JP3783863B2

JP3783863B2 - 天体検出装置

Info

Publication number: JP3783863B2
Application number: JP2002306860A
Authority: JP
Inventors: 憲一西口; 章二吉河
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP2004144505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、暗い天体を強調して暗い天体を検出する天体検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の天体検出装置は、天体の運動する方向を仮定し、一定時間間隔で撮像された複数コマの画像から、それぞれ天体の動作に合わせた領域の画像を切り取る。次に、切り取った画像上を移動していく恒星（雑音）の影響を除去し、移動天体のみを残すために、切り取ったすべての画像の同一ピクセルについて中央値をとり、中央値画像を作成する。さらに、検出限界を上げるために、得られた中央値画像を複数コマ用いて平均値画像を作成し、１コマの観測画像では検出が不可能な暗い天体を抽出する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１３９３１９号公報（第５頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の天体検出装置は以上のように、天体の画像上での運動が既知であれば効果が上がるが、未知の場合には適用できないという問題があった。
また、想定される画像上でのあらゆる運動に対して適用する場合には、膨大な処理時間が必要であり、実時間の処理としては実現できないという問題点があった。
また、宇宙機（人工衛星）に搭載されたスターセンサによって撮像された画像から、例えば暗い画像を検出するために天体の運動する軌道に沿って画像を積分し、Ｓ／Ｎ比を増加させて暗い天体を検出する場合、宇宙機の姿勢レート（宇宙機の回転の角速度）が大きくなると、Ｓ／Ｎは増加しないために暗い天体の検出が困難になるという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、運動が未知で暗い天体でも正確に検出することのできる天体検出装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る天体検出装置は、所定時間毎に天球領域を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された画像を用いて、所定明天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、輝度値が局所的に最大となる画素を明天体として検出する明天体検出手段と、明天体の画素を含んだ複数の画素の輝度値を所定輝度値に変換して、明天体を画像からマスクする明天体マスク手段と、明天体マスク手段から出力された画像を用いて、画像中の各画素の輝度値を、それぞれの画素の所定集合内の最大値に変換し、変換した画像をフィードバックさせて、画像の撮像から所定時間経過後に撮像され、明天体マスク手段から出力された画像と加算して、暗天体を強調させる暗天体強調手段と、暗天体強調手段から出力された画像を用いて、所定暗天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、輝度値が局所的に最大となる画素を暗天体として検出する暗天体検出手段とを備えるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態１を示す天体検出装置のブロック構成図である。
図１において、天体検出装置は、天球領域を撮像するカメラ（撮像手段）１と、カメラ１で撮像された画像の中から明るい天体（明天体）を検出する明天体検出手段と、検出した明るい天体をマスクする明天体マスク手段と、明るい天体がマスクされて暗い天体（暗天体）だけが残った画像系列から雑音を抑圧して暗い天体を強調する繰り返し型最大値フィルタ（暗天体強調手段）４と、繰り返し型最大値フィルタ４で強調された暗い天体を検出する暗天体検出手段５とを備えている。
【０００８】
