CN111861905A - 基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法 - Google Patents

基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于Gamma‑Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,通过对原始图像进行Gamma变换以提升其暗部细节,解决滤波后的SAR图像边缘细节部分保留效果不佳的问题;采用平移不变的局部窗口遍历被测图像每个像素点,通过统计所覆盖像素点均值和方差以及中心像素值的方式实现Lee滤波;结合负反馈调节Gamma系数和Gamma指数的思想,逐步调整加强对SAR图像斑点噪声的抑制;最后,仿真实验结果表明,本发明解决了现有SAR图像滤波方法图像边缘细节部分保留效果不佳的问题,同时斑点噪声的抑制效果得到一定的提升;在抑制噪声和边缘细节的保护效果上都要优于原始的Lee滤波方法,可用于SAR图像的图像处理领域。

Description

基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及SAR图像处理技术领域,具体涉及一种基于 Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法。
技术背景
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种先进的微 波遥感雷达,有着较好的多极化测量与干扰测量的能力,还具备全天 时、全天候、穿透性等优点,在遥感应用中有着比光学遥感更好的测 量精度。同时,合成孔径雷达能够以多种平台搭载方式实现,无人机 载、机载和星载SAR雷达能够达到很多监测场景的要求,这一优越性 使得SAR雷达在国防军事领域更加普及。而SAR的最终产品—SAR图 像的应用则更加多样化,例如:在军事侦察领域中,对地物目标以及 可疑飞行器的识别和跟踪;在民用领域中,自然灾害的预测、农业以 及林业勘探、地面的温度观测等领域研究都要用到SAR图像提供的地 物信息。
由于雷达的后向散射特性,这将会产生相干斑点噪声,SAR图像 中的斑点噪声从产生机里来讲是由于雷达目标回波信号的衰落现象 所引起的,而回波信号的衰落过程是这样形成的:同时被照射的有多 个散射体,当地物目标和雷达站之间具有相对运动时,这多个地物目 标与雷达之间具有不同的路程长和不同的传播速度,这使得雷达接收 机接收到的信号产生一定的随机起伏,从而使SAR对地物目标散射系 数的测量产生较大的偏差,这也就衍生出斑点噪声。具体表现为图像 中被斑点噪声污染的区域亮度随机变化,它属于随机噪声。SAR图像 中的斑点噪声与光学图像当中所遇到的噪声有着本质的区别,这是因为它们生成的物理过程有本质上的不同。SAR图像中的斑点噪声是由 雷达回波信号所引起的,是包括SAR雷达在内所有基于相干光原理的 成像系统本身的缺点。与加性噪声不一样,SAR图像中的斑点噪声属 于乘性噪声的模型,即:
R(m,n)=I(m,n)×V(m,n) (1)
其中,(m,n)是图像的像素点的坐标,R(m,n)是实际得到的图像强度 (含有相干斑噪声),I(m,n)是理想的图像强度,也就是描述了地面 目标的雷达散射特性即无噪强度,V(m,n)是斑点噪声,斑点噪声的 均值为1,标准差为ρ,其数值与SAR图像的视数有关,且I与V是统计 独立的。
如何抑制斑点噪声成为了数字信号处理领域以及雷达遥感领域 的热门话题之一。其中,斑点滤波方法和多视处理是两类主要的斑点 噪声抑制方法。其中斑点滤波法又分为频域滤波和空间滤波是两类主 要的方法:频域滤波是主要是基于小波变换的滤波方法;空间滤波则 是利用统计学方法来进行图像局部滤波。然而,现有的滤波方法如lee 滤波、frost滤波、kuan滤波等都在边缘细节部分的保护和相干斑噪 声抑制效果这两个方面存在矛盾,特别是“暗”图像细节处理的效果 不尽人意。迄今为止,如何有效地抑制相干斑噪声的同时较好地保留 SAR影像边缘细节,仍是一个关键问题。
发明内容
针对SAR影像斑点噪声的抑制问题,本发明提出一种基于 Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,经典的Lee滤波去 噪算法是以相干斑噪声点完全发育乘性模型上构建的,对于未发育完 全的相干斑噪声抑制效果并不理想,同时边缘保护效果也不佳。本发明方法为了提高Lee滤波效果且不损失边缘细节信息,引入了Gamma 变换思想对其进行改进,通过对输入图像灰度值进行一种非线性变换, 使输出图像灰度值与输入图像灰度值呈指数关系,从而提升SAR影 像的暗部细节,实现斑点噪声的高效率抑制。
