Hα全日面太陽圖像云污染的去除

朱海波，楊云飛，鄧輝，季凱帆

(昆明理工大學(xué)云南省計算機技術(shù)應(yīng)用重點實驗室，云南 昆明 650500)

Hα全日面太陽圖像云污染的去除

朱海波，楊云飛，鄧輝，季凱帆

(昆明理工大學(xué)云南省計算機技術(shù)應(yīng)用重點實驗室，云南 昆明 650500)

Hα全日面太陽圖像對太陽物理研究有著重要的意義，但其觀測過程中可能受天氣的影響，導(dǎo)致觀測圖像含有云層覆蓋的污染。主要通過對這種Hα全日面太陽圖像的云污染進行處理，從而得到較為清晰的太陽活動細(xì)節(jié)。具體算法為:首先將含云污染的圖像扣除模板圖像的標(biāo)準(zhǔn)臨邊昏暗輪廓，然后對其進行中值濾波獲得云層圖像，最后在原始圖像上扣除云層圖像得到修復(fù)后的全日面圖像。實驗證明此方法可以有效地去除Hα全日面太陽圖像上的云污染，并對太陽活動區(qū)域影響較小。

Hα全日面太陽圖像；云污染的去除；平均徑向輪廓曲線；中值濾波

CN53－1189/P ISSN1672－7673

Hα全日面太陽觀測站點眾多，觀測歷史悠久，數(shù)據(jù)資料極為豐富。例如全球日震網(wǎng)(Global Oscillation Network Group，GONG)[1]就有6個站點[2]:Big Bear太陽天文臺、Mauna Loa天文臺、Learmonth太陽天文臺、Udaipur太陽天文臺、Teide天文臺和Cerro Tololo美洲洲際太陽天文臺。Hα全日面太陽圖像的研究，有助于了解太陽活動，對太陽物理研究有著重要的意義。然而在Hα全日面觀測過程中，可能受到地球大氣云層的影響，觀測的Hα全日面圖像中會有云污染，遮蓋日面上的活動現(xiàn)象。本文主要針對云污染的Hα全日面太陽圖像進行處理，消除其對太陽活動區(qū)域的影響，從而將被污染的區(qū)域及其太陽活動清晰地呈現(xiàn)出來，方便后續(xù)的太陽物理研究。

在云污染的去除上本文借鑒了衛(wèi)星遙感圖像中云污染去除[3]的方法，即將云層類比為一個不均勻的“云透鏡”。當(dāng)光線通過云層的時候，不同區(qū)域的透射率是不一樣的。如果能得到這個透射率的變化，并假設(shè)其為線性的，就可以通過除法將其扣除，獲得改正后的圖像。通常Hα全日面圖像上太陽的亮度呈現(xiàn)臨邊昏暗[4]現(xiàn)象。圖1(a)是一張標(biāo)準(zhǔn)的Hα全日面圖像(觀測站點為Learmonth天文臺，當(dāng)?shù)赜^測時間為2013年1月1日4點5分34秒)；圖1(b)是圖1(a)的平均徑向輪廓曲線，表現(xiàn)了其臨邊昏暗的現(xiàn)象，其中橫坐標(biāo)表示Hα全日面太陽圖像上的點到圖像上太陽中心的距離，縱坐標(biāo)是以日面中心歸一化后所對應(yīng)的強度。圖1(c)是一張被云污染的Hα全日面圖像(觀測站點也為Learmonth天文臺，當(dāng)?shù)赜^測時間為2013年1月1日2點45分34秒)；圖1(d)是圖1(c)的平均徑向輪廓曲線，顯然與臨邊昏暗曲線有較大的區(qū)別。本文所述的平均徑向輪廓曲線通過在極坐標(biāo)下，對半徑尺度上所有點的強度值取中值得到的，這是獲得臨邊昏暗曲線較為常用的一種做法，不但能反映全日面像的基本特征，同時還降低對太陽活動區(qū)域的影響。

一般來講，同一架儀器獲得的全日面太陽像的臨邊昏暗背景在一定時間內(nèi)是相對穩(wěn)定的，圖1 (b)和(d)的區(qū)別明顯是有云污染導(dǎo)致。通過比較被云污染的圖像和標(biāo)準(zhǔn)臨邊昏暗背景，就可以獲得這個“云透鏡”的透射率的分布。

