基于相位一致性的冕環(huán)識(shí)別方法?

李洪波 趙明宇 劉煜1

(1中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明 650011) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

基于相位一致性的冕環(huán)識(shí)別方法?

李洪波1,2?趙明宇1?劉煜1

(1中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明 650011) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

嘗試將相位一致性方法增強(qiáng)的圖像用于冕環(huán)結(jié)構(gòu)的識(shí)別.針對(duì)相位一致性方法增強(qiáng)圖像,提出一個(gè)新的冕環(huán)識(shí)別方法(簡(jiǎn)稱PCB),該方法依據(jù)冕環(huán)形態(tài)變化比較平緩的形態(tài)學(xué)特性,將冕環(huán)識(shí)別方向限制在一個(gè)較小的范圍之內(nèi),并且首次同時(shí)將識(shí)別過(guò)程中推進(jìn)方向的變化情況和識(shí)別點(diǎn)的相位一致性大小作為終止識(shí)別的判據(jù).對(duì)多組數(shù)據(jù)的識(shí)別和分析則表明相位一致性方法增強(qiáng)的圖像的確適合用于冕環(huán)識(shí)別,而PCB方法所識(shí)別的冕環(huán)結(jié)構(gòu)則同時(shí)具有很好的完整性和準(zhǔn)確性,是一套現(xiàn)實(shí)可行的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法.

太陽(yáng):日冕,技術(shù):圖像處理,方法：觀測(cè)

1 引言

冕環(huán)作為日冕中主要的X射線發(fā)射源,被認(rèn)為是由磁場(chǎng)束縛的熱等離子體形成的亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)[1].因此冕環(huán)的結(jié)構(gòu)很好地反映了日冕的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),同時(shí)也是光球?qū)雍腿彰嶂g的能量通道.冕環(huán)普遍存在于日冕層,可被大量的空間衛(wèi)星探測(cè)到,對(duì)冕環(huán)的研究有利于我們更好地理解日冕中等離子體的特性[2-3].關(guān)于冕環(huán)的基本性質(zhì)和其演化規(guī)律卻一直未被很好地理解[4].首先各種冕環(huán)的分類標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有很好地建立起來(lái).初期Vaiana等[5]依據(jù)冕環(huán)的形態(tài)學(xué)特性為標(biāo)準(zhǔn),將冕環(huán)分為亮點(diǎn)冕環(huán)、活動(dòng)區(qū)冕環(huán)和大尺度冕環(huán).隨著多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)的日益豐富,更詳細(xì)的溫度和密度研究得以展開(kāi).由于不同溫度冕環(huán)的溫度和密度性質(zhì)明顯不同,例如暖冕上不同位置的溫度大致相同,而熱冕環(huán)則不同,另一種新的基于溫度的分類方法被提出,依據(jù)溫度的不同將冕環(huán)分為冷冕環(huán)[6]、暖冕環(huán)、熱冕環(huán)[7]3種.不同溫度冕環(huán)溫度和密度特性的不同也暗示著這些冕環(huán)可能產(chǎn)生于不同的物理機(jī)制[8].至于不同種類的冕環(huán)產(chǎn)生的具體物理機(jī)制以及它們是否可以相互轉(zhuǎn)化等基本問(wèn)題,都未被很好地解決[9].另外,由于目前直接測(cè)量日冕磁場(chǎng)非常困難,對(duì)冕環(huán)幾何形狀的研究在探索日冕磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和日冕中磁重聯(lián)方面也有著很重要的參考意義.大體上看,冕環(huán)呈現(xiàn)出對(duì)稱的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[10],比較特別的是冕環(huán)的橫截面沿著冕環(huán)有著很小的變化[11],這與我們通常使用的日冕中的無(wú)力場(chǎng)假設(shè)所預(yù)期的結(jié)果有些不同,無(wú)力場(chǎng)外推結(jié)果預(yù)測(cè)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的截面將會(huì)有幾倍的擴(kuò)展.基于這個(gè)問(wèn)題,有不同的冕環(huán)模型被提出,但是還沒(méi)有任何一個(gè)模型可以解釋所有的問(wèn)題.值得注意的是,由于我們的觀測(cè)結(jié)果是一個(gè)投影效果,所以冕環(huán)的真實(shí)形狀的研究也有一定的難度,而“日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)”(Solar Terrestrial Relations Observatory,STEREO)[12]的發(fā)射為我們提供了多角度太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù),這使得我們可以更好地重構(gòu)出三維冕環(huán)結(jié)構(gòu)[13].除此之外,冕環(huán)內(nèi)部的等離子體流動(dòng)[14–16],以及磁流體波動(dòng)在冕環(huán)中的傳播等問(wèn)題[17–19],都沒(méi)有被很好地理解.更加詳細(xì)的研究,以及更加深入的學(xué)習(xí),毫無(wú)疑問(wèn)都需要大量的樣本,這就需要我們對(duì)冕環(huán)進(jìn)行大量準(zhǔn)確的識(shí)別和提取.

自從冕環(huán)結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)以來(lái),已經(jīng)有多個(gè)團(tuán)組對(duì)冕環(huán)結(jié)構(gòu)的提取以及自動(dòng)識(shí)別方法展開(kāi)研究,并提出了幾種不同的冕環(huán)識(shí)別方法.主要的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法基本上包括兩個(gè)主要的過(guò)程:首先要對(duì)原始圖像進(jìn)行處理從而使冕環(huán)結(jié)構(gòu)更加突出,或者對(duì)屬于冕環(huán)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記;第2步就要通過(guò)一些邊緣連接或者邊緣檢測(cè)程序?qū)μ幚磉^(guò)的圖像中的冕環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取和識(shí)別.早在2006年Lee等[20]就首先提出了一種基于方向連通性(oriented connectivity)的自動(dòng)冕環(huán)識(shí)別方法(簡(jiǎn)稱OCM).這種方法首先將原始圖像進(jìn)行銳化,然后用Strous提出的邊緣檢測(cè)方法1h ttp://www.lm sal.com/aschw and/stereo/2000easton/cdaw.h tm l對(duì)銳化圖像中的冕環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記,而接下來(lái)對(duì)標(biāo)記的冕環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別連通時(shí),作者建設(shè)性考慮了磁場(chǎng)的物理特性,并用一個(gè)磁場(chǎng)模型來(lái)指導(dǎo)接下來(lái)的識(shí)別過(guò)程.測(cè)試結(jié)果則表明OCM方法識(shí)別的冕環(huán)有著很好的完整性,識(shí)別的冕環(huán)也比較光滑.但是可能由于磁場(chǎng)模型本身和冕環(huán)實(shí)際情況之間的差別,以及第1步邊緣檢測(cè)的結(jié)果連續(xù)性較差而且噪點(diǎn)較多等因素的影響,盡管識(shí)別過(guò)程中兩次使用樣條擬合(sp line fitting),該程序所識(shí)別的冕環(huán)數(shù)目還是偏少.另外由于兩次人為擬合,也導(dǎo)致OCM方法的靈敏度變得很低,有時(shí)候甚至?xí)⑾噜彽拿岘h(huán)識(shí)別為一個(gè)冕環(huán).之后Aschwanden等[21]也提出一種冕環(huán)識(shí)別方法(簡(jiǎn)稱ODM),該方法直接用冕環(huán)結(jié)構(gòu)提升處理之后的圖像作為參考進(jìn)行第2步的冕環(huán)結(jié)構(gòu)識(shí)別,之后在沿著預(yù)測(cè)方向一定距離(假設(shè)5像素)附近一個(gè)較大的盒子(假設(shè)10 pixel×10 pixel)里面進(jìn)行搜索,該預(yù)測(cè)方向是通過(guò)對(duì)每一個(gè)搜索盒子里最大值的位置進(jìn)行線性回歸擬合(linear regression fitting)得到,將該窗口內(nèi)最大亮度值以及窗口內(nèi)最大亮度位置到該方向的距離兩個(gè)參數(shù)用作停止識(shí)別的判據(jù).由于采用更直接的冕環(huán)增強(qiáng)圖像作為參考和新的識(shí)別方法,使得Aschwanden等的ODM冕環(huán)識(shí)別方法可以識(shí)別較多的冕環(huán)結(jié)構(gòu),但是測(cè)試結(jié)果也表明該方法也存在一定的不足,即抗噪聲能力較差,識(shí)別過(guò)程很容易受到噪聲影響.這使得其識(shí)別的冕環(huán)完整性較差,此外其結(jié)果也存在一些錯(cuò)誤識(shí)別的小結(jié)構(gòu).

