新型渾天儀顯示太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的地球儀

1、數(shù)字化“日月運(yùn)動(dòng)”觀測(cè)演示儀庾順禧、朱一和黃曾新摘.要本發(fā)明是一種利用高科技手段，融合天文、地理、數(shù)學(xué)、物理、數(shù)碼拍攝、計(jì)算機(jī)信息處理等多種技術(shù)的儀器。其主要原理是：太陽(yáng)光照在一球體上，經(jīng)攝像頭拍攝存入電腦，由AVCapture控件分析位圖格式。接著，利用數(shù)字圖形處理技術(shù)讀取所需信息，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二維圖像鎖定，從而得到坐標(biāo)值。根據(jù)自動(dòng)記錄的數(shù)值，既可模擬太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，又可通過(guò)算法的“關(guān)系建立”將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成同時(shí)刻太陽(yáng)的地平經(jīng)度和仰角，還能與天文臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。與之類(lèi)似，本儀器還對(duì)月亮的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了觀測(cè)。本發(fā)明對(duì)推算某一地區(qū)的經(jīng)緯度、時(shí)差、黃道帶、白道帶等有極大作用；能演示任何地方、節(jié)氣的太陽(yáng)

2、周日視位置、周日視運(yùn)動(dòng)軌跡及月亮的運(yùn)行規(guī)律；即使陰雨天，也可由電腦趨勢(shì)回歸分析得出數(shù)據(jù)。此外，程序中用到的YUV矩陣變化和卷積掩模技術(shù)可應(yīng)用于任何需識(shí)別物體形狀特征的場(chǎng)所；攝像圖形處理技術(shù)可應(yīng)用于任何需定時(shí)觀測(cè)物體移動(dòng)的場(chǎng)所；八連跟蹤邊界技術(shù)可應(yīng)用于任何需判定物體外形輪廓的場(chǎng)所。本發(fā)明旨在揭示月球、地球運(yùn)動(dòng)牽涉到的很多知識(shí)，可作為學(xué)生的學(xué)具、老師的教具、其他相關(guān)學(xué)科愛(ài)好者的學(xué)習(xí)平臺(tái)，對(duì)各科的研究性學(xué)習(xí)和野外工作者自行定位等有很高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞背景剝離 過(guò)濾噪聲 建立算法關(guān)系 數(shù)字圖形處理正文一引言我們是校天文興趣小組的成員，學(xué)習(xí)過(guò)程中，張衡制作的“漏壺轉(zhuǎn)渾天儀”深深地吸引了我們；但同時(shí)也發(fā)

3、現(xiàn)，鑒于條件制約，渾天儀在今天看來(lái)，尚存在很多不足有待改進(jìn)。循著對(duì)天文學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的愛(ài)好，我們決定用現(xiàn)代高科技手段，自己設(shè)計(jì)、制作一種全新的儀器，來(lái)顯示每時(shí)每刻太陽(yáng)不斷變化的地平經(jīng)度和仰角、觀測(cè)月亮的運(yùn)動(dòng)情況，還可將所有數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行處理和保存，以便日后學(xué)習(xí)、研究、對(duì)比使用。于是在這樣一個(gè)想法下，便誕生了這個(gè)課題：數(shù)字化“日月運(yùn)動(dòng)”觀測(cè)演示儀。二實(shí)施過(guò)程1總體構(gòu)想與設(shè)計(jì)我們對(duì)項(xiàng)目的總體構(gòu)想是：將一個(gè)不銹鋼球體固定，用來(lái)聚焦太陽(yáng)光。購(gòu)買(mǎi)一個(gè)能和筆記本電腦相連的電子攝像頭，安裝在一根高度恒定的金屬桿上方，且桿與球體間距不變。當(dāng)攝像頭拍攝到球體反射的太陽(yáng)光點(diǎn)后，能自動(dòng)將其輸入計(jì)算機(jī)，采

4、用事先由Visual Basic 6.0程序編制好的各種程序，就可將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換，從而得到太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡、地平經(jīng)度和仰角、月亮的運(yùn)動(dòng)情況等，并將這些內(nèi)容進(jìn)行顯示及保存，以便日后回放、研究和比較。以上這系列想法即我們的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)而言之就是通過(guò)各高科技產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)編程技術(shù)相結(jié)合，對(duì)日月位置進(jìn)行拍攝、記錄及其數(shù)據(jù)的采集、分析，再進(jìn)行比較、保存和演示，以達(dá)到設(shè)想效果。本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。圖1 總體結(jié)構(gòu)圖 圖2 實(shí)物圖2原理和實(shí)施21 項(xiàng)目硬件材料1 采用一個(gè)聚光程度相對(duì)較好、直徑50cm的不銹鋼球。2 采用一根高為1.5m的筆直細(xì)桿，用以先期測(cè)算太陽(yáng)位置角度。3 采用

