保持边缘的SAR图像滤波方法

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高技术通讯 2003. 7
图4 L- band SAR 单视图像
图7 Ga mma MAP 滤波结果
图5 Kuan 滤波结果
图8 增强Frost 滤波结果
" 863 计划(2001 AA132040 )资助项目。 ! 男,1971 年生,博士生;研究方向:雷达图像处理;联系人。
(收稿日期:2002- 04- 08 )
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高技术通讯 2003. 7
2 边缘保持的评估
声很难与实际噪声类似,加之虽然斑点噪声的统计 分布模型已经清楚,但在边缘区域噪声统计模型是 不可靠的[10 ],所以利用模拟图像仍然难以测试滤波
个像元则利用4 个方向的平滑数据的平均值重建图
像。重建图像像元为Pr(i ,j ):
#
Ph(i ,j )
边缘方向
PO(i ,j )
水平
Prs(i ,j )
45
Pr(i ,j )= "
Pls(i ,j )
-45
14(Ph(i ,j )+ PO(i ,j )+ $ Prs(i ,j )+ Pls(i ,j )) 没有边缘 Han 等人只是介绍了这个方法,并没有探讨这 个方法能够保持平滑图像边缘的原因。本文将对此
图" 比例检测算子的计算流程(假设最大窗口为7 > 7 )
上述的过程只检测了垂直方向上的边缘。对数 字图像,经过一个像元的边缘方向只有四个方向: 水平向、垂直向和两个对角线(+ 45 和 -45 )方 向,所以在实际应用中要检测四个方向的边缘。这 个边缘检测算法比 ~an 等人边缘检测算法要可靠 得多。
加以探讨。边缘和噪声在频率域都是高频成份,不
可能在利用频率域滤波方法去除噪声的同时保持边
缘。但在空域,边缘与噪声是有很大不同的。
图1 是一个边缘的三维图(含有斑点噪声)。 从图1 中可以看出,边缘有两个特征:一是在垂直 边缘方向的像元灰度值迅速变化,二是沿着边缘方
向的像元灰度值变化缓慢。现存的去噪方法,本质
试验图像为中国 L 波段单视合成孔径雷达图 像,成像地点为北京郊区,大小为256 > 256 。其 结果见表1 。从表1 中可以看出,常用的标准滤波 算法的 滤 波 器 边 缘 保 持 能 力 较 弱, 表 现 为 图 像 模 糊。利用小波软阈值滤波方法得到的去噪图像的边 缘保持 指 数 较 传 统 方 法 有 明 显 提 高, 但 图 像 仍 模 糊。本文提出的滤波器的边缘保持指数约为0. 88 , 因此这个方法的边缘保持能力比较强,图像也比较 清晰。
图$ 两类边缘检测算子
图! 边缘的三维图
"#$ 保持边缘的滤波方法 保持边缘的滤波方法是对 ~an 等人滤波方法
的改进。主要是用一个比值型边缘检测器代替原方
法中的边缘检测器,其他与原方法相同。
两类边缘检测算子分别用于检测梯状边缘(地
物界线)和线性特征。在图2 中的3 个算子,方向 为90 ,(a )与(c )是奇对称的,称为两条带窗 口,(b )是偶对称的,称为三条带窗口。实际计算 中,将计算水平方向、垂直方向、45 方向和-45 方向。
0 引言
SAR 图像中的斑点噪声严重干扰了 SAR 图像 的校准、检验与应用。因此,在通常情况下,去除斑 点噪声已经成为 SAR 图像应用之前的常规处理过 程。在过去的二十多年中,提出了许多抑制SAR 图 像斑点噪声的方法。这些方法可以分为两类[1 ]:成 像之前的多视处理和成像之后的滤波方法。成像之 后的滤波方法都是基于数字图像处理技术。这些方 法的目的是在不降低图像空间分辨率的前提下减少 图像的 斑 点 噪 声,同 时 保 持 图 像 边 缘 和 纹 理 等 信 息[2 ,3 ]。但测试表明这些方法很难在去除噪声的同 时保持边缘,大多数方法只是在去除噪声和保持边 缘之 间 折 衷[2 ]。通 过 分 析 常 用 的 标 准 滤 波 方 法: Lee 滤 波[4 ]、增 强 Lee 滤 波[3 ]、Kuan 滤 波[5 ]、Frost 滤波[6 ]、增强 Frost 滤波[3 ],以及 Ga mma MAP 滤 波[7 ]时将发现这些滤波器的设计者对边缘、边缘保 持的概念很模糊,在边缘保持的评估方法上也有很 大的差异。Han 等[8 ]提出了一种去除 SAR 图像斑
进行边缘保持评估遇到的第一个困难是如何探 器的边缘保持情况。在这种情况下只有利用统计方
测真实边缘。由于 SAR 图像上存在大量的斑点噪 声,难以知道其真实的边缘,因此,通常利用模拟图
