一種基于懷柔全日面單色像的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽(yáng)物理領(lǐng)域中的圖像處理技術(shù)，特別是一種適用于太陽(yáng)圖像中太陽(yáng) 黑子的自動(dòng)識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽(yáng)黑子是日面上最為醒目的太陽(yáng)特征，是表征太陽(yáng)活動(dòng)水平的最重要指標(biāo)。分 析太陽(yáng)黑子對(duì)研宄太陽(yáng)長(zhǎng)期的活動(dòng)規(guī)律、預(yù)報(bào)太陽(yáng)耀斑的強(qiáng)弱、以及監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人類 帶來(lái)的危害，都起到非常重要的作用。要研宄太陽(yáng)黑子的屬性必須對(duì)其準(zhǔn)確識(shí)別。早期人 們通過(guò)肉眼進(jìn)行識(shí)別。然而，近年來(lái)隨著觀測(cè)能力不斷提升，新的大型太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備不斷投 入使用，每日都有大量太陽(yáng)黑子觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，基于人工方式由于工作效率非常低下，且準(zhǔn) 確性無(wú)法保障，已經(jīng)無(wú)法滿足海量數(shù)據(jù)的需求，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別太陽(yáng)黑子變成了迫切 需求和趨勢(shì)。
[0003] 懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地（HSOS)是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)天文觀測(cè)與研宄的重要基地 之一，基地裝備l〇cm口徑的全日面矢量磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，每日可獲得記錄有太陽(yáng)黑子的全日面 單色像，基于這些圖像進(jìn)行太陽(yáng)黑子的自動(dòng)識(shí)別，可為相關(guān)的研宄和應(yīng)用提供服務(wù)。
[0004] 對(duì)太陽(yáng)黑子的自動(dòng)識(shí)別在國(guó)內(nèi)尚屬空白，在國(guó)外已提出一些方法，例如：Zharkov etal. (2005)等利用邊界探測(cè)法和閾值法來(lái)提取太陽(yáng)黑子的輪廓；Curtoetal. (2008)利 用頂帽變換來(lái)提取太陽(yáng)黑子的候選區(qū)域，再結(jié)合迭代的參數(shù)限制來(lái)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行篩選； Suruchietal. (2014)則利用了水平集的方法來(lái)識(shí)別太陽(yáng)黑子。總體來(lái)說(shuō)，這些方法主要 通過(guò)提取太陽(yáng)黑子的梯度，再對(duì)梯度進(jìn)行一定限制來(lái)識(shí)別太陽(yáng)黑子。
[0005] 以上的所有方法均是基于質(zhì)量較高的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)黑子識(shí)別。然而，懷柔的 全日面光球單色像屬于地面數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)受到大氣干擾，分辨率有限；更重要的是，部分?jǐn)?shù) 據(jù)受到儀器噪聲干擾，靠近日面中心處存在較大的儀器噪聲，且儀器噪聲在不同數(shù)據(jù)中的 位置并不固定，現(xiàn)有的算法沒(méi)有針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行處理。本發(fā)明針對(duì)我國(guó)的全日面單色像， 提出了一種新的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法，可消除儀器噪聲的干擾，提高地面數(shù)據(jù)中太陽(yáng)黑 子識(shí)別的精度，提高我國(guó)太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用率，為深入研宄太陽(yáng)活動(dòng)周期、太陽(yáng)預(yù)報(bào)以及 空間天氣監(jiān)測(cè)提供便利。
[0006] 主要參考文獻(xiàn)附錄

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)懷柔全日面單色像圖像中存在的一些不足（相比于國(guó)外的 空間數(shù)據(jù)而言，分辨率較低，且受到儀器噪聲的干擾），提出的一種太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法， 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此方面的技術(shù)空白。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案：
