新型渾天儀顯示太陽運動軌跡的地球儀

1、數(shù)字化“日月運動”觀測演示儀庾順禧、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、物理、數(shù)碼拍攝、計算機信息處理等多種技術(shù)的儀器。其主要原理是：太陽光照在一球體上，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，從而得到坐標值。根據(jù)自動記錄的數(shù)值，既可模擬太陽運行軌跡，又可通過算法的“關(guān)系建立”將坐標值轉(zhuǎn)化成同時刻太陽的地平經(jīng)度和仰角，還能與天文臺數(shù)據(jù)進行對比分析。與之類似，本儀器還對月亮的運動進行了觀測。本發(fā)明對推算某一地區(qū)的經(jīng)緯度、時差、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

2、周日視位置、周日視運動軌跡及月亮的運行規(guī)律；即使陰雨天，也可由電腦趨勢回歸分析得出數(shù)據(jù)。此外，程序中用到的YUV矩陣變化和卷積掩模技術(shù)可應用于任何需識別物體形狀特征的場所；攝像圖形處理技術(shù)可應用于任何需定時觀測物體移動的場所；八連跟蹤邊界技術(shù)可應用于任何需判定物體外形輪廓的場所。本發(fā)明旨在揭示月球、地球運動牽涉到的很多知識，可作為學生的學具、老師的教具、其他相關(guān)學科愛好者的學習平臺，對各科的研究性學習和野外工作者自行定位等有很高的實用價值。關(guān)鍵詞背景剝離 過濾噪聲 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，學習過程中，張衡制作的“漏壺轉(zhuǎn)渾天儀”深深地吸引了我們；但同時也發(fā)

3、現(xiàn)，鑒于條件制約，渾天儀在今天看來，尚存在很多不足有待改進。循著對天文學、數(shù)學及計算機信息處理技術(shù)的愛好，我們決定用現(xiàn)代高科技手段，自己設(shè)計、制作一種全新的儀器，來顯示每時每刻太陽不斷變化的地平經(jīng)度和仰角、觀測月亮的運動情況，還可將所有數(shù)據(jù)自動進行處理和保存，以便日后學習、研究、對比使用。于是在這樣一個想法下，便誕生了這個課題：數(shù)字化“日月運動”觀測演示儀。二實施過程1總體構(gòu)想與設(shè)計我們對項目的總體構(gòu)想是：將一個不銹鋼球體固定，用來聚焦太陽光。購買一個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。當攝像頭拍攝到球體反射的太陽光點后，能自動將其輸入計算機，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)進行相關(guān)轉(zhuǎn)換，從而得到太陽視運動軌跡、地平經(jīng)度和仰角、月亮的運動情況等，并將這些內(nèi)容進行顯示及保存，以便日后回放、研究和比較。以上這系列想法即我們的設(shè)計方案，簡而言之就是通過各高科技產(chǎn)品與計算機編程技術(shù)相結(jié)合，對日月位置進行拍攝、記錄及其數(shù)據(jù)的采集、分析，再進行比較、保存和演示，以達到設(shè)想效果。本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。圖1 總體結(jié)構(gòu)圖 圖2 實物圖2原理和實施21 項目硬件材料1 采用一個聚光程度相對較好、直徑50cm的不銹鋼球。2 采用一根高為1.5m的筆直細桿，用以先期測算太陽位置角度。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”公司制作的“201D+”型號攝像頭對太陽光點進行定時拍攝。攝像頭實物圖如圖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間的日月視運行軌跡。 圖3 攝像頭實物圖22 太陽視運行軌跡的記錄221 采用X光底片前的制作按事先計劃，我們用Visual Basic高級編程語言進行程序編寫。由于此發(fā)明需使用電子攝像頭，所以首先我們從網(wǎng)上下載了一個攝像控件AVCapture，用它進行圖像的數(shù)據(jù)處理。接著就開始了程序的編寫，其主要步驟是：l 采用上述控件，