目前已經(jīng)有多種針對(duì)邊緣結(jié)構(gòu)提取的方法被開(kāi)發(fā)出來(lái),但是多數(shù)方法是針對(duì)一個(gè)更加廣泛的范圍,而專門針對(duì)冕環(huán)結(jié)構(gòu)提取的方法則相對(duì)較少.因此在2008年Aschwanden等[21]將現(xiàn)有的5種對(duì)邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的方法進(jìn)行了對(duì)比.除了前文介紹的兩個(gè)方法以外,他們還介紹了3種不同的結(jié)構(gòu)識(shí)別方法.其中包括Lee等[20]開(kāi)發(fā)的Dynam ic Aperture-based Loop Segmentation(簡(jiǎn)稱DAM)方法,這種方法主要的特點(diǎn)是通過(guò)沿冕環(huán)的強(qiáng)度曲面是連續(xù)的高斯曲面這樣的假設(shè)來(lái)進(jìn)行冕環(huán)的檢測(cè)和識(shí)別.該方法首先搜索圖像中符合高斯曲面的結(jié)構(gòu)視為冕環(huán)結(jié)構(gòu),接著將結(jié)果中相鄰的結(jié)構(gòu)依據(jù)擬合參數(shù)的相似情況進(jìn)行連接,最后還要對(duì)不是冕環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剔除.這種DAM方法的結(jié)果則同前面介紹的OCM的結(jié)果類似,由于有連接的過(guò)程,所以識(shí)別的冕環(huán)會(huì)比較完整,但是其同樣存在靈敏度較低的問(wèn)題,識(shí)別的冕環(huán)數(shù)目也比較少.文中另外介紹的一個(gè)冕環(huán)識(shí)別方法是Steger等2Steger L H.Techn ica l Rep ort FGBV-96-03,Forschungsgruppe B ildverstehen(FG BV),In form atik IX, Techn ische Un iversit¨at M¨unchen,G erm any,1996提出的一種邊緣探測(cè)方法(簡(jiǎn)稱UDM),該方法已經(jīng)被成功地用于遙感、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域.在這種方法中曲線結(jié)構(gòu)的識(shí)別是基于該結(jié)構(gòu)垂直方向的二階導(dǎo)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這樣可以減小結(jié)構(gòu)寬度以及不對(duì)稱性的影響,這種方法的結(jié)果則同Aschwanden的ODM方法類似,有著較好的靈敏度,可以識(shí)別出更多種類的冕環(huán),但是識(shí)別冕環(huán)的完整性則較差,其識(shí)別結(jié)果同樣存在一些奇怪的小尺度結(jié)構(gòu).除此以外Aschwanden等[21]還介紹了一種自動(dòng)探測(cè)的方法(簡(jiǎn)稱RAS)[22],這種方法是Inhester等人通過(guò)改進(jìn)Parent等[23]的邊緣探測(cè)方法得到的,其主要是用圖像的泰勒級(jí)數(shù)(Taylor coefficient)來(lái)確定冕環(huán)點(diǎn)的位置、方向等參數(shù).測(cè)試表明該方法不但可以識(shí)別不同種類的冕環(huán)結(jié)構(gòu),而且識(shí)別的冕環(huán)也比較完整,但是RAS的識(shí)別暗條的末端有時(shí)會(huì)存在一些錯(cuò)誤彎曲,同時(shí)也會(huì)錯(cuò)誤地識(shí)別一些小尺度的非冕環(huán)結(jié)構(gòu).Aschwanden的研究將這5種現(xiàn)存的不同冕環(huán)結(jié)構(gòu)識(shí)別方法應(yīng)用于“過(guò)渡區(qū)和日冕探測(cè)器”(Transition Region and Coronal Exp lorer,TRACE)[24]的171?A波段觀測(cè)圖像中,對(duì)提取的結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的比較.結(jié)果表明盡管5種算法都可以得到大致相同的結(jié)果,但同人工識(shí)別的結(jié)果相比,這些結(jié)果間還是存在著不可忽略的差異.因此如果想得到更好的結(jié)果,仍然需要更加詳細(xì)的研究[21].

值得注意的是,前面我們介紹的大量關(guān)于冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別的工作主要是優(yōu)化冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別工作的第2個(gè)步驟,針對(duì)冕環(huán)標(biāo)記、邊緣連接和識(shí)別方法進(jìn)行研究?jī)?yōu)化,而對(duì)原圖像進(jìn)行處理從而提高冕環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)比度方面則沒(méi)有太多的方法改進(jìn).在這方面M cAteer等[25]測(cè)試了一種基于小波變換的冕環(huán)探測(cè)方法(簡(jiǎn)稱W TMM),他們嘗試?yán)眯〔ㄗ儞Q方法對(duì)冕環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng),并且針對(duì)TRACE在171?A波段的觀測(cè)圖像進(jìn)行了研究.結(jié)果表明利用多尺度頻域信息增強(qiáng)后的冕環(huán)結(jié)構(gòu)具有很好的方向連通性,可直接提取感興趣尺度信息等天然優(yōu)勢(shì),但這種方法也存在著對(duì)較暗結(jié)構(gòu)的提升效果較差、識(shí)別準(zhǔn)確性較低等問(wèn)題.類似于M cAteer等[25]的小波變換的方法,相位一致性同樣是基于圖像多尺度頻域信息的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方法,不同的是該方法主要利用圖像的相位一致性反映圖像的結(jié)構(gòu)信息、受到結(jié)構(gòu)對(duì)比度影響小等特點(diǎn)來(lái)提取圖像的結(jié)構(gòu)特征. Feng等[26]在2014年關(guān)于相位一致性方法在探測(cè)低對(duì)比度太陽(yáng)結(jié)構(gòu)方面的研究則很好地表明相位一致性方法在增強(qiáng)日冕邊緣冕環(huán)結(jié)構(gòu)方面有著很大的優(yōu)勢(shì).基于相位一致性方法的這些特性,我們發(fā)現(xiàn)相位一致性方法在冕環(huán)圖像處理方面的應(yīng)用非常值得進(jìn)一步研究,因此我們對(duì)相位一致性方法在冕環(huán)結(jié)構(gòu)提取方面的應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,并且提出了一個(gè)新的基于相位一致性的冕環(huán)識(shí)別方法.

