CN107564024A

CN107564024A - 基于单侧聚集线段的sar图像聚集区域提取方法

Info

Publication number: CN107564024A
Application number: CN201710667722.6A
Authority: CN
Inventors: 刘芳; 李婷婷; 朱晓东; 焦李成; 古晶; 陈璞花; 郝红侠; 马文萍; 马晶晶
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-08-07
Also published as: CN107564024B

Abstract

本发明公开了一种基于单侧聚集线段的SAR图像聚集区域提取方法。主要解决基于圆形算子获取聚集区域的方法不仅边界出现弧状而且速度慢的问题。其实现步骤为：1.在聚集线段集合中，根据线段的拓扑关系找到能够产生边界的单侧聚集线段，并将其加入到边界线段集合中；2.根据边界线段集合中线段个数不同的情况生成直线，形成封闭的初始多边形区域；3.在聚集线段集合中，根据线段端点和初始多边形区域的空间位置关系，寻找满足条件的线段端点，加入多边形中，逐步向内逼近，获得形状为多边形的聚集区域。本发明实现了对SAR图像聚集区域的准确快速的提取，可用于SAR图像语义分割和目标识别。

Description

基于单侧聚集线段的SAR图像聚集区域提取方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，特别涉及SAR图像聚集区域提取方法，可用于SAR图像语义分割和目标识别。

背景技术

合成孔径雷达SAR是遥感技术领域的重要方向，用来获取地球表面的高分辨图像。与其他类型的成像技术相比，SAR成像技术有着非常重要的优势，它不受云层、降雨或者大雾等大气条件以及光照强度的影响，能够全天时、全天候地获取高分辨遥感数据。SAR图像的解译技术对于军事、农业、地理等许多领域具有重要指导意义。SAR图像分割是SAR图像解译的关键问题之一，也是SAR图像解译的基础和前提，受到各国研究者的广泛关注，成为研究的热点。但SAR图像由于本身的成像机制造成图像上有相干斑噪声、阴影、迎陂缩短和图像的地物形状发生改变等问题，使得SAR图像的解译非常困难。以Sketch Map为基础的SAR图像聚集区域的提取是根据SAR图像的素描模型对地物信息的稀疏表示的结果，以素描线段为基元的聚集区域获取方法对于快速获取图像的聚集区域非常重要。

Marr提出的视觉计算理论是计算机视觉研究中的一个重要成果，朱松纯等人在Marr理论的基础上，给出了Marr提出的初始素描的具体数学模型初始素描模型。结合初始素描图的线段的空间位置关系，建立在语义层面上的图像分析，获得图像的聚集区域，结合聚集区域获取SAR图像上的聚集地物，达到在语义层面上对图像分割的目的。

以Sketch Map为基础的SAR图像分割方法是建立在聚集区域的提取上的，聚集区域的提取是SAR图像分割过程中一个重要的环节，聚集区域提取的好坏直接影响到图像分割的最终效果。基于Sketch Map和语义信息分类的SAR图像分割中提出的利用圆心算子提取聚集区域避免了在SAR图像上用基于像素或超像素的无监督SAR图像分割方法无法合并像素或超像素构成连通区域的难题，具体是利用圆心算子在一个由种子线段生成的聚集线段集合中经过膨胀和腐蚀操作进行聚集区域的提取，但是这种聚集区域的提取方法不仅速度慢，聚集区域的边界出现弧状，导致聚集区域的边界不准确，不符合实际的地物形状，而且圆心算子没有以素描线段为基元进行聚集区域的提取，导致聚集区域的提取速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于针对圆心算子对图像进行聚集区域提取的不足，提出一种基于单侧聚集线段的SAR图像聚集区域提取方法，以避免聚集区域的边界出现弧状，提高聚集区域边界的准确性，加快对聚集区域的提取速度。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)用所有的聚集线段集合构成线段集合S＝{S₁,S₂,...,S_i,...,S_N}，用所有的边界线段集合构成边界集合I＝{I₁,I₂,...,I_i,...,I_N}，其中S_i为第i个聚集线段集合，I_i为第i个边界线段集合，i＝1,2,...,N，N为聚集线段集合的个数；聚集线段集合S_i的线段包括单侧聚集线段S_d和双侧聚集线段S_s；I_i的初始为空，聚集线段集合S_i对应边界线段集合I_i；

