太陽色球圖像的選幀處理

劉長(zhǎng)玉，向永源，金振宇

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

太陽色球圖像的選幀處理

劉長(zhǎng)玉，向永源，金振宇

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

講述撫仙湖太陽觀測(cè)站的色球圖像的選幀處理，主要針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)布，處理過程主要由選幀和簡(jiǎn)單位移疊加(SAA)組成。使用在太陽光球圖像處理中提出的斑點(diǎn)干涉術(shù)選幀法對(duì)圖像進(jìn)行選取。對(duì)太陽等擴(kuò)展目標(biāo)，簡(jiǎn)單位移疊加的位移量由圖像和參考圖像的相關(guān)極大值位置確定，參考圖像選像質(zhì)最好的一幀。選幀處理過程算法簡(jiǎn)單，處理速度快，相比斑點(diǎn)掩模法可以節(jié)省大量的重建時(shí)間，通過觀察得到的處理結(jié)果還可以確定數(shù)據(jù)是否有用斑點(diǎn)掩模法進(jìn)行進(jìn)一步處理的必要。

簡(jiǎn)單位移疊加；選幀；斑點(diǎn)干涉術(shù)

CN53－1189/P ISSN1672－7673

1 m紅外太陽塔是目前國(guó)內(nèi)口徑最大的地基太陽望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡建于澄江撫仙湖畔，有著優(yōu)良的大氣視寧度，望遠(yuǎn)鏡高分辨成像終端涵蓋多個(gè)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽的多波段高分辨連續(xù)觀測(cè)。和所有地基望遠(yuǎn)鏡一樣由于受大氣湍流的影響，獲取的圖像需要進(jìn)行處理才能達(dá)到衍射極限成像。目前1 m紅外太陽塔的高分辨數(shù)據(jù)處理分兩種模式，一種是選幀位移疊加處理，一種是斑點(diǎn)掩模法[1－2]重建。

在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上及時(shí)發(fā)布高分辨的觀測(cè)數(shù)據(jù)是太陽塔發(fā)展過程中非常重要的一步，太陽的高分辨圖像通常通過斑點(diǎn)掩模法重建獲得，但是斑點(diǎn)掩模算法復(fù)雜，耗時(shí)多。采集一幀太陽色球圖像大約需要0.14 s，而斑點(diǎn)掩模法用100幀色球圖像重建一幀高分辨圖像大約需要10 min，由于重建速度太慢，不利于觀測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)發(fā)布。選幀位移疊加處理則主要針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)布，該處理過程用到的兩種主要方法是選幀和簡(jiǎn)單位移疊加法[3－4]。簡(jiǎn)單位移疊加算法在視寧度比較好的情況下，能夠得到更好的重建結(jié)果，因此在位移疊加前對(duì)圖像進(jìn)行選幀處理。選幀技術(shù)采用在太陽光球圖像處理中提出的基于斑點(diǎn)干涉術(shù)的選幀方法(簡(jiǎn)稱SI選幀法)，該方法以歸一化后的功率譜頻率環(huán)上的積分為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一組圖進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)。然后選取像質(zhì)最好的30%進(jìn)行位移相關(guān)疊加后退卷積得到最終結(jié)果。該處理過程算法簡(jiǎn)單，用100幀重建一幀圖像只需要1 min左右，在視寧度好的時(shí)候圖像分辨率能達(dá)到0.5，非常適于觀測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)發(fā)布，并且通過觀察選幀處理得到的數(shù)據(jù)電影，可以判斷數(shù)據(jù)是否有進(jìn)一步使用斑點(diǎn)掩模法進(jìn)行重建的必要。文章詳細(xì)介紹選幀位移疊加處理的流程和方法，并給出實(shí)測(cè)太陽色球圖像的選幀處理結(jié)果。

1 選幀處理方法簡(jiǎn)介

1.1 簡(jiǎn)單位移疊加法

對(duì)于點(diǎn)源目標(biāo)，簡(jiǎn)單位移疊加算法通常以斑點(diǎn)圖中的最大值為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行位移疊加。對(duì)于太陽圖像，如果圖像中有特別亮的米?；蚱渌Y(jié)構(gòu)，也能以最亮斑的位置確定位移量，但是這種情況比較少見。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，選像質(zhì)最好的一幅圖像為參考圖像，以圖像和參考圖像互相關(guān)最大值的位置決定圖像的位移量。