2 相位一致性方法

研究表明圖像的結(jié)構(gòu)特征更多地包含在圖像的相位譜之中,早在1981年Oppenheim和Lim[27]就做過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn).試驗(yàn)中作者首先將兩幅圖像進(jìn)行傅里葉變換分別計(jì)算出相位和振幅譜,然后將兩幅圖的功率譜進(jìn)行交換并且反變換之后發(fā)現(xiàn)得到新的圖像與為其提供相位譜的圖像非常相似,而與為其提供功率譜的圖像有很少相似之處.

在結(jié)構(gòu)識(shí)別的研究中,Morrone和Owens[28]將相位一致性定義為:

其中PC(x)代表x點(diǎn)的相位一致性,An(x)為x點(diǎn)第n個(gè)傅里葉分量的振幅,E(x)是x點(diǎn)上各個(gè)傅里葉分量的矢量和.它的幾何描述如圖1所示,一維信號(hào)F(x)在x處每一個(gè)傅里葉分量都有一個(gè)振幅An(x)和相位?n(x),這些傅里葉分量作為復(fù)矢量按照平行四邊形法則加起來(lái),得到從原點(diǎn)到終點(diǎn)的復(fù)矢量振幅|E(x)|,相位一致性就是這個(gè)總振幅與各個(gè)傅里葉分量振幅之和的比值.顯然如果所有傅里葉分量相位角都相等,則PC(x)=1,而各個(gè)傅里葉分量相位完全不相干,則PC(x)趨近于0.

圖1 相位一致性的幾何描述[29]Fig.1 Geom etric descrip tion of the phase congruency[29]

值得注意的是,這里的相位一致性僅僅在一個(gè)較寬的頻域范圍內(nèi)才有意義,如果某一個(gè)振幅分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他振幅分量,則相位一致性結(jié)果總是趨近于1.因此Kovesi在相位一致性的計(jì)算公式中乘入了一個(gè)權(quán)重函數(shù),從而得到了相位一致性新的表達(dá)式[29-30]:

這里??n(x)=cos(?n(x)??(x))?|sin[?n(x)??(x)]|,而T是估計(jì)的噪聲,ε為一個(gè)小量,為了防止分母為零的情況出現(xiàn),w(x)即新加入的權(quán)重因子,它的表達(dá)式為:

其中γ為增益因子,用來(lái)控制截止函數(shù)的陡峭程度,c則是一個(gè)截止參量,如果f(x)小于c則PC的值將被限制變小.N是濾波函數(shù)尺度的總個(gè)數(shù),Amax(x)是各階傅里葉分量振幅的最大值.

上面主要描述的是一維信號(hào)的處理方式,而對(duì)于二維圖像的相位一致性,目前有兩種方法可以計(jì)算:一個(gè)就是方向?yàn)V波方法[29-30],另外一個(gè)則是單演濾波方法(Monogenic Filter)[31].這里我們采用的是Felsberg和Sommer提出的單演濾波方法[31].該方法在頻域中引入濾波函數(shù):

式中i為虛數(shù)單位.為了減少計(jì)算量,這里引入濾波函數(shù)H,使H滿足

這里采用頻域中Log-Garbor作為基礎(chǔ)函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行濾波,Log-garbor函數(shù)如下:

單演濾波方法是首先利用Log-Garbor對(duì)圖像進(jìn)行濾波得到濾波后的信號(hào)f(x,y),之后利用濾波函數(shù)H對(duì)f(x,y)進(jìn)行濾波得到濾波后的信號(hào)f h(x,y).將f(x,y)的實(shí)部fr(x,y),和f h(x,y)的實(shí)部f hr(x,y)和虛部f hi(x,y)組合到一起,我們就得到了一組二維的“解析信號(hào)”:

我們稱之為單演信號(hào),在球坐標(biāo)系下?∈[0,2π),θ∈[0,π),則有

因此單演信號(hào)的局部振頻(Local Amplitude)為:

局部相位(Local Phase)為:

局部方位(Local Orientation)為:

圖像總的振頻|E|、相位角?、方位角θ分別為:

這里n代表不同的尺度,這樣單演濾波的相位一致性就可以根據(jù)(2)式得到,圖像特征結(jié)構(gòu)越明顯,它的相位一致性和總相位角也就越大,而方位角則分別反映圖像中這些特征結(jié)構(gòu)的方向性.

圖2展示了一幅冕環(huán)圖像,該圖顯示的是搭載在“太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)”(Solar Dynamics Observatory,SDO,2010)[32]上的“大氣成像組件”(Atmospheric Imaging Assembly, AIA)[33]在2015年6月18日00:00:11 UT 171?A波段觀測(cè)數(shù)據(jù).該圖的空間分辨率為0.6′′,圖中數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的AIA PREP校準(zhǔn)過(guò)程.從圖2中我們可以發(fā)現(xiàn)多數(shù)冕環(huán)結(jié)構(gòu)的亮度從足點(diǎn)到拱頂逐漸下降,導(dǎo)致冕環(huán)結(jié)構(gòu)的清晰度從足點(diǎn)向上逐漸降低,最終在接近冕環(huán)頂部附近的冕環(huán)變得模糊難辨;另外我們也可以注意到大部分冕環(huán)結(jié)構(gòu)有著一定的透明度,導(dǎo)致冕環(huán)的亮度變化更加復(fù)雜;還有部分冕環(huán)結(jié)構(gòu)互相交叉,在它們交叉部分冕環(huán)的走向變得難以分辨,這都為冕環(huán)結(jié)構(gòu)的識(shí)別帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn).接下來(lái)我們分別利用高通濾波(high pass filtered)、巴特沃思帶通濾波(band pass filtered)、高斯帶通濾波、基于單演濾波的二維相位一致性方法對(duì)圖2中的測(cè)試圖像進(jìn)行處理,結(jié)果如圖3所示.其中(a)、(b)、(c)分別是高通濾波、巴特沃思帶通濾波、高斯帶通濾波的結(jié)果,這里高通濾波是利用原圖減去它的16×16 boxcar平滑結(jié)果所得,巴特沃思帶通濾波、高斯帶通濾波使用IDL函數(shù)庫(kù)里面的BANDPASS FILTER程序?qū)崿F(xiàn),其中巴特沃思帶通濾波的階數(shù)為20,巴特沃思和高斯帶通濾波的頻帶范圍為最高頻率的0.05–0.25倍.圖3的(d)、(e)、(f)為相位一致性方法所得到的相位一致性PC、相位角、方位角,計(jì)算過(guò)程中我們應(yīng)用了單演濾波的方法,利用(8)式所給出的Log-Garbor函數(shù)作為基函數(shù)進(jìn)行濾波,不同尺度濾波函數(shù)中的中心波長(zhǎng)的取值為λ0=3×2.1n(這里中心波長(zhǎng)的單位是像素),式中不同的n代表不同尺度的濾波函數(shù),這里我們?nèi)=0,1,2,3 4個(gè)尺度濾波函數(shù).從結(jié)果我們可以看出相位一致性方法的確可以很好地對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的冕環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng),尤其是相位角(如圖3(e)所示)可以很好地突出測(cè)試圖中的冕環(huán)結(jié)構(gòu).進(jìn)一步對(duì)比表明在相位角圖像中整條冕環(huán)對(duì)比度明顯有著較大提高,尤其是冕環(huán)頂部較暗的部分對(duì)比度得到了很好的提升.