図２は、繰り返し型最大値フィルタ５の処理動作を示す制御ブロック図である。図２において、それぞれ、加算器１１、遅延素子１２、局所最大値フィルタ１３、忘却係数αを付加する乗算器１４を示す。
次に、図１および図２を参照しながら、この発明の実施の形態１による動作について説明する。
カメラ１は一定の時間間隔で天球領域を撮像し、撮像した天球領域のディジタル画像を生成する。
明天体検出手段２は、一定時間間隔で入力される画像毎に、一定のしきい値（所定明天体検出しきい値）を上回る輝度値を持ち、かつその輝度値が局所的に最大となる画素を明るい天体として検出する。この場合のしきい値は、各画像の雑音成分を誤検出しないように十分大きい輝度値に設定する。したがって暗い天体はこの段階では検出されない。
なお、局所的に最大となる画素とは、ある点の画素を含んだ複数画素の集合の小領域（例えば、７画素×７画素の領域）において、輝度値が最大となる画素のことである。
【０００９】
次に、明天体マスク手段３は、明天体検出手段２で検出された明るい天体の画素とその近傍の画素、すなわち、小領域内の画素の輝度値を、予め格納されている雑音（恒星）の輝度値の平均値に置き換え、明るい天体をマスクする。
明天体マスク手段３から出力され、繰り返し型最大値フィルタ４へ入力される画像データは、明るい天体がマスクされて暗い天体だけを含むような画像の系列である。この画像系列のデータを以下の式（１）のように示す。

式（１）において、添字のｉ，ｊは画素の位置を表わすインデックスであり、ｋは時間を表わすインデックス（フレーム番号）である。
同様に、時間ｋにおいて繰り返し型最大値フィルタ４から出力される出力画像を以下の式（２）のように示す。

【００１０】
繰り返し型最大値フィルタ４は、入力された現在の画像データと、現在の画像データから１単位時間前の過去の画像データと加算することにより暗い天体を強調する。
過去の画像データを加算する際には、暗い天体が運動し、現在の位置の近傍に位置していたことを考慮して、過去の画像データで暗い天体と考えられる画素の近傍の輝度値を暗い天体の画素の輝度値に変換して、暗い天体周辺の輝度を増加させる。
そして、輝度値が変換された過去の画像データと現在の画像データとが加算されることにより、変換された近傍の範囲の画素の何れかと、現在の暗い天体の画素とが重なり合って輝度値が増加され、暗い天体が強調される。
このように、元々は輝度値の小さい暗い天体でも、過去の画像データが加算されることにより輝度値を増加させて暗い天体を強調させる。
図２において、繰り返し型最大値フィルタ４は、加算器１１、遅延素子１２、局所最大値フィルタ１３および乗算器１４によって構成される。
加算器１１は、入力された画像データＹ（ｋ）と、乗算器１４から出力された画像データとを加算する。
加算された画像データは、繰り返し型最大値フィルタ４から出力されるとともに、遅延素子１２に入力される。
遅延素子１２は、繰り返し型最大値フィルタ４から出力される画像データＸ（ｋ）を１単位時間遅延させて出力する。したがって、遅延素子１２から出力される画像データは、Ｘ（ｋ−１）となる。
【００１１】
局所最大値フィルタ１３は、画像データ中の画素（ｉ，ｊ）ごとに、各画素の近傍Ｄ_ｉ，ｊで輝度値が最大となる画素、すなわち各画素において輝度値が局所的に最大となる画素を検出し、各画素の輝度値を検出された最大の輝度値に変換する。
すなわち、局所最大値フィルタ１３からの出力画像の画素（ｉ，ｊ）における値は
【数１】

となる。
【００１２】
ここで、各画素の近傍Ｄ_ｉ，ｊは、１単位時間に天体が移動してもその範囲内にとどまるような領域（所定集合）として設定する。すなわち、加算器１１で現在の画像データと加算する際に１単位時間に天体が移動していても、その近傍の範囲内に現在の天体が位置しているように近傍の範囲を設定し、この範囲内に現在の天体が位置していることにより、局所的に最大となる画素の輝度値で変換された近傍の範囲内の画素と現在の天体の画素とが加算され、天体が強調される。
例えば、天体が１単位時間の間に３画素程度しか移動しないのであれば、画素（ｉ，ｊ）を中心とした７×７画素程度の矩形領域とすれば良い。
【００１３】
局所最大値フィルタ１３から出力された画像データは乗算器１４に入力される。乗算器１４は、局所最大値フィルタ１３の出力に忘却係数αを乗算する。
