基于WCS的FITS圖像天球定位及通用可視化研究

1、基于WCS的FITS圖像天球定位及通用可視化研究論文結(jié)構(gòu)第1章 緒 論第2章 天文圖像識(shí)別匹配相關(guān)算法研究第3章 基于WCS的天球定位分析及實(shí)現(xiàn)第4章 FITS圖像格式轉(zhuǎn)換及AVM可視化研究第5章 FITS圖像定位識(shí)別及可視化系統(tǒng)的研制第1章 緒 論第1章 研究背景及意義受CCD傳感器硬件和觀測(cè)環(huán)境的限制，噪聲污染對(duì)天文圖像識(shí)別匹配的精度影響很大，對(duì)相關(guān)算法的研究及改進(jìn)很有必要WCS是計(jì)算FITS圖像文件頭中與坐標(biāo)信息相關(guān)參數(shù)的核心方法，精度保障AVM標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)，滿足了天文圖像在通用可視化平臺(tái)下的編輯、查閱、分析。對(duì)研究及科普意義非凡第1章 研究背景及意義PinpointWCSDS9AAd

2、obe XMP PanelsAVM Tookit第1章 研究背景及意義FITS圖像天球定位及可視化相關(guān)軟件的互操作流程第1章 研究背景及意義帶有WCS元數(shù)據(jù)的PNG圖像在WWT中的效果圖第1章 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀天球定位識(shí)別算法亞像素定心算法：Stone對(duì)多種定心算法比較得出修正矩法均衡性最好，季凱帆得出二維高斯擬合法定心精度最高星圖識(shí)別算法：最早由Groth提出的三角形識(shí)別法，針對(duì)識(shí)別冗余，改進(jìn)的三角形算法越來越多坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法1975年提出的常數(shù)法；2002年由E.W.Greisen和M.R.Calabretta提出的WCS算法通用可視化算法灰度壓縮法：線性變換、對(duì)數(shù)變換、及改進(jìn)的一些線性壓縮

3、法AVM作為VAMP的一項(xiàng)核心技術(shù)，由IVOA2016年據(jù)現(xiàn)有的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)第1章 本課題研究?jī)?nèi)容本文以設(shè)計(jì)開發(fā)基于WCS的FITS圖像天球定位及可視化系統(tǒng)為目標(biāo)，通過分析圖像匹配識(shí)別、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、通用可視化相關(guān)算法，在保障系統(tǒng)運(yùn)行效率及定位精度為前提，實(shí)現(xiàn)了FITS圖像定位及可視化流程的自主性。主要內(nèi)容包括： 觀測(cè)圖像的預(yù)處理、圖像分割、星體亞像素定位及匹配識(shí)別各算法的研究及實(shí)現(xiàn)，并測(cè)試了各算法的可行性。 WCS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法的分析及實(shí)現(xiàn) FITS圖像灰度壓縮算法、格式轉(zhuǎn)換、AVM技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn) 基于WCS的FITS圖像天球定位及可視化系統(tǒng)的研制第2章天文圖像識(shí)別匹配相關(guān)算法研究第2章 圖

4、像預(yù)處理對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)行預(yù)處理的目的，就是在不損失圖像細(xì)節(jié)、不丟失圖像精度的前提下，盡可能消除各種噪聲和干擾，并對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，以提高信噪比，獲取高質(zhì)量的圖像。測(cè)試圖像第2章 平場(chǎng)校正暗場(chǎng)校正前 通過對(duì)觀測(cè)圖像中的噪聲進(jìn)行分析，暗電流噪聲占主導(dǎo)地位。從每個(gè)像素單元中減去對(duì)應(yīng)的暗電流值，可以有效地減少暗電流對(duì)輸出圖像的影響。暗場(chǎng)校正后第2章 圖像濾波平場(chǎng)校正前由于光照不均勻、鏡片中心和鏡片邊緣的響應(yīng)不一致、成像器件各像元響應(yīng)不一致以及固定的圖像背景噪聲等等原因造成的圖像中像素值的較大差異，還需要對(duì)圖像進(jìn)行平場(chǎng)校正。平場(chǎng)校正后第2章 圖像濾波二維高斯濾波前暗場(chǎng)及平場(chǎng)校正雖然可以有效降低暗電流影響