像测试滤波器的边缘保持情况。然而模拟图像的噪
法评估滤波器的边缘保持能力。 定义边缘保持指数(Edge preservati on i ndeX ):
表1 滤波器的边缘保持指数
滤波器
原始图像
增强 Lee 滤波 增强Frost 滤波 Ga mma MAP 滤波
Kuan 滤波 Han 等滤波 小波软阈值方法
本文提出的方法
边缘保持指数(EPI ) 1
0. 403598 0. 394277 0. 407191 0. 410772 0. 892956 0. 557835 0. 884916
1 边缘与边缘保持
观察利用标准滤波方法去除斑点噪声的 SAR 图像图5 、图6 、图7 和图8 ,将发现图像模糊不清, 清晰度很差。滤波器的目的是去除斑点噪声,而不 损失图像的信息。仔细分析常用的标准滤波方法: Lee 滤波、增强 Lee 滤波、Kuan 滤波、Frost 滤波、增 强Frost 滤波、Ga mma MAP 滤波、改进的 Lee 滤波 以及改进的 Ga mma MAP 滤波等[9 ],将发现这些方 法有时将边缘定义为一个区域,有时将边缘定义为 一条线(也就是边缘点)。事实上在SAR 图像中,边 缘对应 地 物 后 向 散 射 系 数 剧 烈 变 化 的 区 域。 在 河 岸、田埂和建筑物等能发生角反射的区域,在 SAR 图像上也表现为亮度迅速变化,也是边缘。由此可 知边缘是图像上灰度迅速变化的区域。边缘保持是 保持边缘区域变化趋势,也就是保持边缘区域的梯 度。边缘和 边 缘 保 持 的 概 念 对 设 计 滤 波 器 非 常 重 要。只有合理定义边缘和边缘保持概念,才能设计 出能够保持图像边缘的滤波器和正确评价滤波器的 边缘保持情况。
个像元P(i ,j )将得到水平向平滑结果 Phs(i ,j )、 竖直向平滑结果 POs(i ,j )、右对角线方向平滑结果 Prs(i ,j )和左对角线方向平滑结果 Pls(i ,j )。第三 步根据边缘方向利用平滑数据重建图像。如果通过
像元的边缘方向是水平方向,则利用水平方向平滑
的结果重建图像,依次类推;如果没有边缘通过这
!( Ps(i ,j )- Ps(i + 1 ,j )+ Ps(i ,j )- Ps(i ,j + 1 ) ) EPI = !( PO(i ,j )- PO(i + 1 ,j )+ PO(i ,j )- PO(i ,j + 1 ) )
其中,Ps(i ,j )是平滑图像像元灰度值,P O(i ,j )是原 始图像像元灰度值。Ps(i ,j )和 P O(i ,j )都在边缘 区域内。i 是像元的行数,j 是像元的列数。可见 边缘保持指数的最大值为1 ,最小值为0 。边缘保 持指数越高,滤波器的边缘保持能力越强。这个定 义实质上是计算边缘区域内在水平向和竖直向相邻 像元灰度的差值绝对值之和的比值。由于是和数的 比值,这样就能减弱噪声的影响。只要样本数足够 多,就能够精确描述边缘梯度。上面仅计算了水平 方向和竖直方向,只是为了简化计算。
3 保持边缘的SAR 图像滤波器
3.1 Han等人的方法 Han 等人[8 ]在2001 年提出了一个能够保持边
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缘的去除SAR 图像斑点噪声的方法,其保持图像边 缘的能力比较强。这个方法有3 个步骤:首先探测 图像的边缘区域以及边缘的方向。第二步利用经验
模态分解方法(e mpirical mode deco mpositi on )沿着 水平向、竖直向和两个对角线方向平滑原始图像,一
试验图像为中国 L 波段单视合成孔径雷达图 像,成像地点为北京郊区,大小为256 > 256 。图4 为原 始 图 像, 可 见 图 像 上 存 在 大 量 斑 点 噪 声。 图 5 、图6 、图7 、图8 和图10 分别为 Kuan 滤波、增 强Lee 滤波、Ga mma MAP 滤波、增强 Frost 滤波 和基于小波软阈值方法滤波结果。图9 为本文提出 方法 处 理 的 图 像。 观 察 这 7 幅 图 可 以 发 现, 由 Kuan 滤 波、增 强 Lee 滤 波、Ga mma MAP 滤 波、 增强Frost 滤波看起来模糊不清,利用小波软阈值 滤波方法得到的结果图10 比前面几种方法得到的 结果清晰一些,而由本文提出的方法处理的图像是 最清晰的。这主要是由于边缘信息保持较好,使图 像的对比度没有降低或降低较小。
韩春明等:保持边缘的SAR 图像滤波方法
保持边缘的!"# 图像滤波方法!