5、一根高度恒定的金屬桿固定攝像頭。4 采用“環(huán)宇飛揚(yáng)”公司制作的“201D+”型號(hào)攝像頭對(duì)太陽(yáng)光點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)拍攝。攝像頭實(shí)物圖如圖3所示。5 采用“海爾”牌筆記本電腦，將攝像頭與它相連接。6 采用一半球形玻璃罩作為“天球”，在其表面安裝一系列發(fā)光二極管，用電腦控制可演示出任意時(shí)間的日月視運(yùn)行軌跡。 圖3 攝像頭實(shí)物圖22 太陽(yáng)視運(yùn)行軌跡的記錄221 采用X光底片前的制作按事先計(jì)劃，我們用Visual Basic高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。由于此發(fā)明需使用電子攝像頭，所以首先我們從網(wǎng)上下載了一個(gè)攝像控件AVCapture，用它進(jìn)行圖像的數(shù)據(jù)處理。接著就開(kāi)始了程序的編寫(xiě)，其主要步驟是：l 采用上述控件，

6、對(duì)電子攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并保存為BMP位圖格式。l 通過(guò) “格式轉(zhuǎn)換”程序，將圖像信息打開(kāi)，通過(guò) “圖像輸入”程序，對(duì)它們進(jìn)行分析，并保存在自己設(shè)定的Picture控件內(nèi)。l 編寫(xiě)“文件分析系統(tǒng)”程序，區(qū)分BMP位圖中的R、G、B三原色，然后將數(shù)據(jù)讀取出來(lái)（RGB的數(shù)值范圍是0255，而純白陽(yáng)光的RGB值很大：分別是250、255和222。l 編寫(xiě)“剝離無(wú)關(guān)背景”程序，以最大可能地減少周?chē)蓴_因素會(huì)產(chǎn)生的誤差，它的實(shí)施方法是：將圖像數(shù)據(jù)保存在一個(gè)二維數(shù)組（一系列有關(guān)系數(shù)據(jù)排列的集合，每一個(gè)像素都由一個(gè)數(shù)組名和一個(gè)下標(biāo)表示，用2個(gè)下標(biāo)表示一個(gè)數(shù)據(jù)的方法就稱(chēng)之為“二維數(shù)組”）中，此數(shù)組中

7、每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)事先選定好的一種背景顏色，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行操作將與輸入值相近的顏色去除掉。這樣，就達(dá)到了把無(wú)用干擾背景從圖像中一層層剝離開(kāi)的效果，僅留下有用的太陽(yáng)光點(diǎn)圖像。l 為提高“背景剝離”的效果和精度，我們又單獨(dú)設(shè)置了3個(gè)相互獨(dú)立的R、G、B分離模塊，這樣，與這3原色反差最強(qiáng)烈的數(shù)據(jù)就會(huì)最終以一種更加清晰的效果顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，從而大大提高剝離的準(zhǔn)確度，為日后精確鎖定打下基礎(chǔ)。l 為更進(jìn)一步減少周?chē)h(huán)境的干擾其它光源的反射、散射、漫射，使日后實(shí)驗(yàn)測(cè)量更精確，我們又編寫(xiě)了一個(gè)“過(guò)濾噪聲”程序，使用此程序可進(jìn)一步將干擾減少到最小。（后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明，這一程序的建立很有必要，因?yàn)?/p>

8、沒(méi)采用降噪提取的點(diǎn)效果很差，而降噪后可更準(zhǔn)確地定位太陽(yáng)中心點(diǎn)）。l 經(jīng)剝離后的圖像通過(guò)下一段程序的逐行逐列分析，能將區(qū)域中有數(shù)據(jù)保存到另一個(gè)二維數(shù)組中，這樣，最后就可得到一個(gè)只剩下“0”和“1”兩個(gè)數(shù)字的二維數(shù)組（其中“0”表示此像素處沒(méi)有圖像，“1”表示此像素處存在圖像）。經(jīng)過(guò)某一區(qū)域上許許多多的“0”和“1”數(shù)字的結(jié)合，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)顯示一個(gè)黑白圖像，那就是經(jīng)過(guò)“層層篩選”后，最終被確定的太陽(yáng)光中心位置。l 當(dāng)計(jì)算機(jī)通過(guò)上述一系列程序得到代表太陽(yáng)位置的圖像后，會(huì)自動(dòng)鎖定這個(gè)圖形的區(qū)域范圍(即對(duì)圖像上有用信息范圍的確定)：在不超過(guò)邊緣的情況下將圖像加粗，使特征清晰化，類(lèi)似Photoshop中的