1.2 斑點(diǎn)干涉術(shù)選幀法

太陽觀測(cè)上，常以圖像的均方根[5]作為像質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但是當(dāng)圖像中包含非常亮或者非常暗的結(jié)構(gòu)時(shí)，圖像的均方根更多反應(yīng)的是圖像內(nèi)容的變化而非像質(zhì)，而在對(duì)太陽進(jìn)行色球觀測(cè)時(shí)，活動(dòng)區(qū)內(nèi)常出現(xiàn)特別亮或者特別暗的結(jié)構(gòu)。本文在對(duì)圖像進(jìn)行選幀時(shí)采用在太陽光球圖像上提出的一種選幀方法——斑點(diǎn)干涉術(shù)選幀方法。這種方法的基本原理是將單幀圖像的功率譜以所在組圖像平均功率譜進(jìn)行歸一，將有關(guān)目標(biāo)的量消除，然后在對(duì)視寧度敏感的頻率段上進(jìn)行積分，積分的目的是提高信噪比。

按照斑點(diǎn)干涉術(shù)選幀法的理論分析，斑點(diǎn)干涉術(shù)選幀要在圖像的等暈區(qū)內(nèi)進(jìn)行。在用斑點(diǎn)掩模法進(jìn)行高分辨重建時(shí)，是在分塊后的小區(qū)域上(128×128)進(jìn)行選幀。當(dāng)不要求達(dá)到圖像的衍射極限分辨率，只是做簡(jiǎn)單的位移疊加處理時(shí)，可以在更大的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行選幀。圖1為撫仙湖1 m紅外太陽塔拍攝的3個(gè)不同活動(dòng)區(qū)的選幀結(jié)果，每個(gè)活動(dòng)區(qū)有100幀圖像，以圖像中心588×588的區(qū)域作為選幀區(qū)域，將3組圖像按像質(zhì)由好到壞進(jìn)行排序后的第1幀、第50幀和第100幀。圖2為這3組圖像的像質(zhì)評(píng)價(jià)值分布曲線，橫坐標(biāo)為圖像序列，縱坐標(biāo)為歸一化的像質(zhì)評(píng)價(jià)值。

圖1 3個(gè)不同活動(dòng)區(qū)進(jìn)行像質(zhì)排序后的第1、50、100幀F(xiàn)ig.1 Image frames of three active regions.For each region the frames are the first，50th，and 100th，respectively，in the order of deteriorating image quality

圖2 歸一化的像質(zhì)評(píng)價(jià)值分布曲線Fig.2 The curves of(normalized)indices for image quality

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

2.1 譜比法簡(jiǎn)介

首先對(duì)譜比法[6－7]估算視寧度的方法做簡(jiǎn)單介紹。譜比法是一種從斑點(diǎn)圖估計(jì)視寧度參數(shù)的方法，最初是為了估計(jì)擴(kuò)展面源目標(biāo)的視寧度參數(shù)而提出，這種方法既可以消除擴(kuò)展目標(biāo)對(duì)視寧度參數(shù)估計(jì)的影響，也可以有效地消除望遠(yuǎn)鏡的跟蹤和晃動(dòng)帶來的誤差。

譜比法的表達(dá)式如下:

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選幀處理結(jié)果

對(duì)前文所用實(shí)測(cè)太陽數(shù)據(jù)進(jìn)行選幀疊加處理，上述數(shù)據(jù)分別采集于2013年2月8日、2013年2月16日和2013年3月16日，目標(biāo)活動(dòng)區(qū)編號(hào)為11667、11673、11696，活動(dòng)區(qū)位置為N19W08、S21W05、N02W23。數(shù)據(jù)采集速度為7幀/s，曝光時(shí)間為20 ms，拍攝數(shù)據(jù)所用波長(zhǎng)為6563 nm，對(duì)應(yīng)的望遠(yuǎn)鏡的衍射極限分辨率是α＝λ/D＝0.138″。原始圖像大小是1 028×1 024，像元大小為7.4 μm/ pixel。以100幀圖像為一組進(jìn)行選幀疊加處理，主要處理流程如下:

(1)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平場(chǎng)、暗場(chǎng)等預(yù)處理；

(2)將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)對(duì)齊，并將抖動(dòng)過大的圖像剔除；

(3)用譜比法估算視寧度，根據(jù)估算的視寧度參數(shù)構(gòu)造傳遞函數(shù)；

(4)用斑點(diǎn)干涉術(shù)選幀法在每組中選取像質(zhì)最好的30%，并以最好的一幀為參考圖像對(duì)選出的圖像再次進(jìn)行相關(guān)位移對(duì)齊；

(5)將再次位移后的圖像進(jìn)行疊加并用步驟(3)的傳遞函數(shù)退卷積得到最終結(jié)果。

圖3為3個(gè)活動(dòng)區(qū)經(jīng)選幀處理后得到的圖像，可以看出重建后的圖像分辨率和信噪比明顯提高，很多細(xì)節(jié)變得清晰可見。重建一張圖像的時(shí)間只用了1 min左右，所用時(shí)間是斑點(diǎn)掩模法重建一組數(shù)據(jù)時(shí)間的1/10。當(dāng)視寧度比較好時(shí)，經(jīng)選幀處理后的圖像甚至可以直接用來做科學(xué)研究。視寧度不太好時(shí)，通過觀察經(jīng)選幀處理后的活動(dòng)區(qū)電影，以確定是否有必要進(jìn)行斑點(diǎn)掩模法重建。

圖3 經(jīng)選幀處理后的圖像Fig.3 Result images of the processing with frame selection

3 結(jié) 論

本文主要介紹太陽色球圖像的選幀處理，用到的兩種最主要的方法是簡(jiǎn)單位移疊加法和選幀。對(duì)于擴(kuò)展目標(biāo)的位移疊加選擇以相關(guān)極大值的方式確定每幀圖像的位移量?；诎唿c(diǎn)干涉術(shù)的選幀方法避開了目標(biāo)本身的影響，像質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)只包含跟湍流大氣有關(guān)的量，能更準(zhǔn)確反應(yīng)由視寧度變化引起的像質(zhì)好壞。重建結(jié)果表明選幀處理過程可以在比斑點(diǎn)掩模法重建數(shù)據(jù)耗費(fèi)的時(shí)間少得多的前提下得到分辨率提高的圖像，這有利于觀測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)發(fā)布。視寧度比較好的情況下選幀處理后的數(shù)據(jù)可以直接用來進(jìn)行科學(xué)研究，在視寧度不好時(shí)，通過選幀處理做成的電影觀察目標(biāo)的變化可以確定數(shù)據(jù)是否有進(jìn)行斑點(diǎn)掩模法重建的必要。

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Image Processing with Frame Selection for Hα Solar Chromosphere Images

Liu Changyu，Xiang Yongyuan，Jin Zhenyu
(Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:liuchangyu＠ynao.ac.cn)

The new vacuum solar telescope at the Fuxian Lake Solar Observation Station is currently the largest ground-based solar telescope in China.It can simultaneously collect Tio and Hα solar images.In this paper we present a method of processing Hα solar chromosphere images observed with the new telescope by selecting image frames of sufficient quality.The method is mainly based on the frame-selection technique and the Shift-And-Add(SAA)technique.It is for online publishing of observational data from the new telescope. The frame-selection technique incorporates the Speckle Interferometry(SI)and is originally used for observation of the solar photosphere.This technique can cleanly subtract object intensities in images to retain only distortions due to the telescope and atmospheric turbulences.For extended objects such as the sun，the shift vector in an SAA operation is usually determined by cross correlating observed-data frames with a reference frame，which is the best-quality frame among the data frames.Our method is simple and fast，e.g.，it can reconstruct data in much less time than the speckle-masking method.Results from this method can also be processed with other methods(e.g.the speckle-masking method)if needed.We briefly describe the SAA and SI techniques，including some results of the SI technique.We finally present processing results of some observational data using our method.

SAA；Frame Selection；Speckle Interferometry

P123

A

1672－7673(2014)02－0140－05

2013－04－09；修定日期:2013－04－24

劉長(zhǎng)玉，女，碩士.研究方向:選幀技術(shù)在太陽高分辨率成像中的應(yīng)用.Email:liuchangyu＠ynao.ac.cn