Как посчитать количество звёзд на фото? / Хабр

Всем привет!

Недавно я участвовал в олимпиаде по искусственному интеллекту на Python и там было много интересных задач, но самая интересная это про звезды на небе: «Дано фото звездного неба с земли. Задача: определить количество звёзд на небе»

Вроде бы не сложно, если фотка только со звездами, например:

Фото только со звёздами

Ладно, тут все легко! Это можно решить так:

Импортируем библиотеки

from scipy.spatial import distance
from skimage import io
from skimage.feature import blob_dog, blob_log, blob_doh
from skimage.color import rgb2gray
import matplotlib.pyplot as plt

Я буду использовать библиотеку skimage для работы с изображением, scipy — для сложных математических вычислений и matplotlib.pyplot для отладочного вывода.

image = io.imread(input("Путь до изображения: "))
image_gray = rgb2gray(image)

Откроем изображение и преобразуем его в черно белое для его простоты его будущей обработки.

Чтобы разобраться как мы упростили представление изображения, возьмем первый пиксель в RGB и GrayScale:

print(image[0, 0])
print(image_gray[0, 0])

И получим:

[24 16 14] #RGB
0.06884627450980392 #GrayScale

работать с float проще чем с кортежем

Далее нам нужно определиться, как искать звезды. К счастью, в модуле skimage есть функция определения капель(blobs). Их три вида:

• Laplacian of Gaussian (LoG)

• Difference of Gaussian (DoG)

• Determinant of Hessian (DoH)

Подробнее о их различиях можно прочитать тут.

На личном опыте и сравнивая результаты я пришел к выводу, что для данной задачи я буду использовать с такими параметрами.

blobs_log = blob_log(image_gray, max_sigma=20, num_sigma=10, threshold=.05)

Далее я отмечаю точки на картинке и считаю их количество

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
ax.set_title('Laplacian of Gaussian')
ax. imshow(image)
c_stars = 0
for blob in blobs_log:
    y, x, r = blob
    if r > 2:
        continue
    ax.add_patch(plt.Circle((x, y), r, color='purple', linewidth=2, fill=False))
    c_stars += 1
print("Количество звёзд: " + str(c_stars))
ax.set_axis_off()
plt.tight_layout()
plt.show()

Запуская, я получаю такой результат:

Количество звёзд: 353

Вывод программы

Но верно ли отработает программа, если ввести ей картинку, которая соответствует условию задачи.

Картинка, соответствующая задачи

И мы получим много ложных точек.

Поэтому нужно улучшить алгоритм поиска точек. Для этого воспользуемся еще одной фишкой библиотеки skimage это сегментация изображения.

Вот ссылка на источник, где описывается основы сегментации изображения.

Взяв от туда нужный кусок кода, мы улучшаем нынешний алгоритм.

Импортируем новые модули:

from skimage.segmentation import slic, mark_boundaries
import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans

Сегментируем изображение с помощью функции slic

segments = slic(img, start_label=0, n_segments=200, compactness=20)
segments_ids = np. unique(segments)
print(segments_ids)
# centers
centers = np.array([np.mean(np.nonzero(segments == i), axis=1) for i in segments_ids])
print(centers)
vs_right = np.vstack([segments[:, :-1].ravel(), segments[:, 1:].ravel()])
vs_below = np.vstack([segments[:-1, :].ravel(), segments[1:, :].ravel()])
bneighbors = np.unique(np.hstack([vs_right, vs_below]), axis=1)
fig = plt.figure(figsize=(10, 10))
ax = fig.add_subplot(111)
plt.imshow(mark_boundaries(img, segments))
plt.scatter(centers[:, 1], centers[:, 0], c='y')
for i in range(bneighbors.shape[1]):
    y0, x0 = centers[bneighbors[0, i]]
    y1, x1 = centers[bneighbors[1, i]]
    l = Line2D([x0, x1], [y0, y1], alpha=0.5)
    ax.add_line(l)