9、圖像處理功能，從而使本來(lái)沒(méi)有封閉的輪廓封閉，有助與物體識(shí)別。l 獲取圖像后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)以不銹鋼球體的俯視面建立直角坐標(biāo)系，并規(guī)定Y軸負(fù)方向?yàn)檎戏?，將圖像點(diǎn)位置代表的坐標(biāo)值在另一窗口中顯示出來(lái)，并最終連成各種曲率的線條，這就是這一天太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)在地面觀測(cè)者眼中的“軌跡”。上述過(guò)程可以用一個(gè)流程圖直觀地表示，如流程圖1所示。 選取攝像頭信息 輸入被分析圖片名稱(chēng) 打開(kāi)攝像頭，自動(dòng)開(kāi)始拍攝圖像捕捉畫(huà)面，存為BMP文件；分析位圖格式，保存在Picture控件內(nèi)， 背景剝離 RGB三色分離 過(guò)濾噪聲，進(jìn)一步過(guò)濾 范圍鎖定，保存當(dāng)前值與畫(huà)面 結(jié)束流程圖1 采用X光底片前計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行步驟222 采用X光底片

10、后的制作本程序編寫(xiě)完成后，我們便開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)，其中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新問(wèn)題。第一：當(dāng)太陽(yáng)光照射到不銹鋼球表面后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的光亮塊，而不是想像中聚光后的小亮點(diǎn)，以致采用“背景剝離”后得到的光點(diǎn)非常大，用提取幾何中心的辦法很難精確定位其中心點(diǎn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。第二：由于攝像頭的參數(shù)和規(guī)格限制，以及陽(yáng)光的高亮度，使攝像頭在暴露室外拍攝圖像的過(guò)程中常常得到全白的非正常 圖4 太陽(yáng)大光點(diǎn) 圖5 “過(guò)濾噪聲”后的效果圖像，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法連續(xù)進(jìn)行。經(jīng)分析我們發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)問(wèn)題都是由于太陽(yáng)光亮度高、不銹鋼球無(wú)法聚焦而產(chǎn)生的，若能找到一種可以過(guò)濾不相干陽(yáng)光的方法，就可解決上述問(wèn)題。經(jīng)一番思考，我們想到在觀

11、賞日食時(shí)，常用濾光片將太陽(yáng)色球、日冕發(fā)出的光過(guò)濾掉，就可清晰地看到光球發(fā)生日食的全過(guò)程。經(jīng)上網(wǎng)查詢(xún)資料，我們了解到在太陽(yáng)白光的拍攝中，中性濾光片被廣泛地采用，而其原理有部分直接來(lái)源于醫(yī)用X光底片。受這條信息啟發(fā)，我們決定使用2*2cm的X光底片覆蓋在攝像頭前部進(jìn)行拍攝，并對(duì)程序作了適當(dāng)調(diào)整：l 在RGB模塊分離后提取相近點(diǎn)：把每張圖片上每個(gè)點(diǎn)的RGB信息放在三維笛卡兒坐標(biāo)系中，其中，X軸代表像素點(diǎn)的R值，Y軸代表像素點(diǎn)的G值，Z軸代表像素點(diǎn)的B值，由公式：d=(X1-X2)2+(Y1-Y2)2 +（Z1-Z2）2 計(jì)算兩像素點(diǎn)之間的距離，當(dāng)它小于某個(gè)給定值（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可調(diào)，我們采用的是“50”

12、）時(shí)，就是與真實(shí)陽(yáng)光顏色相近的點(diǎn)。l 由于每次都對(duì)整個(gè)圖像上所有像素與日光對(duì)比，耗時(shí)長(zhǎng)，又想到圖像處理中的動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)，我們便考慮根據(jù)上一光點(diǎn)的位置進(jìn)行范圍限制，使下一光點(diǎn)在下一次提取中，只需在上一光點(diǎn)周?chē)?0x20像素范圍內(nèi)提取即可，同時(shí)也排除了其他可能的噪聲圖像。至此，軟件主界面（MAIN）三色分離后提取出清晰的點(diǎn)，精確定位直角坐標(biāo)系中X坐標(biāo)軸與Y坐標(biāo)軸上的數(shù)值。l 利用一個(gè)TIMER控件進(jìn)行控時(shí)，60秒執(zhí)行一次循環(huán)，即可定時(shí)檢測(cè)日影光點(diǎn)位置變化。223 算法的優(yōu)化在實(shí)驗(yàn)圖像的分析中，我們明顯發(fā)現(xiàn)在RGB三色模塊中，紅光下的陽(yáng)光點(diǎn)特別明顯，而藍(lán)光下的陽(yáng)光點(diǎn)最不明顯：其效果如圖6所示，因此我