ここで、乗算器１４の忘却係数αは、現在の値に対する過去の値の重みを表わすパラメータであり、１より小さな正の数とする。この係数が小さ過ぎる場合、過去のデータとの充分な相関がとれず、天体の強調と雑音の抑制との効果が現れてこない。また、係数が１もしくはそれに極めて近い値だと、繰り返し型最大値フィルタ４は、数値的に発散する危険があるため、適切に係数を調整する。
【００１４】
加算器１１は、乗算器１４の出力と、順次入力される現在の画像データＹ_ｉ，ｊ（ｋ）とを加算し、繰り返し型最大値フィルタ４から出力される出力画像は、以下の式（３）のように示される。
【数２】

現在の画像データと過去の画像データとが加算されることにより、輝度値の小さい暗い天体が強調される。
繰り返し型最大値フィルタ４の出力画像は、暗い天体が積分効果により強調され、相対的に雑音が抑圧されたものになる。
【００１５】
図１において、暗天体検出手段５は、繰り返し型最大値フィルタ４から出力され、暗い天体が強調された画像データの中から、予め設定したしきい値（所定暗天体検出しきい値）を上回る輝度値を持ち、かつその輝度値が局所的に最大となる画素を暗い天体として検出する。
【００１６】
このように、明るい天体をマスクして暗い天体だけの残る画像系列から，局所最大値フィルタ１３を要素として含むフィードバック回路を用いて、暗い天体を強調して検出するので、一枚一枚の画像からでは検出できなかった暗い天体を、画像上での運動が未知であっても検出することができる。
【００１７】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、すべての天体の運動が未知である場合について説明したが、運動が未知の天体を検出するのが目的であって、それ以外の天体は画像中の位置によって運動が決まっている場合には、その運動が既知の天体を画像データから除外させてもよい。
図３はこの発明の実施の形態２を示す天体検出装置のブロック構成図である。
なお、図３において、前述（図１参照）と同一のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００１８】
図３において、天体検出装置は、図１の明天体検出手段２および明天体マスク手段３のかわりに、運動が既知の天体を除去する既知天体除外手段２１と、運動が未知の天体を検出する未知天体検出手段２２とを備えている。
既知天体除外手段２１は、１フレーム前の画像中の運動が既知である天体（例えば恒星）全体の１フレーム後の移動先を、１フレーム前の画像を既知の運動に沿って移動させることにより算出し、現在の画像と差し引くことにより運動が既知である天体全体を差し引く。このように、既知の運動に沿ってのフレーム間差分を行うことにより、画像中から運動が既知である天体を除外し、運動が未知である天体のみを残す。
【００１９】
未知天体検出手段２２は、図１の暗天体検出手段５と機能は同一であり、繰り返し型最大値フィルタ４から出力された画像データの中から、予め設定したしきい値を上回る輝度値を持ち、かつその輝度値が局所的に最大となる画素を検出する。検出された画素は運動が未知の天体となる。
このように、画像上での運動が既知の天体を予め除去した後、局所最大値フィルタ１３を要素として含むフィードバック回路を用いて、暗い天体を強調し検出するようにしたため、暗い天体のうち運動が既知のものは予め除去されるため、運動が未知の天体だけを検出することができ、かつその天体が暗い場合でも検出することができる。
また、この天体検出装置を例えば望遠鏡に設置し、運動が既知の恒星を除外して、運動が未知の流星やスペースデブリを検出することも可能である。
【００２０】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１では、運動が未知で暗い天体を検出したが、この天体検出装置を例えば人工衛星に設置し、明るい天体と暗い天体とのフレーム毎の方位に基づいて、人工衛星の姿勢および姿勢レートを推定してもよい。
図４はこの発明の実施の形態３を示す天体検出装置のブロック構成図である。
なお、図４において、前述（図１参照）と同一のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００２１】