韩春明! 郭华东 王长林 范 典 桑会勇
(中国科学院遥感应用研究所遥感信息科学开放研究实验室 北京 100101 )
摘 要 首先阐明了SAR 图像边缘和边缘保持的概念。其次,提出了一种评价平滑图像 边缘保持的方法。通过计算发现,常用的标准滤波方法:增强 Lee 滤波、Kuan 滤波、增强 Frost 滤波和 Ga mma MAP 滤波的边缘保持能力很差。最后发展了一种能保持边缘的 SAR 图像滤波方法。这种方法是对 Han 等人去除SAR 图像斑点噪声方法的改进,并分 析了这种方法能够保持图像边缘的原因。 关键词 边缘,边缘保持,斑点噪声,滤波
Rmin(天)是几个因子的函数,I算子类型,ISAR 图 像类型(强度、强度的平方根),H视数,V窗口尺寸, V用 户 定 义 的 误 警 概 率。 下 述 关 系 总 是 对 的, Rmin(1 )!Rmin(2 )!…!Rmin(_)。(R2 或 R3 )与 Rmin 的比较,遵循图3 所示的流程。
点噪声的方法,该方法能够较好地 保持图像的边缘。这个方法首先判 断图像的边缘,之后根据边缘方向 平滑图像。但此方法所利用边缘检 测器检测的边缘有时是虚假边缘。
在本文中将首先分析图像边缘
的概念和边缘保持的概念,并阐明边缘保持与边缘 点保持之间的区别。在此之后分析常用的标准滤波 方法的边缘保持能力。最后在 Han 等人算法的基 础上发展了一种能有效保持边缘的 SAR 图像滤波 方法。
为检测边缘,需定义如下比例因子: 对于两条带窗口
R2 — mi n{X1/X2 ,X2/X1 } X1 与 X2 分别是子窗口 W1 与 W2 内计算出来的 均值。可用 C2 = 1 - R2 来表示窗口 W 内的反差。
对于三条带窗口 R3 —mi n{X/X3 ,X3/X} X —(X4 十X5 )/2
X3 ,X4 ,X5 分别是由子窗口 W3 ,W4 与 W5 计算出 来的均值。
相对于 R2 与 R3 ,需定义阈值 R2 mi m 与 R3 mi n , 通称 Rmin ,Rmin 随 窗 口 尺 寸 不 同 需 取 不 同 的 值 Rmin(天)。一般地 Rmin(1 )对应3 > 3 窗口,Rmin(2 ) 对应5 > 5 窗口,Rmin(3 )对应7 > 7 性来估计像元
的真实值。在边缘区域,由于沿着边缘方向的像元
灰度值变化缓慢,而垂直边缘方向的像元灰度变化
剧烈,所以 在 边 缘 区 域 沿 边 缘 方 向 的 像 元 相 关 性
韩春明等:保持边缘的SAR 图像滤波方法
大,垂直边缘方向,像元的相关性较小。~an 等人 的方法实质上是沿着边缘方向,在一个像元宽度的 窗口内取平均,在同质区域选一个正方形取平均。 因为沿着边缘方向的像元灰度值变化缓慢,沿着边 缘方向在一个像元宽度的窗口内取平均只是去除了 边缘内的噪声,而没有改变边缘区域的变化趋势。 因此,~an 等人的方法在能有效去除噪声的同时保 持边缘信息。但 ~an 等人利用的边缘检测器带有 很大的经验性,统计计算表明虚假边缘随着局部均 值增加而增多[11 ]。在本文将用一个比值型边缘检 测器[11 ],进行边缘检测。
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