13、們決定使用RGB單色剝離的方法，來(lái)提高計(jì)算機(jī)的工作效率。本算法的具體執(zhí)行過(guò)程是：只將像素點(diǎn)的R值（即大于230的點(diǎn)）認(rèn)為是太陽(yáng)光點(diǎn)，這樣，不再需要計(jì)算三維坐標(biāo)系中兩像素點(diǎn)之間的距離，只要確定兩點(diǎn)在X軸（即像素點(diǎn)R值所代表的坐標(biāo)軸）上的投影位置，使用公式：d= |X1-X2| 計(jì)算其距離即可。 圖6 RGB三色模塊截圖再次試驗(yàn)后我們發(fā)現(xiàn)不僅得到的圖像非常清晰，而且效果與之前形成強(qiáng)烈反差。由于改進(jìn)的程序更加簡(jiǎn)單、優(yōu)化，因此排除了大多數(shù)干擾。此外，原來(lái)三次平方、一次開(kāi)方的計(jì)算現(xiàn)只需一次減法判別即可，大大減少了計(jì)算率，從而使工作時(shí)間得到縮短。算法優(yōu)化示意如圖7所示。xzy0d(X2,Y2,Z2)(X1

14、,Y1,Z1)圖7（a） 算法優(yōu)化前計(jì)算三維坐標(biāo)系中兩點(diǎn)之間的距離R0GdB圖7（b） 算法優(yōu)化后計(jì)算兩點(diǎn)在x軸上投影距離為使本發(fā)明可以更好地適應(yīng)各種場(chǎng)地與環(huán)境的需要，我們又編寫(xiě)了兩個(gè)與“RGB單色剝離”相并列的程序“YUV矩陣變換”（將原來(lái)的RGB彩色信息轉(zhuǎn)化成只有灰度的黑白圖像，這樣可以使計(jì)算機(jī)工作效率大幅提高）與“卷積掩?！保ú捎?個(gè)卷積核子、1個(gè)掩模因子與拉普拉斯I型濾波器、拉普拉斯II型濾波器，通過(guò)掩模剝離將圖像上物體的輪廓特征清晰地顯示出來(lái)，并存儲(chǔ)為一個(gè)模塊），即可使本項(xiàng)目能根據(jù)外界環(huán)境變化，自己選擇一種最優(yōu)的方法達(dá)到效果。本程序的界面截圖如圖8所示。上述過(guò)程也可以用一個(gè)流程圖直觀

15、地進(jìn)行表 示，如流程圖2所示。 圖8 太陽(yáng)視運(yùn)行軌跡記錄程序界面截圖設(shè)置時(shí)間間隔，自動(dòng)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 RGB分離 卷積掩模 YUV矩陣變換 RGB單色剝離 掩模剝離 灰度輸出 線形加粗 自動(dòng)捕獲、圖像輸出、繪制軌跡并保存 結(jié)束流程圖2 采用X光底片后計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行步驟至此，我們就完成了太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的記錄程序，這個(gè)程序可以將任意時(shí)刻太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)位置在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值按時(shí)間順序進(jìn)行顯示和保存，并自動(dòng)將每一點(diǎn)坐標(biāo)連成一條條曲線，這些曲線就是太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)軌跡路徑。其中，直角坐標(biāo)系以不銹鋼球體的頂部俯視面為平面，其取法如圖9所示。正南方XY0球體俯視面此外，由于計(jì)算機(jī)具有“趨勢(shì)回歸分析”

16、功能，我們還提前根據(jù)某一天的數(shù)據(jù)，將今后幾天內(nèi)太陽(yáng)可能的視運(yùn)行軌跡推算出來(lái)，然后與后幾天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和軌跡圖線進(jìn)行比較，使本儀器的數(shù)據(jù)分析功能更加強(qiáng)大。以下表格1，是我們選取最新的2005年5月11日實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的太陽(yáng)光點(diǎn)位置在直角坐標(biāo)系中的相對(duì)坐標(biāo)值（由于篇幅關(guān)系，這里以0.5小時(shí)為一個(gè)單位）；圖表1是這一天由太陽(yáng)不同時(shí)刻光點(diǎn)連成的圖線軌跡。 圖9 直角坐標(biāo)系的取法X軸Y軸53.39321.01960.60126.46967.89131.97374.99237.45082.58242.92789.59648.40496.70153.887103.99259.358110.99264.835118.