圖2 SDO衛(wèi)星171?A波段的冕環(huán)圖像.為了更加清晰地顯示圖像細(xì)節(jié),圖中顏色越黑代表輻射越強(qiáng).虛線S0展示了圖4中的亮度變化曲線所在的位置.Fig.2 The coronal loop im ages observed by SDO 171?A.B lack m eans h igh fluxes in th is im age to show the details.T he dashed line S0 ind icates the location of the p rofiles in Fig.4.

為進(jìn)一步對(duì)比不同圖像增強(qiáng)方法的效果,我們把幾種不同方法得到的S0(如圖2中黑色虛線所示)上的亮度變化曲線展示在圖4之中.如圖4所示S0中明顯有3個(gè)峰值分別代表3個(gè)冕環(huán)結(jié)構(gòu).從原圖亮度曲線(黑色實(shí)線)上我們可以看出,3個(gè)冕環(huán)中中間冕環(huán)有著較好的對(duì)比度,而兩邊的冕環(huán)則比較暗;從相位一致性相位角結(jié)果(綠色點(diǎn)線)我們可以看出,相位一致性方法對(duì)于S0兩邊的暗冕環(huán)結(jié)構(gòu)的提取結(jié)果同中間亮冕環(huán)結(jié)構(gòu)達(dá)到同一水平,而其他方法對(duì)暗結(jié)構(gòu)的提取結(jié)果則明顯差于相位一致性的結(jié)果.總體而言,相位一致性相位角圖像不但可以很好地提取亮冕環(huán)結(jié)構(gòu),同時(shí)也可以很好地提取較暗冕環(huán)結(jié)構(gòu).最后我們注意到相位一致性方法也存在著一定的問(wèn)題:它在增強(qiáng)了冕環(huán)結(jié)構(gòu)的同時(shí),也對(duì)其他的一些非冕環(huán)結(jié)構(gòu)和噪聲進(jìn)行了增強(qiáng).

3 冕環(huán)識(shí)別算法

從我們的測(cè)試圖像可以看出,冕環(huán)結(jié)構(gòu)有著亮度變化大,以及相互交疊等特點(diǎn),這都對(duì)冕環(huán)識(shí)別提出了很大的挑戰(zhàn).但是通過(guò)大量的觀測(cè)分析我們也發(fā)現(xiàn)冕環(huán)結(jié)構(gòu)基本上都是較光滑的大尺度結(jié)構(gòu),它們多數(shù)是從活動(dòng)區(qū)磁極發(fā)出并且有著很好的連續(xù)性,盡管隨著高度增加亮度會(huì)有明顯降低,但是形態(tài)變化卻很平滑,主要由橢圓形的閉合冕環(huán)和放射狀的開(kāi)放冕環(huán)構(gòu)成,這些特征則對(duì)冕環(huán)的識(shí)別非常有利.

圖3 利用高通濾波、帶通濾波以及相位一致性算法進(jìn)行冕環(huán)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)所得到的結(jié)果圖像Fig.3 T he coronal loop structu res strengthened by h igh pass filtered,band pass filtered,and phase congruency detective m ethods,resp ectively

為了更好地識(shí)別冕環(huán)結(jié)構(gòu),我們?cè)贠DM方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一個(gè)專門針對(duì)極紫外波段觀測(cè)到的冕環(huán)圖像進(jìn)行優(yōu)化的算法.該算法主要是依據(jù)冕環(huán)形態(tài)變化比較平滑的特性對(duì)冕環(huán)識(shí)別過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化得到的.改進(jìn)后的算法是通過(guò)冕環(huán)的方向性來(lái)指引識(shí)別過(guò)程,而冕環(huán)的方向則是通過(guò)計(jì)算以初始點(diǎn)為中心的上下兩個(gè)180°扇面上各方向亮度平均值的分布確定.這個(gè)扇面的半徑即我們的搜索半徑(簡(jiǎn)稱rs),rs的取值應(yīng)該大于冕環(huán)的寬度,依據(jù)不同的情況可取冕環(huán)寬度的幾倍,我們?cè)谟?jì)算過(guò)程中取35像素.基本的計(jì)算過(guò)程為,首先計(jì)算預(yù)期方向周圍180°扇面上各個(gè)方向的亮度平均值,將亮度大于最大亮度95%的方向進(jìn)行平均從而得到該點(diǎn)的推進(jìn)方向,并將識(shí)別結(jié)果沿該推進(jìn)方向推進(jìn)一段較小的距離(該距離就是推進(jìn)步長(zhǎng),默認(rèn)為2像素),之后循環(huán)這個(gè)過(guò)程從而對(duì)圖像中的冕環(huán)結(jié)構(gòu)逐步識(shí)別.直接使用這個(gè)算法則會(huì)遇到與ODM相同的問(wèn)題,使得識(shí)別過(guò)程很容易被噪聲打斷,從而導(dǎo)致識(shí)別的結(jié)構(gòu)不完整.針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,我們對(duì)上述算法進(jìn)行了一些改進(jìn),其詳細(xì)過(guò)程如圖5所示.圖中兩個(gè)交叉的黑色弧形環(huán)代表我們要識(shí)別的冕環(huán)結(jié)構(gòu),其中一條環(huán)上的白色星線為我們已經(jīng)識(shí)別的部分冕環(huán)結(jié)構(gòu),已經(jīng)識(shí)別的冕環(huán)的切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)的預(yù)期方向(如圖5中綠色箭頭所示).這樣如果計(jì)算過(guò)程進(jìn)行到冕環(huán)交叉的地方,或者冕環(huán)外面有一些亮度較大的噪聲點(diǎn)時(shí),我們的算法將會(huì)識(shí)別出兩處或多處亮度較大的方向,圖中紅色扇面就標(biāo)出了兩處不連續(xù)的亮度較大方向.如果將這兩處方向共同進(jìn)行平均就很容易得到一個(gè)錯(cuò)誤的方向,使推進(jìn)點(diǎn)脫離冕環(huán)結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致識(shí)別提前結(jié)束.這種情況下由于冕環(huán)的形態(tài)變化比較平緩,因此下一點(diǎn)上冕環(huán)方向不會(huì)有太大的變化,所以這里我們只取預(yù)期方向周圍較小范圍(計(jì)算過(guò)程中默認(rèn)為±10°)內(nèi)的亮度滿足條件的方向進(jìn)行平均.如果我們預(yù)期的結(jié)果可能出現(xiàn)的范圍內(nèi)沒(méi)有滿足條件的方向或者整個(gè)搜索范圍內(nèi)找到的亮度滿足大于最大亮度95%的方向總的個(gè)數(shù)超過(guò)一定范圍(我們計(jì)算過(guò)程中默認(rèn)為方向總個(gè)數(shù)的1/3),則按照預(yù)期方向進(jìn)行推進(jìn)并且將該次識(shí)別記為一次異常識(shí)別.

