本發(fā)明涉及一種用于太陽高分辨率圖像中圖像配準的方法，特別涉及一種結合互相關法和Fourier-Mellin方法的太陽高分辨率像的圖像配準方法，適用于圖像之間存在縮放、旋轉和平移變換關系的圖像，屬于天文技術和圖像處理領域。

背景技術：

太陽圖像中存在著各種不同的活動，因此，為了能夠更準確的獲得它們的位置和關系，在進行太陽圖像的研究時，往往需要拍攝大量的高分辨率圖像和全日面像進行圖像配準。

目前，根據不同的圖像信息間的區(qū)別，圖像配準的方法分為兩個主要的類別，一類是基于灰度信息的圖像配準方法，另一類是基于特征的圖像配準方法?；ハ嚓P法屬于典型的基于灰度信息的圖像配準方法，它是一種匹配度量，通過計算模板圖像和搜索窗口之間的互相關值來確定匹配的程度。Fourier-Mellin屬于典型的基于變換域信息的圖像配準方法，該方法通過計算兩幅圖像功率譜的反Fourier變換所對應的峰值位置求取它們的相對平移，通過對圖像幅度譜進行對數-極坐標變換，在對數-極空間計算出相對旋轉角度和尺度縮放因子，從而實現滿足縮放、旋轉和平移變換關系的圖像之間的配準。太陽圖像中的各種活動現象都是非剛性運動，并且由于拍攝太陽圖像的設備以及拍攝過程中的不確定性，得到的太陽圖像存在旋轉、縮放和平移現象，由于太陽圖像的特殊性，拍攝得到的太陽圖像存在特征不明顯，不存在明顯的角點等特征信息，因此，傳統(tǒng)的圖像配準方法在處理太陽圖像的配準時存在明顯缺陷。

本發(fā)明正是為了解決這些問題提出了一種用于存在旋轉、縮放和平移變換關系的太陽高分辨率圖像和全日面像的配準方法，該方法在基于灰度信息配準的基礎上，結合互相關法和Fourier-Mellin方法，采用粗角度匹配加細角度匹配加點匹配方法，精確地對存在縮放、旋轉和平移變換的太陽圖像進行配準，解決了傳統(tǒng)的配準方法在配準太陽圖像不精確的問題。

技術實現要素：

本發(fā)明提供了一種用于存在旋轉、縮放和平移變換關系的太陽高分辨率圖像和全日面像的配準方法，該方法在基于灰度信息配準的基礎上，結合互相關法和Fourier-Mellin方法，采用粗角度匹配加細角度匹配加點匹配方法，精確地對存在縮放、旋轉和平移變換的太陽圖像進行配準，解決了傳統(tǒng)的配準方法在配準太陽圖像過程中配準精度不精確的問題。

本發(fā)明一種用于存在旋轉、縮放和平移變換關系的太陽高分辨率圖像和全日面像的配準方法是這樣實現的：首先，分別對需要進行配準的高分辨率圖像和全日面像做預處理，讀取兩幅圖像的基礎數據，根據初始預估值對基礎數據進行處理；接著，將全日面像分塊，采用互相關法搜索高分辨率像在全日面像中的位置；其次，采用最大塊方向角法，選取目標中最大黑子，進行二值化后計算方向角，得到全日面像和高分辨率圖像的方向角之差作為粗轉角度；然后，根據得到的粗轉角度，對全日面像從進行過初期旋轉后的像的基礎上進行粗轉操作；接著，采用互相關法重新搜索高分辨率像在全日面像中的位置；然后，采用Fourier-Mellin法，轉換到對數-極空間測量精細旋轉量；接著，根據測量得到的精細旋轉量，對全日面像從進行粗轉的像的基礎上進行細轉操作；接著，采用互相關法搜索高分辨率像在全日面像中的位置。最后，采用互相關法計算模板圖像和搜索窗口之間的互相關值，得到匹配點，用匹配點產生轉換矩陣，得到旋轉角和比例尺；接著，根據計算得到的精細旋轉量，累計旋轉角，對全日面像從進行細轉的像的基礎上進行旋轉操作；然后，搜索高分辨率像在全日面像中的位置。最終，疊加全日面像和高分辨率太陽圖像，將全日面像固定，旋轉高分辨率太陽圖像。最終得到經過配準之后的圖像。

