星點(diǎn)圖像的目標(biāo)提取算法研究

原玉磊，席 靚，張文郎

（1.信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，鄭州 450052；2.海軍航空工程學(xué)院 科研部，山東 煙臺(tái) 264001；3.國(guó)家測(cè)繪局第四地形測(cè)量隊(duì)，哈爾濱 255020）

在星敏感器獲取的CCD 星空?qǐng)D像處理中，快速準(zhǔn)確提取星點(diǎn)目標(biāo)是進(jìn)行星點(diǎn)中心亞像素細(xì)分及星圖匹配的前提。從圖像中提取目標(biāo)的一般方法是基于掃描的邊界搜索法，但邊界搜索法只能獲取目標(biāo)的邊界像素。對(duì)于灰度重心法、曲面擬合法等提取星點(diǎn)目標(biāo)的亞像素中心算法來(lái)說(shuō)，還需要提取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)像素。一般的思路是邊界搜索后，采用連通域判別法進(jìn)行圖像標(biāo)記，但是這種標(biāo)記法計(jì)算量比較大，對(duì)于凸區(qū)域的目標(biāo)，本文提出了通過(guò)判斷邊界像素最大最小行列數(shù)來(lái)確定目標(biāo)的區(qū)域。針對(duì)大視場(chǎng)星點(diǎn)圖像目標(biāo)范圍小、目標(biāo)間距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，為進(jìn)一步減小計(jì)算量，提出了基于視框范圍的搜索法。

1 基于邊界搜索的目標(biāo)提取算法

1.1 單個(gè)目標(biāo)的邊界搜索算法

邊界搜索算法是在根據(jù)目標(biāo)提取閾值搜索到圖像中第一個(gè)屬于目標(biāo)的像素點(diǎn)之后，若該像素點(diǎn)屬于目標(biāo)的邊界點(diǎn)，繼續(xù)搜索該像素點(diǎn)的鄰近像素，以期找到下一個(gè)目標(biāo)邊緣點(diǎn)，直到與第一個(gè)目標(biāo)邊界點(diǎn)重合，從而完全找出目標(biāo)的邊界。

為了便于提取邊界，對(duì)數(shù)字圖像像素間相互關(guān)系作如下分析。如圖1所示，中間的黑色像素為目標(biāo)像素，其周?chē)c其有公共邊界和共享頂點(diǎn)的像素共有8個(gè)，為8鄰點(diǎn)像素。為便于分析，對(duì)這8個(gè)8鄰點(diǎn)像素進(jìn)行編號(hào)，黑色像素左上方的像素為1號(hào)8鄰點(diǎn)，左側(cè)像素為2號(hào)8鄰點(diǎn)，依此類(lèi)推，以逆時(shí)針的順序分別對(duì)8個(gè)8鄰點(diǎn)像素進(jìn)行編號(hào)。

圖1 像素8鄰點(diǎn)位置關(guān)系

找到目標(biāo)區(qū)域的第一個(gè)像素之后（此像素為邊界點(diǎn)），分別對(duì)其8個(gè)8鄰點(diǎn)像素按照編號(hào)進(jìn)行判斷，找出第一個(gè)屬于該星體區(qū)域的8鄰點(diǎn)像素，以該像素作為新的邊界點(diǎn)，對(duì)其8鄰點(diǎn)像素進(jìn)行判斷，從而找出新的邊界點(diǎn)，直到與第一個(gè)邊界點(diǎn)重合為止。具體實(shí)現(xiàn)算法如下：

1）按照從左到右、從上到下的順序搜索圖像，對(duì)每一個(gè)像素進(jìn)行判斷，找出第一個(gè)屬于星體區(qū)域S的像素點(diǎn) s (k)=(x (k),y (k))，k=0；

2）用c表示當(dāng)前邊界上被跟蹤的像素點(diǎn)。置c=s (k)，記c左8鄰點(diǎn)為b，b ? S；

3）按逆時(shí)針順序記從b 開(kāi)始的c的8個(gè)8鄰點(diǎn)像素分別記為n1,n2,…,n8，k=k+1；

4）從b 開(kāi)始，按逆時(shí)針順序找到第一個(gè) ni∈ S；

5）置 c=s (k)=ni，b=ni?1；

6）重復(fù)步驟3）、4）、5），直到s (k)=s(0)為止。

圖2所示為圖中黑色區(qū)域邊界提取的順序。

圖2 邊界提取順序

1.2 目標(biāo)區(qū)域提取算法

目標(biāo)邊緣像素其實(shí)就是目標(biāo)區(qū)域的邊界。因此，在已知目標(biāo)邊緣像素的條件下，要獲取目標(biāo)的確切區(qū)域，可以采用如下思想：根據(jù)邊緣像素坐標(biāo)，判斷出目標(biāo)區(qū)域的最大行數(shù)和最小行數(shù)，然后判斷目標(biāo)區(qū)域中的每一行中目標(biāo)區(qū)域的最大列數(shù)和最小列數(shù)，從而確定具體的目標(biāo)區(qū)域。