6、對電子攝像頭拍攝的圖像進行預處理，并保存為BMP位圖格式。l 通過 “格式轉(zhuǎn)換”程序，將圖像信息打開，通過 “圖像輸入”程序，對它們進行分析，并保存在自己設(shè)定的Picture控件內(nèi)。l 編寫“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（RGB的數(shù)值范圍是0255，而純白陽光的RGB值很大：分別是250、255和222。l 編寫“剝離無關(guān)背景”程序，以最大可能地減少周圍干擾因素會產(chǎn)生的誤差，它的實施方法是：將圖像數(shù)據(jù)保存在一個二維數(shù)組（一系列有關(guān)系數(shù)據(jù)排列的集合，每一個像素都由一個數(shù)組名和一個下標表示，用2個下標表示一個數(shù)據(jù)的方法就稱之為“二維數(shù)組”）中，此數(shù)組中

7、每一個點對應一個相關(guān)數(shù)據(jù)，通過事先選定好的一種背景顏色，計算機會自動執(zhí)行操作將與輸入值相近的顏色去除掉。這樣，就達到了把無用干擾背景從圖像中一層層剝離開的效果，僅留下有用的太陽光點圖像。l 為提高“背景剝離”的效果和精度，我們又單獨設(shè)置了3個相互獨立的R、G、B分離模塊，這樣，與這3原色反差最強烈的數(shù)據(jù)就會最終以一種更加清晰的效果顯示在計算機屏幕上，從而大大提高剝離的準確度，為日后精確鎖定打下基礎(chǔ)。l 為更進一步減少周圍環(huán)境的干擾其它光源的反射、散射、漫射，使日后實驗測量更精確，我們又編寫了一個“過濾噪聲”程序，使用此程序可進一步將干擾減少到最小。（后來的實驗證明，這一程序的建立很有必要，因為

8、沒采用降噪提取的點效果很差，而降噪后可更準確地定位太陽中心點）。l 經(jīng)剝離后的圖像通過下一段程序的逐行逐列分析，能將區(qū)域中有數(shù)據(jù)保存到另一個二維數(shù)組中，這樣，最后就可得到一個只剩下“0”和“1”兩個數(shù)字的二維數(shù)組（其中“0”表示此像素處沒有圖像，“1”表示此像素處存在圖像）。經(jīng)過某一區(qū)域上許許多多的“0”和“1”數(shù)字的結(jié)合，計算機會自動顯示一個黑白圖像，那就是經(jīng)過“層層篩選”后，最終被確定的太陽光中心位置。l 當計算機通過上述一系列程序得到代表太陽位置的圖像后，會自動鎖定這個圖形的區(qū)域范圍(即對圖像上有用信息范圍的確定)：在不超過邊緣的情況下將圖像加粗，使特征清晰化，類似Photoshop中的

9、圖像處理功能，從而使本來沒有封閉的輪廓封閉，有助與物體識別。l 獲取圖像后，計算機自動以不銹鋼球體的俯視面建立直角坐標系，并規(guī)定Y軸負方向為正南方，將圖像點位置代表的坐標值在另一窗口中顯示出來，并最終連成各種曲率的線條，這就是這一天太陽視運動在地面觀測者眼中的“軌跡”。上述過程可以用一個流程圖直觀地表示，如流程圖1所示。 選取攝像頭信息 輸入被分析圖片名稱 打開攝像頭，自動開始拍攝圖像捕捉畫面，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 過濾噪聲，進一步過濾 范圍鎖定，保存當前值與畫面 結(jié)束流程圖1 采用X光底片前計算機程序執(zhí)行步驟222 采用X光底片

10、后的制作本程序編寫完成后，我們便開始了實驗，其中發(fā)現(xiàn)了兩個新問題。第一：當太陽光照射到不銹鋼球表面后，會產(chǎn)生一個很大的光亮塊，而不是想像中聚光后的小亮點，以致采用“背景剝離”后得到的光點非常大，用提取幾何中心的辦法很難精確定位其中心點，具體實驗結(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，以及陽光的高亮度，使攝像頭在暴露室外拍攝圖像的過程中常常得到全白的非正常 圖4 太陽大光點 圖5 “過濾噪聲”后的效果圖像，導致實驗無法連續(xù)進行。經(jīng)分析我們發(fā)現(xiàn)，這兩個問題都是由于太陽光亮度高、不銹鋼球無法聚焦而產(chǎn)生的，若能找到一種可以過濾不相干陽光的方法，就可解決上述問題。經(jīng)一番思考，我們想到在觀