所述用于太陽高分辨率圖像中圖像配準的方法的具體步驟如下：

步驟1：預估初始數據：對需要進行配準的太陽高分辨率圖像和全日面像進行預處理，根據對太陽高分辨率圖像和全日面像估計，得到高分辨率圖像預估的旋轉角度、象元比例尺、近似坐標，同時，讀取全日面像的基礎數據，包括日心坐標和象元比例尺；

步驟2：根據預估的旋轉角度對全日面像做初始旋轉并計算旋轉后的坐標值，旋轉完成后扣除臨邊昏暗；同時，對太陽高分辨率圖像扣除圖像邊界，根據兩幅圖像的象元比例尺比例，將高分辨率圖像縮小到與全日面像相同的比例尺；

步驟3：初始匹配：將全日面像進行分塊，采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像中的位置，得到對應的全日面像子塊和高分辨率小像；

步驟4：計算最大塊方向角：對全日面像子塊和高分辨率小像進行二值化，二值化后采用最大塊方向角法，計算兩幅圖像最大塊黑子橢圓區(qū)域長軸和短軸的夾角并計算夾角的差值，此角度即為粗轉角度；

步驟5：粗角度匹配：對全日面像在初始旋轉的基礎上根據粗轉角度進行粗轉，采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊；

步驟6：測量精細旋轉量：采用Fourier-Mellin方法，將全日面像轉換至對數-極空間測量精細旋轉量，得到精細旋轉量，累計粗轉和精細旋轉量，此角度即為細轉角度；

步驟7：細角度匹配：對全日面像在粗轉的基礎上根據細轉角度進行細轉，采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊；

步驟8：計算互相關值：對高分辨率像進行高斯濾波，調整高分辨率像的清晰度至全日面像水平，然后計算高分辨率小像和全日面像子塊的互相關值，得到對應的匹配點；

步驟9：計算旋轉角和比例尺：通過匹配點產生轉換矩陣，從轉換矩陣計算得到旋轉角和比例尺，累計旋轉角；

步驟10：點匹配：對全日面像在細轉的基礎上根據累計旋轉角進行旋轉，采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊，進行中值均衡；

步驟11：旋轉、疊加配準圖像：疊加高分辨率小像至全日面像上，固定全日面像，旋轉高分辨率像，調整象元對應位置，最終得到經過配準后的圖像。

本發(fā)明的有益效果是：

采用結合互相關法和Fourier-Mellin方法的太陽高分辨率像的圖像配準方法對太陽高分辨率像和全日面像進行配準，較為精確地對兩幅太陽圖像進行了配準，解決了傳統(tǒng)的圖像配準方法在進行太陽圖像配準時不夠精確的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明太陽高分辨率圖像中高分辨率像和全日面像的圖像配準方法的總體流程圖；

