太阳色球图像的选帧处理

刘长玉，向永源，金振宇

(中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011)

太阳色球图像的选帧处理

刘长玉，向永源，金振宇

(中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011)

讲述抚仙湖太阳观测站的色球图像的选帧处理，主要针对观测数据的网上发布，处理过程主要由选帧和简单位移叠加(SAA)组成。使用在太阳光球图像处理中提出的斑点干涉术选帧法对图像进行选取。对太阳等扩展目标，简单位移叠加的位移量由图像和参考图像的相关极大值位置确定，参考图像选像质最好的一帧。选帧处理过程算法简单，处理速度快，相比斑点掩模法可以节省大量的重建时间，通过观察得到的处理结果还可以确定数据是否有用斑点掩模法进行进一步处理的必要。

简单位移叠加；选帧；斑点干涉术

CN53－1189/P ISSN1672－7673

1 m红外太阳塔是目前国内口径最大的地基太阳望远镜，该望远镜建于澄江抚仙湖畔，有着优良的大气视宁度，望远镜高分辨成像终端涵盖多个通道，能够实现对太阳的多波段高分辨连续观测。和所有地基望远镜一样由于受大气湍流的影响，获取的图像需要进行处理才能达到衍射极限成像。目前1 m红外太阳塔的高分辨数据处理分两种模式，一种是选帧位移叠加处理，一种是斑点掩模法[1－2]重建。

在网络平台上及时发布高分辨的观测数据是太阳塔发展过程中非常重要的一步，太阳的高分辨图像通常通过斑点掩模法重建获得，但是斑点掩模算法复杂，耗时多。采集一帧太阳色球图像大约需要0.14 s，而斑点掩模法用100帧色球图像重建一帧高分辨图像大约需要10 min，由于重建速度太慢，不利于观测数据的及时发布。选帧位移叠加处理则主要针对观测数据的网上发布，该处理过程用到的两种主要方法是选帧和简单位移叠加法[3－4]。简单位移叠加算法在视宁度比较好的情况下，能够得到更好的重建结果，因此在位移叠加前对图像进行选帧处理。选帧技术采用在太阳光球图像处理中提出的基于斑点干涉术的选帧方法(简称SI选帧法)，该方法以归一化后的功率谱频率环上的积分为评价标准对一组图进行像质评价。然后选取像质最好的30%进行位移相关叠加后退卷积得到最终结果。该处理过程算法简单，用100帧重建一帧图像只需要1 min左右，在视宁度好的时候图像分辨率能达到0.5，非常适于观测数据的及时发布，并且通过观察选帧处理得到的数据电影，可以判断数据是否有进一步使用斑点掩模法进行重建的必要。文章详细介绍选帧位移叠加处理的流程和方法，并给出实测太阳色球图像的选帧处理结果。

1 选帧处理方法简介

1.1 简单位移叠加法

对于点源目标，简单位移叠加算法通常以斑点图中的最大值为基准点进行位移叠加。对于太阳图像，如果图像中有特别亮的米粒或其他结构，也能以最亮斑的位置确定位移量，但是这种情况比较少见。在实际计算时，选像质最好的一幅图像为参考图像，以图像和参考图像互相关最大值的位置决定图像的位移量。

1.2 斑点干涉术选帧法

太阳观测上，常以图像的均方根[5]作为像质评价标准，但是当图像中包含非常亮或者非常暗的结构时，图像的均方根更多反应的是图像内容的变化而非像质，而在对太阳进行色球观测时，活动区内常出现特别亮或者特别暗的结构。本文在对图像进行选帧时采用在太阳光球图像上提出的一种选帧方法——斑点干涉术选帧方法。这种方法的基本原理是将单帧图像的功率谱以所在组图像平均功率谱进行归一，将有关目标的量消除，然后在对视宁度敏感的频率段上进行积分，积分的目的是提高信噪比。

