Không gian nghiên cứu được định nghĩa là miền chứa tập hợp tất cả những phép đo tương đồng có thể có. Tại một vài nơi trong không gian nghiên cứu sẽ tìm thấy được cách giải quyết tốt nhất. Phụ thuộc vào phép đo tương đồng, phương thức này có thể được xác định tại điểm cực đại hay cực tiểu của không gian nghiên cứu. Trong thuật ngữ hợp nhất hình ảnh, phương pháp giải quyết tốt nhất tương ứng với các phương thức biến đổi tốt nhất để kết hợp một ảnh lên ảnh khác đáp ứng được yêu cầu của phép đo tương đồng. Dựa theo những tiêu chuẩn này, bản chất của phép biến đổi hình học sẽ quyết định tính phức tạp của không gian nghiên cứu. Giả sử rằng các ảnh bị di dời không thẳng hàng nhau, không gian nghiên cứu sẽ là tập hợp tất cả những khả năng chuyển dời có thể có. Nếu độ di dời càng phức tạp, chẳng hạn bao gồm sự xoay tròn, thì không gian nghiên cứu sẽ bao hàm luôn tất cả những khả năng xoay tròn có thể có. Hợp nhất hình ảnh y khoa là một công việc được tiến hành trên 3 chiều. Theo không gian Descartes, những sự chuyển dời có thể có bao gồm sự dịch chuyển trên 3 hướng x, y và z và chuyển động xoay tròn xung quanh trục x, y và z. Cứ mỗi chiều thêm vào thì độ phức tạp của không gian nghiên cứu lại tăng theo hàm mũ. Vì vậy, trước khi tính toán cần xem xét để giới hạn tính toán các phép đo tương đồng ở một con số chấp nhận được. Ví dụ, khi đã biết rõ về một vấn đề đặc biệt, ta có thể tiến hành thiết lập một số giới hạn trên vùng chuyển dịch hay xoay tròn trong phạm vi cho phép.
Tính chất của phép đo tương đồng cũng đóng vai trò quan trọng bên trong không gian nghiên cứu. Trong trường hợp lý tưởng, phép đo tương đồng sẽ thể hiện tính đơn nhất giúp đơn giản hóa tối ưu sự phức tạp của lĩnh vực nghiên cứu. Tuy nhiên, nếu không còn ở trạng thái đơn nhất nữa hoặc có nhiễu về số học trong các cực đại và cực tiểu, cần đặt ra chiến lược nghiên cứu tinh tế hơn.