Сегментация изображения

Создаём словарь, для определения к какому сегменту относится каждый пиксель.

dict_seg = {}
for i in range(img.shape[0]):
    for j in range(img.shape[1]):
        seg = segments[i, j]
        if seg not in dict_seg.keys():
            dict_seg[seg] = [img[i, j]]
            continue
        dict_seg[seg]. append(img[i, j])

Высчитываем средний цвет у каждого сегмента

def middle(a, b):
    color = []
    for i, j in zip(a, b):
        color.append((i + j) // 2)
    return color
  
for k, v in dict_seg.items():
    # вычисляем перцентиль для выброса пересвеченных пикселей в сегменте 
    p = int(0.9 * len(v))
    v = sorted(list(v), key=lambda x: my_distance(x, white))
    s = [0, 0, 0]
    for c in v:
        s[0] += c[0]
        s[1] += c[1]
        s[2] += c[2]
    s[0] //= len(v[:p])
    s[1] //= len(v[:p])
    s[2] //= len(v[:p])
    dict_seg[k] = s

На выходе получаем словарь со средними цветами в каждом сегменте

>>> {0: [5, 3, 14], 1: [5, 3, 16], 2: [7, 4, 17] ... 190: [23, 19, 37]}

Далее кластеризуем словарь dict_segс помощью KMeans из библиотеки sklearn

kmeans = KMeans(n_clusters=3, algorithm="elkan")
kmeans.fit(list(dict_seg.values()))
labels, counts = np.unique(kmeans.labels_, return_counts=True)

Создаем новый словарь вида {segment: claster_num(их всего 3)}

dic_seg_claster = {}
for key, value in dict_seg. items():
    dic_seg_claster[key] = kmeans.predict([value])[0]
max_l = max(dic_seg_claster.values(), key=lambda x: list(dic_seg_claster.values()).count(x))

Находим максимально частый кластер на картинке

Далее идет наш предыдущий код, но с некоторыми изменениями:

blobs_log = blob_log(image_gray, max_sigma=30, num_sigma=10, threshold=.05)
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
...
for blob in blobs_log:
    y, x, r = blob
    # новый фрагмент
    if dic_seg_claster[segments[int(y), int(x)]] == max_l:
        c = plt.Circle((x, y), r, color='purple', linewidth=2, fill=False)
        count += 1
        ax.add_patch(c)
...

И уже получаем результат получше.

1418 звезд

Высчитав статистическую вероятность, пришел к выводу, что погрешности на лишних объектах компенсируют невыделенные звезды.

Этот алгоритм ещё можно долго улучшать, подстраивать количество сегментов и кластеров. Но на данный момент я приостановлюсь.

Все ваши пожелания или негодования оставляйте а комментариях, мне будет очень интересно прочитать их, для того чтобы улучшить мой алгоритм до идеального состояния)

Готовый проект можно найти в gitHub

Спасибо за внимание!

какого числа, во сколько начнется и где будет виден

Персеиды – метеорный поток, появляющийся на небосводе ежегодно в июле-августе. Это название возникло потому, что метеоры формируются в созвездии Персея.

Звездопад Персеиды – древнее явление. Уже в древних китайских летописях содержатся упоминания о Персеидах. В VIII-IX веках об этом звездопаде регулярно упоминают в китайских, корейских и японских исторических документах. В Италии этот звездопад получил красочное название «Слезы святого Лаврентия», поскольку 10 августа празднуется день этого святого, тогда же и наблюдается пик Персеид.

Какого числа и во сколько начнется звездопад Персеиды

Первые редкие метеоры появляются 17 июля, последние вспыхнут 24 августа: небесная река широка. Максимальная интенсивность потока приходится в ночь с 12 на 13 августа. В это время количество светящихся метеоров может быть и 100, и даже 150. Увеличение и уменьшение числа падающих «звезд» происходит постепенно. В первые и последние дни звездопада обычно сгорают 1-2 «звезды» в час. 