(2)在聚集线段集合S_i中，根据线段的拓扑关系找到能够产生边界的单侧聚集线段，即在单侧聚集线段中，判断每个线段是否会成为该聚集线段集合的边界：若是，用这些单侧聚集线段构成边界线段集合I_i，否则，舍弃该线段；

(3)根据边界线段集合I_i中线段的个数和线段的几何位置，判断这些边界线段能否围拢形成封闭的多边形：若能形成封闭的多边形，则记为初始多边形L₀，执行步骤(5)；若不能，执行步骤(4)；

(4)在聚集线段集合S_i中寻找线段或线段端点，使得该线段或线段端点连接成的直线和边界线段集合I_i形成封闭的多边形，记为初始多边形L₀，执行步骤(5)；

(5)根据聚集线段集合S_i中线段端点和初始多边形L₀的几何位置，选择线段端点加入到初始多边形L₀中，并向内逼近形成更小范围的多边形区域L₁，使其满足聚集线段集合S_i中线段的空间位置仍在该多边形区域L₁内，该多边形区域L₁为最终的SAR图像的聚集区域。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明由于利用Sketch Map的稀疏表示模型中线段的几何位置关系提取SAR图像的聚集区域，相较于现有方法在Sketch Map上利用圆心算子进行聚集区域的获取，不仅提取的聚集区域边界准确、速度快，而且是以素描线段为基元，使得聚集区域的获取在理论的支持下进行，为更高层次的SAR图像语义层提供了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中生成的边界直线示意图；

图3是本发明中生成的初始多边形结果图；

图4是本发明中提取聚集区域的结果图；

图5是用本发明与现有方法对PIPERIVER图像聚集区域提取的比对图；

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，在聚集线段集合中，寻找能成为该聚集线段集合边界的线段。

在聚集线段集合中寻找到成为聚集区域边界的线段，这些线段用于围拢形成初始多边形，寻找聚集区域边界线段的步骤如下：

(1.1)用所有的聚集线段集合构成线段集合S＝{S₁,S₂,...,S_i,...,S_N}，用所有的边界线段集合构成边界集合I＝{I₁,I₂,...,I_i,...,I_N}，其中S_i为第i个聚集线段集合，I_i为第i个边界线段集合，i＝1,2,...,N，N为聚集线段集合的个数；聚集线段集合S_i的线段包括单侧聚集线段S_d和双侧聚集线段S_s，聚集线段集合S_i的示意图如图2(a)所示，聚集线段集合S_i空间上最右侧边界点示意图如图2(c)所示，聚集线段集合S_i空间上最右侧直线如图2(d)所示，聚集线段集合S_i的真实空间位置如图3(a)所示，聚集线段集合S_i最下侧的点的示意图如图3(c)所示，聚集线段集合S_i最下侧的直线的示意图如图3(d)所示；I_i的初始为空，聚集线段集合S_i对应边界线段集合I_i；

(1.2)建立单侧聚集线段集合的第k个线段的直线方程为其中，是单侧聚集线段集合S_d中第k个线段，k＝1,2,...,|S_d|，|S_d|为单侧聚集线段集合线段的个数；

(1.3)判断单侧聚集线段集合S_d中所有线段的空间位置是否在≤0的区域，若在该区域，则线段为聚集线段集合的边界，若不在该区域，进一步判断单侧聚集线段集合S_d中所有线段的空间位置是否在的区域，若在该区域，则线段为聚集线段集合的边界，若不在该区域，则线段不是聚集线段集合的边界，舍弃线段边界线段示意图如图2(b)所示，边界线段真实空间位置如图3(b)所示。

