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REGISTRATION — Kaskadierte globale Registrierung + Pre-Warping

C++ Implementierung: global_registration.cpp, registration.cpp, runner_phase_registration.cpp Phase-Enum: Phase::REGISTRATION (gefolgt von eigener Phase::PREWARP)

Übersicht

Die Registrierung richtet alle Frames geometrisch auf ein gemeinsames Referenzsystem aus. Der aktuelle C++-Runner kombiniert eine 6-stufige Einzelbild-Registrierungskaskade mit einer Multi-Anchor-Strategie, sequentiellen Frame-zu-Frame-Rescues und optionaler Astrometrie. Das ist speziell fuer lange Alt/Az-Sequenzen mit Feldrotation wichtig, bei denen ein einziger spaeter Referenzframe fuer fruehe Frames oft geometrisch zu weit entfernt ist. Anschliessend werden alle Frames in der eigenen Pipeline-Phase PREWARP vollaufgeloest vorgewrapt, bevor lokale Tile-Metriken berechnet werden.

Kernprinzip: Keine Frame-Selektion. Jeder Frame bleibt im Datenfluss; die Provenienz wird ueber source, chain_depth und Registration-Telemetrie dokumentiert.

v3.3.9 ergänzt hier zwei normative Punkte:

  1. Vor dem CFA-Warp ist optional eine deterministische CFA-Defektpixel-Unterdrückung zulässig, solange CFA-Phase und Sample-Geometrie erhalten bleiben.
  2. Die Identity-Akzeptanz für den Referenzframe und für nahezu perfekt ausgerichtete Frames ist ein korrekter Sonderfall, kein Registrierungsfehler.
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│  Fuer jeden Frame f != master_ref:                       │
│                                                          │
│  1. Waehle 1/3/5 hochwertige, zeitlich verteilte Anker   │
│  2. Verankere Anchor-Frames gegen den Master-Anchor      │
│  3. Registriere jedes Frame direkt gegen den naechsten   │
│     aktiven Anchor (Einzelbild-Kaskade darunter)         │
│  4. Promote starke direkte Treffer zu weiteren Anchors   │
│     und wiederhole direkte Paesse                        │
│  5. Rescue-Stufen: sequential refine -> phase-corr       │
│     -> temporal/local/ECC -> optional Astrometrie        │
│  6. Optionales Feldrotationsmodell fuer Restfaelle       │
│  7. Pre-warp ganzes Bild (CFA-aware bei OSC)             │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

1. Referenz-Frame-Auswahl

Der Runner verwendet nicht mehr nur einen einzelnen Qualitaets-Ref-Frame, sondern ein Master-Anchor plus mehrere zeitlich verteilte Referenzanker:

  • Unter 120 Frames: 1 Anchor
  • Ab 120 Frames: ungerade Anchor-Zahl mit etwa 1 Anchor pro 80 Frames
  • Formel im aktuellen Runner: requested_anchor_count = ceil(N / 80), dann auf die naechste ungerade Zahl angehoben
  • Obergrenze aktuell: 15 angeforderte Anchors
  • Beispiele: 120 -> 3, 240 -> 3, 325 -> 5, 1000 -> 13
  • Die Zielpositionen der Anchors werden ueber die Zeitachse verteilt; innerhalb jedes Segments wird der beste Frame nach global_weights bzw. quality_score gewaehlt.
  • Der Master-Anchor ist der aktive Referenzframe, der unter den gewaehlten Anchors am naechsten zur Sequenzmitte liegt.
  • Der Master-Anchor erhaelt Identity-Warp und CC=1.0.

Das verhindert, dass fruehe Frames in langen Alt/Az-Sessions direkt gegen einen viel spaeteren Referenzframe registriert werden muessen.