5、，較好的消除圖像中各像元響應(yīng)的不一致性，但并不能完全去除暗電流。二維高斯濾波后第2章 圖像分割基于灰度的自適應(yīng)閾值分割法來提取星體像素測(cè)試圖像的灰度直方圖第2章 圖像分割 4連通區(qū)域標(biāo)記得到分割閾值T之后，任何滿足f(x，y)T的點(diǎn)(x， y)為目標(biāo)點(diǎn)，其它點(diǎn)則為背景點(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。圖像的二值化實(shí)現(xiàn)了星體像素和背景像素的分割，不同星體的識(shí)別可采用4連通域標(biāo)記方法來實(shí)現(xiàn)。星體子圖第2章 星體亞像素定位通過以上兩個(gè)算法的結(jié)合，能夠在保證定心精度的前提下，提高計(jì)算效率。第2章 星體亞像素定位完成圖像分割后的測(cè)試圖像提取的亞像素坐標(biāo)數(shù)據(jù)第2章 星體亞像素定位亞像素坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比二維修正矩法SE

6、xtractor編號(hào)x坐標(biāo)y坐標(biāo)x坐標(biāo)y坐標(biāo)1660.827660.970660.784660.9962736.871763.415736.857763.4573959.807978.055959.809978.1144283.513620.041283.496620.0945528.74333.235528.73033.2546209.344861.158209.324861.2087947.731475.562947.733475.568830.036921.54930.135921.5309899.576395.942899.564395.91810817.051653.238817.0

7、16653.28111588.718526.393588.697526.38812229.513196.166229.613196.0721318.433666.44318.391666.45314606.881772.907606.844772.87915985.995507.088985.976507.09316866.456236.266866.414236.193第2章 FITS圖像識(shí)別與參考星表選定常用星表的基本特性星表編號(hào)星表名稱編者/出版年代星表歷元總星數(shù)星表精度度/arcsec分布密度star/sep.degI/149FK5Fricke/1988J2000.015350.020

8、.037I/131ASAOSAOStaff/1995J2000.02589771.06.267I/271CSC2.2Stscl/2001J2000.04558512370.31031.060I/239HipparcosESA/1997J2000.01182180.00082.861I/259Tychor2Hog/2000J2000.025399130.00761.463圖像識(shí)別原理圖由于受“歲差”、“章動(dòng)”、“自行”等因素的影響，恒星的視位置和平位置有較大差別，需要先對(duì)基本星表進(jìn)行修正第2章 三角形匹配算法分析實(shí)現(xiàn)星表三角形觀測(cè)三角形第2章 三角形匹配算法分析實(shí)現(xiàn)圖像匹配到的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)圖像匹配到

9、的目標(biāo)星體第3章 基于WCS的天球定位系統(tǒng)研究第3章 WCS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的算法分析1/2三維模型1/36三維模型 目前FITS圖像文件頭中，用于像素坐標(biāo)向天球坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算的關(guān)鍵字分別為: CRPIXj、CRVALi、CTYPEi、CDELTi、PCi_j、CROTAj、CDi_j。變量含義WCS關(guān)鍵字i世界坐標(biāo)的索引變量j像素坐標(biāo)的索引變量像素坐標(biāo)參考像素坐標(biāo)CRPIXj線性轉(zhuǎn)換矩陣CDi_j或PCi_j坐標(biāo)系數(shù)CDELTi過渡性質(zhì)的世界坐標(biāo)系(x，y)投影平面坐標(biāo)本地天球（native celestial）坐標(biāo)系下的赤經(jīng)赤緯實(shí)際天球坐標(biāo)系下的赤經(jīng)赤緯參考點(diǎn)在本地天球坐標(biāo)系的赤經(jīng)赤緯PVi_1

