CN110084839A - 一种用于天文图像配准的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于天文图像配准的方法，属于天文图像配准技术领域。本发明包括步骤：首先对待配准图像和配准图像进行预处理，去除噪声；然后提取待配准图像和配准图像的灰度特征；其次计算待配准图像和配准图像之间的位移和梯度信息、互信息；最后根据配准空间，实现图像的配准。本发明采用Demons算法和梯度互信息算法相结合的改进算法，有效的改进了现有的Demons算法配准率低的问题。

Description

一种用于天文图像配准的方法
技术领域
本发明涉及一种用于天文图像配准的方法，属于天文图像配准技术领域。
背景技术
地球是目前人类生活的唯一生活场所，太阳对地球上的环境有着很大的影响。当太阳耀斑、日冕物质等活动爆发时，会出现X射线、紫外线辐射变强、日冕物质抛射等。这些物质对地球上的生物有着很大的影响，所以对天文图像进行图像处理是非常重要的。图像配准技术是多种图像处理的关键步骤，处理结果的好坏直接影响到后续步骤的有效性。现阶段已有一些文献针对图像的配准提出方法，例如基于粒子群算法，与差分结合提高算法的性能(申请号：CN201611174000.9)。基于图像特征和互信息的图像配准方法，采用Powell算法优化(申请号：CN201410379720.3)。
天文图像内部结构通常有微小的不规则运动，而天体运动存在一个普遍的现象就是星体内部结构并没有从同一的方向运动或者旋转，他们之间存在着一定的相对运动。天文图像的像素不易受精确的特征提取和判断。然而Demons图像配准即基于光流场的正力以及负内力完全自动化的灰度配准方法，也是基于光流场模型梯度的模型的方法，具有配准效率快，精度高，易于实现等特点。缺点就是配准图像无法确定足够的梯度信息，所以采用梯度信息和互信息的方法弥补这种缺点。图像互信息当做配准相似性度量指导配准搜索过程，当图像互信息取到最大值时，参考图像与待配准图像实现最优匹配，但是互信息忽略了空间信息，而梯度信息是最有效的空间特征，能弥补灰度互信息的不足，提高图像配准的准确率。
发明内容
本发明提供了一种用于天文图像配准的方法，能弥补灰度互信息的不足，提高图像配准的准确率。
本发明的技术方案是：一种用于天文图像配准的方法，所述方法的具体步骤为：
步骤1、首先对待配准图像f和配准图像r进行预处理，分别去除待配准图像和配准图像的噪声；
步骤2、提取待配准图像f和配准图像r的灰度值，计算待配准图像和配准图像之间的位移和梯度信息、互信息，再把梯度信息、互信息进行结合：
步骤2.1、根据Demons算法，计算待配准图像f和配准图像r之间的位移u；
其中α是归一化因子，和分别为待配准图像和配准图像的梯度，其中|·|表示取模运算；
步骤2.2、根据待配准图像和配准图像的灰度特征计算互信息；
I(F,R)＝H(F)+H(R)-H(F,R)
其中H(F)是待配准图像f的信息熵，H(R)是配准图像r的信息熵，H(F,R)是待配准图像f和配准图像r的联合熵；
步骤2.3、计算梯度信息G(F，R)；
其中|·|表示取模运算，θ表示梯度向量之间的夹角，是待配准函数f的梯度，是配准图像r的梯度；
其中ω(θ)表示梯度方向的相似程度；
步骤2.4、互信息和梯度信息结合为；
Inew(F,R)＝G(F,R)I(F,R)
步骤3、利用梯度信息和互信息进一步改进Demons函数，当配准误差E达到最小时，则根据图像配准空间计算图像的配准位移unew；
其中β为权重，0≤β≤1；
步骤4、利用改进的Demons函数计算得到的待配准图像f和配准图像r之间的新位移unew作为配准相似性测度，计算当前映射参数下的配准测度值；当达到最大时，则实现两幅图像的最优匹配，最终寻找出最优的空间映射参数。
进一步地，在配准空间中，配准误差E来衡量，E最小时，图像配准的正确率越高；配准误差E由相似函数、变换误差函数和平滑正则化组成；它们用相似度度量像素距离的平方，用变换场梯度的平方作为平滑正则化；得到的迭代配准算法如下：
其中F是待配准图像频域，R是配准图像频域，RT和FT分别是配准图像和待配准图像的配准空间转化，S是转换域描述了每个原始像素点的在X和Y轴的平移，其中是图像转换域，δi表示的是噪声的不确定性，δx是转换常数，U是线性搜索得到的迭代更新的转换域，||||2是2范数。
本发明的有益效果是：本发明采用Demons算法和梯度互信息算法相结合的改进算法，有效的改进了现有的Demons算法配准率低的问题。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种用于天文图像配准的方法，所述方法的具体步骤为：
步骤1、首先采用全变分TV的方法对待配准图像f和配准图像r进行预处理，分别去除待配准图像和配准图像的噪声；
其中λ为松弛因子，f0和r0分别是被噪声污染的待配准图像和配准图像，后边步骤迭代求配准误差E的最小值，去除图像中的噪声，有利于提高图像配准的准确率；