17、59270.312125.78275.789132.99681.266140.58286.743147.87292.220154.78297.697162.386103.174169.692108.657由于太陽(yáng)投影點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與其真實(shí)運(yùn)動(dòng)方向恰好相反（類(lèi)似小孔成像原理），因而我們用“數(shù)據(jù)逆敘”的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)如表格2所示，而以此得到的真實(shí)太陽(yáng)視運(yùn)行軌跡圖像如圖表2所示。 坐標(biāo)軸時(shí)刻X軸Y軸8：00169.692108.6578：30162.386103.1749：00154.78297.6979：30147.87292.22010：00140.582經(jīng)數(shù)據(jù)逆敘后86.74310：

18、30132.99681.26611：00125.78275.78911：30118.59270.31212：00110.99264.83512：30103.99259.35813：0096.70153.88713：3089.59648.40414：0082.58242.92714：3074.99237.45015：0067.89131.97315：3060.60126.46916：0053.39321.019 表格1 2005-5-11實(shí)測(cè)太陽(yáng)光點(diǎn)坐標(biāo)值 表格2 2005-5-11轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù) 圖表1 實(shí)測(cè)太陽(yáng)光點(diǎn)投影曲線 圖表2 轉(zhuǎn)化后真實(shí)太陽(yáng)視運(yùn)行軌跡23太陽(yáng)地平經(jīng)度和仰角的測(cè)量由于不銹鋼

19、球是立體的，也就是說(shuō)其表面是一個(gè)曲率不可忽視的彎曲面，因而不便計(jì)算太陽(yáng)“視運(yùn)動(dòng)”時(shí)變化的地平經(jīng)度和仰角。為了實(shí)際測(cè)量太陽(yáng)相對(duì)于觀測(cè)者的絕對(duì)位置，我們決定利用“豎桿成影”的辦法，在用不銹鋼球?qū)μ?yáng)進(jìn)行軌跡測(cè)量、記錄的同時(shí)，用另一臺(tái)筆記本電腦在旁邊進(jìn)行位置角度的測(cè)算。這種方法主要步驟是：在地上豎一根高1.5米的細(xì)桿，當(dāng)太陽(yáng)光照射后會(huì)在地上形成黑色的日影。此時(shí)，處于桿正上方的另一個(gè)數(shù)碼攝像頭會(huì)自動(dòng)拍攝日影圖像并輸入筆記本電腦，“豎桿成影”法的結(jié)構(gòu)如圖10所示。根據(jù)日影的長(zhǎng)短與豎桿的長(zhǎng)度比值，利用數(shù)學(xué)中的三角函數(shù)等關(guān)系式，就可以由程序推算出各時(shí)刻太 圖10 “豎桿成影”法結(jié)構(gòu)示意圖陽(yáng)不斷變化的角度數(shù)值

20、。p0xy計(jì)算機(jī)程序通過(guò)日影長(zhǎng)度與桿的高度來(lái)計(jì)算太陽(yáng)地平經(jīng)度和仰角，是我們通過(guò)數(shù)字圖像處理中的“霍夫變換”（Hough）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它的主要步驟是：l 將攝像頭拍攝到的、平面圖像上每一個(gè)有用像素點(diǎn)提取出來(lái)，由于各獨(dú)立點(diǎn)的位置沒(méi)有限制，因而它們的值是不確定的，可按360°方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此我們通過(guò)窮舉斜率的方法，枚舉它的值(取值范圍在0°-180°)。圖11 直線法線式的幾何示意圖l 由于直角坐標(biāo)系中每一條直線，都可以用法線式XCOS+YSIN-p =0（P為參數(shù)）來(lái)表示，因此，根據(jù)上述計(jì)算得到直線的值，就可計(jì)算出相應(yīng)的p值。這個(gè)推算的分析如圖11所示。l 將上述

21、計(jì)算而得的值和p值都存儲(chǔ)在一個(gè)二維數(shù)組中，并使用(,p)+1累加器對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行累加（累加的界限為0.1°，這個(gè)數(shù)值會(huì)直接影響到日后實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度）。l 當(dāng)整個(gè)過(guò)程完畢后，數(shù)組中最大元素所對(duì)應(yīng)的，p值就是圖形中最長(zhǎng)直線的,p值。根據(jù)法線式的直線方程，我們就即可計(jì)算出桿影的長(zhǎng)度，從而推算出這一時(shí)刻太陽(yáng)地平經(jīng)度和仰角?！盎舴蜃儞Q”技術(shù)的界面截圖如圖12所示。 圖12 “霍夫變換”技術(shù)界面截圖以下表格3，是我們選取最新的、于2005年5月11日所測(cè)得的太陽(yáng)地平經(jīng)度與仰角的絕對(duì)坐標(biāo)值（由于篇幅關(guān)系，這里以0.5小時(shí)為一個(gè)單位）；圖表3、4分別是這一天由太陽(yáng)不同時(shí)刻仰角、地平經(jīng)度連成的曲線。