按照斑点干涉术选帧法的理论分析，斑点干涉术选帧要在图像的等晕区内进行。在用斑点掩模法进行高分辨重建时，是在分块后的小区域上(128×128)进行选帧。当不要求达到图像的衍射极限分辨率，只是做简单的位移叠加处理时，可以在更大的区域内进行选帧。图1为抚仙湖1 m红外太阳塔拍摄的3个不同活动区的选帧结果，每个活动区有100帧图像，以图像中心588×588的区域作为选帧区域，将3组图像按像质由好到坏进行排序后的第1帧、第50帧和第100帧。图2为这3组图像的像质评价值分布曲线，横坐标为图像序列，纵坐标为归一化的像质评价值。

图1 3个不同活动区进行像质排序后的第1、50、100帧Fig.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

图2 归一化的像质评价值分布曲线Fig.2 The curves of(normalized)indices for image quality

2 实测数据的处理

2.1 谱比法简介

首先对谱比法[6－7]估算视宁度的方法做简单介绍。谱比法是一种从斑点图估计视宁度参数的方法，最初是为了估计扩展面源目标的视宁度参数而提出，这种方法既可以消除扩展目标对视宁度参数估计的影响，也可以有效地消除望远镜的跟踪和晃动带来的误差。

谱比法的表达式如下:

2.2 实测数据选帧处理结果

对前文所用实测太阳数据进行选帧叠加处理，上述数据分别采集于2013年2月8日、2013年2月16日和2013年3月16日，目标活动区编号为11667、11673、11696，活动区位置为N19W08、S21W05、N02W23。数据采集速度为7帧/s，曝光时间为20 ms，拍摄数据所用波长为6563 nm，对应的望远镜的衍射极限分辨率是α＝λ/D＝0.138″。原始图像大小是1 028×1 024，像元大小为7.4 μm/ pixel。以100帧图像为一组进行选帧叠加处理，主要处理流程如下:

(1)对原始数据进行平场、暗场等预处理；

(2)将预处理后的数据进行相关对齐，并将抖动过大的图像剔除；

(3)用谱比法估算视宁度，根据估算的视宁度参数构造传递函数；

(4)用斑点干涉术选帧法在每组中选取像质最好的30%，并以最好的一帧为参考图像对选出的图像再次进行相关位移对齐；

(5)将再次位移后的图像进行叠加并用步骤(3)的传递函数退卷积得到最终结果。

图3为3个活动区经选帧处理后得到的图像，可以看出重建后的图像分辨率和信噪比明显提高，很多细节变得清晰可见。重建一张图像的时间只用了1 min左右，所用时间是斑点掩模法重建一组数据时间的1/10。当视宁度比较好时，经选帧处理后的图像甚至可以直接用来做科学研究。视宁度不太好时，通过观察经选帧处理后的活动区电影，以确定是否有必要进行斑点掩模法重建。

图3 经选帧处理后的图像Fig.3 Result images of the processing with frame selection

3 结 论

本文主要介绍太阳色球图像的选帧处理，用到的两种最主要的方法是简单位移叠加法和选帧。对于扩展目标的位移叠加选择以相关极大值的方式确定每帧图像的位移量。基于斑点干涉术的选帧方法避开了目标本身的影响，像质评价参数只包含跟湍流大气有关的量，能更准确反应由视宁度变化引起的像质好坏。重建结果表明选帧处理过程可以在比斑点掩模法重建数据耗费的时间少得多的前提下得到分辨率提高的图像，这有利于观测数据的及时发布。视宁度比较好的情况下选帧处理后的数据可以直接用来进行科学研究，在视宁度不好时，通过选帧处理做成的电影观察目标的变化可以确定数据是否有进行斑点掩模法重建的必要。

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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

刘长玉，女，硕士.研究方向:选帧技术在太阳高分辨率成像中的应用.Email:liuchangyu＠ynao.ac.cn