步骤2、提取待配准图像f和配准图像r的灰度值，计算待配准图像和配准图像之间的位移和梯度信息、互信息，再把梯度信息、互信息进行结合：
步骤2.1、根据Demons算法，计算待配准图像f和配准图像r之间的位移u；
其中α是归一化因子，和分别为待配准图像和配准图像的梯度，其中·表示取模运算；
步骤2.2、根据待配准图像和配准图像的灰度特征计算互信息；
其中p(f)是待配准图像灰度等级为i的像素出现的概率，p(r)是配准图像灰度等级为i的像素出现的概率。
其中，对于待配准图像f和配准图像r,pfr(f,r)为概率密度分布函数。
I(F,R)＝H(F)+H(R)-H(F,R)
其中H(F)是待配准图像f的信息熵，H(R)是配准图像r的信息熵，H(F,R)是待配准图像f和配准图像r的联合熵。当互信息I(F,R)取到最大值时，待配准图像与配准图像实现最优配准。
步骤2.3、计算梯度信息G(F，R)；
其中|·|表示取模运算，θ表示梯度向量之间的夹角，是待配准函数f的梯度，是配准图像r的梯度；
其中ω(θ)表示梯度方向的相似程度；
步骤2.4、互信息和梯度信息结合为；
Inew(F,R)＝G(F,R)I(F,R)
步骤3、利用梯度信息和互信息进一步改进Demons函数，当配准误差E达到最小时，则根据图像配准空间计算图像的配准位移unew；
其中β为权重，0≤β≤1；
步骤4、利用改进的Demons函数计算得到的待配准图像f和配准图像r之间的新位移unew作为配准相似性测度，计算当前映射参数下的配准测度值；当达到最大时，则实现两幅图像的最优匹配，最终寻找出最优的空间映射参数。
进一步地，在配准空间中，配准误差E来衡量，E最小时，图像配准的正确率越高；配准误差E由相似函数、变换误差函数和平滑正则化组成；它们用相似度度量像素距离的平方，用变换场梯度的平方作为平滑正则化；得到的迭代配准算法如下：
其中F是待配准图像频域，R是配准图像频域，RT和FT分别是配准图像和待配准图像的配准空间转化，S是转换域描述了每个原始像素点的在X和Y轴的平移，其中是图像转换域，δi表示的是噪声的不确定性，δx是转换常数，U是线性搜索得到的迭代更新的转换域，||||2是2范数。
通过利用图像的相似结构度指数SSIM测试待配准图像f和配准图像r的准确度：
其中，μf为待配准图像的均值，μr为配准图像的均值。和分别为待配准图像和配准图像的方差，δfr为彼此的方差，C1和C2的目的是为了防止分母为零设置的系数。图像结构相似度指数的取值范围为0到1，SSIM的值越大，相似程度越大。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种用于天文图像配准的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤为：
步骤1、首先对待配准图像f和配准图像r进行预处理，分别去除待配准图像和配准图像的噪声；
步骤2、提取待配准图像f和配准图像r的灰度值，计算待配准图像和配准图像之间的位移和梯度信息、互信息，再把梯度信息、互信息进行结合：
步骤2.1、根据Demons算法，计算待配准图像f和配准图像r之间的位移u；
其中α是归一化因子，和分别为待配准图像和配准图像的梯度，其中|·|表示取模运算；
步骤2.2、根据待配准图像和配准图像的灰度特征计算互信息；
I(F,R)＝H(F)+H(R)-H(F,R)
其中H(F)是待配准图像f的信息熵，H(R)是配准图像r的信息熵，H(F,R)是待配准图像f和配准图像r的联合熵；
步骤2.3、计算梯度信息G(F，R)；
其中|·|表示取模运算，θ表示梯度向量之间的夹角，是待配准函数f的梯度，是配准图像r的梯度；
其中ω(θ)表示梯度方向的相似程度；
步骤2.4、互信息和梯度信息结合为；
Inew(F,R)＝G(F,R)I(F,R)
步骤3、利用梯度信息和互信息进一步改进Demons函数，当配准误差E达到最小时，则根据图像配准空间计算图像的配准位移unew；
其中β为权重，0≤β≤1；
步骤4、利用改进的Demons函数计算得到的待配准图像f和配准图像r之间的新位移unew作为配准相似性测度，计算当前映射参数下的配准测度值；当达到最大时，则实现两幅图像的最优匹配，最终寻找出最优的空间映射参数。
2.根据权利要求1所述的用于天文图像配准的方法，其特征在于：在配准空间中，配准误差E来衡量，E最小时，图像配准的正确率越高；配准误差E由相似函数、变换误差函数和平滑正则化组成；它们用相似度度量像素距离的平方，用变换场梯度的平方作为平滑正则化；得到的迭代配准算法如下：
其中F是待配准图像频域，R是配准图像频域，RT和FT分别是配准图像和待配准图像的配准空间转化，S是转换域描述了每个原始像素点的在X和Y轴的平移，其中是图像转换域，δi表示的是噪声的不确定性，δx是转换常数，U是线性搜索得到的迭代更新的转换域，||||2是2范数。
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