圖4 S0上的亮度變化曲線,其中黑色實(shí)線為原始數(shù)據(jù),藍(lán)、綠、紅色3條點(diǎn)線分別為利用單演濾波得到的相位一致性PC、相位角圖像以及高通濾波所得圖像的結(jié)果,而黑色點(diǎn)線以及虛線則是巴特沃思帶通濾波和高斯帶通濾波所得到圖像的結(jié)果,這里所有結(jié)果都被等比例歸一化到0–255.F ig.4 The in tensity p rofiles of S0.The b lack so lid line ind icates the origina l data.T he b lue,green,and red dotted lines show the data got from PC im age,im age,and high pass filtered im age,respectively. The Bu tterw orth and G ausssian band pass filtered resu lts are show n by the b lack dotted line and the b lack dashed line,resp ectively.Notew orthily,all the resu lts are norm alized to 0–255.

圖5 冕環(huán)識(shí)別算法示意圖.其中綠色箭頭為預(yù)期的冕環(huán)方向,其周圍較小的綠色扇面為我們程序所允許的結(jié)果方向的范圍,藍(lán)色180°扇面則是我們的搜索范圍,紅色扇面則是具有較大平均亮度的兩個(gè)方向范圍.Fig.5 The schem atic of ou r loop-tracing m ethod.The green arrow ind icates the expected d irection. A round th is green arrow,the sm aller green sector and 180°b lue sector are the range of p ossib le resu lt a llow ed by ou r p rogram and the search ing scop e,resp ectively.T he red sectors ind icate the tw o ranges of d irection along w h ich p ixels have a larger m ean intensity.

4 冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法

基于相位一致性所得到的冕環(huán)增強(qiáng)圖像和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的冕環(huán)識(shí)別算法,我們提出了一個(gè)新的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法(Phase-congruency-based method,簡(jiǎn)稱PCB方法).這個(gè)方法主要通過(guò)兩個(gè)步驟進(jìn)行冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別.首先我們通過(guò)一個(gè)程序?qū)υ既彰嵊^測(cè)圖像進(jìn)行預(yù)處理,該過(guò)程要先對(duì)原始圖像進(jìn)行分塊,每一塊子圖的平均值要大于一定的閾值mi(我們的計(jì)算中默認(rèn)取值為0.05,代表圖像最大值的0.05倍),則認(rèn)為該塊圖像中可能存在冕環(huán)結(jié)構(gòu).如果存在冕環(huán)結(jié)構(gòu)則將該塊子圖中的最大值所在的位置標(biāo)記為一個(gè)初始點(diǎn),這些點(diǎn)將被用作下一步冕環(huán)結(jié)構(gòu)識(shí)別的初始點(diǎn),接下來(lái)該程序則會(huì)應(yīng)用相位一致性方法對(duì)原始圖像進(jìn)行冕環(huán)結(jié)構(gòu)增強(qiáng).經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn)針對(duì)AIA和TRACE望遠(yuǎn)鏡171?A波段的觀測(cè)數(shù)據(jù),取λ0=3×2.1n(n=0,1,2,3)像素的4個(gè)不同尺度的濾波函數(shù)進(jìn)行計(jì)算所得到的相位角圖像,即可使絕大部分的冕環(huán)結(jié)構(gòu)得到很好的增強(qiáng),因此我們將以該圖為參考進(jìn)行第2步的冕環(huán)識(shí)別.第2步,我們將依據(jù)第1步所得到的冕環(huán)增強(qiáng)圖像和初始點(diǎn)進(jìn)行冕環(huán)識(shí)別,識(shí)別過(guò)程中主要用到我們改進(jìn)過(guò)的冕環(huán)識(shí)別算法對(duì)每一個(gè)初始點(diǎn)進(jìn)行冕環(huán)的識(shí)別.這里我們首次將識(shí)別方向的改變情況以及識(shí)別結(jié)果點(diǎn)的亮度共同用于判斷識(shí)別結(jié)果的正確性,如果連續(xù)zn次識(shí)別結(jié)果(默認(rèn)zn=2)均為異常識(shí)別或者識(shí)別結(jié)果點(diǎn)的亮度低于我們提前設(shè)定的截止閾值toff(默認(rèn)為0.3,代表圖像最大亮度的0.3倍),則認(rèn)為識(shí)別已經(jīng)超出真正的冕環(huán)結(jié)構(gòu)并且終止本次識(shí)別.最后我們的程序?qū)⒆R(shí)別的長(zhǎng)度大于30像素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄,而更短的結(jié)構(gòu)則認(rèn)為是其他結(jié)構(gòu),不進(jìn)行任何記錄.

另外,我們也注意到前面的程序?qū)⒖赡茉谕粋€(gè)冕環(huán)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生多個(gè)初始點(diǎn),這樣將會(huì)導(dǎo)致同一冕環(huán)被重復(fù)識(shí)別多次,在我們識(shí)別方法中提供了兩個(gè)辦法解決這個(gè)問(wèn)題.第1種方法(簡(jiǎn)稱為PCB1)是每次識(shí)別開(kāi)始時(shí)我們就判斷該初始點(diǎn)與前面所識(shí)別出來(lái)的冕環(huán)上所有點(diǎn)的距離的最小值,如果小于我們?cè)O(shè)定的閾值(簡(jiǎn)稱mw,默認(rèn)為25像素),我們就將該初始點(diǎn)剔除,不再進(jìn)行識(shí)別.考慮到第1種方法中如果閾值mw設(shè)定得太小,則還是會(huì)有少量重復(fù)識(shí)別結(jié)果,設(shè)定得太大時(shí),可能錯(cuò)誤地剔除部分靠得較近的相平行的冕環(huán),因此我們提出了第2種方法(簡(jiǎn)稱PCB2).該方法是將每一個(gè)新識(shí)別的點(diǎn)同前面所有結(jié)果的距離的最小值都計(jì)算出來(lái),如果小于我們?cè)O(shè)定的另一個(gè)閾值(簡(jiǎn)稱md,默認(rèn)為6像素)的點(diǎn)數(shù)超過(guò)3個(gè)則終止識(shí)別.這里以圖3中的測(cè)試圖像為例,以默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,第1種方法中的mw取值為25,第2種方法中的md則取為6,它們的結(jié)果如圖6所示.圖中星狀點(diǎn)代表我們所得到的初始點(diǎn),粗線代表程序識(shí)別的冕環(huán)結(jié)構(gòu),兩種方法在相同電腦上所用時(shí)間分別為3.463 s和8.502 s.經(jīng)過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)這兩種方法基本上都可以有效地去除重復(fù)識(shí)別的結(jié)果,但是從圖6中上圖的效果看第1種方法的結(jié)果中還有少量重復(fù)識(shí)別發(fā)生,因此剔除效果可能稍微差于第2種方法,但是從計(jì)算速度上看其比第2種方法要快.

