一种日冕图像增强方法、系统、介质、设备及应用

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	一种日冕图像增强方法、系统、介质、设备及应用
	赵明宇; 刘煜; 宋腾飞; 张雪飞; 李小波; 王晶星
申请（专利权）人	中国科学院云南天文台
专利号	ZL202110260696.1
申请号	CN202110260696.1
	2021-06-18
申请日期	2021-03-10
公开（公告）号	CN112991205A
公开日期	2021-06-18
IPC 分类号	G06T5/00
CPC分类号	G06T5/002 ; G06T2207/10004 ; G06T2207/10024 ; G06T2207/20024 ; G06T2207/20064 ; G06T2207/20056
授权国家	中国
专利类型	发明
专利状态	公开
学科领域	天文学 ; 太阳与太阳系 ; 太阳与太阳系其他学科 ; 计算机科学技术
产权排序	1
摘要	本发明属于图像处理技术领域，公开了一种日冕图像增强方法、系统、介质、设备及应用，采用最小二乘法拟合得到日心坐标和半径，将图像以日心为原点变换到极坐标；利用傅立叶级数的前10项计算切向强度平均值分布(背景函数)，将图像还原为笛卡尔坐标；利用背景函数修正日冕径向强度差异，利用多尺度高斯归一化对细节进行增强；利用相位不变方法对图像降噪，将降噪结果和背景函数按一定比例进行叠加。系统包括：极坐标转换模块、图像还原模块、归一化处理模块、图像叠加模块。本发明用这种方法对多种不同仪器采集的日冕强度图像进行了增强测试，结果表明，对于各种空间，地面日冕仪以及日全食采集的不同分辨率的图像都有着良好的增强效果。
主权项	1.一种日冕图像增强方法，其特征在于，所述日冕图像增强方法包括：采用最小二乘法拟合得到日心坐标和半径，将图像以日心为原点变换到极坐标；利用傅立叶级数的前10项计算切向强度平均值分布，将图像还原为笛卡尔坐标；利用背景函数修正日冕径向强度差异，利用多尺度高斯归一化对细节进行增强；利用相位不变方法对图像降噪，将降噪结果和背景函数按比例进行叠加。 2.如权利要求1所述的日冕图像增强方法，其特征在于，所述最小二乘法拟合具体过程为：日冕图像的极坐标展开需要日心坐标和半径，利用线性最小二乘拟合用来自动确定非线性拟合的初值对圆方程做代数拟合，最佳拟合得到这两个参数；圆方程为：其中{(xi，yi)，i＝1，2，...，m}为待拟合的点，线性拟合：得到的参数称为代数拟合，最小化数据点和代数方程的残差平方和，通常作为最佳拟合的初始参数。 3.如权利要求2所述的日冕图像增强方法，其特征在于，所述最佳拟合又称几何拟合，最小化数据点和圆心距离的函数与半径的残差平方和；将圆方程写成如下形式：几何距离函数为：其中是圆心坐标，是半径，是数据点的坐标，最佳拟合要求：最小，其中参数矢量为显然S是βj，j＝1，2，3的非线性函数，因此这一个非线性最小二乘法的问题。 4.如权利要求1所述的日冕图像增强方法，其特征在于，所述将图像以日心为原点变换到极坐标的具体过程为：直角坐标到极坐标，采用图像矩阵整体作为参数计算变换坐标，然后通过插值完成变换；坐标变换，极坐标到直角坐标；所述利用背景函数修正日冕径向强度差异的具体过程为：在指定高度ro上，日冕强度的切向分布为F(φ)，展开为一个傅立叶级数：傅立叶系数为：切向强度的平均值μ(r，φ)和标准偏差σ(r，φ)同样用傅立叶级数表示；将同一高度分成N段，即φ→(2k+1)π/N，k＝0，1，...，N-1，以分段中点而非起点位置作为新坐标，是k+0.5，得到：所述多尺度高斯归一化的具体过程为：在日冕图像增强时用此方法增强日冕细节特征，采用多尺度高斯归一化方法对日冕细节特征进行增强；B代表原始图像，C代表处理后的归一化图像，kw代表宽度w的二维高斯核函数，则：压缩输出结果的数值范围，引入如下变换： C′＝actan(kC)； K：作为可调参数，典型值为0.7；上述过程将在一系列不同宽度上进行，w＝1.25，2.5，5，10，20，40像素，最终再进行加权平均，并和原始图像的Gamma变换进行叠加。 5.如权利要求1所述的日冕图像增强方法，其特征在于，所述相位不变降噪的过程为：采用基于小波阈值收缩策略的多尺度降噪方法处理日冕图像，在各个小波尺度上估计噪声响应强度，在振幅上对噪声强度进行扣除，保留各尺度的相位不变；首先把图像每个像素点的相位和振幅分解出，通过一族小波函数对儿的卷积实现，其中偶对称/奇对称是指卷积用的是一对儿函数，分别为偶对称和奇对称函数；采用的是Log-Gabor函数，该函数在频域对数坐标下传递函数是一个高斯函数：其中ω0是滤波函数的中心频率，k/ω0控制着滤波函数的带宽；对于二维图像，程序中利用了里斯变换获取方向相位，里斯变换是希尔伯特变换在二维情况下的推广，使得二维图像可以作为类似一维解析信号进行处理，完成了局域振幅和相位的分离以后，确定在各个