CN110827223A - 结合分数阶全变差的cs高噪声天文图像去噪重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种结合分数阶全变差的CS高噪声天文图像去噪重建方法,步骤为:根据原始天文图像初始化重建图像参数和含噪声观测值;利用带有自适应滤波算子的曲波变换对高噪声条件下的高分辨率天文图像进行多尺度分解获得曲波系数;利用迭代收缩阈值算法对曲波系数进行迭代更新得图像曲波系数;利用下降曲波阈值算子对图像曲波系数进行降噪处理;利用曲波逆变换进行处理获得重建天文图像;利用分数阶全变差方法对重建天文图像进行特征调整,获得调整后的重建图像;判断迭代停止条件。本发明有效地提高了高噪声条件下的高分辨率天文图像的去噪能力,解决了深空探测中高噪声条件下天文图像的去噪重建问题,且实现简单,鲁棒性强。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理的技术领域,尤其涉及一种结合分数阶全变差的CS高噪声天文图 像去噪重建方法,结合压缩感知(CS)和全变差对天文图像进行去噪处理,实现高噪声天文 图像的快速去噪重建,尤其涉及高噪声条件下的高分辨率天文图像快速去噪能力。
背景技术
随着航天科技技术的不断发展,深空探测变得越来越重要。为了能够积极开发和利用空 间资源,世界各国都在积极努力地探索地外星体、太空资源等,并纷纷制定了长远的深空探 测计划。天文图像在深空探测中具有重要意义,从卫星或者探测器携带的高分辨率相机获得 的高分辨率天文图像中可以快速获得许多重要的信息如某一星体地表结构、是否存在水资源 和星体的环境条件等。然而,在天文图像拍摄和传输的过程中,由于宇宙噪声的影响,导致 在地面接收站接收到的天文图像经常含有大量的噪声信息,给天文图像的分析带来了一定的 影响,很难从图像中获得某些重要信息。随着图像传感器技术(CMOS或者CCD)的不断进 步,天文图像分辨率也变得越来越高。高分辨率天文图像虽然能给我们带来视觉享受,但给 相应的图像处理算法带来了一定的挑战,在某些情况下,甚至无法直接处理高分辨率天文图 像。因此,高噪声条件下的高分辨率天文图像的去噪问题是目前深空探测中亟需解决的问题。
为了解决高分辨率图像或者高维数信号的重建问题,Donoho等人于2006年提出了著名 的压缩感知(Compressed sensing,CS)理论。CS理论指出:如果信号在某一稀疏基上是稀 疏的或者是可压缩的,则可以使用一个与该稀疏基不相干的测量矩阵对该信号进行测量,获 得少量的图像重要信息,CS重建算法直接使用获得的少量信息就可以实现图像的高质量重 建。因此,CS理论仅使用少量的图像重要数据就能实现图像的高质量重建。从本质上看,CS 重建过程也是去噪重建的过程。CS重建算法直接决定了图像的重建质量和重建精度,目前提 出的CS重建算法通常分为三类:贪婪类算法、凸优化类算法和组合类算法。这三类算法针 对低噪声高分辨率天文图像能够获得高质量的重建效果,但针对高噪声情况下的高分辨率天 文图像的重建效果较差。此外,贪婪类算法重建速度快,但重建精度低;凸优化类算法重建 精度高,但重建速度慢;组合类算法重建精度较高,但算法复杂度和重建速度相对较高。
因此,必须寻找一种算法复杂度低和重建精度高的CS去噪重建方法既能有效解决高噪 声条件下高分辨率天文图像的去噪重建问题,同时,通过参数的调节以提高其通用性。
发明内容