判斷目標(biāo)區(qū)域的最大最小行數(shù)的算法流程圖如圖3所示。

圖3 判斷目標(biāo)區(qū)域最大最小行數(shù)的流程圖

圖3中，max為區(qū)域的最大行數(shù)；min為區(qū)域的最小行數(shù)；lin為圖像的行數(shù)；G (i,j)為邊緣像素，像素坐標(biāo)為i行、j列。程序結(jié)束后的max和min值即為目標(biāo)區(qū)域的最大行數(shù)和最小行數(shù)。

判斷區(qū)域每一行的最大列數(shù)和最小列數(shù)的算法流程圖如圖4所示：

圖4 判斷目標(biāo)區(qū)域每一行的最大最小列數(shù)流程圖

圖4中，Maxli為目標(biāo)區(qū)域第i行的最大列數(shù)，Minli為目標(biāo)區(qū)域第i行的最小列數(shù)，i=Min,Min+1,…,Max；G (i,j)為邊緣像素，像素坐標(biāo)為i行、j列。

判斷出目標(biāo)區(qū)域的最大行數(shù)和最小行數(shù)以及每一行的最大列數(shù)和最小列數(shù)后，就確定了目標(biāo)的具體區(qū)域，可以提取出目標(biāo)區(qū)域中的每一個(gè)像素進(jìn)行后續(xù)處理。

1.3 多個(gè)目標(biāo)的區(qū)域提取算法

上述算法是針對(duì)整幅圖像中只有一個(gè)目標(biāo)的情況，而如果圖像中有多個(gè)目標(biāo)，則僅使用上述算法無(wú)法區(qū)分不同的目標(biāo)。一種可行的方法是在搜索到一個(gè)目標(biāo)后，將該目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有像素都設(shè)置低于提取閾值的灰度值，然后再進(jìn)行全圖搜索下一個(gè)目標(biāo)。由于前一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)像素灰度值經(jīng)過(guò)重新賦值都低于提取閾值，就不會(huì)影響下一個(gè)目標(biāo)的搜索。

按照1.1 介紹的邊緣搜索算法提取出一個(gè)目標(biāo)后，再按照1.2 介紹的區(qū)域提取算法確定目標(biāo)的區(qū)域，提取出目標(biāo)區(qū)域中的每一個(gè)像素，將其灰度值賦一個(gè)比提取閾值小的值，這樣就可以避免下次搜索時(shí)再對(duì)該目標(biāo)計(jì)算。然后再對(duì)圖像進(jìn)行邊界搜索，以提取下一個(gè)目標(biāo)的邊界。

2 基于視框搜索的目標(biāo)提取算法

而如1.2 中所述的目標(biāo)區(qū)域提取算法，需要對(duì)目標(biāo)的每一個(gè)邊緣像素進(jìn)行多次的判斷，計(jì)算量非常大，耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法滿足圖像處理的實(shí)時(shí)性要求。為了減小計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)提取和處理，本文針對(duì)星點(diǎn)圖像的特點(diǎn)，提出了可用于星點(diǎn)圖像目標(biāo)提取的視框搜索算法。

圖5為實(shí)際拍攝的星空?qǐng)D像。圖中的星點(diǎn)目標(biāo)所占的區(qū)域都非常小，而且不同目標(biāo)之間的距離相對(duì)比較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)大于目標(biāo)的大小。因此可構(gòu)造一個(gè)視框，通過(guò)在圖像中移動(dòng)視框來(lái)搜索目標(biāo)。這樣對(duì)像素的判斷處理只在視框內(nèi)進(jìn)行，縮小了判斷范圍，減小了計(jì)算量。該視框要能夠?qū)⒄麄€(gè)星點(diǎn)目標(biāo)包含進(jìn)來(lái)，而且只能包含一個(gè)目標(biāo)，如果有其他目標(biāo)的像素進(jìn)到視框中，必然對(duì)主要目標(biāo)的提取產(chǎn)生影響。

圖5 實(shí)際拍攝的星空?qǐng)D像

2.1 單個(gè)目標(biāo)的視框搜索算法

與邊界搜索算法不同，當(dāng)在圖像中搜索到第一個(gè)屬于目標(biāo)區(qū)域的像素點(diǎn)（該像素點(diǎn)必然是目標(biāo)區(qū)域的邊界點(diǎn)）之后，不是按照8 鄰域逐一搜索法搜索緊鄰的下一個(gè)邊界點(diǎn)，而是以該像素點(diǎn)為中心，構(gòu)造一個(gè)視框，然后對(duì)該視框內(nèi)的每一個(gè)像素判斷其灰度值是否屬于目標(biāo)區(qū)域，如果是，就直接將其提取出來(lái)。