Метеоры летят со скоростью около 210 тысяч километров в час и начинают загораться на высоте в 70 километрах над Землей. Метеоры, летящие к нам со скоростью 210 тысяч километров в час, начинают загораться на высоте примерно в 70 километрах над Землей. Некоторые – наиболее крупные – будут падать несколько секунд, оставляя в небе яркие струйки. Можно успеть загадать какое-нибудь коротенькое желание. Вроде «Замуж!», «Денег!», «Будем здоровы!» Или даже «Мир во всем мире!» 

Радиант метеорного потока Персеиды. Фото: Московский Планетарий

Бывалые наблюдатели справедливо рекомендуют любоваться звездопадами за городом – там, где небо темнее. Телескоп или бинокль не понадобятся – метеоры хорошо видны невооруженным глазом.

Одновременно с Персеидами к нам иногда залетают и Каприкорниды. Но эти падающие «звезды» легко отличить друг от друга. Персеиды, как правило, белые. Каприкорниды – оранжевые и желтые.

СПРАВКА «КП»

Комета Свифта-Туттля была открыта в 1862 году. Период ее обращения 135 лет. Последний раз ее видели в 1992 году. В 2126 году комета вернется и приблизится к нашей планете на 23 миллиона километров, а в 4479 году — на 4,5 миллионов километров. Землян, если они останутся, ждут красочные зрелища. Ведь комета — огромна. Ее ядро достигает 26 километров в диаметре. Этим, кстати, и объясняется то, что комета Свифта-Туттля оставляет столь насыщенный частичками шлейф. От большого «корабля» — больше «грязи».

Астрономы НАСА уверяют, что, начиная с 2008 года, количество метеоров, выпавших на Землю из хвоста кометы, увеличивается. Поэтому не исключено, что нынешние наблюдения станут весьма плодотворными, а звездопад — действительно красочным.

Официальным первооткрывателем Персеид считается бельгиец Адольф Кетеле — математик, астроном, метеоролог, социолог, один из родоначальников научной статистики. Он публично привлек внимание к красочному зрелищу в августе 1835 года. Однако о том, что Персеиды существуют, знали еще древние китайцы — упоминали об этом метеорном потоке в своих летописях в 36 году до нашей эры. 

Где и когда наблюдать

Лучше всего начинать следить за падающими Персеидами с 11 часов вечера по местному времени, обратив взор на северо-восток. Интенсивность потока постепенно нарастает после полуночи, достигая своего максимума примерно в 4.30 утра. 

Созвездие Персея располагается в северной части неба. Чтобы облегчить поиски, нужно искать созвездие Кассиопеи, которое по форме напоминает букву «W». Чуть левее и ниже будет созвездие Персея.

Наблюдению за звездопадом препятствует свет полной Луны, который приглушает огоньки падающих «звезд». Но условия должны быть отменные, поскольку Луна уйдет с неба уже в 10 часов вечера. Помешать наблюдению за падающими Персеидами могут только облака.

Где и когда наблюдать звездопад Персеиды. Фото: kp.ru

Астрологическое значение Персеид

Уже в древности регулярному появлению звездных потоков придавалось мистическое значение. Наши предки советовали загадывать желание на падающую звезду, тогда оно обязательно сбудется. Часто так и происходило. Поэтому и сегодня многие загадывают желания, даже люди с высшим образованием. 

Сохранилась традиция в ночь с 12 на 13 августа заряжать положительной энергией различные продукты. Особенно полезно в этот день готовить блюда из овощей, фруктов, злаков и меда. Этот день очень подходит для различных духовных практик и медитации. 

