一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法

技术领域

本发明实施例涉及几何定标技术领域，尤其涉及一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法。

背景技术

全天空成像仪是一种重要的地基空间环境光学观测设备，准确的“物像”光学几何对应关系是获取极光结构的实际尺度大小、确定全天空极光图像到地理、地磁坐标系投影变换以及实现全天空成像仪与卫星联合观测的基础，这对于研究相关的空间物理过程和机制是极其重要的。

传统的全天空极光成像仪几何定标方法需要在实验室条件下，需要借助专门的定标设备，通过旋转全天空相机对特定的标志物进行拍照，拟合得到成像半径与天顶角之间关系，上述几何定标方法不能确定全天空图像中天顶的像素点位置以及地理方位信息。此外，在全天空成像仪的实际使用过程中，由于成像固件(CCD等)、光路镜头更新、设备维修，全天空成像仪的“物像”关系均会发生变化，对于安装在野外观测站点(比如南北极地区)的全天空极光成像仪而言，采用实验室重新定标是一件非常困难的事情。另一方面，已有的基于星点的全天空极光成像仪几何定标方法中，需要手动解算天顶在全天空图像中的位置，过程复杂，利用单颗星点确定地理方位信息，存在偶然误差，拟合成像半径与天顶角的关系时所使用的星点数量较少，难以保证较高的精度。

发明内容

本发明实施例提供一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法，以实现不受地域局限快速准确对全天空成像仪进行几何定标，全天空成像仪几何定标更加灵活。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法，该几何定标方法包括：

选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；

基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，并根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位；

根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置，该几何定标装置包括：

真实数据确定模块，用于选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；

误差函数构建模块，用于基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数；

几何定标确定模块，用于根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位，并根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

第三方面，本发明实施例还提供了一种全天空成像仪，该全天空成像仪包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储多个程序，

当所述多个程序中的至少一个被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明第一方面实施例所提供的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面实施例所提供的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法。

本发明实施例的技术方案，通过选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，并根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位；根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。解决了现有技术中安装在野外观测站点的全天空成像仪采用实验室重新定标困难且过程复杂精度差的问题，以实现不受地域局限快速准确对全天空成像仪进行几何定标，全天空成像仪几何定标更加灵活。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法的流程图；

图2A是本发明实施例二提供的一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法的流程图；

图2B是本发明实施例提供的示例性的全天空图像以及黄河站处与全天空图像拍摄时间相对应的星空图的示意图；

图2C是本发明实施例提供的目标星点的星点误差项确定原理示意图；

图3是本发明实施例三提供的一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置的结构图；

图4是本发明实施例四提供的一种全天空成像仪的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法的流程图，本实施例可适用于对任意地点的全天空成像仪进行快速而准确的几何定标的情况，该方法可以由基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置来执行，该装置可以通过软件和/或硬件的形式实现。具体包括如下步骤：

S110、选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角。

其中，通过全天空成像仪获取一组全天空图像，一组全天空图像包括一张、两张或多张全天空图像，具体选取的全天空图像的数量可以由本领域技术人员根据实际几何定标需求进行选择设置，本实施例对此不作任何限制。

进一步的，全天空图像中星点清晰，即选取多张星点清晰的全天空图像，以便于根据选取的全天空图像确定目标星点。

具体的，选取全天空图像中的目标星点，包括：选取多张全天空图像，并将标记出的每张全天空图像中的星点作为所述目标星点。

可以理解的是，每张全天空图像中可以标记多个目标星点，同时，每个目标星点可以被标记于多张全天空图像中，也可以只被标记于某一张全天空图像中，本实施例对目标星点的具体存在的全天空图像不作任何限制。

在上述实施例的基础上，在全天空图像中建立坐标系，进而确定目标星点在全天空图像坐标系下的星点坐标位置。进一步的，在选取全天空图像中目标星点后，利用星空软件Stellarium确定目标恒星在极光观测台站处与全天空图像拍摄时间对应的星空图，进而得到全天空图像中目标星点的真实方位角和真实天顶角，即Stellarium中的地点设置为极光观测台站处的地理位置，时间设置为全天空图像拍摄时间。可以理解的是，多个目标星点则可以得到全天空图像中各个目标星点的真实方位角和真实天顶角。