针对现有CS重建方法重建高噪声条件下高噪声天文图像时重建质量差的技术问题,本 发明提出一种结合分数阶全变差的CS高噪声天文图像去噪重建方法,首先在图像稀疏表示 阶段,引入自适应滤波算子对高噪声天文图像进行稀疏变换和去噪处理;随后,将分数阶全 变差方法引入到CS中的迭代收缩阈值算法当中,在每次迭代过程中,使用分数阶全变差方 法对重建的天文图像进行调整,有效地提高了天文图像的重建质量,最终实现了高噪声条件 下高分辨率天文图像的高质量重建。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:一种结合分数阶全变差的CS高 噪声天文图像去噪重建方法,其步骤如下:
步骤一、初始化:根据原始天文图像初始化重建图像参数和含噪声观测值,初始化迭代 次数;
步骤二、计算自适应滤波算子,利用带有自适应滤波算子的曲波变换对高噪声条件下的 高分辨率天文图像进行多尺度分解,自适应地获得滤波后的曲波系数;
步骤三、利用迭代收缩阈值算法对步骤二获得的曲波系数进行迭代更新,获得图像曲波 系数;
步骤四、计算下降曲波阈值算子,利用下降曲波阈值算子对步骤三获得的图像曲波系数 进行降噪处理,当图像曲波系数大于等于计算的下降曲波阈值算子时,则保留,否则剔除;
步骤五、利用曲波逆变换过程对降噪后的图像曲波系数进行处理,获得重建天文图像;
步骤六、利用分数阶全变差方法对重建天文图像进行特征调整,获得调整后的重建图像;
步骤七:当获得的迭代图像f′i+1与上一次迭代获得的重建图像fi′差值的L2范数小于设定 参数时,继续重复步骤二-步骤六;否者停止迭代,输出步骤六获得的调整后的重建图像。
所述步骤一中初始化重建图像f0=0,迭代索引i=0,含噪观测值y=Φf+e=ΦΨs+e, 其中,Φ为测量矩阵,f表示原始清晰天文图像,e表示高斯白噪声,Ψ表示曲波变换矩阵; s表示稀疏系数且s=Ψ-1f。
所述步骤二中自适应滤波算子μ(x)为:
其中,x表示自变量,J表示曲波分解的总层数,具体指的是根据图像的尺寸分解得到的 子图像的数量;ρ表示曲波分解的层数,且ρ=1,...,J;表示第k3级的子带的长度;σ表示 高斯白噪声的标准差;σλ表示曲波变换后的噪声标准差,采用Monte-Carlo测试仿真方法获 得。
其中,母曲波为:在旋转角的等间隔序列中、 在位置处,具有2-j尺度的曲波;f′表示原始含噪图像且f′=f+e; γj[·]表示进行傅里叶变换运算,表示由旋转角旋转获得的矩阵;为矩 阵的逆矩阵;k=(k1,k2)∈Z2表示转换参数,Z表示全体整数的集合;j表示尺度参数, j=1,2,…,表示对j/2向下取整;R表示实数集合,l=0,1,2…表示方向参数;f表示原始清 晰图像,f(x)表示积分计算中原始清晰图像的函数,x表示自变量;表示函数γ(j,l,k)(x) 的共轭函数。
所述步骤二中获得的滤波后的曲波系数si+1为:即利用自适应滤波算子进行运算,当获得 的曲波重建系数si大于或者等于设定阈值T0时,则保留即获得si+1滤波后的曲波系数;否则, 将获得的曲波重建系数si设定为零。
所述步骤四中下降曲波阈值算子η(x)为:
利用下降曲波阈值算子,在迭代过程中对重建图像曲波系数进行去噪处理,获得降噪后 的重建图像曲波系数:当获得的重建图像曲波系数大于或者等于下降曲波阈 值T1i时,获得降噪后的重建图像曲波系数s′i+1;否则,重建图像曲波系数s′i+1为零。
本发明的有益效果:采用带有自适应滤波算子的曲波变换对高噪声天文图像进行稀疏表 示过程,就完成了高噪声天文图像的去噪过程,有效地解决了传统CS稀疏表示方法没有充 分考虑稀疏变换过程中的去噪问题;同时,在稀疏变换过程中,自适应滤波算子的运行时间 较短,可以忽略不计,提高了稀疏变换过程中系数筛选能力;分数阶全变差方法的使用,不 仅能够保留更多的图像细节特征信息,同时可有效地解决传统迭代收缩阈值算法中硬阈值去 噪导致重建图像中出现伪吉布斯效应问题,进而提高了天文图像的重建质量。