レベルセット法とスペクトルエントロピー法を用いた脈動オーロラ領域検出の改善

DOI 情報処理学会

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抄録

地球周辺の磁気圏では，波動粒子相互作用によって数keV～数百keVのプラズマ粒子が波動を励起し，励起した波動によって数百keVのプラズマ粒子がMeVのエネルギーまで加速されることがある．また，このような加速と同時に，波動粒子相互作用により，広いエネルギー帯（keV～MeV）のプラズマ粒子（高エネルギー粒子）が散乱され，地上に向かって降下する．この高エネルギー粒子は，人工衛星などに不具合を引き起こすため，高エネルギー粒子の振舞いを知ることは，宇宙開発において非常に重要となる．高エネルギー粒子は，高層大気と衝突することで脈動オーロラという発光現象を発生させ，それを観測することで間接的に磁気圏の高エネルギー粒子の振舞いを観測できるが，他のオーロラや白色雑音などの雑音が含まれるため，脈動オーロラの時空間解析が困難であった．本論文では，雑音低減処理として輝度値の非線形関数による補正や雑音を推定するスペクトルエントロピー法を用い，領域抽出処理として大津の二値化やレベルセット法を提案した．脈動オーロラを模擬したテスト動画を作成し，テスト動画のSNRを変化させたとき，白色雑音を付加していないテスト動画の検出領域を基準とする正規化相互相関値で領域検出精度を比較した．スペクトルエントロピー法とレベルセット法おいて，SNRが小さい（-5から0dB）ときに相関値が約0.96と高い値を示し，脈動オーロラの時空間解析が可能になった．

Plasma waves accelerate plasma particles (several eV) to high-energy particles (several MeV) via wave-particle interactions in the magnetosphere. A part of accelerated particles precipitate down to the ionosphere along the magnetic field lines. Then, pulsating aurora is observed on the ground. In order to understand magnetopheric dynamics, the spatio-temporal analysis of the pulsating aurora is important. However, the spatio-temporal analysis of the pulsating aurora was difficult because observed auroral images included noises. In this study, we propose the spectral entropy method and the correction by nonlinear function as the noise reduction method, and the level set method and the Otsu's method as the auroral region extraction. We make a test movie of pulsating aurora and evaluate the region detection accuracy with ZNCC (Zero-mean Normalized Cross-Correlation) corresponding to the SNR of the test movie. The ZNCC calculates the correlation value with the region detection of the test movie without white noise. The results in the spectral entropy method and the level set method show the high correlation of 0.96 when the SNR is small (-5 to 0dB).

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