圖2是本發(fā)明中采用SDO衛(wèi)星上HMI觀測設備于2013年7月15日采集到的全日面像；

圖3是本發(fā)明中采用SDO衛(wèi)星上HMI觀測設備于2013年7月15日采集到的太陽局部高分辨率圖像；

圖4是本發(fā)明中經過初始匹配后得到的一組圖像；

圖5是本發(fā)明中對圖4經計算最大塊方向角后進行粗轉的一組圖像；

圖6是本發(fā)明中對圖5經Fourier-Mellin方法計算精細旋轉量進行細轉的一組圖像；

圖7是本發(fā)明中對圖6經互相關法計算高分辨率像和全日面像子塊匹配的測量結果圖；

圖8是本發(fā)明中對圖7運動矢量測量結果圖；

圖9是本發(fā)明中對圖7經互相關法計算匹配點進行旋轉后的一組圖像；

圖10是本發(fā)明中對圖2和圖3經旋轉、疊加完成的最終配準結果圖。

具體實施方式

實施例1：如圖1-10所示，一種用于太陽高分辨率圖像中圖像配準的方法，首先，分別對高分辨率圖像和全日面像做預處理，根據初始預估數據對圖像進行預處理操作，采用分塊方法，將全日面像分塊，初步匹配高分辨率圖像在全日面像中的位置；其次，采用最大塊方向角法計算方向角差，得到粗轉角度；根據得到的粗轉角度，對全日面像從進行過初始旋轉后的圖像的基礎上進行粗轉操作；接著，通過Fourier-Mellin方法，將全日面像轉換到對數-極空間測量精細旋轉量，得到細轉角度，根據測量得到的精細旋轉量，對全日面像從進行粗轉的圖像的基礎上進行細轉操作；然后，采用互相關法計算模板圖像和搜索窗口之間的互相關值，得到匹配點，用匹配點產生轉換矩陣，得到旋轉角和比例尺，累計旋轉角，對全日面像從進行細轉的圖像的基礎上進行旋轉、疊加操作；最終得到經過配準之后的圖像。

所述用于太陽高分辨率圖像中圖像配準的方法的具體步驟如下：

步驟1：預估初始數據：對需要進行配準的太陽高分辨率圖像和全日面像進行預處理，根據對太陽高分辨率圖像和全日面像估計，得到高分辨率圖像預估的旋轉角度、象元比例尺、近似坐標，同時，讀取全日面像的基礎數據，包括日心坐標和象元比例尺；

步驟2：根據預估的旋轉角度對全日面像做初始旋轉并計算旋轉后的坐標值，旋轉完成后扣除臨邊昏暗；同時，對太陽高分辨率圖像扣除圖像邊界，根據兩幅圖像的象元比例尺比例，將高分辨率圖像縮小到與全日面像相同的比例尺；

步驟3：初始匹配：將全日面像進行分塊，采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像中的位置，得到對應的全日面像子塊和高分辨率小像；

步驟4：計算最大塊方向角：對全日面像子塊和高分辨率小像進行二值化，二值化后采用最大塊方向角法，計算兩幅圖像最大塊黑子橢圓區(qū)域長軸和短軸的夾角并計算夾角的差值，此角度即為粗轉角度；

步驟5：粗角度匹配：對全日面像在初始旋轉的基礎上根據粗轉角度進行粗轉，采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊；

步驟6：測量精細旋轉量：采用Fourier-Mellin方法，將全日面像轉換至對數-極空間測量精細旋轉量，得到精細旋轉量，累計粗轉和精細旋轉量，此角度即為細轉角度；

步驟7：細角度匹配：對全日面像在粗轉的基礎上根據細轉角度進行細轉，采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊；

步驟8：計算互相關值：對高分辨率像進行高斯濾波，調整高分辨率像的清晰度至全日面像水平，然后計算高分辨率小像和全日面像子塊的互相關值，得到對應的匹配點；

步驟9：計算旋轉角和比例尺：通過匹配點產生轉換矩陣，從轉換矩陣計算得到旋轉角和比例尺，累計旋轉角；

步驟10：點匹配：對全日面像在細轉的基礎上根據累計旋轉角進行旋轉，采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊，進行中值均衡；