为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案:
一种基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,包括 以下步骤:
步骤一,读取原始的SAR图像数据矩阵:原始图像矩阵R,矩 阵大小为M×N,其M和N为整数,分别代表图像行和列的数量;
步骤二,对原始图像R进行Gamma校正:设定Gamma系数为c, Gamma指数为e,原始图像的Gamma校正方法如下:
S=c×Re (2)
其中,S是大小为M×N的Gamma校正变换的输出图像,通过这种 非线性变换,可以使得SAR图像从曝光强度的线性响应变得更接近 人眼感受的响应:当Gamma指数e大于1时,这种校正将使图像的 灰度分布直方图高灰度值延展;而Gamma指数e小于1时,这种校 正将图像的灰度分布直方图向低灰度值方向靠拢;
步骤三,选择局部窗口:设定具有平移不变性的局部窗口矩阵H, 矩阵大小为K×K,其中K为整数,局部窗口矩阵H中的每个元素都 设置为1,即有:
H(i,j)=1,i=1,2,…,K;j=1,2,…,K (3)
步骤四,局部窗口平移匹配:逐行逐点移动局部窗口H,使其中 心元素与Gamma校正图像S的每个元素分别对齐,然后根据局部窗 口所覆盖的Gamma校正图像S内元素的像素值的大小,计算各统计 参数:滤波窗口的均值和方差,中心像素的数值;
步骤五,生成新的滤波后图像:根据步骤四得到的统计参数,逐 点计算滤波后图像的灰度值,计算公式为:
Figure BDA0002543407910000031
其中,m=1,2,…M;n=1,2,…N;
Figure BDA0002543407910000032
是滤波后的窗口的中心像素值;
Figure BDA0002543407910000041
是这个滤波窗口覆盖像素的均值;I(m,n)是滤波前窗口覆盖像 素的中心像素值;W(m,n)是一个加权因子,其计算方式如下:
Figure BDA0002543407910000042
其中,σu是噪声标准差,
Figure BDA0002543407910000043
为噪声均值,σI(m,n)是局部窗口在平移 过程中所覆盖像素的标准差;
步骤六,判断滤波结果是否达到要求:计算滤波后图像
Figure BDA0002543407910000044
的等效 视数ENL与边缘保持指数EPI,计算方式如下:
Figure BDA0002543407910000045
Figure BDA0002543407910000046
其中μ与σ分别表示图像
Figure BDA0002543407910000047
的均值与标准差,Ih(i)和Io(i)分别表示滤 波后边缘两侧相邻像元灰度值,
Figure BDA0002543407910000048
Figure BDA0002543407910000049
表示滤波前边缘两侧相 邻像元灰度值;
当滤波后图像
Figure BDA00025434079100000410
的等效视数ENL与边缘保持指数EPI未达到指 定阈值时,返回步骤二重新选取Gamma系数和Gamma指数,当其 ENL和EPI达到指定阈值时,执行下一步骤;
步骤七,输出SAR影像斑点噪声抑制结果
Figure BDA00025434079100000411
在局部窗口遍历 每个像素点后,图像的噪声得到充分的抑制,同时边缘细节部分也得 到了较好的保护效果。
进一步,所述步骤二中,所述的Gamma指数用于增强图像的细 节部分,Gamma系数取值为1,Gamma指数根据原始SAR图像的灰 度值分布来取值,取值范围为[0.1,10];当原始SAR图像的灰度值较 高时,选取小于1的Gamma系数以压缩灰度级较高的部分,反之则 选取系数大于1的数值以拉伸图像中灰度级较高的区域。
再进一步,所述步骤三中,所述的局部窗口大小必须比被测SAR 图像要小,假设被测SAR图像的大小为M×N,局部窗口的大小为K ×K,那么必须满足K≤min{M,N}-1。
本发明的有益效果为:采用Gamma校正的方式,通过非线性变 换使得原始图像的对比度和暗部细节得到提升,结合Lee滤波和阈值 负反馈调整的思想,逐步提升SAR影像斑点噪声的抑制效果。通过 理论的分析以及实验结果得到,该方法提高了抑制噪声以及细节保护 的精度。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,包括 以下步骤:
步骤一,读取原始的SAR图像数据矩阵:原始图像矩阵R,矩 阵大小为M×N,其M和N为整数,分别代表图像行和列的数量;
步骤二,对原始图像R进行Gamma校正:设定Gamma系数为c, Gamma指数为e,原始图像的Gamma校正方法如下:
S=c×Re (2)