1 云污染Hα圖像的修復(fù)處理方法

本文采用的方法主要包括如下幾部分:首先選擇一副沒有云污染的圖像并獲得標(biāo)準(zhǔn)的臨邊昏暗輪廓；其次將被污染圖像扣除這個標(biāo)準(zhǔn)輪廓[5－6]，得到一個比較“平坦”的太陽圓面；然后對其進行中值濾波消除太陽各種活動現(xiàn)象的影響，得到云層圖像；最后用原始圖像扣除云層圖像得到修復(fù)后的全日面圖像。

圖1 (a)Hα全日面太陽圖像；(b)(a)圖的平均徑向輪廓曲線；(c)含云污染的Hα全日面太陽圖像；(d)(c)圖的平均徑向輪廓曲線Fig.1 (a)An Hα full-disk solar image.(b)The direction-averaged radial profile of the image in(a).(c)An Hα full-disk solar image affected by cloud extinction.(d)The direction-averaged radial profile of the image in(c)

首先，為判斷一幅圖像是否被云污染，或者為得到較為標(biāo)準(zhǔn)的臨邊昏暗圖像背景，必須獲得全日面像的徑向輪廓曲線。

本文采用類似美國大熊湖天文臺的徑向輪廓曲線測量方式，基本步驟如下:

步驟1:求得圖像中太陽圓面的圓心和半徑。Hα全日面圖像中天空背景和太陽圓面明顯地存在兩個灰度等級，基于此點，首先通過設(shè)定闕值，將圖像進行二值化；然后對此圖太陽圓面的邊緣點進行圓擬合，得到圓心和半徑；

步驟2:以太陽圓心為原點，將圖像從笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系；

步驟3:在極坐標(biāo)系下，將一定角度范圍內(nèi)的徑向輪廓進行中值處理，就得到在該角度范圍內(nèi)的平均徑向輪廓值。圖1(b)和(d)即為360°范圍內(nèi)的平均徑向輪廓值，也就是整個太陽的平均徑向輪廓。

如果將圖像按90°分割成4個象限，就可以得到不同象限的平均徑向輪廓曲線。在沒有云污染的良好觀測條件下，這4條曲線是彼此重合的。因此它們可以用于判斷Hα圖像是否存在云污染。具體如下:

(1)觀察4個象限的平均徑向輪廓曲線是否符合臨邊昏暗特性。如果4條曲線都很好地呈現(xiàn)臨邊昏暗性質(zhì)，則圖像每個象限區(qū)域內(nèi)都不存在云污染；否則，比如呈現(xiàn)臨邊增亮或者徑向輪廓變化極為不光滑，則可能存在云污染，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低；

(2)在4條平均徑向輪廓曲線都具有臨邊昏暗性質(zhì)的情況下，利用它們的殘差值判斷這4條曲線的重合度。如果它們基本重合，說明圖像4個象限都不存在云污染，圖像質(zhì)量較好；否則，圖像至少一個象限整體受云覆蓋。

根據(jù)這兩個準(zhǔn)則，不但可以篩選出被云污染的Hα全日面像，同時也可以確定哪些圖像擁有較好的質(zhì)量，可以作為標(biāo)準(zhǔn)的臨邊昏暗背景。

在找到模板圖像后，可以求得模板圖像的360°平均徑向輪廓曲線并進行高階曲線擬合，以徹底消除背景圖像上太陽活動的影響。對于在極坐標(biāo)系下，用這個平均輪廓代替所有角度方向上的徑向曲線，得到一個光滑的曲面，然后再將此曲面轉(zhuǎn)換回笛卡爾坐標(biāo)系，就可以得到一個標(biāo)準(zhǔn)的太陽臨邊昏暗背景圖像。

用原始圖像扣除模板圖像的臨邊昏暗背景圖像，得到“平坦”的太陽表面，但在這個表面上既有云層信息也有太陽的活動區(qū)域。通過對此圖像進行中值濾波(采用“田”形濾波方法)，可以過濾掉上面的太陽活動信息，得到原始圖像的云層圖像。中值濾波窗口選擇要大于太陽圓面的活動區(qū)域，這樣可以在濾波過程中比較好地去除太陽圓面中的光斑和暗點，同時也不能過于太大，太大會使云層信息擴散到其它非云污染區(qū)域。本文采用太陽圓面上最大活動區(qū)域的兩倍作為中值濾波窗口。最后將原始圖和云層圖像進行歸一化，用原始圖像扣除云層圖像，得到修復(fù)后的Hα全日面太陽圖像。