需要说明的是，方位角和天顶角的获取不限于利用星空软件Stellarium进行获取，也可以通过其他方位角和天顶角获取的计算机软件或设备进行获取，本实施例对方位角和天顶角的具体获取不作任何限制。

S120、基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，并根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位。

其中，误差函数用于基于假设全天空图像中的天顶位置和地理方位，推算各目标星点的方位角，并与各星点的真实方位角进行比较，进而确定真实天顶位置和真实地理方位。

在上述实施例的基础上，基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，包括：基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位计算所述目标星点的星点误差项；根据所述星点误差项确定误差函数。

进一步的，基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位计算所述目标星点的星点误差项，包括：按照公式：

在上述实施例的基础上，根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位，包括：利用梯度下降法对天顶位置和地理方位进行更新，求解所述误差函数的最小值，并将所述最小值对应的天顶位置和地理方位确定为所述真实天顶位置和所述真实地理方位。

具体的，利用梯度下降法求解误差函数的最小值，进而得到全天空图像中的所述真实天顶位置和所述真实地理方位。

S130、根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

具体的，根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，包括：按照公式：

进一步的，根据多个目标星点的所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

本发明实施例的技术方案，通过选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建所述误差函数，并根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位；根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。解决了现有技术中安装在野外观测站点的全天空成像仪采用实验室重新定标困难且过程复杂精度差的问题，以实现不受地域局限快速准确对全天空成像仪进行几何定标，全天空成像仪几何定标更加灵活。

实施例二

图2A为本发明实施例二提供的一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法的流程图，本实施例以上述实施例为基础进行优化。

相应的，本实施例的方法具体包括：

S210、选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角。

具体的，选择多张星点清晰的全天空图像，图2B是本发明实施例提供的示例性的全天空图像以及黄河站处与全天空图像拍摄时间对应的星空图的示意图，参见图2B中的左图，在全天空图像中建立坐标系xoy，坐标原点o在全天空图像的正中心处，x轴水平向右，y轴垂直向下，标记在全天空图像中的目标星点全天空图像坐标系下的星点位置坐标为(x

进一步的，继续参见图2B中的右图，右图为利用星空软件Stellarium确定极光观测台站处全天空图像时刻对应的星空图，通过该星空图可以确定各目标星点的真实方位角Az

S220、基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位计算所述目标星点的星点误差项。

具体的，图2C是本发明实施例提供的目标星点的星点误差项确定原理示意图，参见图2C，圆o与全天空图像的边沿相切，圆心在坐标原点o处，半径为255.5像素，对应方程为：

x

假设全天空图像中天顶的像素点位置为Z(x

对于第i个目标星点，计算角∠S

基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位计算所述目标星点的星点误差项，包括：

按照公式：

其中，error

S230、根据所述星点误差项确定误差函数。

在上述实施例的基础上，根据所述星点误差项确定误差函数，包括：按照公式：

S240、利用梯度下降法求解所述误差函数的最小值，并将所述最小值对应的天顶位置和地理方位确定为所述真实天顶位置和所述真实地理方位。

具体的，误差函数一阶连续可微，求解误差函数关于参数x

则沿梯度的反方向更新各参数，求解误差函数的最小值为：

θ

其中，k为当前迭代次数，λ

进一步的，经过K次迭代后，误差函数关于

由于全天空图像中的天顶位置和正北方位都具有唯一性，因此，误差函数取最小值，上述过程求得的真实天顶位置即为

S250、根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

具体的，计算第i个星点的成像半径r

其中，(x

进一步的，第i个星点的天顶角为Za

示例性的，本发明实施例对Kochab北极二、Mizar开阳、Dubhe天枢、Vega织女一、Capella五车二、Procyon南河三、Betelgeuse参宿四、Arcturus大角以及Jupiter木星进行了标记，共获得129颗星点，其中，部分星点对应的全天空图像获取时间以及全天空图像中星点的像素点坐标、方位角和高度角等信息如下表1所示。