図４において、天体検出装置は、天球領域を撮像するスターセンサ３１と、スターセンサ３１で撮像された画像の中から明るい天体を検出する明天体検出手段２と、検出した明るい天体をマスクする明天体マスク手段３と、明るい天体がマスクされて暗い天体だけが残った画像系列から雑音を抑圧して暗い天体を強調する繰り返し型最大値フィルタ４と、繰り返し型最大値フィルタ４で強調された暗い天体を検出する暗天体検出手段５と、明天体検出手段２で検出された明るい天体および暗天体検出手段５で検出された暗い天体の方位に基づいて、宇宙機の姿勢と姿勢レートを推定する姿勢・姿勢レート推定手段（姿勢推定手段、姿勢レート推定手段）３２とを備えている。
なお、天体検出装置全体を宇宙機に設置して、解析結果を転送するようにしてもよいし、宇宙機にはスターセンサ３１のみを設置し、スターセンサ３１で撮像された画像を転送させるようにしてもよい。
【００２２】
次に、この発明の実施の形態３による動作について説明する。
スターセンサ３１は一定の時間間隔で天球領域を撮像し、撮像した天球領域のディジタル画像を生成する。
明天体検出手段２は、明るい天体を検出し、宇宙機を基準にした明るい天体の方位（宇宙機基準方位）と明るい天体の画素の輝度とを明天体マスク手段に出力するとともに、姿勢・姿勢レート推定手段３２にも出力する。
暗天体検出手段５は、暗い天体を検出し、宇宙機を基準にした暗い天体の方位（宇宙機基準方位）と暗い天体の画素の輝度とを姿勢・姿勢レート推定手段３２に出力する。
姿勢・姿勢レート推定手段３２は、明天体検出手段２および暗天体検出手段５から出力されたスターセンサを基準にした（宇宙機から見た方位からの）明るい天体および暗い天体の方位（宇宙機基準方位）と、それぞれの天体の画素の輝度を入力し、スターカタログ（天体方位格納手段）を参照する。
スターカタログは、姿勢・姿勢レート推定手段３２に格納され、慣性系（太陽や恒星などの天体を基準とした慣性座標系）でのすべての天体の方位とその天体の明るさ（輝度）が記録されている。
【００２３】
姿勢・姿勢レート推定手段３２は、明るい天体および暗い天体の輝度に基づいて、スターカタログを参照し、慣性系での明るい天体および暗い天体の方位を取得する。続いて、それぞれに対応する慣性系での方位と、宇宙機から見た方位とに基づいて、慣性系での宇宙機の姿勢を推定する。
さらに、姿勢レートを推定する際には、現在の宇宙機の姿勢と１フレーム前の宇宙機の姿勢との変動値を算出し、その姿勢の変動値と、フレーム間の時間（時間系列）とに基づいて、宇宙機の姿勢レートを算出する。
このように、明るい天体に加えて暗い天体を用いて宇宙機の姿勢と姿勢レートとを推定するので、たとえ宇宙機の姿勢レートが大きく、撮像される天体が全体的に暗くなる場合でも、多くの暗い天体を検出し、多くの天体から正確に宇宙機の姿勢と姿勢レートとを推定することができる。
なお、姿勢レートのみを推定し、姿勢を推定しない天体検出装置を構成する場合、姿勢レートを推定する際には、明天体検出手段および暗天体検出手段から出力された現在の明るい天体および暗い天体の方位と、１フレーム前での明るい天体および暗い天体の方位とを比較し、その方位の変動値と、フレーム間の時間（時間系列）とに基づいて、宇宙機の姿勢レートを算出してもよい。したがって、この場合には、スターカタログは使用しないため、天体検出装置に構成させなくてよい。
【００２４】
図５はこの発明の実施の形態３の動作を説明する説明図である。
図５において、それぞれ順に図３のブロックの出力画像を示す。
スターセンサで撮像された画像４１の星印は明るい天体、小さい丸印は暗い天体を表わす。
明天体検出手段２の出力画像４２で、明るい天体を囲む矩形は、検出した明るい天体を表わす。
明天体マスク手段３の出力画像４３では、矩形で囲まれた箇所の輝度が変換されたことにより、明るい天体がマスクされ、暗い天体だけが含まれる。この画像系列が繰り返し型最大値フィルタ４へ入力される。
繰り返し型最大値フィルタの出力画像４４では、繰り返し型最大値フィルタの積分効果により暗い天体が強調され、また暗い天体の周辺部も輝度値が高くなっている。
出力画像４５は、暗天体検出手段５で検出した暗い天体と、明天体検出手段２で検出した明るい天体とを重ね合わせたもので、画像中で＋印が検出した暗い天体を表わす。
【００２５】
図６はこの発明の実施の形態３の動作を説明する説明図である。
図６は、実際の星空の模擬画像に適用したものである。図６の画像と図５の画像とは対応しており、図４の各ブロックの出力画像である。
図６の検出結果４５では、明るい２個の天体と暗い８個の天体が検出されている。
