[科普中国]-天文图像处理-

图像处理

一幅数字化图像在数学上等效为一个矩阵。图像处理的很多方法就是建立在这个基础上的。图像处理的方法很多,有很多的分类方法,比如按照处理方式可以分为线性化和非线性化方法按照处理目的可以分为图像增强、图像恢复、图像分割、图像压缩以及图像理解等等按照处理图像的帧数可以分为单帧图像处理和图像序列处理方法。

天文图像处理天文图像处理就是应用图像处理技术在天文领域展开的研究，目前，国内外很多天文台已经建立起了各种基于CCD技术的天文图像采集与处理系统。不过它们的图像处理过程一般都是将CCD采集到的天文图像通过特定的数据接口（如USB等）下传到普通的计算机或专用的图像处理板上进行处理，也有学者研究了基于DSP的嵌入式天文图像处理系统。该技术是是空间目标光电探测的主要手段之一。

天文图像处理技术图像增强获取的图像往往与真实的图像有某种程度的差别。造成这种差别可能是因为信号变弱、噪声干扰,或者由于系统本身固有的缺陷。运用图像增强技术可以减少甚至消除这种差别。比如通过平滑滤波可以减少噪声的影响,微分运算可以突出图像变化的细节等等。

平滑既可以在时域进行,也可在频域进行,其中时域上的平滑方法主要是局部平均法和中值滤波法,频域滤波的运算量较大,为了达到实时处理的目的,可以采用了局部平均法。

局部平均法是一种空间域的处理方法。图像可以认为由许多灰度恒定的小块组成,相邻的象素之间有很高的相关性,而噪声是统计独立的。因此可以使用与某个象素相邻的各个象素的灰度平均值来代替该象素原来的灰度值,实现图像的平滑。

图像恢复通俗的说,图像增强是为了看得更清楚,而图像恢复是为了使图像看起来更像真实的。图像在形成、传输、记录过程中都会有一定程度的退化,典型的表现有图像模糊、失真等。引起退化的原因有很多,性质也不完全相同,因此图像恢复还没有统一的方法,只能够根据实际情况采用相应的退化模型和估计准则。

图像分割在图像增强和图像恢复技术中,期望输出是输入图像的改善,即是根据需要在输入图像的基础上加强某一部分信息,使其更接近原始图像。图像处理的另外一个分支是图像描述和图像分析。图像分割是介于图像预处理和图像分析之间的一个阶段,它把图像分成若干个区域,每块区域中的象素具有某种相似性,比如把亮度相近的相邻元素归于一个区域,不同区域的平均亮度有较大的区别。这样,一个区域可能是一个物体,也可能是这物体的局部。经过分割后的图像,可以为后续的图像分析提供重要的目标形状和尺寸信息。

图像分割的基本原则是使区域内所考虑的特征或者属性是相同的或相似的,并且这些特征或属性在不同的区域中存在差异。图像分割问题可以看作是问题。

图像分割的方法很多,有基于象素的分割、基于区域的分割等。其中闭值化分割是区域分割中最简单、最快速的一种。

天文图像目标提取目标提取就是在对图像进行背景估计和对消的基础上,采用闲值化分割的方法提取出亮度值大于某一门限的所有区域,并根据一定的准则去除虚假的目标。目标提取的方法有多种,常用的有两种一种是逐列扫描法,一种是逐点比较法。

逐列扫描法该算法对图像数据进行按列扫描,把消去背景的图像与一个门限。是背景消去后剩余图像的标准差比较,记录下数值大于门限的数据段的起点、终点以及当前的列数。在一幅图像扫描结束之后,就得到一条条线段的信息,然后通过寻找连通域的方法就可以判定哪些线段属于同一物体,得到各个目标的外切矩形。

逐点比较法该算法包括两步,第一步是逐点扫描图像,找到本地亮度最大值,第二步是目标判定。

在扫描过程中,把以当前象素为中心的一个的窗口内的所有象素的均值作为该象素的值并与门限拓是背景估计比较,当找到一个超过门限的点就将该点作为本地最大值,接下来从该点出发,以天空背景为参照寻找方向和方向的边界。在窗口中用一定准则来判断目标是否被接受。1

系统总体结构基于CCD的天文图像采集与处理系统一般由CCD传感器、图像采集系统和图像处理系统组成。

以CCD天文图像处理系统为例，由于的数据采集卡是基于PCI总线的,所以首先是通过一片PCI-CPCI一转换板来实现采集卡和工控机之间的连接。

图像处理系统数据的实时处理主要是通过一块扩展的信号处理板来实现的。信号处理板通过CPCI插槽内嵌于工控机,工控机和信号处理板各司其职。

由于本底图像和平场图像可以事先计算好,因此这部分工作由工控机上的软件来完成,并通过CPCI总线以DMA方式发送到信号处理板,保存到五上的大容量SDRAM中,这样可以减少计算平场和本底给硬件带来的负担。

CCD传感器与图像采集系统其中前端的 CCD 传感器和图像采集系统共同组成 CCD 相机，图像采集系统和图像处理系统之间通过高速数据总线互连。设计的基于 DSP 的嵌入式CCD天文图像处理系统则可以与CCD传感器和图像采集系统集成到一起组成具有图像处理能力的CCD 相机。2

系统进入工作状态以后,CCD相机输出的模拟数据经过一个图像采集卡进行数字化以后,写到工控机的一段内存中,这时工控机上的软件对原始数据进行存盘,同时将数据通过CPCI总线以DMA方式发送到信号处理板。FPGA对发过来的数据进行减本底和除平场的操作并将结果写入到输入端DPRAM中,根据不同的工作模式对输入端中的数据进行相应的处理,并把处理结果写到输出端中,接下来主机通过CPCI总线以DMA方式读出处理结果果，并根据不同的工作模式对传回的洁果进行处理和显示。