表1部分星点对应的全天空图像获取时间以及全天空图像中星点的像素点坐标、方位角和高度角等信息

本发明实施例的目的是提供一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法，利用全天空图像中星点的位置信息，构建关于全天空图像中天顶位置以及地理方位的误差函数，并利用梯度下降法求解误差函数的最小值，实现对全天空成像仪的几何定标。利用本发明实施例提供的方法可以对任意地点的全天空成像仪进行快速、精确、自动的几何定标，并得到全天空图像中的天顶位置、地理方位以及成像半径与天顶角之间的关系。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置的结构图，本实施例可适用于对任意地点的全天空成像仪进行快速而准确的几何定标的情况。

如图3所示，所述几何定标装置包括：真实数据确定模块310、误差函数构建模块320和几何定标确定模块330，其中：

真实数据确定模块310，用于选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；

误差函数构建模块320，用于基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数；

几何定标确定模块330，用于根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位，并根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

本实施例的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置，通过选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，并根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位；根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。解决了现有技术中安装在野外观测站点的全天空成像仪采用实验室重新定标困难且过程复杂精度差的问题，以实现不受地域局限快速准确对全天空成像仪进行几何定标，全天空成像仪几何定标更加灵活。

在上述各实施例的基础上，选取全天空图像中的目标星点，包括：

选取多张全天空图像，并将标记出的每张全天空图像中的星点作为所述目标星点。

在上述各实施例的基础上，基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，包括：

基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位计算所述目标星点的星点误差项；

根据所述星点误差项确定所述误差函数。

在上述各实施例的基础上，基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位计算所述目标星点的星点误差项，包括：

按照公式：

其中，error

在上述各实施例的基础上，根据所述星点误差项确定所述误差函数，包括：

按照公式：

其中，error为误差函数；error

在上述各实施例的基础上，根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位，包括：

利用梯度下降法求解所述误差函数的最小值，并将所述最小值对应的天顶位置和地理方位确定为所述真实天顶位置和所述真实地理方位。

在上述各实施例的基础上，根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，包括：

按照公式：

其中，(x

上述各实施例所提供的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置可执行本发明任意实施例所提供的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法，具备执行基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法相应的功能模块和有益效果。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的一种全天空成像仪的结构示意图，如图4所示，该全天空成像仪包括处理器410、存储器420、输入装置430和输出装置440；全天空成像仪中处理器410的数量可以是一个或多个，图4中以一个处理器410为例；全天空成像仪中的处理器410、存储器420、输入装置430和输出装置440可以通过总线或其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。

存储器420作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法对应的程序指令/模块(例如，基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置中的真实数据确定模块310、误差函数构建模块320和几何定标确定模块330)。处理器410通过运行存储在存储器420中的软件程序、指令以及模块，从而执行全天空成像仪的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法。

存储器420可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器420可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器420可进一步包括相对于处理器410远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至全天空成像仪。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置430可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与全天空成像仪的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置440可包括显示屏等显示设备。

实施例五

本发明实施例五还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法，该几何定标方法包括：

选取全天空图像中的目标星点，并确定所述目标星点在全天空图像坐标系下的星点位置坐标以及在极光观测站处全天空图像时刻所述目标星点的真实方位角和真实天顶角；

基于所述真实方位角、所述全天空图像中的天顶位置和地理方位构建误差函数，并根据所述误差函数确定真实天顶位置和真实地理方位；

根据所述星点位置坐标和所述真实天顶位置确定所述目标星点的成像半径，并根据所述真实天顶角和所述成像半径拟合得到所述全天空图像中成像半径与真实天顶角之间的关系。

当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标方法中的相关操作。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

值得注意的是，上述基于梯度下降法的全天空成像仪的几何定标装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。