22、角度值時(shí)刻仰角地平經(jīng)度8：0020.9671339.19478：3027.2008 333.89579：0031.9900 328.01949：3037.1745 321.667010：0041.3075 314.018110：3045.3068 305.399911：0048.9687 295.503011：3050.9600 284.334912：0052.0117 272.348512：3051.4978 260.109813：0050.2286 248.668013：3047.9683 237.999714：0043.3968 229.001014：3038.9486 220.9995

23、15：0033.9989 214.103215：3028.6177 208.079416：0022.9100 202.7302 表格3 2005-5-11太陽(yáng)地平經(jīng)度與仰角圖表3 2005年5月11日太陽(yáng)仰角曲線 圖表4 2005年5月11日太陽(yáng)地平經(jīng)度曲線說(shuō)明：在計(jì)算太陽(yáng)角度過(guò)程中，我們之所以采用較復(fù)雜的“霍夫變換”技術(shù)，而不采用相對(duì)簡(jiǎn)單的掃描技術(shù)，是因?yàn)椋汉笳叻椒ㄊ怯?jì)算機(jī)逐行、逐列對(duì)平面圖像上的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，然后將掃到的區(qū)域范圍內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行排列，并自動(dòng)連接相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。這種方法的缺點(diǎn)是可能會(huì)將圖像上的干擾點(diǎn)視為有用像素點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。此外，經(jīng)“霍夫變換”技術(shù)處理的數(shù)據(jù)與圖像的

24、擬合程度是最佳的。掃描方法的示意如圖13所示。干擾點(diǎn)干擾點(diǎn)正確最長(zhǎng)直線錯(cuò)誤最長(zhǎng)直線圖13 掃描方法示意圖25“視運(yùn)行軌跡”與“角度”建立關(guān)系由于太陽(yáng)“視運(yùn)行軌跡”是陽(yáng)光照射在不銹鋼球上顯示得到的，太陽(yáng)的地平經(jīng)度和仰角是陽(yáng)光形成日影后計(jì)算得到的，兩者相互獨(dú)立，所以我們?cè)O(shè)想對(duì)它們的邏輯計(jì)算建立關(guān)系，這樣只需由太陽(yáng)軌跡的X、Y軸坐標(biāo)值，即可轉(zhuǎn)化得到同時(shí)刻的角度數(shù)據(jù)，不再需要使用“豎桿成影”法另外測(cè)算?！敖㈥P(guān)系”的實(shí)施方法是：l 我們的實(shí)驗(yàn)測(cè)算是早晨8：00-下午16：00，使用TIMER控件60秒執(zhí)行一次循環(huán)，因此每天的每種數(shù)據(jù)為480個(gè)。l 將480個(gè)數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)的X、Y軸數(shù)值與同時(shí)刻的地平經(jīng)度

25、、仰角進(jìn)行邏輯計(jì)算，從而每天可以得到480組關(guān)系。l 在二維數(shù)組累加器中，設(shè)定計(jì)算機(jī)自動(dòng)以（X，Y，1 TO 2）的形式進(jìn)行排列，其中，1和2分別表示數(shù)組的下界和上界。然后，經(jīng)累加而得一個(gè)方程組： （X，Y）1 = h（X，Y）2 =，其中，h表示太陽(yáng)的仰角，表示太陽(yáng)的地平經(jīng)度。l 將先期共計(jì)10個(gè)月的每一天的方程組存在一個(gè)文本文件中，作為一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)屏幕上所有點(diǎn)進(jìn)行排序與關(guān)聯(lián)。l 采用三維坐標(biāo)，將初始化點(diǎn)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)的算法建立，從而使今后只用不銹鋼球接受陽(yáng)光點(diǎn)，就能同時(shí)得到它的“運(yùn)動(dòng)軌跡”和地平經(jīng)度、仰角數(shù)據(jù)?！敖⑺惴P(guān)系”的界面截圖如圖14所示。 圖14 “建立算法關(guān)系”的界面截圖

