎn)掃描圖像,找到本地亮度最大值,第二步是目標(biāo)判定。

在掃描過程中,把以當(dāng)前象素為中心的一個(gè)的窗口內(nèi)的所有象素的均值作為該象素的值并與門限拓是背景估計(jì)比較,當(dāng)找到一個(gè)超過門限的點(diǎn)就將該點(diǎn)作為本地最大值,接下來從該點(diǎn)出發(fā),以天空背景為參照尋找方向和方向的邊界。在窗口中用一定準(zhǔn)則來判斷目標(biāo)是否被接受。1

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于CCD的天文圖像采集與處理系統(tǒng)一般由CCD傳感器、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成。

以CCD天文圖像處理系統(tǒng)為例，由于的數(shù)據(jù)采集卡是基于PCI總線的,所以首先是通過一片PCI-CPCI一轉(zhuǎn)換板來實(shí)現(xiàn)采集卡和工控機(jī)之間的連接。

圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理主要是通過一塊擴(kuò)展的信號(hào)處理板來實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)處理板通過CPCI插槽內(nèi)嵌于工控機(jī),工控機(jī)和信號(hào)處理板各司其職。

由于本底圖像和平場(chǎng)圖像可以事先計(jì)算好,因此這部分工作由工控機(jī)上的軟件來完成,并通過CPCI總線以DMA方式發(fā)送到信號(hào)處理板,保存到五上的大容量SDRAM中,這樣可以減少計(jì)算平場(chǎng)和本底給硬件帶來的負(fù)擔(dān)。

CCD傳感器與圖像采集系統(tǒng)其中前端的 CCD 傳感器和圖像采集系統(tǒng)共同組成 CCD 相機(jī)，圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)之間通過高速數(shù)據(jù)總線互連。設(shè)計(jì)的基于 DSP 的嵌入式CCD天文圖像處理系統(tǒng)則可以與CCD傳感器和圖像采集系統(tǒng)集成到一起組成具有圖像處理能力的CCD 相機(jī)。2

系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)以后,CCD相機(jī)輸出的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè)圖像采集卡進(jìn)行數(shù)字化以后,寫到工控機(jī)的一段內(nèi)存中,這時(shí)工控機(jī)上的軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過CPCI總線以DMA方式發(fā)送到信號(hào)處理板。FPGA對(duì)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行減本底和除平場(chǎng)的操作并將結(jié)果寫入到輸入端DPRAM中,根據(jù)不同的工作模式對(duì)輸入端中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,并把處理結(jié)果寫到輸出端中,接下來主機(jī)通過CPCI總線以DMA方式讀出處理結(jié)果果，并根據(jù)不同的工作模式對(duì)傳回的潔果進(jìn)行處理和顯示。

系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)以后,CCD相機(jī)輸出的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè)圖像采集卡進(jìn)行數(shù)字化以后,寫到工控機(jī)的一段內(nèi)存中,這時(shí)工控機(jī)上的軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過CPCI總線以DMA方式發(fā)送到信號(hào)處理板。FPGA對(duì)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行減本底和除平場(chǎng)的操作并將結(jié)果寫入到輸入端DPRAM中,根據(jù)不同的工作模式對(duì)輸入端中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,并把處理結(jié)果寫到輸出端中,接下來主機(jī)通過CPCI總線以DMA方式讀出處理結(jié)果果，并根據(jù)不同的工作模式對(duì)傳回的潔果進(jìn)行處理和顯示。