1.1 Multi-Anchor-Direktpass

Nach der Anchor-Auswahl laeuft die direkte Registrierung so:

  • Angeforderte Anchor-Frames werden zuerst gegen bereits aktive Anchors verankert.
  • Jedes normale Frame wird direkt gegen den zeitlich naechsten aktiven Anchor registriert, nicht zwangslaeufig gegen den Master-Anchor.
  • Starke direct_global-Treffer koennen zu weiteren aktiven Anchors promoted werden.
  • Die Promotion skaliert ebenfalls mit N: Zielgroesse fuer aktive Anchors ist aktuell ungefaehr 1 aktiver Anchor pro 60 Frames, begrenzt auf 21.
  • Pro Promote-Runde duerfen aktuell ungefaehr 1 neue Anchors pro 160 Frames dazukommen, begrenzt auf 2..8 pro Runde.
  • Die Anzahl zusaetzlicher Direktpaesse skaliert ebenfalls mit N und ist aktuell auf ceil(N / 240) begrenzt, mindestens 3, maximal 8.

1.2 Rescue-Hierarchie nach dem Direktpass

Wenn die direkte Registrierung fuer ein Frame nicht ausreicht, folgen in dieser Reihenfolge weitere Stufen:

  1. sequential_refined: direktes Frame-zu-Frame-Matching gegen den zeitlichen Nachbarn mit anschliessender globaler Konsistenzpruefung.
  2. sequential_rescue: Phase-Correlation-Rescue gegen den Nachbarn fuer Bloecke, in denen die globale Korrelation verloren ging.
  3. temporal_rescue, seeded_ecc_rescue, local_reference_rescue: weitere Bruecken- und Unterstuetzungsstufen fuer verbleibende Ausfaelle.
  4. astrometric_rescue: ASTAP-basierte Plate-Solve-Rettung fuer unresolved oder sehr schwache/chained Ergebnisse.
  5. model_predicted / model_blended: Feldrotationsmodell als letzter geometrischer Rueckfall.

2. Downsample für Registrierung

Matrix2Df ref_reg = (detected_mode == ColorMode::OSC)
    ? image::cfa_green_proxy_downsample2x2(ref_full, detected_bayer_str)
    : registration::downsample2x2_mean(ref_full);
Modus Downsample-Methode Faktor Begründung
OSC CFA Green-Proxy 2×2 2× Nutzt nur G-Pixel, kein Farb-Crosstalk
MONO Mean 2×2 2× Einfaches Downsampling
  • Speedup: ~4× weniger Pixel für Registrierung
  • global_reg_scale speichert den Skalierungsfaktor (full_height / reg_height)
  • Translationen (tx, ty) werden nach Registrierung mit global_reg_scale auf Vollauflösung skaliert

3. Registrierungskaskade (6 Stufen)

Für jeden Frame wird die Kaskade sequentiell durchlaufen, bis eine Methode erfolgreich ist:

Stufe 1: Triangle Star Matching (Primär)

RegistrationResult rr = registration::triangle_star_matching(
    mov_p, ref_p, allow_rotation, star_topk, star_min_inliers, star_inlier_tol_px);
  • Rotationsinvariant: Verwendet Dreiecke aus Sternpositionen (Astroalign-Stil)
  • Bildet Dreiecke aus Top-30 Sternen, vergleicht Seitenverhältnisse (invariant gegenüber Rotation/Skalierung)
  • RANSAC-Konsens über alle Sterne mit star_min_inliers und star_inlier_tol_px
  • Konfiguration: star_topk (Top-K Sterne), star_min_inliers, star_inlier_tol_px
  • Ideal für: Alt/Az-Montierungen mit Feldrotation, ≥6 Sterne
  • Keine Rotationslimits (entfernt wegen Alt/Az nahe Pol mit >20° Rotation)