[0009] (1)首先，日面本身存在的非均勻性以及云層的干擾，使得基于全局閾值的辦法進(jìn) 行太陽(yáng)黑子識(shí)別不可行，為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們采用了能夠在亮背景下提取暗物體的形 態(tài)學(xué)低帽變換（公式如（1)、（2)、（3)、（4)，A代表原始圖像，B和g代表結(jié)構(gòu)元素），來(lái)去除 日面背景，提取日面上的梯度信息；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于懷柔全日面單色像的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法，其特征在于：相比其他算法 基于高質(zhì)量的太陽(yáng)空間數(shù)據(jù)識(shí)別太陽(yáng)黑子，本發(fā)明針對(duì)質(zhì)量較低、且受儀器噪聲干擾的地 面圖像，對(duì)太陽(yáng)黑子的識(shí)別精度較高。該方法的步驟如下： (1) 首先，日面本身存在的非均勻性以及受到云層的干擾，使得基于全局閾值的辦法進(jìn) 行太陽(yáng)黑子識(shí)別不可行，為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們采用了能夠在亮背景下提取暗物體的形 態(tài)學(xué)低帽變換（公式如（1)、（2)、（3)、（4)，A代表原始圖像，B和g代表結(jié)構(gòu)元素），來(lái)去除 日面背景，提取日面上的梯度信息； (2) 其次，由于受到太陽(yáng)固有的臨邊昏暗規(guī)律的影響，提取的梯度信息存在靠近日面 中心大，日面邊緣小的問(wèn)題，對(duì)此我們采用分段閾值進(jìn)行處理：在靠近日面中心利用較高閾 值，在日面邊緣處采用較低閾值分別進(jìn)行分割，得到了太陽(yáng)黑子的候選區(qū)域；同時(shí)，儀器噪 聲雖然靠近日面中心，但其梯度值相對(duì)于太陽(yáng)黑子梯度較低，因此，在日面中心處采用較高 閾值進(jìn)行分割，也可以基本消除儀器噪聲； (3) 最后，由于每個(gè)太陽(yáng)黑子區(qū)域的中心灰度值高，邊緣灰度值低，在此限制每個(gè)候選 區(qū)域的最大、最小像素的灰度之差必須大于5個(gè)像素，并去除不滿足此條件的候選區(qū)域，最 終得到日面上的太陽(yáng)黑子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于懷柔全日面單色像的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法，其特 征在于：步驟1)中，提出利用形態(tài)學(xué)低帽變換提取日面的梯度信息，形態(tài)學(xué)的公式如（1)、 (2)、（3)、⑷所示。
低帽變換：h=A-(A.g) (4)
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于懷柔全日面單色像的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法，其特 征在于：步驟2)中，對(duì)于日面固有的臨邊昏暗規(guī)律的干擾，以及日面儀器噪聲的去處，提出 利用分段閾值的方法進(jìn)行分割，閾值H的選取公式如（5)。
(5)
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于懷柔全日面單色像的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法，其特 征在于：步驟3)中，對(duì)每個(gè)太陽(yáng)黑子區(qū)域，限定了區(qū)域的最大、最小像素的灰度之差必須大 于5個(gè)像素。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種懷柔全日面單色像的太陽(yáng)黑子自動(dòng)識(shí)別方法，我國(guó)天文領(lǐng)域的太陽(yáng)物理學(xué)科中，目前還是利用人工手段識(shí)別日面上太陽(yáng)黑子的輪廓，效率極其低下，不能滿足海量數(shù)據(jù)的需求。本發(fā)明針對(duì)國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地的全日面單色像，采用形態(tài)學(xué)低帽變換提取日面上的梯度信息，采用分段閾值法消除日面固有的臨邊昏暗規(guī)律影響，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)黑子的自動(dòng)識(shí)別。其特點(diǎn)在于：相比其他算法基于高質(zhì)量的太陽(yáng)空間數(shù)據(jù)識(shí)別太陽(yáng)黑子，本發(fā)明針對(duì)質(zhì)量較低、且受儀器噪聲干擾的地面圖像，對(duì)太陽(yáng)黑子的識(shí)別精度較高。本發(fā)明可用于其它波段的單色像或白光像中太陽(yáng)黑子的自動(dòng)識(shí)別，可為發(fā)電機(jī)理論、太陽(yáng)活動(dòng)的預(yù)報(bào)和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供直接服務(wù)。
【IPC分類】G06K9-46, G06K9-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104615990
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510067024
【發(fā)明人】趙翠, 林鋼華, 鄧元勇
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年2月10日