本发明能够在 高噪声条件下,重建一幅高质量的高分辨率天文图像,有效地解决了高噪声条件下的高分辨 率天文图像去噪重建问题,对后续的大型空间活动、载人登月及深空探测具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些 附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明随压缩采样比变化获得的重建效果图,其中,(a)为原始月球含噪图像, (b)为原始木星含噪图像,(c)为原始土星含噪图像,(d)CSR为0.1时(a)的重建图像,(e)CSR为0.1时(b)的重建图像,(f)CSR为0.1时(c)的重建图像,(g)CSR为0.3 时(a)的重建图像,(h)CSR为0.3时(b)的重建图像,(i)CSR为0.3时(c)的重建图 像,(j)为CSR为0.5时(a)的重建图像,(k)为CSR为0.5时(b)的重建图像,(l)为 CSR为0.5时(c)的重建图像。
图3为本发明随压缩采样比变化获得的峰值信噪比和重建时间比较结果图,其中,(a) 为峰值信噪比,(b)为重建时间。
图4为本发明随压缩采样比变化重建局部特征图像获得的重建结果图,其中,(a)为月 球局部特征图像,(b)为木星局部特征图像,(c)为土星局部特征图像,(d)CSR为0.1时(a)的重建图像,(e)CSR为0.1时(b)的重建图像,(f)CSR为0.1时(c)的重建图像, (g)CSR为0.3时(a)的重建图像,(h)CSR为0.3时(b)的重建图像,(i)CSR为0.3 时(c)的重建图像,(j)为CSR为0.5时(a)的重建图像,(k)为CSR为0.5时(b)的重 建图像,(l)为CSR为0.5时(c)的重建图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例, 都属于本发明保护的范围。
一种结合分数阶全变差的CS高噪声天文图像去噪重建方法,其思想在于:(1)在CS稀 疏变换过程中,引入自适应滤波算子,在进行高噪声天文图像稀疏变换的过程中,自适应地 去除图像中的部分噪声,有效地提高了天文图像的重建质量,同时自适应滤波算子的引入并 不会有效增加算法的运行时间。(2)在每次迭代过程中,采用分数阶全变差方法对IST算法 重建的天文图像进行调整,有效地抑制了重建图像中出现的伪吉布斯效应,同时保留了较多 的天文图像细节特征信息,提高了天文图像的重建质量。
如图1所示,具体地,本发明的步骤如下:
步骤一、初始化:根据原始天文图像初始化重建图像参数和含噪声观测值,初始化迭代 次数。
初始化重建图像f0=0,迭代索引i=0,含噪观测值y=Φf+e=ΦΨs+e,其中,Φ为 测量矩阵,f表示原始清晰图像,e表示高斯白噪声,Ψ表示曲波变换矩阵;s表示稀疏系数。仿真时,测量矩阵Φ选取为高斯随机测量矩阵,噪声e选取噪声标准差为30的高斯白噪声,原始清晰图像f为拍摄的2048×2048原始月球、木星和土星图像以及从拍摄的原始图像中取出的512×512的月球、木星和土星局部特征图像。矩阵Ψ为二维离散曲波变换矩阵,稀疏系数s通过计算得到s=Ψ-1f。
步骤二、计算自适应滤波算子,利用带有自适应滤波算子的曲波变换对高噪声条件下的 高分辨率天文图像进行多尺度分解,自适应地获得滤波后的曲波系数。
计算自适应滤波算子μ(x):
其中,x表示自变量,J表示曲波分解的总层数,具体指的是根据图像的尺寸分解得到的 子图像的数量;ρ表示曲波分解的层数,其取值范围为ρ=1,...,J;表示第k3级的子带的长 度;σ表示高斯白噪声的标准差;σλ表示曲波变换后的噪声标准差,采用Monte-Carlo测试 仿真方法获得。曲波重建系数si的计算过程表示为:
其中,母曲波定义为:在旋转角的等间隔序 列中,在位置处,具有2-j尺度的曲波。f′表示原始含噪图像且 f′=f+e;γj[·]表示进行傅里叶变换获得的矩阵,表示由旋转角旋转获得 的矩阵;为矩阵的逆矩阵;k=(k1,k2)∈Z2表示转换参数,Z表示全体整数的集合;j 表示尺度参数,j=1,2,…,表示对j/2向下取整;R表示实数集合,l=0,1,2…表示方向参数。 f表示原始清晰图像,f(x)表示原始清晰图像的函数,用于积分计算。表示γ(j,l,k)(x) 的共轭函数。
利用自适应滤波算子,当获得的曲波重建系数si大于或者等于设定阈值T0时,则保留即 获得si+1滤波后的曲波系数;其他情况,将获得的曲波重建系数si设定为零。即利用带有自适 应滤波算子μ(x)对曲波变换后的曲波重建系数si进行变换,自适应地获取滤波后的曲波系数 si+1:
步骤三、利用迭代收缩阈值算法对步骤二获得的曲波系数进行迭代更新,获得图像曲波 系数。
步骤四、计算下降曲波阈值算子,利用下降曲波阈值算子对步骤三获得的图像曲波系数 进行降噪处理,当图像曲波系数大于等于计算的下降曲波阈值算子时,则保留,否则剔除。
计算下降曲波阈值算子η(x):
利用下降曲波阈值算子,在迭代过程中对重建图像曲波系数进行去噪处理,获得降噪后 的重建图像曲波系数s′i+1:
步骤五、利用曲波逆变换过程对降噪后的图像曲波系数进行处理,获得重建天文图像。
步骤六、利用分数阶全变差(Fractional-order Total Variation:FRTV)方法对重建天文图 像进行特征调整,获得调整后的重建图像为:
其中,分数阶全变差模型为:
其中,为分数阶全变差调整步长,α为FRTV模型的分数阶数,N表示分数阶导数计算过程中的项数,通常N≥3;p和q分别表示重建图像的行变量和列变量。且分别表示图像像素在垂直和水平方向的分数阶差分前R项的近似, 参数
其中,r表示为求和变量,正的求导阶次α可取任意实数。表示广义二项式系数, 表示为Gamma函数,是阶乘函数在实数与负数上扩展的一类函数。其中, t>0表示积分变量,e1表示无理数e1=2.71828。
步骤七:当获得的迭代图像f′i+1与上一次迭代获得的重建图像fi′差值的L2范数小于设定 参数时,继续重复步骤二-步骤六;否者停止迭代,输出步骤六获得的调整后的重建图像。
本发明的实施步骤如下:初始化重建图像参数、迭代次数参数和含噪观测值;使用带有 自适应滤波算子的曲波变换对高噪声天文图像进行稀疏变换过程,获得天文图像稀疏系数; 使用迭代收缩阈值算法对获得的图像曲波系数进行迭代更新,使用下降曲波阈值算子对获得 的重建图像曲波系数进行去噪处理,获得去噪后的重建天文图像曲波系数;通过逆曲波变换 过程获得重建天文图像;使用分数阶全变差方法对去噪后的重建天文图像进行调整,获得调 整后的重建天文图像;判断是否达到迭代停止条件时,达到迭代停止条件时,输出重建图像, 否则重复以上过程。
本发明用于实施的硬件环境为:Intel(R)Core(TM)i5 CPU 2.5G计算机、8G内存,运行 软件环境:MATLAB2014b,操作系统为Windows7。天文图像是本发明团队采用JAI公司SPARK系列的SP-20000M-PMCL黑白工业相机结合天文望远镜LX200系列16寸大口径拍摄的。