如圖6所示，當(dāng)在圖像中搜索到第一個(gè)屬于目標(biāo)區(qū)域的像素點(diǎn)1點(diǎn)之后，以1點(diǎn)為中心構(gòu)造虛線所示的視框，該視框可以將整個(gè)目標(biāo)區(qū)域包含于其中，然后對(duì)視框內(nèi)部的像素進(jìn)行判斷。

圖6 視框搜索算法原理

2.2 多個(gè)目標(biāo)的視框搜索算法

對(duì)于圖像中多個(gè)目標(biāo)的視框搜索算法，可以采用1.3 所述的思路，即提取出一個(gè)目標(biāo)后，將該目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有像素灰度賦一個(gè)低于目標(biāo)提取閾值的值，這樣在下一次全圖搜索下一個(gè)目標(biāo)時(shí)，就會(huì)將該目標(biāo)忽略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)目標(biāo)的正確提取。

由于當(dāng)前搜索的目標(biāo)其區(qū)域完全在構(gòu)造的視框內(nèi)，因此只需對(duì)視框內(nèi)的所有像素灰度置一個(gè)低于目標(biāo)提取閾值的值就可以了，不需要再使用1.2 所述的目標(biāo)具體區(qū)域確定算法，因而計(jì)算量大為減小。

2.3 視框大小的確定

對(duì)于基于視框搜索的目標(biāo)區(qū)域提取算法來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是確定視框的大小。需構(gòu)造視框的大小一旦確定，就可以使用該視框迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)全圖的搜索。

視框大小的確定有兩個(gè)原則：

1）足夠大，要能將全圖中最大的目標(biāo)包含在內(nèi)，否則對(duì)大目標(biāo)的所有區(qū)域無(wú)法正確提??；

2）不能太大，不能大于全圖中距離最近的兩個(gè)目標(biāo)的中間矩形區(qū)域，不然將對(duì)近距離目標(biāo)區(qū)域的提取帶來(lái)粗差。

因此視框的大小應(yīng)根據(jù)不同的星圖來(lái)確定。

對(duì)于一般星光條件下拍攝的星圖，星點(diǎn)圖像均近似圓形或橢圓形，星點(diǎn)圖像所占一般不超過(guò)50個(gè)像素，而星點(diǎn)間的距離都在10個(gè)像素以上，因此采用10×10像素的視框即可正確提取目標(biāo)。

3 運(yùn)算時(shí)間分析

為了比較基于邊界搜索的目標(biāo)區(qū)域提取算法與基于視框的目標(biāo)區(qū)域提取算法的計(jì)算量，本文對(duì)不同個(gè)數(shù)的星點(diǎn)圖像，分別使用基于邊界搜索的算法和基于視框搜索的算法提取該星點(diǎn)的區(qū)域，并計(jì)算出區(qū)域提取程序的運(yùn)行時(shí)間，如圖7所示。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，基于邊界搜索的目標(biāo)提取算法和基于視框的搜索算法在沒(méi)有目標(biāo)的情況下對(duì)全圖的搜索時(shí)間近似相同，分別為0.134 73 s和0.134 41 s。而計(jì)算平均一個(gè)目標(biāo)的搜索時(shí)間，基于邊界搜索的目標(biāo)提取算法為0.123 137 s，而基于視框搜索的目標(biāo)提取算法為0.031 132 s（采用大小為10×10像素的視框）。由此可見(jiàn)，基于視框搜索的目標(biāo)提取算法在星點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域提取的計(jì)算量上比基于邊界搜索的目標(biāo)提取算法減少了3/4。

圖7 不同目標(biāo)個(gè)數(shù)圖像兩種算法的計(jì)算時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為實(shí)現(xiàn)星點(diǎn)圖像中星點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域像素的提取，提出了兩種目標(biāo)區(qū)域提取算法。第一種是對(duì)邊界搜索算法的擴(kuò)展，在搜索出目標(biāo)的邊界之后，根據(jù)目標(biāo)邊界像素的坐標(biāo)確定出目標(biāo)區(qū)域的具體位置，從而提取目標(biāo)區(qū)域像素；第二種專(zhuān)門(mén)針對(duì)星點(diǎn)圖像的目標(biāo)提取，根據(jù)星點(diǎn)圖像目標(biāo)范圍小、目標(biāo)間距離大的特點(diǎn)，提出了基于視框搜索的目標(biāo)提取算法?；谶吔缢阉鞯哪繕?biāo)區(qū)域提取算法可應(yīng)用于一般圖像的目標(biāo)區(qū)域提取，但計(jì)算量要比基于視框搜索的目標(biāo)提取算法大。而基于視框的算法計(jì)算量小，但是只適合于類(lèi)似星點(diǎn)圖像的目標(biāo)區(qū)域提取。

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