本發(fā)明屬于圖像配準(zhǔn)，尤其涉及一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，該方法可以顯著提高常規(guī)高動(dòng)態(tài)星敏感器大視場(chǎng)星圖之間配準(zhǔn)所需的耗時(shí)和計(jì)算成本，保證星載資源受限平臺(tái)對(duì)空觀測(cè)時(shí)的實(shí)時(shí)計(jì)算需求。本發(fā)明屬于圖像處理中的星圖配準(zhǔn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、圖像配準(zhǔn)(image?registration)將不同時(shí)間、不同傳感器（成像設(shè)備）或不同條件下（天候、照度、攝像位置和角度等）獲取的兩幅或多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加的過(guò)程，它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于遙感數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理等領(lǐng)域。

2、配準(zhǔn)技術(shù)的流程如下：首先對(duì)兩幅圖像進(jìn)行特征提取得到特征點(diǎn)；通過(guò)進(jìn)行相似性度量找到匹配的特征點(diǎn)對(duì)；然后通過(guò)匹配的特征點(diǎn)對(duì)得到圖像空間坐標(biāo)變換參數(shù)；最后由坐標(biāo)變換參數(shù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。而特征提取是配準(zhǔn)技術(shù)中的關(guān)鍵，準(zhǔn)確的特征提取為特征匹配的成功進(jìn)行提供了保障。因此，尋求具有良好不變性和準(zhǔn)確性的特征提取方法，對(duì)于匹配精度至關(guān)重要。

3、星圖相比于常規(guī)圖像沒(méi)有紋理特征和特征點(diǎn)，通常采用星圖中提取的亮恒星進(jìn)行基于星組幾何結(jié)構(gòu)不變性原理的關(guān)聯(lián)配準(zhǔn)，該方案的配準(zhǔn)精度高，但需要存儲(chǔ)大量星點(diǎn)特征三角形，因此存儲(chǔ)成本極大，并且星組間匹配計(jì)算的計(jì)算效率不高，延遲較大。在密集恒星背景下該方法的存儲(chǔ)量呈指數(shù)式增加，對(duì)星載資源受限平臺(tái)而言是不可接受的。另一方面，采用傅里葉相位相關(guān)法也是一種用于星圖配準(zhǔn)的潛在方案。傅里葉變換相關(guān)法，又稱為相位相關(guān)法，是利用圖像的傅里葉頻譜及其變換進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別與配準(zhǔn)的方法。由于圖像的傅里葉頻譜及其變換包含圖像的平移、旋轉(zhuǎn)及尺度變換信息，傅里葉變換相關(guān)法可以在進(jìn)行圖像識(shí)別的同時(shí)給出圖像間的上述信息。傅里葉方法在圖像配準(zhǔn)、圖像識(shí)別、旋轉(zhuǎn)角度識(shí)別、視頻目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、圖像運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償、信標(biāo)跟蹤等方面得到廣泛應(yīng)用。

4、傅里葉相位相關(guān)法在計(jì)算兩幅圖像的平移參數(shù)時(shí)需要進(jìn)行兩次傅里葉變換，一次相關(guān)系數(shù)計(jì)算、一次的傅里葉反變換和搜索二維空間極大值，計(jì)算過(guò)程耗時(shí)巨大。其中快速傅里葉變換(fft)的復(fù)雜度隨像元點(diǎn)數(shù)增加，計(jì)算量迅速增加。具體到星圖識(shí)別，大視場(chǎng)星圖像元尺寸通常在4k4k，若直接采用上述算法，完成一次識(shí)別的時(shí)間約為4.4(s)(4096×4096?pixels，matlab2018，cpu?3.5ghz)，若在衛(wèi)星平臺(tái)10(hz)采樣率下遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)時(shí)處理的需求。

