一种可见光地球图像边缘快速提取方法

文/曹珺

地球敏感器是卫星姿态控制系统中一个重要的姿态测量设备。它通过确定地球中心在敏感器坐标系中的矢量方向，进而借助于坐标变换得到卫星在空间中的方位，即卫星的姿态。

基于可见光CMOS图像探测器的地球敏感器具有体积小、功耗低、价格相对低廉的优点，具有较为广泛的市场前景。

边缘检测算法是地球敏感器的核心算法之一，但由于地球本身不发光，需要反射太阳光，所以可见光波段在地球边缘内部的图像较为复杂，地球表面的太阳光照不均匀，且受陆地、云层和冰盖的边界影响，常见的图像算法难以快速、准确地提取地球边缘。

本文提出一种可见光地球边缘快速提取方法，将图像进行抽样并进行二值化处理后进行边缘提取，利用圆弧边缘的特征建立模板并与提取的边缘匹配后剔除太阳光照、陆地、云层和冰盖的边界影响。

1　算法原理

1.1　算法流程

可见光地球边缘快速提取方法的流程如下：

（1）对图像进行抽样，每4个像素取一个抽样点或每16个像素取一个抽样点。

（2）二值化处理，通过设定固定阈值来进行，将灰度值小于阈值的点设为0，高于阈值的点设为1。

（3）边缘提取，对每个点以其为中心划定一个3×3的方格，如方格中3个点全为0或1则中心点为1，反之则为0。

（4）地球在图像中的直径可根据地球敏感器运行高度和视场进行推算，根据推算直径建立一标准圆弧，划分若干个8×8大小的模板区域，将边缘提取图像中的每个8×8的方格与模板进行逐一匹配，匹配时对图像方格与模板区域的数值相同的点进行计数，相同的点较多的方格位置记录为1，反之则为0。

图1：原始图像（左侧,1024×1024）与提取结果（右侧，256×256）

1.2　算法分析

由图1可知，本算法可显著消除太阳光照、陆地、云层、冰盖对地球边缘的影响，成功提取出部分地球边缘。计算地球中心只需要4个边缘点即可完成，不需要全部完整的地球边缘，因此6个模板就可以有效提取地球边缘并计算出地球中心。

该方法的数值运算较为简单，可简化为逻辑运算，适合通过FPGA来实现。

2　模板匹配模块FPGA实现

模板匹配模块是消耗FPGA内逻辑资源最多的模块，根据算法原理，匹配模块需要将8×8的图像与模板进行匹配。对于每一个模板的匹配都需要输入一个64位的图像向量和64位的模板向量。为节省FPGA逻辑资源，模板的匹配采用异步方式进行，采用如下代码：

每一个模板匹配的单元需消耗195个C-CELL，占FPGA内总量的2.42%。在FPGA内例化6个模板匹配单元可同时完成6个模板的匹配，占用14.52%，FPGA的性能能够满足设计要求。这样的并行设计有利于提高算法的运行效率，通过时序分析发现，模板匹配的输入输出延迟不到10ns。

由于FPGA采用了流水线设计，可见光地球边缘快速提取方法具有较低的延迟。在图像数据读取完毕后即可立即获得二值化图像。图像的边缘提取采用3×3的窗口，模板的匹配采用8×8的窗口。在原始图像数据读取完成后，若FPGA在24MHz的频率下工作，仅需不到1ms即可完成地球的边缘提取。

3　结论

本文提出的可见光地球边缘快速提取算法从地球图像本身的特性出发，通过抽样和二值化处理减少了运算量，推算地球在图像中大小并设置模板对图像的边缘提取结果进行匹配，太阳光照、陆地、云层、冰盖对地球边缘的影响。该方法运算以二进制逻辑运算为主，便于FPGA实现，可大大提高地球敏感器的数据刷新速率。