【００２６】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態３では、明天体検出手段２および暗天体検出手段５において、単に１フレームごとに、ある画素の輝度値が予め設定したしきい値を上回り、局所的に最大となるという基準で天体を検出したが、画像系列を用いて、連続する複数のフレームを参照し、複数フレーム中のｍフレームで検出条件を満たした場合に天体と見なすといった基準を設けてもよい。
例えば、明天体検出手段２および暗い天体検出手段５の検出基準それぞれに、例えば、３フレーム分の画像を参照し、３フレーム中、２フレーム分の画像において、同一の画素が、輝度値が予め設定したしきい値を上回り、局所的に最大となった場合に、明るい天体または暗い天体と見なすという基準を設ける。
【００２７】
このような基準を設けることにより、フレーム毎に検出したり検出しなかったりという現象が少なくなって検出結果が安定する効果がある。
特に明天体検出手段２においては、そのあと検出した明るい天体をマスクしてから暗い天体を強調するから，明るい天体の検出結果が安定していれば、暗い天体を強調した画像も安定したものになり、暗い天体の検出結果までもがより一層安定する。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、所定時間毎に天球領域を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された画像を用いて、所定明天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、輝度値が局所的に最大となる画素を明天体として検出する明天体検出手段と、明天体の画素を含んだ複数の画素の輝度値を所定輝度値に変換して、明天体を画像からマスクする明天体マスク手段と、明天体マスク手段から出力された画像を用いて、画像中の各画素の輝度値を、それぞれの画素の所定集合内の最大値に変換し、変換した画像をフィードバックさせて、画像の撮像から所定時間経過後に撮像され、明天体マスク手段から出力された画像と加算して、暗天体を強調させる暗天体強調手段と、暗天体強調手段から出力された画像を用いて、所定暗天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、輝度値が局所的に最大となる画素を暗天体として検出する暗天体検出手段とを備えるので、一枚一枚の画像からでは検出できなかった暗い天体を、画像上での運動が未知であっても検出することのできる天体検出装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す天体検出装置のブロック構成図である。
【図２】繰り返し型最大値フィルタの処理動作を示す制御ブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す天体検出装置のブロック構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３を示す天体検出装置のブロック構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３の動作を説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態３の動作を説明する説明図である。
【符号の説明】
１カメラ、２明天体検出手段、３明天体マスク手段、４繰り返し型最大値フィルタ、５暗天体検出手段、１１加算器、１２遅延素子、１３局所最大値フィルタ、１４乗算器、２１既知天体除去手段、２２未知天体検出手段、３１スターセンサ、３２姿勢推定手段、４１スターセンサの出力画像、４２明天体検出手段の出力画像、４３明天体マスク手段の出力画像、４４繰り返し最大値フィルタの出力画像、４５暗天体検出手段の出力画像に明るい天体を付加した画像。

Claims

所定時間毎に天球領域を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された画像を用いて明天体を検出する明天体検出手段と、
前記明天体を前記画像からマスクする明天体マスク手段と、
前記明天体マスク手段から出力された画像を用いて暗天体を強調させる暗天体強調手段と、
前記暗天体強調手段から出力された画像を用いて前記暗天体を検出する暗天体検出手段とを備え、