5、星圖中只有少數(shù)有星點(diǎn)的像元能提供有效信息，大部分是無(wú)用的背景信號(hào)。在原始圖像上采用基于所有像素點(diǎn)的快速傅里葉變換(fft)存在大量與零相乘的無(wú)效計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、考慮到星圖已經(jīng)通過(guò)二值化和連通域提取，很容易獲得每顆恒星的具體質(zhì)心坐標(biāo)，那么只涉及恒星坐標(biāo)點(diǎn)的傅里葉變換替換所有像素的變換可以顯著減少計(jì)算量。因此，本發(fā)明提供一種只涉及星點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的半解析離散傅里葉表達(dá)式，舍去了大量無(wú)效像素參與，并且通過(guò)下采樣粗定位和二次精細(xì)定位，計(jì)算成本進(jìn)一步減少，適合于資源受限平臺(tái)的應(yīng)用。本發(fā)明提供一套基于星點(diǎn)坐標(biāo)的解析傅里葉快速變換，滿足實(shí)時(shí)計(jì)算和亞像素定位精度的需求，其主要方案包括：星圖傅里葉相位相關(guān)函數(shù)的實(shí)部與虛部的快速解析計(jì)算方案，相位相關(guān)函數(shù)的傅里葉反變換快速計(jì)算方案，以及配準(zhǔn)量的快速搜索策略。

2、本發(fā)明的目的在于：針對(duì)星載嵌入式平臺(tái)計(jì)算資源受限的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法。該方法具有存儲(chǔ)量小，不需要復(fù)數(shù)參與運(yùn)算的特點(diǎn)，非常適合于資源受限平臺(tái)的實(shí)時(shí)星圖配準(zhǔn)需求。

3、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

4、一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，包括如下步驟：

5、步驟1：讀入?yún)⒖紙D像和待配準(zhǔn)目標(biāo)圖像，并進(jìn)行包括去噪、提取候選星點(diǎn)在內(nèi)的圖像預(yù)處理步驟，得到星點(diǎn)坐標(biāo)；

6、步驟2：采用解析傅里葉變化算法，進(jìn)行星點(diǎn)坐標(biāo)變換，將星點(diǎn)坐標(biāo)帶入計(jì)算，獲得傅里葉域的相位相關(guān)函數(shù)；

7、步驟3：對(duì)相位相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉反變換，獲得空間域相關(guān)函數(shù)；

8、步驟4：搜索空間域相位相關(guān)函數(shù)的第一峰值坐標(biāo)，即最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(a，b)；

9、步驟5：將第一峰值坐標(biāo)(a,b)作為圖像平移配準(zhǔn)量，進(jìn)行圖形平移計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)星圖的快速配準(zhǔn)。

10、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

11、本發(fā)明的一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，針對(duì)高動(dòng)態(tài)星圖恒星移動(dòng)速度大，恒星密集場(chǎng)景下常規(guī)基于子圖構(gòu)造配準(zhǔn)方法存在計(jì)算量，存量大，無(wú)法滿足星載平臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算需要的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于半解析傅里葉相位相關(guān)快速配準(zhǔn)方法，該方法極大的加快了高動(dòng)態(tài)星圖配置速度，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，配準(zhǔn)精度達(dá)到亞像素級(jí)，滿足星載平臺(tái)的實(shí)時(shí)性與高精度要求。

技術(shù)特征：

1.一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，其特征在于：所述步驟1包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，其特征在于：所述步驟2包括如下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，其特征在于：所述步驟3包括如下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，其特征在于：所述步驟4包括如下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，其特征在于：所述步驟5包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于星點(diǎn)坐標(biāo)半解析傅里葉變換的星圖配準(zhǔn)方法，屬于圖像處理領(lǐng)域中的星圖配準(zhǔn)問(wèn)題。本發(fā)明的星點(diǎn)坐標(biāo)變換法相比于傳統(tǒng)圖像處理中的傅里葉域相位相關(guān)法具有計(jì)算復(fù)雜度低，計(jì)算量小、精度高(亞像素)的特點(diǎn)。針對(duì)星載嵌入式平臺(tái)計(jì)算資源受限的問(wèn)題，本發(fā)明提供的算法存儲(chǔ)量小，不需要復(fù)數(shù)參與運(yùn)算，適合于資源受限平臺(tái)的實(shí)時(shí)計(jì)算需求。本發(fā)明提供一套基于星點(diǎn)坐標(biāo)的半解析傅里葉快速變換，滿足實(shí)時(shí)計(jì)算和亞像素定位精度，其主要方案包括：星圖傅里葉相位相關(guān)函數(shù)的實(shí)部與虛部的快速計(jì)算方案，相位相關(guān)函數(shù)的傅里葉反變換快速計(jì)算方案，以及配準(zhǔn)量的快速搜索策略。

技術(shù)研發(fā)人員：雷濤,陳桂廷,崔毅,張蕓菁,蔣平,姜呂紀(jì)元
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/17