Stufe 2: Trail Endpoint Matching (Star Trails)

rr = registration::trail_endpoint_registration(
    mov_p, ref_p, allow_rotation, star_topk, star_min_inliers,
    star_inlier_tol_px, star_dist_bin_px);
  • Für Star Trails bei Feldrotation (Alt/Az) oder langen Belichtungen
  • Morphologischer Top-Hat (15×15 Ellipse) extrahiert helle dünne Strukturen (Trails)
  • Contour-Analyse findet die am weitesten entfernten Punkte jedes Trails (= Endpunkte)
  • Brightness-weighted Centroid verfeinert die Endpunkt-Position sub-pixel-genau
  • Kombiniert Trail-Endpunkte + reguläre Sterne für robusteres Matching
  • Pair-Distance Similarity Matching mit relaxierten Schwellenwerten:
  • inlier_tol_px × 2 (doppelte Toleranz, da Endpunkte ungenauer als Sternzentren)
  • min_inliers / 2 (weniger Inlier nötig, da weniger Punkte verfügbar)
  • Ideal für: Wolken/Nebel mit wenigen Sternen (<20), Feldrotation

Stufe 3: AKAZE Feature Matching

rr = registration::feature_registration_similarity(mov_p, ref_p, allow_rotation);
  • Feature-basiert: AKAZE Keypoints + Descriptor Matching + RANSAC
  • Rotationsinvariant: Keine Rotationslimits
  • Braucht mind. 8 Feature-Matches, behält Top 30%
  • estimateAffinePartial2D mit RANSAC → Similarity-Transform
  • Fallback wenn zu wenige Sterne (z.B. dichte Nebel, Wolken)

Stufe 4: Robust Multi-Scale Phase+ECC (Gradient-robust)

rr = registration::robust_phase_ecc(mov_p, ref_p, allow_rotation);
  • Laplacian-of-Gaussian Vorverarbeitung: Entfernt niederfrequente Gradienten (Nebel, Wolken, Lichtverschmutzung) und bewahrt hochfrequente Strukturen (Sterne, Kanten)
  • 3-Level Coarse-to-Fine Pyramide: 4× → 2× → 1× Auflösung
  • Gröbstes Level: Phase-Correlation (Translation) + Log-Polar DFT (Rotation)
  • Jedes Level: ECC-Refinement (100–200 Iterationen)
  • Ideal für: Starke Nebel/Wolken-Gradienten + große Rotation

Stufe 5: Hybrid Phase-Correlation + ECC (Original)

rr = registration::hybrid_phase_ecc(mov_p, ref_p, allow_rotation);
  • Phase-Correlation für grobe Translation, dann ECC-Refinement
  • Arbeitet auf Rohpixeln (ohne Gradient-Preprocessing)
  • Akzeptiert nur wenn correlation >= 0.15
  • Einfacher als Stufe 4, kann bei klaren Bildern ohne Gradienten besser konvergieren

Stufe 6: Identity-Fallback

out.warps_fullres[i] = identity_warp();
out.scores[i] = 0.0f;
out.success[i] = false;
  • v3-Regel: Kein Frame wird ausgeschlossen
  • CC=0 → niedrigstes effektives Gewicht, aber Frame bleibt in Pipeline
  • In der Praxis: Frame mit Identity-Warp hat minimalen Einfluss auf Rekonstruktion
  • Nur aktiv wenn registration.fallback_to_identity: true (Default)

Kaskade — Entscheidungslogik

Sterne erkannt (≥6)?
├─ JA → Stufe 1 (Triangle) → Erfolg? → FERTIG
│       └─ NEIN → Stufe 2 (Trail Endpoints) → Erfolg? → FERTIG
│                 └─ NEIN → Stufe 3 (AKAZE) → Erfolg? → FERTIG
│                           └─ NEIN → Stufe 4 (Robust Phase+ECC) → Erfolg? → FERTIG
│                                     └─ NEIN → Stufe 5 (Hybrid Phase+ECC) → Erfolg? → FERTIG
│                                               └─ NEIN → Stufe 6 (Identity)
├─ NEIN (Star Trails) → Stufe 1 scheitert → Stufe 2 (Trail Endpoints) → ...
├─ NEIN (Nebel/Wolken) → Stufe 1–3 scheitern → Stufe 4 (Robust Phase+ECC) → ...
└─ NEIN (komplett leer) → Stufe 1–5 scheitern → Stufe 6 (Identity)