11、賞日食時，常用濾光片將太陽色球、日冕發(fā)出的光過濾掉，就可清晰地看到光球發(fā)生日食的全過程。經(jīng)上網(wǎng)查詢資料，我們了解到在太陽白光的拍攝中，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行拍攝，并對程序作了適當調(diào)整：l 在RGB模塊分離后提取相近點：把每張圖片上每個點的RGB信息放在三維笛卡兒坐標系中，其中，X軸代表像素點的R值，Y軸代表像素點的G值，Z軸代表像素點的B值，由公式：d=(X1-X2)2+(Y1-Y2)2 +（Z1-Z2）2 計算兩像素點之間的距離，當它小于某個給定值（實驗數(shù)據(jù)，可調(diào)，我們采用的是“50”

12、）時，就是與真實陽光顏色相近的點。l 由于每次都對整個圖像上所有像素與日光對比，耗時長，又想到圖像處理中的動態(tài)跟蹤技術(shù)，我們便考慮根據(jù)上一光點的位置進行范圍限制，使下一光點在下一次提取中，只需在上一光點周圍20x20像素范圍內(nèi)提取即可，同時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，精確定位直角坐標系中X坐標軸與Y坐標軸上的數(shù)值。l 利用一個TIMER控件進行控時，60秒執(zhí)行一次循環(huán)，即可定時檢測日影光點位置變化。223 算法的優(yōu)化在實驗圖像的分析中，我們明顯發(fā)現(xiàn)在RGB三色模塊中，紅光下的陽光點特別明顯，而藍光下的陽光點最不明顯：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，來提高計算機的工作效率。本算法的具體執(zhí)行過程是：只將像素點的R值（即大于230的點）認為是太陽光點，這樣，不再需要計算三維坐標系中兩像素點之間的距離，只要確定兩點在X軸（即像素點R值所代表的坐標軸）上的投影位置，使用公式：d= |X1-X2| 計算其距離即可。 圖6 RGB三色模塊截圖再次試驗后我們發(fā)現(xiàn)不僅得到的圖像非常清晰，而且效果與之前形成強烈反差。由于改進的程序更加簡單、優(yōu)化，因此排除了大多數(shù)干擾。此外，原來三次平方、一次開方的計算現(xiàn)只需一次減法判別即可，大大減少了計算率，從而使工作時間得到縮短。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)化前計算三維坐標系中兩點之間的距離R0GdB圖7（b） 算法優(yōu)化后計算兩點在x軸上投影距離為使本發(fā)明可以更好地適應各種場地與環(huán)境的需要，我們又編寫了兩個與“RGB單色剝離”相并列的程序“YUV矩陣變換”（將原來的RGB彩色信息轉(zhuǎn)化成只有灰度的黑白圖像，這樣可以使計算機工作效率大幅提高）與“卷積掩?！保ú捎?個卷積核子、1個掩模因子與拉普拉斯I型濾波器、拉普拉斯II型濾波器，通過掩模剝離將圖像上物體的輪廓特征清晰地顯示出來，并存儲為一個模塊），即可使本項目能根據(jù)外界環(huán)境變化，自己選擇一種最優(yōu)的方法達到效果。本程序的界面截圖如圖8所示。上述過程也可以用一個流程圖直觀

15、地進行表 示，如流程圖2所示。 圖8 太陽視運行軌跡記錄程序界面截圖設(shè)置時間間隔，自動開始數(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光底片后計算機程序執(zhí)行步驟至此，我們就完成了太陽運行軌跡的記錄程序，這個程序可以將任意時刻太陽的視運動位置在直角坐標系中的坐標值按時間順序進行顯示和保存，并自動將每一點坐標連成一條條曲線，這些曲線就是太陽的周日視運動軌跡路徑。其中，直角坐標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，由于計算機具有“趨勢回歸分析”