滤波尺度上的小波收缩阈值；在最小空间尺度上，滤波响应的贡献几乎都来自噪声，通过统计方法估算最小空间尺度上的噪声响应强度； A0＝μ+kσ；其中μ是平均值，σ是标准偏差，k是一个可调参数，典型值是3；对于其他空间尺度，噪声响应强度根据最小空间尺度的统计结果进行推算；根据帕斯瓦尔定理，一个函数的平方和，等于该函数傅立叶变换的平方和：那么某个特定尺度下的局域能量：其中G(ω)是在该尺度下Log-Gabor函数在频域中的传递函数，G1(x)和G2(x)是其在空间域中对应的一对儿正交函数；对于采用的Log-Gabor滤波函数族，最小尺度的噪音响应为A0，其他尺度的噪声响应估算为：得到了各个尺度的噪声响应估计以后，通过标准的小波阈值收缩扣除噪声，再进行反演；噪声响应的收缩有两种可选方式，在对应着valid所代表的区域；valid＝1是振幅大于噪声上限的部分，以噪声上限Tn为界，噪声圈以内valid＝0按全是噪声算，而噪声圈以外valid＝1按无噪声算；另一种方法噪声圈以内仍然恒等于0，噪声圈以外按噪声恒等于Tn计算，把滤波响应矢量减去Tn再投影到偶对称响应的轴。 6.如权利要求1所述的日冕图像增强方法，其特征在于，所述利用相位不变方法对图像降噪还包括：图像二值化采用大津算法对日冕图像边界进行二值化，用阈值将此分布划分为两类(C1，C2)，分别求出每类的概率积分和概率加权的平均值，设阈值为T，则：其中μ是C1∪C2的平均值；令： μ0＝ω1μ1+ω2μ2；两类之间的间方差(Intra-class variance)为： σ2(T)＝ω1(μ1-μ0)2+ω2(μ2-μ0)2；最优化的阈值T使得σ2最大；降噪过程中需要对噪声响应进行估计，令振幅的分布为\|Z\|＝f(x；s)，噪声是高斯分布，频域中的实部和虚部为独立同的高斯分布，合成的振幅为瑞利分布：其中s＞0是统计分布的展宽参数(scale parameter，决定着分布的宽度spread)，又称为“Mode”，x＝s刚好对应于分布的极大值；在精度要求不高的情况下，通过中值估计展宽参数，中值对应于概率密度累积分布的1/2，求解：得中值：瑞利分布的平均值μ和标准偏差σ与展宽参数s之间的关系是：计算瑞利分布的展宽参数，得到平均值和标准偏差估计噪声强度。 7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：采用最小二乘法拟合得到日心坐标和半径，将图像以日心为原点变换到极坐标；利用傅立叶级数的前10项计算切向强度平均值分布，将图像还原为笛卡尔坐标；利用背景函数修正日冕径向强度差异，利用多尺度高斯归一化对细节进行增强；利用相位不变方法对图像降噪，将降噪结果和背景函数按比例进行叠加。 8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：采用最小二乘法拟合得到日心坐标和半径，将图像以日心为原点变换到极坐标；利用傅立叶级数的前10项计算切向强度平均值分布，将图像还原为笛卡尔坐标；利用背景函数修正日冕径向强度差异，利用多尺度高斯归一化对细节进行增强；利用相位不变方法对图像降噪，将降噪结果和背景函数按比例进行叠加。 9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～6任意一项所述的日冕图像增强方法。 10.一种实施权利要求1～6任意一项所述的日冕图像增强方法的日冕图像增强系统，其特征在于，所述日冕图像增强系统包括：极坐标转换模块，用于采用最小二乘法拟合得到日心坐标和半径，将图像以日心为原点变换到极坐标；图像还原模块，用于利用傅立叶级数的前10项计算切向强度平均值分布，将图像还原为笛卡尔坐标；归一化处理模块，用于利用背景函数修正日冕径向强度差异，利用多尺度高斯归一化对细节进行增强；图像叠加模块，用于利用相位不变方法对图像降噪，将降噪结果和背景函数按一定比例进行叠加。
语种	中文
专利代理人	包晓静
代理机构	重庆市信立达专利代理事务所(普通合伙) 50230
文献类型	专利
条目标识符	http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/24425
专题	选址与日冕观测组
作者单位	中国科学院云南天文台, 云南省昆明市官渡区羊方旺396号
第一作者单位	中国科学院云南天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	赵明宇,刘煜,宋腾飞,等. 一种日冕图像增强方法、系统、介质、设备及应用. ZL202110260696.1[P]. 2021-06-18.

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CN112991205A - 一种日冕图（2404KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文