步驟11：旋轉、疊加配準圖像：疊加高分辨率小像至全日面像上，固定全日面像，旋轉高分辨率像，調整象元對應位置，最終得到經過配準后的圖像。

實施例2：如圖1-10所示，一種用于太陽高分辨率圖像中圖像配準的方法是這樣實現的：首先，分別對需要進行配準的太陽高分辨率圖像和全日面像進行預處理，讀取兩幅圖像的基礎數據，根據初始預估值對基礎數據進行處理；接著，將全日面像分塊，采用互相關法搜索高分辨率像在全日面像中的位置；其次，采用最大塊方向角法，選取目標中最大黑子，進行二值化后計算方向角，得到全日面像和高分辨率圖像的方向角之差作為粗轉角度；然后，根據得到的粗轉角度，對全日面像從進行過初期旋轉后的像的基礎上進行粗轉操作；接著，采用互相關法重新搜索高分辨率像在全日面像中的位置；然后，采用Fourier-Mellin法，轉換到對數-極空間測量精細旋轉量；接著，根據測量得到的精細旋轉量，對全日面像從進行粗轉的像的基礎上進行細轉操作；接著，采用互相關法搜索高分辨率像在全日面像中的位置。最后，采用互相關法計算模板圖像和搜索窗口之間的互相關值，得到匹配點，用匹配點產生轉換矩陣，得到旋轉角和比例尺；接著，根據計算得到的精細旋轉量，累計旋轉角，對全日面像從進行細轉的像的基礎上進行旋轉操作；然后，搜索高分辨率像在全日面像中的位置。最終，疊加全日面像和高分辨率太陽圖像，將全日面像固定，旋轉高分辨率太陽圖像。最終得到經過配準之后的圖像。

步驟1：預估初始數據：對需要進行配準的太陽高分辨率圖像和全日面像進行預處理,根據對太陽高分辨率圖像和全日面像估計，得到高分辨率像預估的旋轉角度、象元比例尺、近似坐標。同時，讀取全日面像的基礎數據，包括日心坐標和象元比例尺；

步驟2：計算初始數據：根據預估的旋轉角度對全日面像做初始旋轉并計算旋轉后的坐標值，旋轉完成后扣除臨邊昏暗。同時，對太陽高分辨率圖像扣除圖像邊界。根據兩幅圖像的象元比例尺比例，將高分辨率圖像縮小到與全日面像相同的比例尺；

步驟3：初始匹配：將全日面像進行分塊，采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像中的位置，得到對應的全日面像子塊和高分辨率小像；

步驟4：計算最大塊方向角：對全日面像子塊和高分辨率小像進行二值化，二值化后采用最大塊方向角法，計算兩幅圖像最大塊黑子橢圓區(qū)域長軸和短軸的夾角并計算夾角的差值，此角度即為粗轉角度；

步驟5：粗角度匹配：對全日面像在初始旋轉的基礎上根據粗轉角度進行粗轉。采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊；

步驟6：測量精細旋轉量：采用Fourier-Mellin方法，將圖像轉換至對數-極空間測量精細旋轉量，得到精細旋轉量，累計粗轉和精細旋轉量，此角度即為細轉角度；

步驟7：細角度匹配：對全日面像在粗轉的基礎上根據細轉角度進行細轉。采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊；

步驟8：計算互相關值：對高分辨率像進行高斯濾波，調整高分辨率像的清晰度至全日面像水平。然后計算高分辨率小像和全日面像子塊的互相關值，得到對應的匹配點；

步驟9：計算旋轉角和比例尺：通過匹配點產生轉換矩陣，從轉換矩陣計算得到旋轉角和比例尺，累計旋轉角；

步驟10：點匹配：對全日面像在細轉的基礎上根據累計旋轉角進行旋轉。采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊，進行中值均衡；