Астрологи утверждают, что звездопад несет с собой поток энергии. В созвездии Персея, по мнению эзотериков, происходит соперничество между Светом и Тьмой, поэтому поток энергии Персеид обладает противоречивой природой. Некоторые люди начнут бороться за справедливость, другие встанут на защиту собственных интересов. В период звездопада особенно рекомендуется отказаться от агрессивных действий, проявлять терпимость к родным и близким и сострадание к окружающим.

Метеор потока Персеиды, который как-то в августе сфотографировал астронавт Рон Гаран (Ron Garan) с борта Международной космической станции (МКС). Фото: pixabay.com

Мнение эксперта

Андрей Найденов, преподаватель физики и математики в онлайн-школе TutorOnline: 

– Падающие звезды – одно из красивейших явлений природы. Загадывать желания на падающую звезду – одно из старинных поверий. При этом падающая звезда может быть одна-единственная на весь ночной небосвод. А если таких звезд падает по 50 и более за один час? Представляете, сколько желаний можно загадать за одну ночь? По этой или другой причине, но наблюдение за падающими в большом количестве звездами с некоторых пор становится экстравагантным развлечением для многих жителей планеты Земля. 

Конечно, мы знаем, что наблюдаем не падение звезд, а падение метеоров – мелких осколков космических объектов, которые собраны в огромные облака, несущиеся с бешеной скоростью по своим, достаточно хорошо известным астрономам орбитам. Научное название этого явления – метеорные потоки. Когда траектории движения Земли и метеорных потоков пересекаются в пространстве, многочисленные космические камни на огромной скорости врезаются в атмосферу нашей планеты и сгорают, нагреваясь до высокой температуры в верхних ее слоях. 

Звездопад Персеиды в августе 2022 года должен порадовать и астрономов, и любителей этого прекрасного зрелища. В этом году пик ожидается с 12 по 13 августа. При этом фаза Луны будет находиться между новолунием и первой четвертью. Это сделает ее влияние на освещение неба минимальным. Этот «звездопад» можно будет наблюдать на протяжении всей ночи. Причем пик придется на предрассветные часы. 

Этот метеорный поток связывают с кометой Свифта-Таттла. Его радиант, то есть место на небе, кажущееся источником метеорного потока, находится в созвездии Персея. 

Валентин Кожешкурт, старший методист Домашней школы «ИнтернетУрок» по физико-математическому направлению: 

– Звездопад мы наблюдаем, когда Земля входит в область метеорного роя – множества осколков, которые остались после полного или частичного разрушения кометы. Эти осколки попадают в атмосферу Земли и, сгорая в ней, вызывают вспышку – ее мы и видим как «падающую звезду». 

Одна из таких комет – комета Свифта-Таттла. Эта комета, как и другие, движется вокруг Солнца по очень вытянутой траектории и приближается к Солнцу (а значит, и к Земле) один раз в более чем 130 лет. Но след из небольших осколков, который она оставляет за собой, – метеорный рой – так и остается вблизи ее траектории. 

Каждый год в августе Земля возвращается в эту область, вращаясь вокруг Солнца, и мы наблюдаем в это время звездопад Персеиды. Понятно, что область метеорного роя очень размыта, поэтому нет четкого момента начала и конца звездопада, когда Земля входит в метеорный рой и выходит из него. 

Звездопад Персеиды длится около месяца с постепенно нарастающей и убывающей интенсивностью, поэтому говорить о датах можно лишь условно. Обычно внимание акцентируют на дне, когда интенсивность звездопада максимальна – 12 августа.

30 000+ Картинки Луна и Звезды

30 000+ Картинки Луна И Звезды | Скачать бесплатные изображения на Unsplash

• A Photophotos 10k
• А. Изображения и изображения продуктов питания

  чашка чая

  цветной фон

  изображения и изображения луны

  the moon

  full moon

  Hd sky wallpapers

  Galaxy images & pictures

  Cool backgrounds

  outdoors

  horizontal

  lighting equipment

  Moon images & pictures

  Star images

  universe

  whidbey island

  вашингтон

  сша

  ночь

  дерево картинки и картинки

  голубое небо

  HD обои

  индия

  Kanpur

  Деревные изображения и картинки

  Mountians

  Banff

  Dusk

  Градиент Фоны

  LONE

  Хэллоуин изображения и картин ––– –––– – –––– ––––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.

