人工智能应用- 天文学家的助手:08. 星系定位与分类

随着望远镜观测能力的提升,天文图像中包含的天体数量激增。要准确定位每个天体的位置并识别其属性,单靠肉眼几乎无法完成。人工智能能够帮助天文学家应对这一挑战,实现高效的星系检测与分类。例如,2018年发表在《天文与计算》杂志上的一项研究中,研究人员利用YOLO(You Only Look Once)神经网络模型成功实现了星系的自动定位与分类。

YOLO 是一种用于目标检测的深度学习算法,能够同时完成多个目标的定位与分类。它的工作流程可以分为以下几个步骤:

  1. 图片划分为网格:首先,YOLO 将整张图片划分为多个小网格,每个网格像一个小窗口,负责检测其区域内是否有目标对象。
  2. 选择最佳结果:由于多个网格可能会检测到同一个目标,YOLO 会选择最可靠的那个框作为最终结果,避免重复检测。
  3. 判断目标类别:除了预测位置,每个网格还要识别目标的类别,例如"这个目标是狗、自行车,还是小轿车?"。
  4. 框出目标位置:每个网格都尝试在它的区域里"画"出目标的位置和大小,即目标的中心在哪里,范围有多大。有了这些信息,就可以用一个小方框标记目标对象。

图 : YOLO 示意图。卷积神经网络(左)预测每个网格包含的对象位置(中上)和类别(中下)。来自不同网格的预测最终被合并(右)。图片来源:Hatab et al., 2021.

YOLO 的独特之处在于,它能够在一次处理过程中同时检测多个目标,而不像传统方法需要逐步扫描整张图片。因此,YOLO 速度更快,检测效率更高。

图 : YOLO 检测出的星系及其类别。"Elliptical"为椭圆星系,"Edge-On"为侧向星系。图片来源:Gonzálezet al., 2018.

基于YOLO 的这种检测和识别能力,研究者人员将哈勃空间望远镜传回的深空图像送入YOLO 模型,成功实现了对星系的定位与检测,包括(1)检测图像中出现的星系,标记它们的位置;(2)判断星系类型,如螺旋星系、椭圆星系、不规则星系等。

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