步驟11：旋轉、疊加配準圖像：疊加高分辨率小像至全日面像上，固定全日面像，旋轉高分辨率像，調整象元對應位置，最終得到經過配準后的圖像。

實施例3：如圖1-10所示，一種用于太陽高分辨率圖像中圖像配準的方法是這樣實現的：首先，分別對需要進行配準的太陽高分辨率圖像和全日面像進行預處理，讀取兩幅圖像的基礎數據，根據初始預估值對基礎數據進行處理；接著，將全日面像分塊，采用互相關法搜索高分辨率像在全日面像中的位置；其次，采用最大塊方向角法，選取目標中最大黑子，進行二值化后計算方向角，得到全日面像和高分辨率圖像的方向角之差作為粗轉角度；然后，根據得到的粗轉角度，對全日面像從進行過初期旋轉后的像的基礎上進行粗轉操作；接著，采用互相關法重新搜索高分辨率像在全日面像中的位置；然后，采用Fourier-Mellin法，轉換到對數-極空間測量精細旋轉量；接著，根據測量得到的精細旋轉量，對全日面像從進行粗轉的像的基礎上進行細轉操作；接著，采用互相關法搜索高分辨率像在全日面像中的位置。最后，采用互相關法計算模板圖像和搜索窗口之間的互相關值，得到匹配點，用匹配點產生轉換矩陣，得到旋轉角和比例尺；接著，根據計算得到的精細旋轉量，累計旋轉角，對全日面像從進行細轉的像的基礎上進行旋轉操作；然后，搜索高分辨率像在全日面像中的位置。最終，疊加全日面像和高分辨率太陽圖像，將全日面像固定，旋轉高分辨率太陽圖像。最終得到經過配準之后的圖像。

所述用于存在旋轉、縮放和平移變換關系的太陽高分辨率圖像和全日面像的配準方法的具體步驟如下：

步驟1：預估初始數據：本實施例中采用如圖2所示的SDO衛(wèi)星上HMI觀測設備于2013年7月15日采集到的全日面像，以及如圖3所示的SDO衛(wèi)星上HMI觀測設備于2013年7月15日采集到的太陽局部高分辨率圖像，對需要進行配準的太陽高分辨率圖像和全日面像進行預處理，根據對太陽高分辨率圖像和全日面像估計，得到高分辨率像預估的旋轉角度、象元比例尺、近似坐標。同時，讀取全日面像的基礎數據，包括日心坐標和象元比例尺；

步驟2：計算初始數據：根據預估的旋轉角度對全日面像做初始旋轉并計算旋轉后的坐標值，旋轉完成后扣除臨邊昏暗。同時，對太陽高分辨率圖像扣除圖像邊界。根據兩幅圖像的象元比例尺比例，將高分辨率圖像縮小到與全日面像相同的比例尺；

步驟3：初始匹配：將全日面像進行分塊，采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像中的位置，得到對應的全日面像子塊和高分辨率小像，如圖4所示，圖4右圖為和高分辨率小像，左圖為經過初始匹配的全日面像子塊。

具體地，待匹配圖像I的像素大小為M×N，模板T的像素大小為m×n。圖像I中任意一塊像素大小為m×n的子圖I_x,y，其左上角在圖像I中的坐標為(x,y)，子圖I_x,y和模板T的歸一化互相關值R(x,y)定義為，

式中，(i,j)為像素在模板中的坐標，為子圖I_x,y的像素平均值；為模板T的像素平均值。

最后，對分塊區(qū)域用歸一化互相關函數，獲取全局最優(yōu)子圖；

步驟4：計計算最大塊方向角：對全日面像子塊和高分辨率小像進行二值化，二值化后采用最大塊方向角法，計算兩幅圖像最大塊黑子橢圓區(qū)域長軸和短軸的夾角并計算夾角的差值，此角度即為粗轉角度。采用如下公式計算最大塊黑子方向角，

θ即為橢圓的長軸與x軸的夾角，即為最大塊黑子的方向角。其中，a、b、c為橢圓方程ax²+cxy+by²＝1的系數。需要根據a和b的大小來判斷長軸和短軸；

步驟5：粗角度匹配：對全日面像在初始旋轉的基礎上進行根據粗轉角度進行粗轉。采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊，SDO子塊即全日面像子塊；如圖5所示，圖5右圖為高分辨率小像，左圖為經過粗角度匹配的全日面像子塊。

首先，待匹配圖像I的像素大小為M×N，模板T的像素大小為m×n。圖像I中任意一塊像素大小為m×n的子圖I_x,y，其左上角在圖像I中的坐標為(x,y)，子圖I_x,y和模板T的歸一化互相關值R(x,y)定義為，

