新型渾天儀顯示太陽運(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，既可模擬太陽運(yùn)行軌跡，又可通過算法的“關(guān)系建立”將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化成同時(shí)刻太 陽的地平經(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)

2、氣的太陽 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)過程中，張衡制作的“漏壺轉(zhuǎn)渾天儀”深深地吸引了

3、我們；但 同時(shí)也發(fā)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(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，來顯示每時(shí) 每刻太陽不斷變化的地平經(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，用來聚焦太陽光。購買一個(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

4、陽光點(diǎn)后，能自動(dòng)將其 輸入計(jì)算機(jī)，采用事先由 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，簡而言之就是通過各高科技產(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2. 1項(xiàng)目硬件材料圖3攝像頭實(shí)物圖1. 采用一個(gè)聚光程度相對(duì)較好、直徑50cm的不銹鋼球。2.

5、采用一本高為1.5m的筆直細(xì)桿，用以先期測(cè)算太陽位置角度。3. 采用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。2. 2太陽視運(yùn)行軌跡的記錄2.1.1 采用X光底片前的制作按事先計(jì)劃，我們用 Visual Basic 高級(jí)編程語言進(jìn)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(gè)攝像控件一一AVCapture ,用它進(jìn)

6、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：采用上述控件，對(duì)電子攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并保存為BMm圖格式。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(duì)它們進(jìn)行分析，并保存在自己設(shè)定的 Picture控件內(nèi)。編寫“文件分析系統(tǒng)”程序，區(qū)分BMPi圖中的R G B三原色，然后將數(shù)據(jù)讀取出來（ RGBW數(shù)值范圍是0255,而純白陽光的 RGB直很大：分別是 250、255和222。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(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

7、，用2個(gè)下標(biāo)表示一個(gè)數(shù)據(jù)的方法就稱之為“二維數(shù)組”）中，此數(shù)組中每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過事先選定好的一種背景顏色，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行操作一一將與輸入值相近的顏色 去除掉。這樣，就達(dá)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(diǎn)圖 像。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)。為更進(jìn)一步減少周圍環(huán)境的干擾一一其它光源的反射、散射、漫射，使日后實(shí)驗(yàn)測(cè)量更精確,我們又編寫了一個(gè)“過濾噪聲”程序，使用此程序可

8、進(jìn)一步將干擾減少到最小。（后來的實(shí)驗(yàn)證明，這一程序的建立很有必要，因?yàn)闆]采用降噪提取的點(diǎn)效果很差，而降噪后可更準(zhǔn)確地定位太陽中心 點(diǎn)）。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(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(jì)算機(jī)會(huì) 自動(dòng)顯示一個(gè)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。當(dāng)計(jì)算機(jī)通過上述一系列程序得到代表太陽位置的圖像后，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

9、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(shí)別。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，并最終連成各種曲率的線條，這就是這一天太 陽視運(yùn)動(dòng)在地面觀測(cè)者眼中的“軌跡”。上述過程可以用一個(gè)流程圖直觀地表示，如流程圖1所示。2.1.2 采用X光底片后的制作本程序編寫完成后，我們便開始了實(shí)驗(yàn)，其中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新問題。第一：當(dāng)太陽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

10、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像，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法連續(xù)進(jìn)行。經(jīng)分析我們發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)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，我們想到在觀賞日食時(shí)，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

11、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：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=A/（X-X2）2+（Yi-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”）時(shí)，就是與真實(shí)陽光顏色相近的點(diǎn)。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，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

12、上一光點(diǎn)周圍20x20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。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。2. 2. 3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，紅光下的陽光點(diǎn)特別明顯，而藍(lán)光下的 陽光點(diǎn)最不明顯：其效果如圖6所示，因此我們決定使用RGB單色剝離的方法，來提高計(jì)算機(jī)的工作 效率。本算法的具體執(zhí)行過程是：只將像素點(diǎn)的R值（即大于230的點(diǎn)）認(rèn)為是太陽光點(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

13、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= |Xi-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(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。z0RGx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B *d04f 0為使本發(fā)明可以更好地適應(yīng)各種場地與環(huán)境圖 7 (b)算法優(yōu)化后計(jì)算兩點(diǎn)在 x軸上投影距離(X2,Y2,Z2)dy(X1,Y1,Z1的

