基于WCS的FITS图像天球定位及通用可视化研究

作     者：宋文明 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏丽颖

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 070402[理学-天体测量与天体力学] 0802[工学-机械工程] 0704[理学-天文学] 

主      题：天文图像定位识别 WCS FITS格式转换 AVM 系统设计 

摘      要：天文照相图片中目标星体的定位识别及可视化相关技术在天文观测及天体测量领域中具有重要的研究价值。本文主要对高精度CCD观测相机获取的FITS(Flexible Image Transport System)图像进行分析,设计和实现相关处理算法,开发了一套完整的星体目标定位识别及可视化系统,为天文图像中定位信息的解算及可视化研究提供支撑。本文在探讨FITS格式图像在天球定位原理的基础上,对图像中恒星定位识别及可视化系统的功能需求进行了分析。设计了由星体定位识别、WCS(World Coordinate System)坐标系转换计算、FITS图像可视化三部分构成的系统实现方案。首先,针对星体目标定位精度以及定位效率的问题。通过对拍摄天文图像噪声因素的分析,实现了平场、暗场校正和图像滤波算法,完成了图像的预处理;通过对预处理后的图像直方图进行分析,设计了基于噪声特征估计的背景自适应阈值分割计算方法,并结合4连通域算法实现了观测图像中星体目标的提取;通过分析目前常用的二维亚像素定位算法在定位精度及定位效率上的优缺点,结合FITS图像数据量大的特点,采用二维高斯拟合结合二维修正矩算法实现了星体目标的亚像素定位;在对现有三角形匹配算法进行分析的基础上,根据系统的实际特点,采用高效率、高鲁棒性的三角形边边边匹配算法,提高了观测图像中恒星的识别速度。然后,对求取FITS图像文件头中以键/值对形式记录的坐标参数的算法进行分析。运用WCS算法,根据球面到平面不同投影方式来建立图像坐标系与天球赤道坐标系之间的转换函数,解算函数的转换参数从而确定图像像素及其对应的天球坐标,完成定位。最后,在对FITS图像标准文件格式及其局限性分析的基础上,将FITS与PNG或JPEG图像进行格式转换。以AVM(Astronomy Visualization Metadata)标准将FITS文件头中计算得到的WCS参数转换为元数据并添加到PNG或JPEG的文件头中,来满足天文爱好者在非天文软件平台下查看及分析天文图像的一般需求。整体设计流程通过JAVA编程集成实现,经对实际拍摄天文图像的处理测试以及SExtractor、WWT、图片查看器等软件的相关测试,结果达到设计要求。研究结果实现了天文照相图片中恒星的精确定位及识别,满足了公众的一般可视化需求,为FITS图像天球定位及可视化系统的实现,打下了可靠的基础。研究成果对天文图像的处理、定位识别及可视化具有一定的实用、借鉴价值。