值得注意的是,終止識(shí)別的條件的選取一直是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,如果取得過(guò)于苛刻則不能很好地識(shí)別較暗的冕環(huán)和一些冕環(huán)中較暗的部分,如果取得過(guò)于寬松則亮結(jié)構(gòu)冕環(huán)的識(shí)別容易超出其邊界,得到錯(cuò)誤的識(shí)別結(jié)果,這導(dǎo)致準(zhǔn)確性和完整性很難同時(shí)都獲得.但是由于超出冕環(huán)后的錯(cuò)誤識(shí)別結(jié)果不再具有很好的連續(xù)性,所以超出后的識(shí)別方向會(huì)有劇烈的波動(dòng).根據(jù)這些特點(diǎn)我們首次將識(shí)別方向的變化情況用于判斷是否停止識(shí)別,這樣我們就可以進(jìn)一步將原來(lái)的條件放寬松.試驗(yàn)表明較小的亮度截止閾值toff加上較小的方向改變閾值z(mì)n可以很好地彌補(bǔ)之前較寬松的截止亮度閾值產(chǎn)生的錯(cuò)誤識(shí)別結(jié)果,而且可以得到更加完整平滑的冕環(huán)結(jié)構(gòu),這些都使得我們的識(shí)別結(jié)果更加接近真實(shí)情況.

5 識(shí)別結(jié)果的比較和分析

針對(duì)冕環(huán)的特性和相位一致性方法所得到的冕環(huán)增強(qiáng)圖像的特點(diǎn),我們提出了一個(gè)新的PCB冕環(huán)識(shí)別方法.為了更好地同其他方法進(jìn)行對(duì)比,這里我們采用Aschwanden等[21]和M cAteer等[25]所用的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)我們的方法進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試中所用的參數(shù)均采用前文給出的默認(rèn)值.TRACE的這組數(shù)據(jù)如圖7所示,該數(shù)據(jù)是TRACE衛(wèi)星在1998年5月19日22:21 UT 171?A波段的觀測(cè)結(jié)果.利用PCB2方法所得到的識(shí)別結(jié)果展示在圖8之中,圖中我們可以看到PCB2識(shí)別的冕環(huán)整體上都比較完整,而且識(shí)別的冕環(huán)結(jié)構(gòu)都比較光滑,尤其是對(duì)圖像兩邊的開(kāi)放冕環(huán)的識(shí)別有著很大的優(yōu)勢(shì),接下來(lái)我們通過(guò)一些定量參數(shù)以及局部區(qū)域結(jié)果對(duì)PCB2的具體特性進(jìn)行詳細(xì)分析.

圖6 兩種不同的避免重復(fù)方法的識(shí)別結(jié)果.上下兩圖分別顯示PCB 1和PCB 2所識(shí)別的結(jié)果.Fig.6 T he iden tified resu lts of tw o m ethods that are used to avoid rep eating iden tifications.Top (bottom)panel is the resu lt of PCB 1(PCB 2).

5.1 完整性分析

冕環(huán)識(shí)別結(jié)果的完整性可以分為兩個(gè)方面:首先是識(shí)別的冕環(huán)種類完整,其次就是識(shí)別出來(lái)的冕環(huán)的長(zhǎng)度完整.由于各個(gè)不同方法的識(shí)別結(jié)果都含有大量的冕環(huán),而且識(shí)別結(jié)果的位置也各有不同,所以很難對(duì)其完整性進(jìn)行直接對(duì)比.根據(jù)Aschwanden等[21]所采用的一種方法,我們可以通過(guò)識(shí)別的長(zhǎng)度大于L的冕環(huán)總數(shù)隨L的分布(簡(jiǎn)稱冕環(huán)累積分布)來(lái)大致反映冕環(huán)識(shí)別結(jié)果的完整度.該參數(shù)既反映了識(shí)別冕環(huán)的長(zhǎng)度,又反映了冕環(huán)的數(shù)量.為了對(duì)比PCB2方法識(shí)別結(jié)果的完整性,我們也計(jì)算出了我們的PCB2方法識(shí)別結(jié)果的冕環(huán)累積分布,分布結(jié)果展示在圖9之中.圖像表明我們的方法識(shí)別出了96條長(zhǎng)度大于70像素的冕環(huán),與Aschwanden等[21]探測(cè)到大于70像素冕環(huán)最多的RAS方法所得到的結(jié)果91條水平相當(dāng).除此之外,為了更全面地反映我們的方法識(shí)別冕環(huán)的完整性,我們也將識(shí)別結(jié)果同Aschwanden等[21]的結(jié)果(圖3、圖4、圖5)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比.一方面從識(shí)別的種類上看,PCB2方法所識(shí)別的圖像中間部分的閉合冕環(huán)和兩側(cè)的開(kāi)放冕環(huán)幾乎同Aschwanden等[21]所提到的OCM、DAM、UDM、ODM 4種方法的總和相當(dāng);另一方面在識(shí)別冕環(huán)的長(zhǎng)度上,我們的識(shí)別結(jié)果在閉合冕環(huán)的頂部并沒(méi)有像UDM和ODM那樣發(fā)生中斷,而在兩邊開(kāi)放冕環(huán)的頂端,我們的方法則可以將大多數(shù)開(kāi)放冕環(huán)識(shí)別到接近圖像邊緣,這方面PCB2方法對(duì)開(kāi)放冕環(huán)的探測(cè)結(jié)果甚至比Aschwanden等[21]所提到的5種方法都要好.

圖7 TRACE 171?A波段于1998年5月19日22:21 UT觀測(cè)數(shù)據(jù).與前面A IA的圖像相同,圖中顏色越黑代表輻射越強(qiáng).Fig.7 T he corona l im age observed by the TRACE 171?A at 22:21 UT on 1998 M ay 19.Notew orthily, b lack m eans h igh fluxes in th is im age.