步骤2，根据边界线段集合中线段个数不同的情况，采用不同的方法生成直线，形成封闭的初始多边形区域。

(2.1)根据边界线段集合I_i中线段的个数和线段的几何位置，判断这些边界线段能否围拢形成封闭的多边形：若能形成封闭的多边形，则形成初始多边形L₀，若不能，执行步骤(2.2)；

(2.2)建立聚集线段集合S_i在空间上最右侧，左侧，上侧，下侧的四条直线方程分别为

其中和的表达式为：

式中，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第一个端点的x轴坐标，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第二个端点的x轴坐标，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第一个端点的y轴坐标，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第二个端点的y轴坐标，j＝1,2,...,|S_i|，|S_i|为聚集线段集合S_i中线段的个数；

(2.3)根据边界线段集合I_i中线段的个数|I_i|选择所述四条直线中的一条或多条直线形成封闭的多边形：

如果|I_i|＝0，则选择这四条直线围拢形成多边形；

如果|I_i|＝1，表示边界线段集合I_i中只有一条线段，则在四条直线中选择第一条直线，根据线段和该直线的交点的位置，从四条直线中再次选择一条或两条直线，围拢形成多边形，具体步骤如下：

(2.31)直接选定第一条直线为线段与该直线的交点为

(2.32)根据交点p₁的y轴坐标y₁从四条直线中选择一条或两条直线：

若则选择直线方程即可围拢形成多边形；

若则选择直线方程围拢形成多边形；

若则选择直线方程即可围拢形成多边形；

如果|I_i|＝2，表示边界线段集合I_i中有两条线段，则根据两条线段的交点，从四条直线中选择一条直线，围拢形成多边形，具体步骤如下：

(2.33)计算两条线段的交点，两条线段相交点为p₁＝(x₁,y₁)，x₁,y₁必满足这四个条件的其中一条；

(2.34)根据交点p₁的x轴坐标x₁和y轴坐标y₁从四条直线中选择一条直线：

若选择直线方程即可围拢形成多边形；

若选择直线方程即可围拢形成多边形。

如果|I_i|＝3，表示边界线段集合I_i中有三条线段，则根据三条线段中其中两条线段的交点，从四条直线中选择一条直线，围拢形成多边形，具体步骤如下：

(2.35)计算三条线段的交点，p_k＝(x_k,y_k)，k＝1,2,3，x₁,y₁必满足这四个条件的其中一条；

(2.36)根据交点p₁的x轴坐标x₁和y轴坐标y₁从四条直线中选择一条直线：

若同时满足，则选择直线方程围拢形成多边形；

若同时满足，则三条直线可直接围拢形成多边形；

如果|I_i|≥4，表示边界线段集合I_i中有多条线段，则选择其中三条边界线段，利用|I_i|＝3时的方法围拢形成多边形。

围拢形成的多边形为初始多边形L₀如图4(a)所示。

步骤3，在聚集线段集合中寻找满足条件的线段端点，逐步向内逼近，获得形状为多边形的聚集区域。

(3.1)判断聚集线段集合S_i中线段的端点在多边形L₀内部还是在多边形L₀边界上：

若端点在多边形L₀内部，则将端点加入集合P，若端点在多边形L₀边界上，则不作处理，其中集合P的初始为空，多边形L₀表示为{l₁,l₂,...,l_m,...,l_|L0|}，l_m为多边形L₀的第m条线段，m＝1,2,...,|L₀|，|L₀|为多边形L₀边的个数；

(3.2)判断线段l_m是否为聚集线段集合S_i中的线段且线段长度是否大于3，若不是，则执行步骤(3.3)，否则，执行步骤(3.5)；

(3.3)在集合P中选择点p_m，一条线段l_m对应一个点p_m，判断点p_m是否同时满足pl_m≤|l_m|，pl_m≤pL_m且点p_m在线段l_m的垂直区域内这三个条件：若均满足，执行步骤(3.4)，否则，执行步骤(3.5)，其中pl_m表示点p_m到直线l_m的垂直距离，|l_m|表示直线l_m的长度，pL_m表示点p_m到多边形L₀的距离；