4. Warp-Skalierung

WarpMatrix w_full = rr.warp;
w_full(0, 2) *= global_reg_scale;  // tx skalieren
w_full(1, 2) *= global_reg_scale;  // ty skalieren

Die Warp-Matrix wird auf halber Auflösung berechnet. Die Translationskomponenten (tx, ty) werden mit dem Skalierungsfaktor auf Vollauflösung hochskaliert. Die Rotations-/Affin-Komponenten (a00, a01, a10, a11) bleiben unverändert.

5. Pre-Warping (CFA-aware)

Laufzeit-Sichtbarkeit: phase_start(PREWARP) / phase_progress(PREWARP) / phase_end(PREWARP)

Kritischer Schritt nach der Registrierung, vor der Tile-Extraktion:

Optional darf davor eine deterministische per-frame CFA cosmetic correction laufen, sofern:

  • nur isolierte same-parity CFA-Ausreißer korrigiert werden,
  • keine Demosaicing- oder Cross-Channel-Interpolation stattfindet,
  • reale kompakte Bildstruktur durch einen Struktur-Guard geschützt bleibt.
for (size_t fi = 0; fi < frames.size(); ++fi) {
    auto pair = load_frame_normalized(fi);
    Matrix2Df img = std::move(pair.first);
    const auto &w = global_frame_warps[fi];

    if (is_identity) {
        prewarped_frames[fi] = std::move(img);
    } else if (detected_mode == ColorMode::OSC) {
        prewarped_frames[fi] = image::warp_cfa_mosaic_via_subplanes(
            img, w, img.rows(), img.cols());
    } else {
        prewarped_frames[fi] = registration::apply_warp(img, w);
    }
}

Warum Pre-Warping?

Problem: Rotation-Warps auf kleine Tile-ROIs (z.B. 64×64) verursachen CFA-Pattern-Korruption — warpAffine braucht Quell-Pixel außerhalb des Tile-Rands, die nicht existieren. Das Ergebnis sind sichtbare farbige Rechtecke.

Lösung: Alle Frames werden vor der Tile-Extraktion auf voller Bildauflösung gewarpt.

Modus Warp-Methode CFA-Sicherheit
MONO apply_warp() (OpenCV warpAffine) N/A
OSC warp_cfa_mosaic_via_subplanes() ✓ Keine Bayer-Phasen-Mischung

warp_cfa_mosaic_via_subplanes zerlegt das CFA-Mosaik in 4 Subplanes (R, G1, G2, B), warpt jede separat und interleaved sie zurück.

Canvas-Expansion und Offsets

Bei Feldrotation/Translation wird ein gemeinsamer Canvas aus der registrierten Bounding-Box erzeugt:

  • canvas_width, canvas_height werden auf gerade Dimensionen gerundet (CFA/Subplane-kompatibel).
  • offset_x, offset_y verschieben alle Frames in den positiven Canvas-Bereich.
  • Alle globalen Warps werden um diesen Offset in Zielkoordinaten korrigiert.
  • Für OSC werden Offsets paritätssicher behandelt (gerade Pixelraster), damit das Bayer-Muster über den Canvas hinweg konsistent bleibt.

Die resultierenden Canvas-Daten werden im PREWARP-Output (canvas_width/height, tile_offset_x/y) an Folgephasen übergeben und dort für Common-Overlap, Tile-Reconstruction und finale Skalierung verwendet.