圖8 TRACE數(shù)據(jù)的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別結(jié)果Fig.8 The coronal loops autom atically ex tracted from the tested TRACE im ages

圖9 TRACE數(shù)據(jù)識(shí)別中冕環(huán)長(zhǎng)度大于L的累計(jì)分布圖Fig.9 T he cum u lative d istribu tion of loops iden tified from the tested TRACE im age with a length larger than L

5.2 準(zhǔn)確性和靈敏度分析

為了對(duì)冕環(huán)識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性和靈敏度進(jìn)行詳細(xì)的比較分析,我們選取了圖像中A、B兩個(gè)小區(qū)域來(lái)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比,該區(qū)域同Aschwanden等[21]所選取的區(qū)域完全相同.圖10和圖11分別展示了我們選取的A、B兩個(gè)區(qū)域,兩幅圖的背景是該區(qū)域高通濾波圖像的等高線,里面的粗線即為PCB2方法的識(shí)別結(jié)果,圖中等高線密集的地方就是冕環(huán)所在的位置.通過(guò)對(duì)比識(shí)別結(jié)果和等高線的位置關(guān)系,我們就可以知道識(shí)別結(jié)果是否準(zhǔn)確,如果識(shí)別的冕環(huán)和背景等高線分布密集的地方符合得較好,則說(shuō)明識(shí)別的結(jié)果比較準(zhǔn)確.從圖10和圖11的結(jié)果我們可以看到,PCB2方法識(shí)別冕環(huán)結(jié)構(gòu)與背景等高線很好地符合在一起.同文獻(xiàn)[21]中的結(jié)果相比,可以看出我們的結(jié)果有以下特點(diǎn):首先,PCB2的結(jié)果同OCM和DAM比較類似,比較光滑,不像UDM那樣識(shí)別結(jié)果有著許多小的虛假振蕩;其次,結(jié)果冕環(huán)末端也比較平滑,這一點(diǎn)要優(yōu)于RAS的結(jié)果;最后,識(shí)別結(jié)果中錯(cuò)誤識(shí)別水平也很低.通過(guò)對(duì)圖像中子區(qū)域識(shí)別結(jié)果仔細(xì)對(duì)比分析,我們可以看出PCB2冕環(huán)識(shí)別方法的結(jié)果同OCM、DAM、UDM、ODM、RAS相比處于一個(gè)較準(zhǔn)確的水平.而靈敏度方面,PCB2方法可以識(shí)別出兩個(gè)區(qū)域中絕大多數(shù)的冕環(huán)結(jié)構(gòu),識(shí)別的數(shù)目和完整性同靈敏度較高的RAS處于同一水平,但是準(zhǔn)確性方面卻彌補(bǔ)了RAS識(shí)別的冕環(huán)末端存在少量錯(cuò)誤的彎曲和錯(cuò)誤識(shí)別一些小尺度的非冕環(huán)結(jié)構(gòu)兩方面的不足.由于PCB2方法在完整性以及準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢(shì),尤其是對(duì)開(kāi)放冕環(huán)識(shí)別方面的良好結(jié)果,我們可以發(fā)現(xiàn)PCB2方法的確是一個(gè)有效可行的冕環(huán)識(shí)別方法.

圖10 TRACE數(shù)據(jù)A區(qū)域的詳細(xì)識(shí)別結(jié)果Fig.10 The detailed ex traction resu lt of the TRACE tested data in region A

圖11 TRACE數(shù)據(jù)B區(qū)域的詳細(xì)識(shí)別結(jié)果Fig.11 The detailed extraction resu lt of the TRACE tested data in region B

6 典型樣例中的應(yīng)用和分析

由于SDO衛(wèi)星的發(fā)射,使得我們可以獲得大量的日冕觀測(cè)數(shù)據(jù),這里我們也將PCB2方法用于更多的SDO/AIA 171?A波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)之中.首先我們選取了4個(gè)典型的冕環(huán)觀測(cè)數(shù)據(jù)用來(lái)測(cè)試和分析我們的方法,數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息如表1所示,測(cè)試之前幾組數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)處理過(guò)程.數(shù)據(jù)1–4在撒點(diǎn)過(guò)程中的閾值mi分別取為0.03、0.02、0.03、0.02(該閾值的選取既要保證識(shí)別較多的結(jié)果,又不能包含太多的虛假結(jié)構(gòu)),冕環(huán)識(shí)別過(guò)程中所需要的搜索半徑rs和推進(jìn)步長(zhǎng),以及防止重復(fù)識(shí)別的閾值md,還有用于停止識(shí)別的閾值toff和zn分別取前面給出的默認(rèn)值.對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行冕環(huán)識(shí)別的結(jié)果如圖12和圖13所示,其中圖12上下兩圖分別展示了測(cè)試數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2的結(jié)果,測(cè)試數(shù)據(jù)3和測(cè)試數(shù)據(jù)4的結(jié)果則分別展示在圖13中的上下兩圖.在每一幅結(jié)果圖像中,粗線就是PCB2方法的識(shí)別結(jié)果,圖像的背景為原始觀測(cè)數(shù)據(jù),疊加在背景上的等高線與圖10和圖11相同,為高通濾波后圖像的等高線.與本文第5章的方法相同,我們可以通過(guò)分析圖像中閉合冕環(huán)和開(kāi)放冕環(huán)頂端的識(shí)別情況來(lái)判斷識(shí)別結(jié)果是否完整,對(duì)比結(jié)果圖像中等高線的位置和識(shí)別冕環(huán)的對(duì)應(yīng)情況來(lái)反映識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性.首先我們可以發(fā)現(xiàn)PCB2方法的識(shí)別結(jié)果的確和圖像等高線的分布有著很好的對(duì)應(yīng),因此可以確定PCB2方法的識(shí)別結(jié)果有著很好的準(zhǔn)確性,其次從識(shí)別種類上看,不管是較直的開(kāi)放冕環(huán),還是有一定弧度的閉合冕環(huán),都可以被PCB2方法所識(shí)別.通過(guò)對(duì)識(shí)別出的冕環(huán)結(jié)果進(jìn)行分析,我們還可以看到不管是較亮的足點(diǎn)部分還是較暗的冕環(huán)頂部都可以被較好地識(shí)別.但是我們也注意到結(jié)果中存在少量將其他結(jié)構(gòu)誤識(shí)別為冕環(huán)的情況,這些誤識(shí)別結(jié)構(gòu)是位于冕環(huán)外圍譜斑附近一些大尺度并且較狹窄的亮區(qū)域,這些區(qū)域同較暗的冕環(huán)結(jié)構(gòu)很相似,因此比較容易被誤識(shí)別.