10、,PVi_2參考點(diǎn)在實(shí)際天球坐標(biāo)系的赤經(jīng)赤緯CRVALi天球極點(diǎn)再本地天球坐標(biāo)系的赤經(jīng)赤緯LONPOLE,LATPOLE本地天球極點(diǎn)在實(shí)際天球坐標(biāo)系的赤經(jīng)赤緯第3章 WCS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的算法分析WCS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程第3章像素平面坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換像素平面坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系第3章像素平面坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換世界坐標(biāo)與天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換關(guān)系TAN投影TAN投影平面第3章像素平面坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換本文WCS坐標(biāo)參數(shù)求取結(jié)果A 對(duì)WCS參數(shù)求取結(jié)果第4章 FITS圖像格式轉(zhuǎn)換及AVM可視化研究第4章 FITS格式轉(zhuǎn)換分析在javax的imageio類中有對(duì)PNG的讀寫操作，而對(duì)于JP

11、EG，涉及到了壓縮方式，本文定義了writeJPEG(Image img,float qual,boolean RGB,OutputStream os)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行寫操作。PNG格式圖像（照片查看器） FITS圖像格式（專業(yè)天文軟件ALADIN） 第4章基于AVM標(biāo)準(zhǔn)的PNG（JPEG）圖像的WCS信息添加Spatial.CoordsystemProjectionCTYPEi后三個(gè)字節(jié)；Spatial.RotationCROTAiSpatial.Reference PixelCRVALiSpatial.ReferenceDimensionNAXISiSpatial.ScaleCDELTi WC

12、S元數(shù)據(jù)第4章 基于WWT的圖像定位可視化驗(yàn)證帶有WCS元數(shù)據(jù)的PNG圖像在WWT中的可視化驗(yàn)證第5章 FITS圖像定位識(shí)別及可視化系統(tǒng)的研制第5章 系統(tǒng)功能通過對(duì)系統(tǒng)需求的分析，基于WCS的FITS圖像天球定位及可視化系統(tǒng)需要提供以下功能： 圖像預(yù)處理功能，提高信噪比 星體目標(biāo)提取并且能夠去除暗星和非星目標(biāo) 精確且穩(wěn)定的星體亞像素定位 復(fù)雜度相對(duì)較低的星體識(shí)別算法 WCS算法進(jìn)行天球定位 FITS與PNG或JPEG的格式轉(zhuǎn)換 基于AVM標(biāo)準(zhǔn)的WCS參數(shù)與元數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 將元數(shù)據(jù)嵌入PNG(或JPEG)圖像中 完善的高動(dòng)態(tài)范圍圖像顯示功能和良好的用戶交互式操作界面第5章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的總

13、體結(jié)構(gòu)第5章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)FITS圖像天球定位可視化軟件界面第5章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)FITS圖像天球定位可視化軟件工作流程圖第5章 FITS文件讀取及顯示打開FITS文件后的顯示界面第5章 FITS圖像星體定位及匹配識(shí)別星體識(shí)別流程圖第5章 FITS圖像星體定位及匹配識(shí)別星體提取測(cè)試及獲取的亞像素?cái)?shù)據(jù)第5章 FITS圖像星體定位及匹配識(shí)別Hipparcos區(qū)域星表的創(chuàng)建第5章 FITS圖像星體定位及匹配識(shí)別圖像識(shí)別匹配測(cè)試及匹配到的數(shù)據(jù)第5章 FITS圖像格式轉(zhuǎn)換圖像格式轉(zhuǎn)換測(cè)試第5章 基于AVM的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及嵌入基于AVM的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及嵌入結(jié) 論（1）完成了天文圖像定位識(shí)別模塊中的圖像預(yù)處理、圖像分割、亞像素定位及星圖識(shí)別算法的研究及實(shí)現(xiàn)（2）對(duì)WCS建立圖像坐標(biāo)與天球坐標(biāo)之間轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行了分析及實(shí)現(xiàn)（3）完成了通用可視化模塊FITS圖像映射、格式轉(zhuǎn)換、AVM元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及嵌入相關(guān)算法的研究及實(shí)現(xiàn)本文的主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果包括：后續(xù)的工作（1）圖像預(yù)處理中采用的算法較為簡(jiǎn)單，需進(jìn)一步研究更具針對(duì)性