前記明天体検出手段は、所定明天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、前記輝度値が局所的に最大となる画素を前記明天体として検出し、
前記明天体マスク手段は、前記明天体の画素を含んだ複数の画素の輝度値を所定輝度値に変換して、前記明天体を前記画像からマスクし、
前記暗天体強調手段は、前記明天体マスク手段から出力された前記画像中の各画素の輝度値を、それぞれの画素の所定集合内の最大値に変換し、変換した画像をフィードバックさせて、前記画像の撮像から前記所定時間経過後に撮像され、前記明天体マスク手段から出力された画像と加算して、前記暗天体を強調させ、
前記暗天体検出手段は、所定暗天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、前記輝度値が局所的に最大となる画素を暗天体として検出することを特徴とする天体検出装置。
前記撮像手段は、前記天球領域を飛行する宇宙機に設置され、
前記宇宙機の姿勢の変動レートを推定する姿勢レート推定手段とを備え、
前記姿勢レート推定手段は、前記明天体検出手段および前記暗天体検出手段から出力された前記明天体および前記暗天体の方位を、過去のフレームで検出し出力された前記明天体および前記暗天体の方位と比較することにより、前記変動レートを推定することを特徴とする請求項１に記載の天体検出装置。
前記撮像手段は、前記天球領域を飛行する宇宙機に設置され、
慣性系での前記明天体および前記暗天体の方位と、前記明天体および前記暗天体の各輝度とを格納した天体方位格納手段と、
前記慣性系での前記宇宙機の姿勢を推定する姿勢推定手段と、
前記姿勢および前記所定時間に基づいて、前記姿勢の変動レートを推定する姿勢レート推定する姿勢レート推定手段とを備え、
前記姿勢推定手段は、前記明天体検出手段および前記暗天体検出手段から出力された、前記宇宙機を基準にした前記明天体および前記暗天体の各画素の宇宙機基準方位と、前記明天体および前記暗天体の各画素の輝度とに基づいて、前記慣性系での前記宇宙機の姿勢を推定するために、前記明天体および前記暗天体の各輝度に基づいて前記天体方位格納手段を参照して前記明天体および前記暗天体に対応する前記慣性系での各方位を取得し、前記各方位および前記宇宙基準方位に基づいて、前記宇宙機の姿勢を推定することを特徴とする請求項１に記載の天体検出装置。
前記明天体検出手段は、前記所定時間毎に連続して入力される複数フレーム中の所定数のフレームの画像で、同一の画素が前記所定明天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、前記輝度値が局所的に最大となる場合に前記明天体として検出し、
前記暗天体検出手段は、前記所定時間毎に連続して入力される複数フレーム中の所定数のフレームの画像で、同一の画素が前記所定暗天体検出しきい値を超える輝度値を持ち、前記輝度値が局所的に最大となる場合に前記暗天体として検出することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の天体検出装置。
所定時間毎に天球領域を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された画像から既知天体を除外する既知天体除外手段と、
前記既知天体除去手段から出力された前記画像を用いて暗天体を強調させる暗天体強調手段と、
前記暗天体強調手段から出力された画像を用いて未知天体を検出する未知天体検出手段とを備え、
前記既知天体除外手段は、前記天球領域に存在する既知天体の運動を格納すると共に、撮像される直前のフレームの画像を前記既知天体の運動に沿って動かしたフレームの画像から、撮像された現在のフレームの画像を差し引いて、前記現在のフレームの画像から前記既知天体を除外し、
前記暗天体強調手段は、前記既知天体除去手段から出力された前記画像中の各画素の輝度値を、それぞれの画素の所定集合内の最大値に変換すると共に、変換した画像をフィードバックさせて、前記画像の撮像から前記所定時間経過後に撮像されて前記既知天体除去手段から出力された画像と加算し、前記暗天体を強調させ、
前記未知天体検出手段は、所定しきい値を超える輝度値を持ち、前記輝度値が局所的に最大となる画素を前記未知天体として検出することを特徴とする天体検出装置。