表1 測(cè)試圖像的詳細(xì)信息Tab le 1 The detailed in form ation of the test im ages

7 總結(jié)與討論

冕環(huán)是日冕中普遍存在的由磁場(chǎng)束縛的熱等離子組成的亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)[1],它很好地反映了我們平時(shí)很難直接觀測(cè)到的日冕中的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)[34].大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明多數(shù)冕環(huán)都處在一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境中,而且其本身的亮度也有著很大變化,這都為我們識(shí)別冕環(huán)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn).針對(duì)冕環(huán)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)識(shí)別,目前已經(jīng)有一些辦法被提出,這些方法都可以在一定程度上得到較好的結(jié)果,但是也存在著一些不足.這些冕環(huán)識(shí)別的方法一般包含對(duì)原圖像中的冕環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng),以及對(duì)增強(qiáng)結(jié)果進(jìn)行冕環(huán)標(biāo)記識(shí)別兩個(gè)過(guò)程.而在2014年Feng等[26]就對(duì)利用相位一致性方法來(lái)增強(qiáng)日冕中冕環(huán)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行了詳細(xì)研究,結(jié)果表明相位一致性的確對(duì)日冕中的冕環(huán)結(jié)構(gòu)有著很好的增強(qiáng)作用,但是基于相位一致性冕環(huán)增強(qiáng)圖像的冕環(huán)識(shí)別方法卻一直沒(méi)有被提出.本文我們將相位一致性中單演濾波方法所得到冕環(huán)增強(qiáng)圖像用于冕環(huán)識(shí)別之中,提出了一種基于相位一致性的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法.同時(shí)我們也將冕環(huán)結(jié)構(gòu)識(shí)別算法依據(jù)冕環(huán)形態(tài)變化比較平滑的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了改進(jìn),只取預(yù)期方向周圍較小范圍內(nèi)的方向作為有效方向來(lái)計(jì)算真正的推進(jìn)方向.最后我們對(duì)多組冕環(huán)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和分析,測(cè)試的結(jié)果表明我們的方法的識(shí)別結(jié)果不但具有很高的完整性,而且同時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性,這是大多數(shù)方法所不能同時(shí)具備的.而且測(cè)試結(jié)果也表明PCB2方法對(duì)大尺度冕環(huán)結(jié)構(gòu)有著很好的識(shí)別效果,尤其在大尺度開(kāi)放冕環(huán)結(jié)構(gòu)的識(shí)別方面有著明顯的優(yōu)勢(shì).以上結(jié)果表明相位一致性方法增強(qiáng)的冕環(huán)圖像的確可以被用于冕環(huán)結(jié)構(gòu)識(shí)別,而我們針對(duì)相位一致性增強(qiáng)圖像所開(kāi)發(fā)的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法也確實(shí)可以得到比較好的識(shí)別結(jié)果,是一套現(xiàn)實(shí)可行的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法,對(duì)冕環(huán)的探索和研究都有一定的使用價(jià)值.

圖12 PCB 2方法在A IA數(shù)據(jù)樣本1(上)和2(下)中識(shí)別的冕環(huán)結(jié)果Fig.12 The loops detected by PCB 2 from the A IA sam p les 1(top)and 2(bottom)

圖13 PCB 2方法在A IA數(shù)據(jù)樣本3(上)和4(下)中識(shí)別的冕環(huán)結(jié)果Fig.13 The loops detected by PCB 2 from the A IA sam p les 3(top)and 4(bottom)

此外我們也注意到,相位一致性方法增強(qiáng)的日冕觀測(cè)圖像中的一些噪聲和非冕環(huán)結(jié)構(gòu)也同時(shí)被增強(qiáng),針對(duì)這樣的情況我們提出了一個(gè)綜合的冕環(huán)自動(dòng)識(shí)別方法來(lái)減少這些被增強(qiáng)的噪聲和非冕環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)識(shí)別過(guò)程的影響.在PCB算法中我們主要通過(guò)3個(gè)方面共同作用來(lái)避免識(shí)別圖像中的非冕環(huán)結(jié)構(gòu).首先我們選取初始點(diǎn)時(shí)就對(duì)初始點(diǎn)周圍一個(gè)小范圍內(nèi)的平均值有一定的要求,平均值要大于我們?cè)O(shè)定的閾值mi才有可能成為一個(gè)初始點(diǎn),這是因?yàn)槊岘h(huán)觀測(cè)圖像中真正的冕環(huán)結(jié)構(gòu)通常都比較亮,而其他一些亮斑或者非冕環(huán)結(jié)構(gòu)周圍都比較暗,所以閾值mi的設(shè)定可以幫助我們有效地排除多數(shù)的噪聲以及非冕環(huán)結(jié)構(gòu).第2個(gè)方面就是我們將識(shí)別方向的改變情況以及識(shí)別結(jié)果點(diǎn)的亮度共同用做停止識(shí)別的判據(jù),如果連續(xù)zn次方向識(shí)別結(jié)果均為異?；蛘咦R(shí)別點(diǎn)的亮度小于閾值toff則終止識(shí)別.這主要是相位一致性增強(qiáng)后的冕環(huán)結(jié)構(gòu)有著很高的對(duì)比度和連續(xù)性,而其他的噪聲或者非冕環(huán)結(jié)構(gòu)則不同,相比冕環(huán)結(jié)構(gòu)圖像中的冕環(huán)結(jié)構(gòu),它們一般沒(méi)有規(guī)則的形狀,連續(xù)性較差,方向改變也較大.因此zn和toff兩個(gè)判據(jù)的共同限制也可以幫助我們排除大部分的非冕環(huán)結(jié)構(gòu).最后我們還要將識(shí)別結(jié)果的長(zhǎng)度做為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)降低錯(cuò)誤識(shí)別的可能性,這是因?yàn)檎嬲拿岘h(huán)結(jié)構(gòu)屬于較大尺度的結(jié)構(gòu),因此在長(zhǎng)度上要遠(yuǎn)長(zhǎng)于大部分的其他結(jié)構(gòu).值得注意的是,雖然經(jīng)過(guò)這3個(gè)步驟的共同作用已經(jīng)將錯(cuò)誤識(shí)別的概率降到了很低的水平,但是依然可能有極少量的非冕環(huán)結(jié)構(gòu)被識(shí)別,這些結(jié)構(gòu)同活動(dòng)區(qū)外邊緣較暗的冕環(huán)結(jié)構(gòu)很相似,因此很難被區(qū)分.

最后應(yīng)該指出的是,雖然我們提出的冕環(huán)識(shí)別算法主要是針對(duì)相位一致性方法進(jìn)行優(yōu)化,但是這個(gè)算法也為其他方法的優(yōu)化提供了參考.我們的結(jié)果表明,冕環(huán)結(jié)構(gòu)本身的特性為我們進(jìn)一步優(yōu)化冕環(huán)識(shí)別方法提供了一個(gè)很好的參考.而且我們也注意到我們的方法也存在少量錯(cuò)誤識(shí)別等一些問(wèn)題,因此在這些方面還需要更深入的研究.

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A N ew Coronal Loop Identified Technology Based on the Phase Congruency Detective M ethod

LIHong-bo1,2ZHAO M ing-yu1LIU Yu1

(1 Yunnan O bserva to ries,Chinese A cadem y of Scien ces,K unm ing 650011) (2 Un iversity of Chinese A cadem y of Scien ces,Beijing 100049)

We test a phase congruency method for automatically extracting coronal loops from the coronal observation data,and propose a new coronal loop detective method.On account of smooth changes of the direction along coronal loops,the possib le direction of loops is restricted in a sm all range for im proving the detective result. Beyond that,inspired by the structural characteristics of coronal loops,we firstly suggest that both the change of result directions and the flux of resu lt points can be used to term inate the loop detection.Finally,several coronal images are detected by our loop extracting method,and the result indicates that the congruency enhanced im age is exactly suitable for coronal detection and extraction,and our new loop detective method can also extract most of loops in the test im ages com p letely and accurately. Besides that,our research also suggests that the characteristics of coronal loop should be a significant reference for im p roving other loop detectivemethods.

sun:corona,techniques:im age processing,methods:observational

P182;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.04.003

2015-11-24收到原稿,2016-03-15收到修改稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11533009)資助

?hbli@ynao.ac.cn

?m yzhao@ynao.ac.cn