【摘 要】
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信息技术、望远镜及其终端技术的发展与应用为太阳物理的研究提供了前所未有的高时间和高空间分辨率、多波段、多角度的海量观测数据。太阳研究工作者通过对这些数据测量分析、统计研究来更深入地了解太阳的各种机制,以及这些机制对地球生物和人类生活的影响,进而对各种灾害性空间天气进行预报。人眼对各种事物的感知大多数来源于视觉,图像是最直观的视觉数据,因此,太阳多波段、多角度的拍摄图像是最主要的太阳观测数据。在太阳
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院云南天文台)
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信息技术、望远镜及其终端技术的发展与应用为太阳物理的研究提供了前所未有的高时间和高空间分辨率、多波段、多角度的海量观测数据。太阳研究工作者通过对这些数据测量分析、统计研究来更深入地了解太阳的各种机制,以及这些机制对地球生物和人类生活的影响,进而对各种灾害性空间天气进行预报。人眼对各种事物的感知大多数来源于视觉,图像是最直观的视觉数据,因此,太阳多波段、多角度的拍摄图像是最主要的太阳观测数据。在太阳观测图像的获取过程中,由于望远镜本身、大气湍流、光学系统、终端仪器和CCD相机的影响,所得的图像像质会受到一定的影响。对像质的评价是整个望远镜建设的重要工作之一,也是衡量一个望远镜能否高效产出的因素之一。图像评价主要包括主观评价和客观评价两类。图像评价的主观评价方法在图像产生之初就已经应用在图像领域,并且在太阳观测领域取得了丰硕的成果,主观评价的成果也作为客观评价验证和客观评价方法研究的指导因素之一,发挥着巨大的作用。随着计算机技术的发展,客观评价方法在主观评价研究的基础之上得到了发展和应用。图像评价工作不仅涉及到人类视觉系统,还几乎涵盖了数字图像处理领域的图像获取、图像运算、图像变换与滤波、图像增强、图像复原与重建、图像分割、图像形态学处理、小波变换和图像多分辨率处理等。目前,客观评价方法在太阳观测图像预处理、太阳爆发事件空间自动识别、太阳爆发事件动态演化过程跟踪和太阳观测的统计、分类与分析过程中得到了广泛的应用。因此,太阳高分辨数据评价与喷流/日浪的观测研究工作就是在研究数字图像处理技术应用到太阳观测图像的基础上,探索更适用于太阳高分辨数据处理的方法与技术。云南天文台抚仙湖一米新真空望远镜(NVST)是目前世界上较大口径太阳望远镜,着重于太阳的高分辨观测和多波段光谱观测研究。本文针对太阳高分辨观测数据的处理、分析与应用需求,研究各种图像评价方法在太阳高分辨观测领域的应用价值。NVST高分辨观测数据主要特点是能实现太阳光球、色球的高时间和高空间分辨率的同步观测,为太阳小尺度事件(比如喷流或日浪)的观测和爆发机制研究提供最直观最清晰的图像。此外,由于太阳本身是一个动态变化的球体,以及地基望远镜本身受到大气湍流等因素的影响,没有一个可以作为标准的参考图像,因此,研究图像客观评价方法在高分辨观测数据中的应用时,着重研究无参考图像评价方法。图像评价在太阳高分辨观测中主要有四方面的应用前景:(1)主观评价方法用于太阳事件的分析研究,比如,太阳物理学家利用其先验的科学理论知识,对高分辨率的太阳色球H-alpha图像进行分析研究,发现某一时间在爆发过程中的某一细节对整个太阳爆发理论机制的影响;(2)图像评价方法用于监视望远镜系统的图像质量。例如,在望远镜观测中,由于受到多种复杂因素的影响,导致图像获取系统离焦,可以使用像质度量平台来监视和自动校准以获得最靠近焦点的观测图像。(3)图像评价方法可以用来基准和定位图像处理系统和算法。例如,多种高分辨重建方法重建出来的数据需要进行比较和选择,可以借助像质度量平台来评价哪一个方法会提供最好质量的图像。(4)图像评价方法可以被嵌入到一个图像处理系统中来优化算法和参数设置。例如,在观测数据处理过程中,找到并剔除影响数据处理结果的图像,达到优化数据处理的目的。本文针对这些应用研究需求,对图像评价方法和太阳观测图像处理进行了深入探索与研究。具体工作包括如下几个方面:第一:研究数字图像处理领域的图像评价方法与算法,并对其在太阳高分辨观测过程中的应用价值做一个系统的分析。第二:针对地基大口径太阳望远镜观测图像无原始参考图像的事实,研究一种基于人类视觉系统特性和图像模糊度的评价方法在太阳高分辨观测中的应用。第三:对目前太阳观测图像的处理方法与应用进行了深入调研,并对其中所应用到的图像评价方法和基本思想做了一个系统的概括和总结。第四:结合数字图像处理领域中的图像评价方法和太阳高分辨数据处理方法,对一个具体的普遍存在的太阳爆发事件进行研究,并在此基础上,给出一个高分辨H-alpha日浪的自动识别方法。
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