式中，(i,j)為像素在模板中的坐標，為子圖I_x,y的像素平均值；為模板T的像素平均值。

最后，對分塊區(qū)域用歸一化互相關函數，獲取全局最優(yōu)子圖；

步驟6：測量精細旋轉量：采用Fourier-Mellin方法，將圖像轉換至對數-極空間測量精細旋轉量，得到精細旋轉量，累計粗轉和精細旋轉量，此角度即為細轉角度；

首先，配準的兩幅圖像s(x,y)和r(x,y)，其中s(x,y)是r(x,y)經過平移、旋轉和尺度縮放變換后的圖像，即

s(x,y)＝r[(σ(xcosα+ysinα)-x₀,σ(-xsinα+ycosα)-y₀)]

可通過圖像幅度譜求出旋轉角度α和縮放因子σ，

s_p(θ,logρ)＝r_p(θ-α,logρ-logσ)

其中，r_p和s_p分別是r和s在對數-極坐標系(θ,logρ)中的幅度譜；對數的底取為e，那么σ＝e^x。

最后，可求出旋轉角度α和縮放因子σ。

步驟7：細角度匹配：對全日面像在粗轉的基礎上根據細轉角度進行細轉。采用互相關法搜索太陽高分辨率小像在全日面像子圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊，扣取高分辨率小像的對應全日面像子塊。如圖6所示，圖6右圖為高分辨率小像，左圖為經過細角度匹配的全日面像子塊。

具體地，待匹配圖像I的像素大小為M×N，模板T的像素大小為m×n。圖像I中任意一塊像素大小為m×n的子圖I_x,y，其左上角在圖像I中的坐標為(x,y)，子圖I_x,y和模板T的歸一化互相關值R(x,y)定義為，

式中，(i,j)為像素在模板中的坐標，為子圖I_x,y的像素平均值；為模板T的像素平均值。

最后，對分塊區(qū)域用歸一化互相關函數，獲取全局最優(yōu)子圖；

步驟8：計算互相關值：對高分辨率像進行高斯濾波，調整高分辨率像的清晰度至全日面像水平。采用公式如下，

然后計算高分辨率小像和全日面像子塊的互相關值，得到對應的匹配點；如圖7所示，經過計算得到的高分辨率小像和全日面像子塊的互相關值相對應的匹配點，圖7中，采用圓圈表示高分辨率小像的對應點，采用十字表示全日面像子塊的對應點。

步驟9：計算旋轉角和比例尺：通過匹配點產生轉換矩陣，從轉換矩陣得到旋轉角和比例尺，累計旋轉角；如圖8所示，采用箭頭表示高分辨率小像和全日面像子塊的相對運動結果，箭頭短說明該區(qū)域運動幅度較小，箭頭長則表示該區(qū)域運動幅度較大，箭頭的旋轉程度說明該區(qū)域旋轉角度的變化情況。

步驟10：點匹配：對全日面像在細轉的基礎上根據累計旋轉角進行旋轉。采用互相關法搜索太陽高分辨率像在全日面像圖中的位置，扣取高分辨率小像的對應SDO子塊，進行中值均衡，如圖9所示，圖9左圖為全日面像子塊，右圖為經過點匹配后的高分辨率小像。

具體地，待匹配圖像I的像素大小為M×N，模板T的像素大小為m×n。圖像I中任意一塊像素大小為m×n的子圖I_x,y，其左上角在圖像I中的坐標為(x,y)，子圖I_x,y和模板T的歸一化互相關值R(x,y)定義為，

式中，(i,j)為像素在模板中的坐標，為子圖I_x,y的像素平均值；為模板T的像素平均值；

最后，對分塊區(qū)域用歸一化互相關函數，獲取全局最優(yōu)子圖；

步驟11：旋轉、疊加配準圖像：疊加高分辨率小像至全日面像上，固定全日面像，旋轉高分辨率像，調整象元對應位置，最終得到經過配準后的圖像。如圖10所示，圖10為經過粗匹配、細匹配和點匹配后旋轉、疊加完成的最終配準結果圖。

上面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。