14、需要，我們又編寫了兩個(gè)與“ RGB-色剝離”相并列的程序一一“ YUV巨陣變換”（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(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(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。上述過程也可以用一個(gè)流程圖直觀地進(jìn)行表 示，如流程圖 2 所示。 圖8太陽視運(yùn)行軌跡記錄程序界面截圖至此，我們就完成了太陽運(yùn)行軌跡的記錄程序，這個(gè)程序可以將任意時(shí)刻太陽的視運(yùn)動(dòng)

15、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。此外，由于計(jì)算機(jī)具有“趨勢(shì)回歸分析”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(yùn)行軌跡推算出來，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。圖表2轉(zhuǎn)化后真實(shí)太陽視運(yùn)行軌跡2. 3太陽地平經(jīng)度和仰角的測(cè)量由于不銹鋼球是立體的，也就是說其表面是一個(gè)曲率 不可忽視的彎曲面，因而不便計(jì)算太陽“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)量太陽相對(duì)于觀測(cè)者的絕 對(duì)

16、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(jìn)行軌跡測(cè)量、記錄的同時(shí)，用另一臺(tái)筆記本電以下表格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)系的取法由于太陽投影點(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)太陽視運(yùn)行軌跡圖像如圖表2所示。標(biāo)軸 時(shí)亥廣X軸Y軸經(jīng)數(shù)據(jù)逆敘后X軸Y軸8: 00169. 692108.65753.39321.0

17、198: 30162. 386103. 17460.60126.4699: 00154. 78297.69767.89131.9739: 30147. 87292.22074.99237. 45010: 00140. 58286.74382.58242.92710: 30132. 99681.26689.59648. 40411: 00125. 78275.789_+96.70153.88711: 30118. 59270.312103.99259.35812: 00110. 99264.835110. 99264.83512: 30103. 99259.358118. 59270. 3121

18、3: 0096. 70153.887125.78275.78913: 3089. 59648.404132.99681.26614: 0082. 58242.927140.58286.74314: 3074.99237.450147.87292.22015: 0067. 89131.973154.78297.69715: 3060. 60126.469162.386103.17416: 0053. 39321.019169.692108.657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

19、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)日影的長短與豎桿的長度比值，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)示意圖陽不斷變化的角度數(shù)值。計(jì)算機(jī)程序通過日影長度與桿的高 度來計(jì)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(shí)現(xiàn)的，它的主要步驟是：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，由于各 獨(dú)立點(diǎn)的位置沒有限制，因而它們的 值是不確定白1可按 360°方向進(jìn)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° -18

20、0 ° ）。由于直角坐標(biāo)系中每一條直線， 都可以用法線式 XCOS +YSIN0 -p =0（P為參數(shù)）來表示，因此，根據(jù)上述計(jì)算得 到直線的0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。將上述計(jì)算而得的0值和p值都存儲(chǔ)在 一個(gè)二維數(shù)組中，并使用（0+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） 。當(dāng)整個(gè)過程完畢后，數(shù)組中最大元素所 對(duì)應(yīng)的0 , p值就是圖形中最長直線的0 ,p值。根據(jù)法線式的直線方程，我們就即可計(jì) 算出桿影的長度，從而推算出這一時(shí)刻太陽圖12 “霍夫變換”技術(shù)界面截圖地平經(jīng)度和仰角。“霍夫變換”技術(shù)的

21、界面截圖如圖12所示。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不同時(shí)刻仰角、地平經(jīng)度連 成的曲線。時(shí)刻仰角地平經(jīng)度8:0020.9671339.19478:3027.2008333.89579:0031.9900328.01949:3037.1745321.667010:0041.3075314.018110:3045.3068305.399911:0048.9687295.503011:3050.9600284.334912:0052.0117272.348512:3

22、051.4978260.109813:0050.2286248.668013:3047.9683237.999714:0043.3968229.001014:3038.9486220.999515:0033.9989214.103215:3028.6177208.079416:0022.9100202.7302時(shí)間一地平精度關(guān)系圖時(shí)間一仰角關(guān)系圖時(shí)間度精平地4:489:36時(shí)間14:2419:12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(jì)算太陽角度過程中，我們之所以采用較復(fù)雜的“霍夫變換”技術(shù)，而不