Konfigurationsparameter

Parameter Beschreibung C++ Default
registration.engine Primäre Engine triangle_star_matching
registration.transform_model Globales Warp-Modell similarity
registration.enable_star_pair_fallback Optionale Star-Pair-Zwischenstufe true
registration.allow_rotation Rotation erlauben (Alt/Az) true
registration.auto_engine Alt/Az-Override auf triangle_star_matching+affine true
registration.auto_engine_rotation_threshold_deg Trigger fuer Auto-Engine 0.05
registration.star_topk Top-K Sterne fuer Matching 150
registration.star_min_inliers Mindest-Inlier fuer Akzeptanz 4
registration.star_inlier_tol_px Inlier-Toleranz in Pixel 4.0
registration.star_dist_bin_px Distanz-Bin fuer Star Pairs 5.0
registration.star_shift_radius_px Shift-Konsistenzradius auf Proxy 200.0
registration.max_blind_chain_depth Maximale Blind-Chain-Tiefe (0 = auto) 0
registration.blind_chain_strong_anchor_cc CC-Schwelle fuer starke Chain-Anker 0.08
registration.use_astrometry ASTAP-Rescue erlauben true
registration.enable_local_background_subtraction Lokale Hintergrundsubtraktion fuer Sterndetektion false
output.write_registered_frames Registrierte Frames speichern false

Artifact: global_registration.json

{
  "num_frames": 100,
  "scale": 2.0,
  "ref_frame": 42,
  "source": ["direct_global", "sequential_refined", "..."],
  "chain_depth": [0, 2, "..."],
  "cc": [1.0, 0.95, 0.87, ...],
  "warps": [
    {"a00": 1.0, "a01": 0.0, "tx": 0.0, "a10": 0.0, "a11": 1.0, "ty": 0.0},
    {"a00": 0.999, "a01": -0.012, "tx": 3.5, "a10": 0.012, "a11": 0.999, "ty": -1.2},
    ...
  ],
  "extra": {
    "ref_frame_strategy": "quality_segmented_multi_anchor",
    "requested_ref_frames": [5, 42, 88],
    "active_ref_frames": [18, 42, 63, 88],
    "reg_target_active_anchor_count": 5,
    "reg_promote_limit_per_round": 2,
    "reg_max_direct_anchor_rounds": 3,
    "reg_direct_anchor_rounds": 2,
    "reg_source_counts": {
      "direct_global": 61,
      "sequential_refined": 37,
      "reference": 1,
      "astrometric_rescue": 1
    }
  }
}

Wichtige aktuelle Felder:

  • source: Provenienz pro Frame, z. B. reference, direct_global, sequential_refined, sequential_rescue, astrometric_rescue, model_predicted
  • chain_depth: effektive Verkettungstiefe pro Frame
  • extra.requested_ref_frames: angeforderte Quality-Anker
  • extra.active_ref_frames: tatsaechlich aktive Anchors nach Promotion
  • extra.reg_target_active_anchor_count: Zielgroesse fuer aktive Anchors nach N-Skalierung
  • extra.reg_promote_limit_per_round: wie viele neue Anchors eine Promote-Runde maximal aktivieren darf
  • extra.reg_max_direct_anchor_rounds: hartes Limit fuer wiederholte Direktpaesse
  • extra.reg_source_counts: Summen je Registrierungsweg
  • extra.reg_direct_anchor_rounds: wie oft nach Anchor-Promotion nochmals teure Direktpaesse gelaufen sind

Fehlerbehandlung

Situation Verhalten
Ref-Frame leer global_reg_status = "error"
Frame leer Identity-Warp, CC=0
Direkte und indirekte Registrierung scheitern komplett Identity-Warp oder modellierter Rueckfall; Frame bleibt dokumentiert
Exception in Registrierung Gesamte Phase → "error", Pipeline weiter
Star Trails (Feldrotation) Stufe 2 (Trail Endpoints) übernimmt
Nebel/Wolken (keine Sterne) Stufe 4 (Robust Phase+ECC) übernimmt

Nächste Phasen

→ Phase 3: CHANNEL_SPLIT (Metadaten)
→ Phase 4: NORMALIZATION
→ Phase 5: GLOBAL_METRICS