26、計(jì)算機(jī)執(zhí)行“建立關(guān)系”程序的步驟如流程圖3所示。開(kāi)始讀入自測(cè)軌跡數(shù)據(jù)繪制自測(cè)軌跡數(shù)據(jù)圖像讀入自測(cè)角度數(shù)據(jù)繪制自測(cè)地平經(jīng)度和仰角圖像一一對(duì)應(yīng)后，在累加器中進(jìn)行累加電腦輔助分析、建立關(guān)系、推出公式結(jié)束流程圖3 計(jì)算機(jī)執(zhí)行“建立關(guān)系”程序的步驟3進(jìn)一步完善的方案為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠度，我們決定去天文臺(tái)索取人工理論計(jì)算的太陽(yáng)地平經(jīng)度和仰角，將兩者進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證這一系列編程操作和數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)的成效與否。4深入制作我們?cè)谔煳呐_(tái)老師幫助下得到了他們提供的數(shù)據(jù)，又另外建立了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將大量數(shù)據(jù)分門(mén)別類(lèi)保存其中，然后編寫(xiě)一套“輸入程序”，用于將某一時(shí)間段內(nèi)天文臺(tái)理論計(jì)算所得的太陽(yáng)角度變化進(jìn)行線性擬合

27、，從而得到一條曲線，并將其讀入Visual Basic工程源程序界面。若上述曲線與我們的曲線能近似吻合（考慮大氣云團(tuán)的折射及其他情況可能產(chǎn)生的偏差，兩條曲線不可能完全重合），就說(shuō)明了我們所編制程序的準(zhǔn)確性及這套方案施行的可行性和有效性。為精確對(duì)兩者進(jìn)行比較，我們?cè)O(shè)置了精度對(duì)比按鈕，它可顯示兩份數(shù)據(jù)對(duì)比后的平均偏差。由于天文學(xué)上計(jì)算方位角有嚴(yán)格方向規(guī)定：地理正東或正西，而我們?cè)趯W(xué)校測(cè)量受條件限制，無(wú)法做到如此精確的定位，所以難免與理論數(shù)據(jù)有出入。但這并不影響數(shù)據(jù)對(duì)比，因?yàn)閮烧呖偸遣钜粋€(gè)常數(shù)，而變化的斜率相同（經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)這個(gè)常數(shù)值是90）。5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析本項(xiàng)目從2004年6月開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，將得到的數(shù)據(jù)

28、與天文臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)基本達(dá)到了預(yù)期效果。 以下表格4是我們選取最新的、2005年5月11日所測(cè)的太陽(yáng)地平經(jīng)度和仰角數(shù)據(jù)與天文臺(tái)的比較；圖表5、6分別是將它們繪制后得到的圖線。 角度值時(shí)刻自測(cè)仰角天文臺(tái)數(shù)據(jù)自測(cè)地平經(jīng)度天文臺(tái)數(shù)據(jù)8：0020.967120.5535339.1947339.08798：3027.2008 26.3616 333.8957333.96579：0031.9900 31.9065 328.0194328.23239：3037.1745 37.0948 321.6670321.706310：0041.3075 41.8021 314.0181314.188010：3

29、045.3068 45.8670 305.3999305.490111：0048.9687 49.0914 295.5030295.508511：3050.9600 51.2605 284.3349284.334012：0052.0117 52.1897 272.3485272.354812：3051.4978 51.7872 260.1098260.228713：0050.2286 50.0941 248.6680248.668713：3047.9683 47.2652 237.9997238.184614：0043.3968 43.5106 229.0010228.977714：3038.

30、9486 39.0389 220.9995221.006515：0033.9989 34.0270 214.1032214.105515：3028.6177 28.6136 208.0794208.074316：0022.9100 22.9034 202.7302202.7224圖表4 自測(cè)數(shù)據(jù)與天文臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比 圖表5 2005年5月11日太陽(yáng)仰角對(duì)比其中，紅線為天文臺(tái)數(shù)據(jù)，黃線為我們的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，“精度對(duì)比”顯示誤差是0.56。（太陽(yáng)的高度角一天24小時(shí)都有，負(fù)值表示它在地平線以下，一般人眼能看到的是在10度以上，所以我們的數(shù)據(jù)只有一段可進(jìn)行比較）。 圖表6 2005年5月11日太陽(yáng)地平經(jīng)度對(duì)

31、比其中，紅線為天文臺(tái)數(shù)據(jù)，黃線為我們的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩者相差的常數(shù)為90度，但斜率基本吻合。“精度對(duì)比”顯示誤差是1.27。6月亮的觀測(cè)月亮的觀測(cè)采用與太陽(yáng)相似的技術(shù)，在這里不再贅敘。然而由于月光較暗，因此可以直接用攝像頭觀測(cè)拍攝，無(wú)需使用球體。為了使攝像頭的視野能足夠大，我們采用3個(gè)攝像頭并列安置，得到的平面是3者之和。在月亮位置的識(shí)別上，考慮到月亮存在形狀變化，因此將算法重點(diǎn)放在圖像邊緣檢測(cè)上，這樣不僅能確定它的位置，還能根據(jù)邊緣走向確定月亮形狀（即月相）。在邊緣檢測(cè)上，我們采用卷積掩模結(jié)合圖像八連判定技術(shù)：其中卷積掩模用來(lái)測(cè)定邊界像素，以此可算出半月、殘?jiān)?、滿(mǎn)月的圓心坐標(biāo)；八連跟蹤邊