23、采用相對(duì)簡單的 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)與圖像的擬合程度是最佳 的。掃描方法的示意如圖 13所示。2. 5 ”視運(yùn)行軌跡”與“角度”建立關(guān)系由于太陽“視運(yùn)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(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

24、使用“豎桿成影”法另外測(cè)算?！敖㈥P(guān)系”的實(shí)施方法是：我們的實(shí)驗(yàn)測(cè)算是早晨 8: 00-下午16: 00,使用TIMER控彳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)。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、仰角進(jìn)行邏輯計(jì)算，從而每天可以得到480組關(guān)系。在二維數(shù)組累加器中，設(shè)定計(jì)算機(jī)自動(dòng)以( 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： f (X, Y) i = h(X, Y) 2 =0 ,其中，h表示太陽的仰角，0表示太陽的地平經(jīng)度。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，對(duì)屏幕上所有點(diǎn)進(jìn)行排序與關(guān)聯(lián)。采用三維坐

25、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。X, Y, 1 TO 2)的形式進(jìn)行排列，其中， 1和2圖14 “建立算法關(guān)系”的界面截圖3所示。計(jì)算機(jī)執(zhí)行“建立關(guān)系”程序的步驟如流程圖流程圖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

26、，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(shí)間段內(nèi)天文臺(tái)理論計(jì)算所得的太陽角度變化進(jìn)行線性擬合，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?/p>

27、者總是差一個(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月開始實(shí)驗(yàn)，將得到的數(shù)據(jù)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7!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)00<_20.967120.5535339.1947339.08798: 30'27.200826.3616333.8957333.96579: 0031.990031.9065328.0194328.2323

28、9: 3037.174537.0948321.6670321.706310: 0041.307541.8021314.0181314.188010: 3045.306845.8670305.3999305.490111: 0048.968749.0914295.5030295.508511: 3050.960051.2605284.3349284.334012: 0052.011752.1897272.3485272.354812: 3051.497851.7872260.1098260.228713: 0050.228650.0941248.6680248.668713: 3047.9683

29、47.2652237.9997238.184614: 0043.396843.5106229.0010228.977714: 3038.948639.0389220.9995221.006515: 0033.998934.0270214.1032214.105515: 3028.617728.6136208.0794208.074316: 0022.910022.9034202.7302202.7224圖表4自測(cè)數(shù)據(jù)與天文臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比7891016040200-20-40-60O-8Ku KurrII歹歹歹系系條圖表52005年5月11日太陽仰角對(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)，

30、“精度對(duì)比”顯示誤差是0 56。（太陽的高度角天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)只有段可進(jìn)行比較）。系列1系列2系列590度，但斜率基本圖表62005年5月11日太陽地平經(jīng)度對(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)，可以發(fā)現(xiàn)兩者相差的常數(shù)為 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

31、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)：其中卷積掩模用來測(cè)定邊界像素，以此 可算出半月、殘?jiān)?、滿月的圓心坐標(biāo)；八連跟蹤邊界技術(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。滿月輪廓?dú)堅(jiān)螺喞吘壌笾伦呦驁D15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

32、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“能跟著太陽旋轉(zhuǎn)的日署”）對(duì)比：1）不用造價(jià)昂貴的太陽能電池板及電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)儀器旋轉(zhuǎn)，而利用不銹鋼球反射陽光，即能得到每一時(shí)刻太陽相對(duì)變化的角度（且不必?fù)?dān)心因太陽能電池板位置偏離導(dǎo)致儀器無法精確跟蹤）；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)刻太陽位置變化通過坐標(biāo)軌跡曲線圖及數(shù)據(jù)定位兩種方法記錄，從而方便人

33、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、按照時(shí)間順序保存，以后想要何時(shí)記錄都可快速得到， 還能通過程序，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，既方便快捷又準(zhǔn)確無誤。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)量與顯示太陽的視位置：地平經(jīng)度和仰角；2） 顯示與測(cè)算真太陽時(shí)，通過查表可得時(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)氣太陽周日視運(yùn)動(dòng)；7）陰天也可由電腦趨勢(shì)回歸分析得出相關(guān)數(shù)據(jù)；8