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)太陽可能的視運行軌跡推算出來，然后與后幾天實測數(shù)據(jù)和軌跡圖線進行比較，使本儀器的數(shù)據(jù)分析功能更加強大。以下表格1，是我們選取最新的2005年5月11日實驗所測得的太陽光點位置在直角坐標系中的相對坐標值（由于篇幅關(guān)系，這里以0.5小時為一個單位）；圖表1是這一天由太陽不同時刻光點連成的圖線軌跡。 圖9 直角坐標系的取法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由于太陽投影點的運動方向與其真實運動方向恰好相反（類似小孔成像原理），因而我們用“數(shù)據(jù)逆敘”的方法進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)如表格2所示，而以此得到的真實太陽視運行軌跡圖像如圖表2所示。 坐標軸時刻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實測太陽光點坐標值 表格2 2005-5-11轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù) 圖表1 實測太陽光點投影曲線 圖表2 轉(zhuǎn)化后真實太陽視運行軌跡23太陽地平經(jīng)度和仰角的測量由于不銹鋼

19、球是立體的，也就是說其表面是一個曲率不可忽視的彎曲面，因而不便計算太陽“視運動”時變化的地平經(jīng)度和仰角。為了實際測量太陽相對于觀測者的絕對位置，我們決定利用“豎桿成影”的辦法，在用不銹鋼球?qū)μ栠M行軌跡測量、記錄的同時，用另一臺筆記本電腦在旁邊進行位置角度的測算。這種方法主要步驟是：在地上豎一根高1.5米的細桿，當太陽光照射后會在地上形成黑色的日影。此時，處于桿正上方的另一個數(shù)碼攝像頭會自動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)日影的長短與豎桿的長度比值，利用數(shù)學中的三角函數(shù)等關(guān)系式，就可以由程序推算出各時刻太 圖10 “豎桿成影”法結(jié)構(gòu)示意圖陽不斷變化的角度數(shù)值

20、。p0xy計算機程序通過日影長度與桿的高度來計算太陽地平經(jīng)度和仰角，是我們通過數(shù)字圖像處理中的“霍夫變換”（Hough）技術(shù)來實現(xiàn)的，它的主要步驟是：l 將攝像頭拍攝到的、平面圖像上每一個有用像素點提取出來，由于各獨立點的位置沒有限制，因而它們的值是不確定的，可按360°方向進行旋轉(zhuǎn)。因此我們通過窮舉斜率的方法，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 由于直角坐標系中每一條直線，都可以用法線式XCOS+YSIN-p =0（P為參數(shù)）來表示，因此，根據(jù)上述計算得到直線的值，就可計算出相應的p值。這個推算的分析如圖11所示。l 將上述

21、計算而得的值和p值都存儲在一個二維數(shù)組中，并使用(,p)+1累加器對所有數(shù)據(jù)進行累加（累加的界限為0.1°，這個數(shù)值會直接影響到日后實驗的測量精度）。l 當整個過程完畢后，數(shù)組中最大元素所對應的，p值就是圖形中最長直線的,p值。根據(jù)法線式的直線方程，我們就即可計算出桿影的長度，從而推算出這一時刻太陽地平經(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日所測得的太陽地平經(jīng)度與仰角的絕對坐標值（由于篇幅關(guān)系，這里以0.5小時為一個單位）；圖表3、4分別是這一天由太陽不同時刻仰角、地平經(jīng)度連成的曲線。