(3.4)将点p_m加入线段l_m中形成两条新的线段，更新多边形L₀，执行步骤(3.5)；

(3.5)将线段l_m的下标m与多边形L₀边的个数|L₀|进行比较：

当m＜|L₀|时，清空内部点集合P，令m＝m+1，提取聚集区域的中间结果如图4(b)所示，返回步骤(3.1)，

当m＝|L₀|时，多边形L₀为多边形区域L₁，获取聚集区域的过程结束，得到聚集区域的提取结果如图4(c)所示，该聚集区域的边界线段如图4(d)所示。

本发明的效果可通过以下仿真结果进一步说明。

1.仿真条件

选取PIPERIVER图像，SAR图像的波段和分辨率、Sketch Map稀疏表示模型中参数取值和区域图参数，如表1所示：

表1

SAR图像	波段和分辨率	SM参数取值	区域图参数
				PIPERIVER	X-band,1-m resolution	2,5,1.7,0.6	n＝5；deltaDist＝5；

其中SM参数取值分别表示等效视数、编码增益、边缘检测高阈值、边缘检测低阈值，区域图参数n表示k近邻中的取值，deltaDist表示聚集距离阈值。

2.仿真内容

仿真内容：利用X-band波段分辨率为1米的PIPERIVER图像，用本发明与圆心算子对图像进行聚集区域的提取，实验结果如图5所示，其中图5(a)为PIPERIVER原图，图5(b)为PIPERIVER的素描图，图5(c)为本发明在PIPERIVER的素描图上进行聚集区域提取的效果图，图5(d)为圆心算子在PIPERIVER的素描图上进行聚集区域提取的效果图。

将本发明与现有圆心算子在PIPERIVER的素描图上进行聚集区域提取运行时间对比，如表2所示，

表2

SAR图像	本发明运行时间	圆心算子运行时间
			PIPERIVER	14.289s	51.449s

3.仿真结果分析：

从图5可以看出，圆心算子提取的聚集区域边界出现明显的弧状缺点，本发明提取的聚集区域边界相较于圆心算子提取的聚集区域更接近于实际聚集区域。

从表2可以看出，本发明较圆心算子聚集区域提取的运行时间明显降低，为处理大场景下的SAR图像聚集区域提取提供了良好的基础。

综上所述，本发明实现了SAR图像聚集区域的提取，不仅在聚集区域边界较圆心算子更加地准确，而且速度有较大提高，聚集区域的提取效果良好。

Claims

1.基于单侧聚集线段的SAR图像聚集区域提取方法,包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中判断每个线段是否会成为聚集线段集合的边界，按如下步骤进行：

(2.1)建立单侧聚集线段集合的第k个线段的直线方程为其中，是单侧聚集线段集合S_d中第k个线段，k＝1,2,...,|S_d|，|S_d|为单侧聚集线段集合线段的个数；

(2.2)判断单侧聚集线段集合S_d中所有线段的空间位置是否在≤0的区域，若在该区域，则线段为聚集线段集合的边界，若不在该区域，进一步判断单侧聚集线段集合S_d中所有线段的空间位置是否在的区域，若在该区域，则线段为聚集线段集合的边界，若不在该区域，则线段不是聚集线段集合的边界。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中寻找线段或线段端点连接成的直线和边界线段集合I_i形成封闭的多边形，按如下步骤进行：

(4.1)建立聚集线段集合S_i在空间上最右侧，左侧，上侧，下侧的四条直线方程分别为

其中和的表达式为：

其中，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第一个端点的x轴坐标，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第二个端点的x轴坐标，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第一个端点的y轴坐标，是聚集线段集合S_i中第j个线段的第二个端点的y轴坐标，j＝1,2,...,|S_i|，|S_i|为聚集线段集合S_i中线段的个数；