采用主观和可观两种评价方法来评价本发明的有效性。主观评价方法主要通过人的视觉 系统直接对重建图像进行评价,如图2和图4所示。图2(a)-(c)显示了拍摄的2048×2048 原始月球、木星和土星含噪图像;图2(d)-(f)显示了压缩采样比(CompressionSampling Ratio, CSR)为0.1时,本发明获得的重建结果;图2(h)-(j)显示了CSR为0.3时,本发明获得 的重建结果;图2(j)-(l)显示了CSR为0.5时,本发明获得的重建结果。CSR的定义为 获得的重建观测值维数与原始图像维数的比值,CSR的值越小,则重建图像所需的测量数据 就越少;反之越多。可以看出,本发明在高压缩采样比情况下,能够获得清晰的天文图像; 在低压缩采样比情况下,本发明也可去除大部分的图像噪声,获得较高质量的天文图像。图 4显示了,本发明在不同压缩采样比情况下,获得的各个图像的局部特征图像。图4(a)-(c) 显示获取的512×512的月球、木星和土星局部特征图像;图4(d)-(f)显示了CSR为0.1 时,本发明获得的重建结果;图4(g)-(i)显示了CSR为0.3时,本发明获得的重建结果;图4(j)-(l)显示了CSR为0.5时,本发明获得的重建结果。可以看出,本发明能够获得 清晰的局部特征图,有效地保护了天文图像的特征信息。
客观评价方法主要是通过建立的数学模型,使用具体的公式完成对重建图像质量的评价。 图3(a)和图3(b)分别显示了本发明在不同CSR情况下,重建月球、木星和土星获得的 峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)和重建时间(Reconstruction Time,RT);可以看 出,随着CSR的不断增加,本发明获得的PSNR和花费的重建时间逐渐增加,在低CSR时, 本发明能够花费较短的时间获得较高的PSNR值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原 则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结合分数阶全变差的CS高噪声天文图像去噪重建方法,其特征在于,其步骤如下:
步骤一、初始化:根据原始天文图像初始化重建图像参数和含噪声观测值,初始化迭代次数;
步骤二、计算自适应滤波算子,利用带有自适应滤波算子的曲波变换对高噪声条件下的高分辨率天文图像进行多尺度分解,自适应地获得滤波后的曲波系数;
步骤三、利用迭代收缩阈值算法对步骤二获得的曲波系数进行迭代更新,获得图像曲波系数;
步骤四、计算下降曲波阈值算子,利用下降曲波阈值算子对步骤三获得的图像曲波系数进行降噪处理,当图像曲波系数大于等于计算的下降曲波阈值算子时,则保留,否则剔除;
步骤五、利用曲波逆变换过程对降噪后的图像曲波系数进行处理,获得重建天文图像;
步骤六、利用分数阶全变差方法对重建天文图像进行特征调整,获得调整后的重建图像;
步骤七:当获得的迭代图像与上一次迭代获得的重建图像差值的L2范数小于设定参数时,继续重复步骤二-步骤六;否者停止迭代,输出步骤六获得的调整后的重建图像。
2.根据权利要求1所述的结合分数阶全变差的CS高噪声天文图像去噪重建方法,其特征在于,所述步骤一中初始化重建图像f0=0,迭代索引i=0,含噪观测值y=Φf+e=ΦΨs+e,其中,Φ为测量矩阵,f表示原始清晰天文图像,e表示高斯白噪声,Ψ表示曲波变换矩阵;s表示稀疏系数且s=Ψ-1f。
5.根据权利要求4所述的结合分数阶全变差的CS高噪声天文图像去噪重建方法,其特征在于,所述步骤二中获得的滤波后的曲波系数si+1为:即利用自适应滤波算子进行运算,当获得的曲波重建系数si大于或者等于设定阈值T0时,则保留即获得si+1滤波后的曲波系数;否则,将获得的曲波重建系数si设定为零。
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CN110827223B (zh) | 2021-08-24 |
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