2 實驗結(jié)果及分析

本文的實驗數(shù)據(jù)來源于GONG網(wǎng)站。圖2(a)為模板圖像(觀測站點為大熊湖太陽天文臺，當(dāng)?shù)赜^測時間為2013年1月1日晚上23點32分54秒)，由圖也可以看出這是一張不含云污染的Hα圖像。圖2(b)為模板圖像的4個象限的平均徑向輪廓曲線，4條曲線都呈現(xiàn)臨邊昏暗性質(zhì)且基本重合，符合評價標(biāo)準(zhǔn)，這說明模板圖像不含云信息，質(zhì)量較好。圖2(c)為模板圖像的平均徑向輪廓曲線，圖2(d)為通過模板圖像的平均徑向輪廓曲線求得的模板臨邊昏暗背景圖像。

圖2 (a)模板Hα圖像；(b)4條徑向輪廓曲線；(c)標(biāo)準(zhǔn)臨邊昏暗輪廓；(d)模板臨邊昏暗圖像Fig.2 (a)An Hα full-disk solar image used as a template.(b)The direction-averaged radial profiles in the four quadrants of the image in(a).(c)The limb-darkening profile of the template in(a).(d)An image showing the profile in(c)

圖3 (a)原始圖像；(b)扣除臨邊昏暗后的圖像；(c)云層圖像；(d)結(jié)果圖像；(e)原始圖像的三維展示；(f)原始圖像的4條徑向輪廓曲線；(g)結(jié)果圖像的三維展示；(h)結(jié)果圖像的4條徑向輪廓曲線Fig.3 (a)A raw Hα full-disk solar image affected by cloud extinction.(b)The result image after the removal of the limb-darkening profile from the image in(a).(c)The image of cloud extinction obtained by performing median filtering on the image in(b).(d)The result image after the removal of the cloud image in(c)from the raw image in(a).(e)A three-dimensional plot of the raw image.(f)The direction-averaged radial profiles in the four quandrants of the raw image.(g)A three-dimensional plot of the result image.(h)The direction-averaged radial profiles in the four quandrants of the result image

處理過程以及結(jié)果如圖3。圖3顯示了一個云污染圖像的去除過程。圖3(a)為實驗中的原始圖像(觀測站點為大熊湖太陽天文臺，當(dāng)?shù)赜^測時間為2013年1月1日晚上23點26分54秒)，顯然是一張含有云污染的Hα全日面太陽圖像。首先將原始圖像圖3(a)扣除模板圖像的標(biāo)準(zhǔn)臨邊昏暗背景圖像圖2(d)，得到圖像如圖3(b)。對此圖像作中值濾波得到云層圖像，見圖3(c)。原始圖像扣除云層圖像得到修復(fù)后的Hα圖像，見圖3(d)。

圖3(e)為原始圖像的三維展示，圖像上“凹”進去的部分正是原始圖像中被云遮蓋的部分；圖3(g)為復(fù)原后圖像的三維展示，可以看出圖3(e)中“凹”進去的部分也得到很好的修復(fù)，說明原始圖像上的云污染得到很好的去除。圖3(f)為原始圖像的4條徑向輪廓曲線，4條曲線變化不光滑且彼此不重合，不符合評價標(biāo)準(zhǔn)，說明圖像上含有云污染，圖像質(zhì)量差；圖3(h)為結(jié)果圖像的4條徑向輪廓曲線，4條曲線重合且呈現(xiàn)出臨邊昏暗現(xiàn)象，符合評價標(biāo)準(zhǔn)，說明原始圖像中的云污染得到較好地去除。對比原始圖像圖3(a)和結(jié)果圖像圖3(d)，也可以看出原始圖像中的云污染在修復(fù)后的Hα圖像中已不復(fù)存在。綜上所述，本文所述方法有效地去除了Hα全日面太陽圖像中的云污染。

還可以通過比較處理前后圖像的細(xì)節(jié)部分來觀察Hα圖像中太陽活動區(qū)域在處理前后的變化，圖4為太陽圓面中活動頻繁的區(qū)域在處理前后的變化，其中圖4(a)和(c)為原始圖像中太陽活動頻繁的局部區(qū)域，圖4(b)和(d)是與圖4(a)和(c)相對應(yīng)的區(qū)域在修復(fù)后的全日面圖像的顯示。

圖4 原圖與結(jié)果圖像的局部對比Fig.4 Comparisons between the raw image and the result image in Fig.3 at some locations

通過觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，原始圖像中的云污染得到有效去除，被云遮蓋的部分清晰地呈現(xiàn)出來；太陽圓面上的光斑和暗點也完整地保留下來，活動區(qū)域受到的影響很小?？梢钥闯觯莆廴镜娜コ龑μ枅A面的活動區(qū)域影響相對較少。

