[發明專利]用于監測極光活動的變化軌跡的生成方法

有效

• 申請號: 201310670356.1
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103617425A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 王倩;楊惠根;胡紅橋;胡澤駿
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學
• 主分類號: G06K9/54
• 分類號: G06K9/54;G06K9/62
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司 61202
• 代理人: 劉華

技術領域

本發明屬于模式識別與智能處理技術領域，涉及視頻的運動場提取和動態紋理表征，可用于監測極光活動的變化和估計極光的活動周期，特別涉及一種用于監測極光活動的變化軌跡的生成方法。

背景技術

極光是人們唯一能夠用肉眼直接觀測到的具有極區特征的地球物理現象，是極區日地物理過程（特別是磁層-電離層相互作用）的最集中的表現形式。目前，獲取極光數據有多種方式，包括全天空成像設備、極光雷達系統、磁強計陣列、宇宙噪聲測量器陣列以及子午線掃描光度計陣列等。而本項目采用的全天空極光數據的優勢在于可以獲得二維的形態信息，實現對極光活動的連續觀測。

針對流體的特性，在2002年，Corpetti等人在文獻“Corpetti,T.,Mémin,,Pérez,P.Dense?estimation?of?fluid?flows.IEEE?Transactions?on?Pattern?Analysis?and?Machine?Intelligence,24(3):365-380,2002.”中，引入了流體動力學中的連續方程作為構成數據約束的基礎，結合二階散度-旋度正則化方法提取出了大氣圖像的運動場。事實上，極光是由太陽風和地球磁場相互作用產生的，期間產生并釋放出高達10⁶MW的能量，這些能量通過電流沿著電場線流進地球高層大氣。這些高能帶電粒子在電場線的作用下運動，期間釋放的光子數通量越高，圖像的亮度越高，所以極光具有流體的性質。因此，估計極光運動時，數據約束方程可以基于連續方程。但是，在正則化方法方面，Corpetti等人的方法采用了單一的二階散度-旋度正則化因子，不能滿足極光運動多尺度的特點。

因為一階平滑正則化因子限制鄰域內運動向量的空間變化（表示空間梯度），采用一階平滑正則化因子使得鄰域內的運動向量趨于一致。值得注意的是一階正則化因子和一階散度-旋度正則化因子在優化問題中的拉格朗日方程相同（這一結論見文獻“Corpetti,T.,Mémin,,Pérez,P.Dense?estimation?of?fluid?flows.IEEE?Transactions?on?Pattern?Analysis?and?Machine?Intelligence,24(3):365-380,2002.”），所以采用一階正則化方法會得到較為平滑的運動向量場，并且具有較小的散度和旋度。二階散度-旋度正則化方法懲罰散度和旋度的變化，不限制散度和旋度本身，以及不直接限制運動向量的空間變化。所以對于平滑運動，采用一階平滑正則化因子可以得到真實的運動場，而采用二階散度-旋度正則化因子同樣可以得到接近真實的運動場，不同的正則化方法，得到的運動場差別不大。而對于旋轉運動，采用二階散度-旋度正則化因子可以得到真實的運動場，采用一階正則化因子則會限制運動的散度和旋度。

綜上，已有的運動估計方法用于極光視頻圖像主要存在以下兩個問題：

1）在極光運動的過程中，高能微粒流的體積、亮度以及形狀都會發生變化。這些粒子流是可壓縮的，透明的，或是瞬時的，觀測對象不具有剛性性質。所以，傳統的基于亮度相關性的運動場估計方法不適用于極光數據。

2）采用一階正則化方法的運動估計算法可以得到較為平滑的運動場，而采用二階正則化方法的運動場估計算法更適合旋轉運動。現階段，幾乎所有的運動場估計方法都采用多尺度方法解決運動場的非線性估計問題，即將視頻圖像進行塔形分解，然后在不同的塔形分解層上實施運動估計算法。但是這些研究針對不同尺度的運動采用了完全一樣的正則化方法，這就默認極光在不同尺度下具有相同的運動特征。極光的運動極為復雜，不同尺度的運動形式具有不同的特點。所以，估計極光運動采用統一的正則化方法是不合適的。

發明內容

本發明提供一種用于監測極光活動的變化軌跡的生成方法，提出一種基于極光流體特性和多尺度運動特點的全天空極光圖像運動場的提取方法，本方法的數據約束基于連續方程，并且能夠根據當前數據的分辨率和極光活動的性質自適應的選擇正則化策略。然后基于提取出的運動場實現對極光視頻表征，進一步度量極光視頻序列之間的差異用以監測極光活動的變化，為空間物理的研究提供新的手段。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：