  Серые обои Hd

  Закат изображения и картинки

  Восход солнца

  Природа изображения

  Outer space pictures

  astronomy

  aboveclouds

  Hd orange wallpapers

  crescentmoon

  Hd wallpapers

  Hq background images

  photoshop background

  Hd blue wallpapers

  Light backgrounds

  nightsky

  group of objects

  развитие

  обучение

  ночная съемка

  полнолуние

  облака и изображения

  космические изображения и изображения

  Австрия

  Vienna

  HD Night Sky Walpapers

  Starry Night

  Starry Sky

  Связанные коллекции

  Moon and Stars

  157 Фотографии · Cudated By Drie Wickline

  9050 157. Хизер Бриггс

  Луна и звезды

  138 фото · Куратор: Abbie SuiteR

  Изображения и фотографии еды

  чашка чая

  цветной фон

  Hd sky wallpapers

  Galaxy images & pictures

  Cool backgrounds

  outdoors

  horizontal

  lighting equipment

  whidbey island

  washington

  usa

  Hd wallpapers

  india

  kanpur

  Tree images & pictures

  mountians

  banff

  Хэллоуин картинки и картинки

  Осень картинки и картинки

  Облака картинки и картинки

  Hd grey wallpapers

  Sunset images & pictures

  sunrise

  aboveclouds

  Hd orange wallpapers

  crescentmoon

  Hd wallpapers

  Hq background images

  photoshop background

  night

  Tree images & pictures

  bluesky

  Космические картинки и картинки

  австрия

  вена

  Hd обои ночного неба

  звездная ночь

  звездное небо

  –––– –––– –––– – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.

  Moon Images & Pictures

  The Moon

  Полнолуние

  Природные изображения

  Overse Space Pictures

  Астрономия

  Moon Images & Pictures

  Звездные изображения

  Universe

  HD Blue Wallpaper nightsky

  Похожие коллекции

  Луна и звезды

  157 Фотографии · Куратор Drew Wickline

  Moon & Stars

  127 Фотографии · Куратор Heather Briggs

  Moon and Stars

  138 Фотографии · Куратор Abbie Suiter

  Группа объектов

  Development

  Группа объектов

  разработка

  .

  полнолуние

  Облака и изображения

  сумерки

  Градиентные фоны

  одиночество

  Логотип Unsplash

  Unsplash+В сотрудничестве с Getty Images

  UNSPLASH+

  разблокировать

  Food Images & Pictures

  чайная чашка

  Цветные фоны

  Lucasvphotos

  HD Серые обои

  Sunset Images & Pictures

  Sunrise

  –– –– ––––––––––––––––––––– – – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.

  Джош Миллер

  Луна картинки и картинки

  луна

  полнолуние

  LucasVphotos

  Природа фото

  Overt Space Pictures

  Астрономия

  Nick Owuor (Astro.nic.visuals)

  HD Sky Walpapers

  Galaxy Изображения и картин logo

  Unsplash+В сотрудничестве с Getty Images

  Unsplash+

  Unlock

  на улице

  горизонтально

  осветительное оборудование

  Tim Sessinghaus

  Hd wallpapers

  Hq background images

  photoshop background

  Ignacio M.