為了進一步驗證本算法的通用性，對其它時間其它天文臺的云污染較為嚴(yán)重的Hα全日面太陽圖像進行了處理。圖5(a)為大熊湖太陽天文臺于當(dāng)?shù)貢r間2011年7月24日觀測的圖像，圖5(d)為此圖像經(jīng)過本文方法處理的結(jié)果；圖5(b)為Learmonth天文臺于當(dāng)?shù)貢r間2013年1月1日觀測的圖像，圖5(e)為處理結(jié)果；圖5(c)為當(dāng)?shù)貢r間2012年12月31日Learmonth天文臺觀測的圖像，圖5(f)為處理結(jié)果。

圖5 Hα圖像云去除Fig.5 A set of Hα solar images affected by cloud extinction and corresponding result images after the cloud removal

圖5原始圖像中的云污染都得到了很好的去除，而且對太陽活動區(qū)域的影響較小，處理結(jié)果較為理想。這也驗證了本文所述方法在Hα全日面太陽圖像云污染的去除中具有較好的通用性。

3 總 結(jié)

本文基于平均徑向輪廓曲線，采用中值濾波方法，去除Hα全日面太陽圖像上的云污染。比較實驗中處理前后圖像的三維展示，處理前后圖像4個象限的徑向輪廓曲線以及原始圖像和結(jié)果圖像發(fā)現(xiàn):Hα圖像上的云污染有效地去除了，被云遮蓋部分清晰地顯示。對比處理前后圖像的細(xì)節(jié)部分，可以看到被云遮蓋部分的太陽活動能觀察到了，太陽表面的譜斑、暗條等依然很好地存在，對太陽表面的活動區(qū)域影響較小。對不同觀測器、不同時間以及云污染程度不同的圖像進行了處理，得到的結(jié)果驗證了該方法在去除Hα圖像云污染上的有效性。

本方法也存在一些不足:首先處理過程中需要其他圖像充當(dāng)模板圖像進行輔助處理；其次由于中值濾波是一種非線性平滑技術(shù)，這就導(dǎo)致修復(fù)后的Hα全日面圖像整體辨識度降低，也會使結(jié)果圖像中太陽活動的強度和范圍縮小；第三，本文的云污染去除原理是基于“云透鏡”的線性表現(xiàn)，這顯然是一種近似。雖然文中的算法表現(xiàn)出較好的結(jié)果，但必須強調(diào)的是用這種恢復(fù)后的圖像做高精度的測量工作是不合適的，因為被云污染的圖像到底是一種降質(zhì)的圖像，而圖像處理只能在有限的條件下盡可能地改善圖像質(zhì)量，但不能從根本上得到精確的結(jié)果。只有在實在無法控制觀測條件的時候，圖像質(zhì)量恢復(fù)才是一種可以考慮的選擇。

致謝：感謝GONG項目提供的實驗圖像。

參考文獻:

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Removal of Cloud Extinction for Hα Full-disk Solar Images

Zhu Haibo，Yang Yunfei，Deng Hui，Ji Kaifan
(Key Laboratory of Applications of Computer Technologies of the Yunnan Province，Kumming University of Science and Technology of Kumming，Kunming 650500，China，Email:jkf＠cnlab.net)

Hα full-disk solar images are important in research of solar science.Observations leading to such images may be affected by weather so that they show appreciable cloud extinction.This paper focuses on an approach to remove cloud extinction in Hα full-disk solar images.The approach can make details of solar activities easily recognizable in result images.We first evaluate and select a template image of Hα solar surface brightness.The template is constructed as an image modeling the Hα solar full disk with an isotropic surface brightness distribution following the direction-averaged Hα solar radial profile of a(cloud-extinction free)real image.We next subtract the template from a raw Hα full-disk solar image affected by cloud extinction，and perform median filtering on the difference image to obtain an image of cloud extinction.We finally subtract the raw image by the image of cloud extinction.The subtraction result is an Hα full-disk solar image with cloud extinction effectively removed.We have conducted some experiments，which validate our approach and show that it has little effect on image details of solar activities.Particularly，our experiments demonstrate that the performance of the approach is stable against patterns of cloud extinction.We also discuss shortcomings of our approach.

Hα full-disk solar image；Removal of cloud extinction；Direction-averaged radial profile；Median filtering

P182

A

1672－7673(2014)02－0134－06

2013－07－08；

2013－07－21

朱海波，男，碩士.研究方向:大規(guī)模數(shù)據(jù)處理.Email:498815638＠qq.com

季凱帆，男，研究員.研究方向:天文科學(xué)數(shù)據(jù)處理.Email:jkf＠cnlab.net