22、角度值時刻仰角地平經(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太陽地平經(jīng)度與仰角圖表3 2005年5月11日太陽仰角曲線 圖表4 2005年5月11日太陽地平經(jīng)度曲線說明：在計算太陽角度過程中，我們之所以采用較復雜的“霍夫變換”技術(shù)，而不采用相對簡單的掃描技術(shù)，是因為：后者方法是計算機逐行、逐列對平面圖像上的每一個點進行掃描，然后將掃到的區(qū)域范圍內(nèi)所有點進行排列，并自動連接相距最遠的兩個點。這種方法的缺點是可能會將圖像上的干擾點視為有用像素點，導致實驗數(shù)據(jù)出錯。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。干擾點干擾點正確最長直線錯誤最長直線圖13 掃描方法示意圖25“視運行軌跡”與“角度”建立關(guān)系由于太陽“視運行軌跡”是陽光照射在不銹鋼球上顯示得到的，太陽的地平經(jīng)度和仰角是陽光形成日影后計算得到的，兩者相互獨立，所以我們設(shè)想對它們的邏輯計算建立關(guān)系，這樣只需由太陽軌跡的X、Y軸坐標值，即可轉(zhuǎn)化得到同時刻的角度數(shù)據(jù)，不再需要使用“豎桿成影”法另外測算?！敖㈥P(guān)系”的實施方法是：l 我們的實驗測算是早晨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。l 將480個數(shù)據(jù)分別對應的X、Y軸數(shù)值與同時刻的地平經(jīng)度

25、、仰角進行邏輯計算，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)定計算機自動以（X，Y，1 TO 2）的形式進行排列，其中，1和2分別表示數(shù)組的下界和上界。然后，經(jīng)累加而得一個方程組： （X，Y）1 = h（X，Y）2 =，其中，h表示太陽的仰角，表示太陽的地平經(jīng)度。l 將先期共計10個月的每一天的方程組存在一個文本文件中，作為一個大型數(shù)據(jù)庫，對屏幕上所有點進行排序與關(guān)聯(lián)。l 采用三維坐標，將初始化點進行一一對應的算法建立，從而使今后只用不銹鋼球接受陽光點，就能同時得到它的“運動軌跡”和地平經(jīng)度、仰角數(shù)據(jù)。“建立算法關(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、計算機執(zhí)行“建立關(guān)系”程序的步驟如流程圖3所示。開始讀入自測軌跡數(shù)據(jù)繪制自測軌跡數(shù)據(jù)圖像讀入自測角度數(shù)據(jù)繪制自測地平經(jīng)度和仰角圖像一一對應后，在累加器中進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 計算機執(zhí)行“建立關(guān)系”程序的步驟3進一步完善的方案為檢驗實驗數(shù)據(jù)的準確度和可靠度，我們決定去天文臺索取人工理論計算的太陽地平經(jīng)度和仰角，將兩者進行對比分析，以驗證這一系列編程操作和數(shù)據(jù)實測的成效與否。4深入制作我們在天文臺老師幫助下得到了他們提供的數(shù)據(jù)，又另外建立了一個數(shù)據(jù)庫，將大量數(shù)據(jù)分門別類保存其中，然后編寫一套“輸入程序”，用于將某一時間段內(nèi)天文臺理論計算所得的太陽角度變化進行線性擬合

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），就說明了我們所編制程序的準確性及這套方案施行的可行性和有效性。為精確對兩者進行比較，我們設(shè)置了精度對比按鈕，它可顯示兩份數(shù)據(jù)對比后的平均偏差。由于天文學上計算方位角有嚴格方向規(guī)定：地理正東或正西，而我們在學校測量受條件限制，無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)對比，因為兩者總是差一個常數(shù)，而變化的斜率相同（經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)這個常數(shù)值是90）。5實驗數(shù)據(jù)分析本項目從2004年6月開始實驗，將得到的數(shù)據(jù)

28、與天文臺數(shù)據(jù)進行對比后，發(fā)現(xiàn)基本達到了預期效果。 以下表格4是我們選取最新的、2005年5月11日所測的太陽地平經(jīng)度和仰角數(shù)據(jù)與天文臺的比較；圖表5、6分別是將它們繪制后得到的圖線。 角度值時刻自測仰角天文臺數(shù)據(jù)自測地平經(jīng)度天文臺數(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 自測數(shù)據(jù)與天文臺數(shù)據(jù)對比 圖表5 2005年5月11日太陽仰角對比其中，紅線為天文臺數(shù)據(jù)，黃線為我們的實測數(shù)據(jù)，“精度對比”顯示誤差是0.56。（太陽的高度角一天24小時都有，負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)只有一段可進行比較）。 圖表6 2005年5月11日太陽地平經(jīng)度對