  Moon images & pictures

  Star images

  universe

  Chad Peltola

  whidbey island

  washington

  usa

  Aron Visuals

  Hd синие обои

  Светлые фоны

  ночное небо

  Aron Visuals

  ночь

  Изображения деревьев

  bluesky

  Unsplash logo

  Unsplash+In collaboration with Getty Images

  Unsplash+

  Unlock

  group of objects

  development

  learning

  Madhuvan Yadav

  Hd wallpapers

  india

  kanpur

  Aron Visuals

  ночная съемка

  полнолуние

  облака и изображения

  Адриан Суонкар

  космические изображения и изображения

  австрия

  Vienna

  Roberto Nickson

  Изображения деревьев и картин

  Hd обои ночного неба

  звездная ночь

  звездное небо

  Altınay Dinç

  Хэллоуин картинки и картинки

  Fall изображения и изображения

  Изображения и изображения облаков

  Просматривайте изображения премиум-класса на iStock | Скидка 20% на iStock

  Unsplash logo

  Сделайте что-нибудь потрясающее

  Лучшие изображения Moon Stars [HD]

  Лучшие изображения Moon Stars [HD] | Download Free Images on Unsplash

  • Фото в рамкеФото 10k
  • Стопка фотографийКоллекции 10k
  • Группа людейПользователи 0

  природа

  на улице

  вселенная

  outer space

  astronomy

  wallpaper

  background

  orion constellation

  Texture backgrounds

  Hd pattern wallpapers

  Nature images

  Outer space pictures

  Hd purple wallpapers

  Hd wallpapers

  Hq background images

  Hq background images

  Hd серые обои

  astronomy

  nighttime

  bali

  Пейзаж images & images

  indonesia

  Hd blue wallpapers

  Light backgrounds

  nightsky

  Hd black wallpapers

  nighty

  deepblue

  les baux

  france

  midnight

  Space images & pictures

  crater

  Hdr photos & изображения

  –––– –––– –––– – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.

  лунные изображения и картинки

  луна

  полная луна

  Hd sky wallpapers

  Galaxy images & pictures

  solar system

  aboveclouds

  Hd orange wallpapers

  crescentmoon

  Food images & pictures

  tea cup

  colored background

  night

  Sunset images & pictures

  восход солнца

  лунные изображения и изображения

  звездные изображения

  вселенная

  на открытом воздухе

  горизонтальное

  осветительное оборудование

  Star Images

  HD Обои

  IRAN

  Изображения дерева и картин · Куратор Хизер Бриггс

  Луна и звезды

  138 фотографий · Куратор Abbie SuiteR

  группа объектов

  разработка

  обучение

  Maharashtra

  Mumbai

  Индия

  Orion Constellation

  Фоны текстур

  HD Photle Walpaper

  Пейзажные изображения и картины

  Индонезия

  На открытом воздухе

  Горизонтальное

  Осветительное оборудование

  Star images

  Hd wallpapers

  iran

  group of objects

  development

  learning

  maharashtra

  mumbai

  india

  Moon images & pictures

  the moon

  full moon

  aboveclouds

  Hd оранжевые обои

  crescentmoon

  Еда изображения и картинки

  чашка чая

  цветной фон

  Hd синие обои

  Светлые фоны

  nightsky

  Hd чёрные обои

  nighty

  deepblue

  Изображения деревьев

  bluesky

  фотография –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.

  Hd обои небо

  Галактика фото и картинки

  Солнечная система

  Природа фото

  Космос фото

  Hd фиолетовые обои

  ночь

  Sunset images & pictures

  sunrise

  Moon images & pictures

  Star images

  universe

  Related collections

  Moon and stars

  157 photos · Curated by Drew Wickline

  Moon & Stars

  127 photos · Куратор Хизер Бриггс

  Луна и звезды

  138 фотографий · Куратор Abbie SuiteR

  les baux

  Франция

  полночь

  Космические снимки и картинки

  crater

  Hdr photos & images

  Unsplash logo

  Unsplash+In collaboration with Jacob Dyer

  Unsplash+

  Unlock

  orion constellation

  Texture backgrounds

  Hd pattern wallpapers

  Josh Miller

  Moon images & pictures

  луна

  полная луна

  –––– –––– –––– – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– – ––– – –.