一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法

本发明属于图像配准，尤其涉及一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，该方法可以显著提高常规高动态星敏感器大视场星图之间配准所需的耗时和计算成本，保证星载资源受限平台对空观测时的实时计算需求。本发明属于图像处理中的星图配准领域。

背景技术：

1、图像配准(image registration)将不同时间、不同传感器（成像设备）或不同条件下（天候、照度、摄像位置和角度等）获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程，它已经被广泛地应用于遥感数据分析、计算机视觉、图像处理等领域。

2、配准技术的流程如下：首先对两幅图像进行特征提取得到特征点；通过进行相似性度量找到匹配的特征点对；然后通过匹配的特征点对得到图像空间坐标变换参数；最后由坐标变换参数进行图像配准。而特征提取是配准技术中的关键，准确的特征提取为特征匹配的成功进行提供了保障。因此，寻求具有良好不变性和准确性的特征提取方法，对于匹配精度至关重要。

3、星图相比于常规图像没有纹理特征和特征点，通常采用星图中提取的亮恒星进行基于星组几何结构不变性原理的关联配准，该方案的配准精度高，但需要存储大量星点特征三角形，因此存储成本极大，并且星组间匹配计算的计算效率不高，延迟较大。在密集恒星背景下该方法的存储量呈指数式增加，对星载资源受限平台而言是不可接受的。另一方面，采用傅里叶相位相关法也是一种用于星图配准的潜在方案。傅里叶变换相关法，又称为相位相关法，是利用图像的傅里叶频谱及其变换进行相关运算实现图像识别与配准的方法。由于图像的傅里叶频谱及其变换包含图像的平移、旋转及尺度变换信息，傅里叶变换相关法可以在进行图像识别的同时给出图像间的上述信息。傅里叶方法在图像配准、图像识别、旋转角度识别、视频目标检测与跟踪、图像运动估计与补偿、信标跟踪等方面得到广泛应用。

4、傅里叶相位相关法在计算两幅图像的平移参数时需要进行两次傅里叶变换，一次相关系数计算、一次的傅里叶反变换和搜索二维空间极大值，计算过程耗时巨大。其中快速傅里叶变换(fft)的复杂度随像元点数增加，计算量迅速增加。具体到星图识别，大视场星图像元尺寸通常在4k4k，若直接采用上述算法，完成一次识别的时间约为4.4(s)(4096×4096 pixels，matlab2018，cpu 3.5ghz)，若在卫星平台10(hz)采样率下远远满足不了实时处理的需求。

5、星图中只有少数有星点的像元能提供有效信息，大部分是无用的背景信号。在原始图像上采用基于所有像素点的快速傅里叶变换(fft)存在大量与零相乘的无效计算。

技术实现思路

1、考虑到星图已经通过二值化和连通域提取，很容易获得每颗恒星的具体质心坐标，那么只涉及恒星坐标点的傅里叶变换替换所有像素的变换可以显著减少计算量。因此，本发明提供一种只涉及星点坐标计算的半解析离散傅里叶表达式，舍去了大量无效像素参与，并且通过下采样粗定位和二次精细定位，计算成本进一步减少，适合于资源受限平台的应用。本发明提供一套基于星点坐标的解析傅里叶快速变换，满足实时计算和亚像素定位精度的需求，其主要方案包括：星图傅里叶相位相关函数的实部与虚部的快速解析计算方案，相位相关函数的傅里叶反变换快速计算方案，以及配准量的快速搜索策略。

2、本发明的目的在于：针对星载嵌入式平台计算资源受限的问题，本发明提供一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法。该方法具有存储量小，不需要复数参与运算的特点，非常适合于资源受限平台的实时星图配准需求。

3、本发明采用的技术方案如下：

4、一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，包括如下步骤：

5、步骤1：读入参考图像和待配准目标图像，并进行包括去噪、提取候选星点在内的图像预处理步骤，得到星点坐标；

6、步骤2：采用解析傅里叶变化算法，进行星点坐标变换，将星点坐标带入计算，获得傅里叶域的相位相关函数；

7、步骤3：对相位相关函数进行傅里叶反变换，获得空间域相关函数；

8、步骤4：搜索空间域相位相关函数的第一峰值坐标，即最大值对应的坐标(a，b)；

9、步骤5：将第一峰值坐标(a,b)作为图像平移配准量，进行图形平移计算，从而实现星图的快速配准。

10、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

11、本发明的一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，针对高动态星图恒星移动速度大，恒星密集场景下常规基于子图构造配准方法存在计算量，存量大，无法满足星载平台实时计算需要的问题，本发明提供一种基于半解析傅里叶相位相关快速配准方法，该方法极大的加快了高动态星图配置速度，并且数据存储量小，配准精度达到亚像素级，满足星载平台的实时性与高精度要求。

技术特征：

1.一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，其特征在于：所述步骤4包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，其特征在于：所述步骤5包括如下步骤：

技术总结本发明提供一种基于星点坐标半解析傅里叶变换的星图配准方法，属于图像处理领域中的星图配准问题。本发明的星点坐标变换法相比于传统图像处理中的傅里叶域相位相关法具有计算复杂度低，计算量小、精度高(亚像素)的特点。针对星载嵌入式平台计算资源受限的问题，本发明提供的算法存储量小，不需要复数参与运算，适合于资源受限平台的实时计算需求。本发明提供一套基于星点坐标的半解析傅里叶快速变换，满足实时计算和亚像素定位精度，其主要方案包括：星图傅里叶相位相关函数的实部与虚部的快速计算方案，相位相关函数的傅里叶反变换快速计算方案，以及配准量的快速搜索策略。技术研发人员：雷涛,陈桂廷,崔毅,张芸菁,蒋平,姜吕纪元受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/17