31、比其中，紅線為天文臺數(shù)據(jù)，黃線為我們的實測數(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。“精度對比”顯示誤差是1.27。6月亮的觀測月亮的觀測采用與太陽相似的技術(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拍攝，無需使用球體。為了使攝像頭的視野能足夠大，我們采用3個攝像頭并列安置，得到的平面是3者之和。在月亮位置的識別上，考慮到月亮存在形狀變化，因此將算法重點放在圖像邊緣檢測上，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)：其中卷積掩模用來測定邊界像素，以此可算出半月、殘月、滿月的圓心坐標；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行對比，即可判定圖形的基本形狀。另外，我們還采用了計算圖形面積的方法進行輔助判斷，具體的分析如圖15所示。 滿月輪廓 邊緣大致走向 殘月輪廓 邊緣大致走向圖15 月亮邊緣測定示意圖三新穎性和實用性本發(fā)明的課題盡管已有制作，但我們所采用的方法是他人沒有想到的，具有很多創(chuàng)新點，現(xiàn)分別列舉如下：1創(chuàng)新點：（1）與古代制作對比：與 “漏壺轉(zhuǎn)渾天儀”相比，我們的項目完全跳出了機械模式，而大量采用高科技技術(shù)：計算機編程與數(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（我校同學去年所制做的“能跟著太陽旋轉(zhuǎn)的日晷”）對比：1） 不用造價昂貴的太陽

33、能電池板及電動機帶動儀器旋轉(zhuǎn)，而利用不銹鋼球反射陽光，即能得到每一時刻太陽相對變化的角度（且不必擔心因太陽能電池板位置偏離導致儀器無法精確跟蹤）；2） 利用高科技手段，由計算機高效、快捷、精確地得到最終數(shù)據(jù)，避免了由于刻度、光點難以完全吻合而使得數(shù)據(jù)不夠精確，或是個人因素而產(chǎn)生的誤差，非常方便；3） 我們的發(fā)明可將一天中所有時刻太陽位置變化通過坐標軌跡曲線圖及數(shù)據(jù)定位兩種方法記錄，從而方便人們在任何時間都可隨心所欲得到所想了解日期的太陽位置；4） 由不銹鋼球聚光，解決了采用玻璃、透鏡對聚焦易引起高溫灼燒的問題，安全不危險；5） 使用計算機技術(shù)，可將每時刻數(shù)據(jù)分類、按照時間順序保存，以后想要何時

34、記錄都可快速得到，還能通過程序,輸入多個日期,將那些天的軌跡、數(shù)據(jù)進行對比。亦可通過程序?qū)⑵渌溃ㄈ缇W(wǎng)上、天文臺等處）數(shù)據(jù)一同輸入，進行擬合對照；6） 相比而言，我們的項目作用不單一，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） 本項目局限型小，很多天文觀測或演示儀器都無法避免歲差、時差、蒙氣差等因素影響，而我們的項目由于采了實量與電腦模擬的方法，解決了此問題。再者，即使陰雨天氣也可由電腦趨勢回歸分析得出太陽地平經(jīng)度和仰角或運動曲線。（3）對前人很少研究的月亮運動也進行了研究總之，我們的項目免去了人工需自行抽時間計算、繪制圖線記錄數(shù)據(jù)等許多繁瑣工作，用計算機取代人類，既方便快捷又準確無誤。2實用性：本發(fā)明擁有相當高的實用性，列舉如下：1) 測量與顯示太陽的視位置：地平經(jīng)度和仰角；2) 顯示與測算真太陽時,通過查表可得時差；3) 測各節(jié)氣上海地區(qū)日照角；4) 計算各地磁偏角；5) 計算任何位置經(jīng)緯度；6） 演示任何地方、任何節(jié)氣太陽