(4.2)根据边界线段集合I_i中线段的个数|I_i|选择所述四条直线中的一条或多条直线形成封闭的多边形：

如果|I_i|＝0，则选择这四条直线围拢形成多边形；

如果|I_i|＝1，表示边界线段集合I_i中只有一条线段，则在四条直线中选择第一条直线，根据线段和该直线的交点的位置，从四条直线中再次选择一条或两条直线，围拢形成多边形；

如果|I_i|＝2，表示边界线段集合I_i中有两条线段，则根据两条线段的交点，从四条直线中选择一条直线，围拢形成多边形：

如果|I_i|＝3，表示边界线段集合I_i中有三条线段，则根据三条线段中其中两条线段的交点，从四条直线中选择一条直线，围拢形成多边形：

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4.2)中,对于|I_i|＝1时，在四条直线中选择第一条直线，根据线段和该直线的交点的位置，从四条直线中再次选择一条或两条直线，围拢形成多边形，其步骤如下:

(4.21)直接选定第一条直线为线段与该直线的交点为

(4.22)根据交点p₁的y轴坐标y₁从四条直线中选择一条或两条直线：

若则选择直线方程即可围拢形成多边形；

若则选择直线方程围拢形成多边形；

若则选择直线方程即可围拢形成多边形。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4.2)中,对于|I_i|＝2时，根据两条线段的交点，从四条直线中选择一条直线，围拢形成多边形，其步骤如下:

(4.23)计算两条线段的交点，两条线段相交点为p₁＝(x₁,y₁)，x₁,y₁必满足这四个条件的其中一条；

(4.24)根据交点p₁的x轴坐标x₁和y轴坐标y₁从四条直线中选择一条直线：

若选择直线方程即可围拢形成多边形；

若选择直线方程即可围拢形成多边形。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4.2)中,对于|I_i|＝3时，根据三条线段中其中两条线段的交点，从四条直线中选择一条直线，围拢形成多边形，其步骤如下:

(4.25)计算三条线段的交点，p_k＝(x_k,y_k)，k＝1,2,3，x₁,y₁必满足这四个条件的其中一条；

(4.26)根据交点p₁的x轴坐标x₁和y轴坐标y₁从四条直线中选择一条直线：

若同时满足，则选择直线方程围拢形成多边形；

若同时满足，则三条直线可直接围拢形成多边形。

7.根据权利要求1所述方法，其中步骤(5)中选择线段端点加入到初始多边形L₀中，并向内逼近形成更小范围的多边形区域L₁，按如下步骤进行：

(5.1)判断聚集线段集合S_i中线段的端点在多边形L₀内部还是在多边形L₀边界上：

若端点在多边形L₀内部，则将端点加入集合P，若端点在多边形L₀边界上，则不作处理，其中集合P的初始为空，多边形L₀表示为l_m为多边形L₀的第m条线段，m＝1,2,...,|L₀|，|L₀|为多边形L₀边的个数；

(5.2)判断线段l_m是否为聚集线段集合S_i中的线段且线段长度是否大于3，若不是，则执行步骤(5.3)，否则，执行步骤(5.5)；

(5.3)在集合P中选择点p_m，一条线段l_m对应一个点p_m，判断点p_m是否同时满足pl_m≤|l_m|，pl_m≤pL_m且点p_m在线段l_m的垂直区域内这三个条件：若均满足，执行步骤(5.4)，否则，执行步骤(5.5)，其中pl_m表示点p_m到直线l_m的垂直距离，|l_m|表示直线l_m的长度，pL_m表示点p_m到多边形L₀的距离；

(5.4)将点p_m加入线段l_m中形成两条新的线段，更新多边形L₀，执行步骤(5.5)。

(5.5)将线段l_m的下标m与多边形L₀边的个数|L₀|进行比较：

当m＜|L₀|时，清空内部点集合P，另m＝m+1，返回步骤(5.1)，

当m＝|L₀|时，多边形L₀为多边形区域L₁，获取聚集区域的过程结束。