32、界技術(shù)可以獲取輪廓走向，將它們與初始圖像模版進(jìn)行對(duì)比，即可判定圖形的基本形狀。另外，我們還采用了計(jì)算圖形面積的方法進(jìn)行輔助判斷，具體的分析如圖15所示。 滿(mǎn)月輪廓 邊緣大致走向 殘?jiān)螺喞?邊緣大致走向圖15 月亮邊緣測(cè)定示意圖三新穎性和實(shí)用性本發(fā)明的課題盡管已有制作，但我們所采用的方法是他人沒(méi)有想到的，具有很多創(chuàng)新點(diǎn)，現(xiàn)分別列舉如下：1創(chuàng)新點(diǎn)：（1）與古代制作對(duì)比：與 “漏壺轉(zhuǎn)渾天儀”相比，我們的項(xiàng)目完全跳出了機(jī)械模式，而大量采用高科技技術(shù)：計(jì)算機(jī)編程與數(shù)碼攝像頭的數(shù)據(jù)采集相結(jié)合，最終完成發(fā)明和制作。（2）與現(xiàn)代制作（我校同學(xué)去年所制做的“能跟著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的日晷”）對(duì)比：1） 不用造價(jià)昂貴的太陽(yáng)

33、能電池板及電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)儀器旋轉(zhuǎn)，而利用不銹鋼球反射陽(yáng)光，即能得到每一時(shí)刻太陽(yáng)相對(duì)變化的角度（且不必?fù)?dān)心因太陽(yáng)能電池板位置偏離導(dǎo)致儀器無(wú)法精確跟蹤）；2） 利用高科技手段，由計(jì)算機(jī)高效、快捷、精確地得到最終數(shù)據(jù)，避免了由于刻度、光點(diǎn)難以完全吻合而使得數(shù)據(jù)不夠精確，或是個(gè)人因素而產(chǎn)生的誤差，非常方便；3） 我們的發(fā)明可將一天中所有時(shí)刻太陽(yáng)位置變化通過(guò)坐標(biāo)軌跡曲線圖及數(shù)據(jù)定位兩種方法記錄，從而方便人們?cè)谌魏螘r(shí)間都可隨心所欲得到所想了解日期的太陽(yáng)位置；4） 由不銹鋼球聚光，解決了采用玻璃、透鏡對(duì)聚焦易引起高溫灼燒的問(wèn)題，安全不危險(xiǎn)；5） 使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可將每時(shí)刻數(shù)據(jù)分類(lèi)、按照時(shí)間順序保存，以后想要何時(shí)

34、記錄都可快速得到，還能通過(guò)程序,輸入多個(gè)日期,將那些天的軌跡、數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。亦可通過(guò)程序?qū)⑵渌溃ㄈ缇W(wǎng)上、天文臺(tái)等處）數(shù)據(jù)一同輸入，進(jìn)行擬合對(duì)照；6） 相比而言，我們的項(xiàng)目作用不單一，只采用一種方法即做到了軌跡與數(shù)據(jù)兩種方法的顯示，形像直觀，功能全面；7） 本項(xiàng)目局限型小，很多天文觀測(cè)或演示儀器都無(wú)法避免歲差、時(shí)差、蒙氣差等因素影響，而我們的項(xiàng)目由于采了實(shí)量與電腦模擬的方法，解決了此問(wèn)題。再者，即使陰雨天氣也可由電腦趨勢(shì)回歸分析得出太陽(yáng)地平經(jīng)度和仰角或運(yùn)動(dòng)曲線。（3）對(duì)前人很少研究的月亮運(yùn)動(dòng)也進(jìn)行了研究總之，我們的項(xiàng)目免去了人工需自行抽時(shí)間計(jì)算、繪制圖線記錄數(shù)據(jù)等許多繁瑣工作，用計(jì)算機(jī)取代人類(lèi)，既方便快捷又準(zhǔn)確無(wú)誤。2實(shí)用性：本發(fā)明擁有相當(dāng)高的實(shí)用性，列舉如下：1) 測(cè)量與顯示太陽(yáng)的視位置：地平經(jīng)度和仰角；2) 顯示與測(cè)算真太陽(yáng)時(shí),通過(guò)查表可得時(shí)差；3) 測(cè)各節(jié)氣上海地區(qū)日照角；4) 計(jì)算各地磁偏角；5) 計(jì)算任何位置經(jīng)緯度；6） 演示任何地方、任何節(jié)氣太陽(yáng)