其中,S是大小为M×N的Gamma校正变换的输出图像,通过这种 非线性变换,可以使得SAR图像从曝光强度的线性响应变得更接近 人眼感受的响应:当Gamma指数e大于1时,这种校正将使图像的 灰度分布直方图高灰度值延展;而Gamma指数e小于1时,这种校 正将图像的灰度分布直方图向低灰度值方向靠拢;
步骤三,选择局部窗口:设定具有平移不变性的局部窗口矩阵H, 矩阵大小为K×K,其中K为整数,局部窗口矩阵H中的每个元素都 设置为1,即有:
H(i,j)=1,i=1,2,…,K;j=1,2,…,K (3)
步骤四,局部窗口平移匹配:逐行逐点移动局部窗口H,使其中 心元素与Gamma校正图像S的每个元素分别对齐,然后根据局部窗 口所覆盖的Gamma校正图像S内元素的像素值的大小,计算各统计 参数:滤波窗口的均值和方差,中心像素的数值;
步骤五,生成新的滤波后图像:根据步骤四得到的统计参数,逐 点计算滤波后图像的灰度值,计算公式为:
Figure BDA0002543407910000061
其中,m=1,2,…M;n=1,2,…N;
Figure BDA0002543407910000062
是滤波后的窗口的中心像素值;
Figure BDA0002543407910000063
是这个滤波窗口覆盖像素的均值;I(m,n)是滤波前窗口覆盖像 素的中心像素值;W(m,n)是一个加权因子,其计算方式如下:
Figure BDA0002543407910000064
其中,σu是噪声标准差,
Figure BDA0002543407910000065
为噪声均值,σI(m,n)是局部窗口在平移 过程中所覆盖像素的标准差;
步骤六,判断滤波结果是否达到要求:计算滤波后图像
Figure BDA00025434079100000613
的等效 视数ENL与边缘保持指数EPI,计算方式如下:
Figure BDA0002543407910000066
Figure BDA0002543407910000067
其中μ与σ分别表示图像
Figure BDA0002543407910000068
的均值与标准差,Ih(i)和Io(i)分别表示滤 波后边缘两侧相邻像元灰度值,
Figure BDA0002543407910000069
Figure BDA00025434079100000610
表示滤波前边缘两侧相 邻像元灰度值;当滤波后图像
Figure BDA00025434079100000611
的等效视数ENL与边缘保持指数EPI 未达到指定阈值时,返回步骤二重新选取Gamma系数和Gamma指 数,当其ENL和EPI达到指定阈值时,执行下一步骤;
步骤七,输出SAR影像斑点噪声抑制结果
Figure BDA00025434079100000612
在局部窗口遍历 每个像素点后,图像的噪声得到充分的抑制,同时边缘细节部分也得 到了较好的保护效果。
进一步,所述步骤二中,所述的Gamma指数用于增强图像的细 节部分,Gamma系数取值为1,Gamma指数根据原始SAR图像的灰 度值分布来取值,取值范围为[0.1,10];当原始SAR图像的灰度值较 高时,选取小于1的Gamma系数以压缩灰度级较高的部分,反之则 选取系数大于1的数值以拉伸图像中灰度级较高的区域。
再进一步,所述步骤三中,所述的局部窗口大小必须比被测SAR 图像要小,假设被测SAR图像的大小为M×N,局部窗口的大小为K ×K,那么必须满足K≤min{M,N}-1。
实验对比
为了验证本发明方法的有效性,进行如下仿真实验验证:选取两 幅SAR影像数据来进行滤波实验。同时为了对比本发明方法的优势, 选取Frost滤波算法、均值滤波算法、中值滤波算法以及Lee滤波算 法分别进行对比分析。
从主观视觉方面来评价,Frost滤波算法相干斑噪声抑制效果比 Lee滤波算法要好,但是边缘信息保持效果较差,图像整体较为模糊, 视觉效果较差,以丢失边缘细节信息的代价而滤除噪声。中值滤波和 均值滤波的噪声抑制效果不够良好,边缘保护效果也并不理想。原有 Lee滤波算法在边缘信息保持方面具有良好的效果,但是噪声抑制能 力较差。而本发明方法在噪声抑制方面均优于所选的对比算法,而且 在边缘信息保持方便显著优于对比的几类算法,且视觉效果良好。
为了定量的评价各种滤波方法的去噪能力,采用等效视数(ENL) 和边缘指数(EPI)作为评价指标,仿真实验结果分别如表1所示。 从表中可以看出,本发明方法的等效视数(ENL)在同类算法中最高, 优于对比算法,并且边缘指数(EPI)要远高于同类对比算法。尤其 是与原有的Lee滤波算法对比,原有的Lee滤波算法的EPI指数为 0.5774,本文算法的EPI数值为0.9196。同样Lee滤波的ENL指数 为1.8382,本文算法的ENL指数为5.1651。因此本文算法在噪声去 除效果以及边缘保持度相较于原有的Lee滤波都有所改善。
表1为噪声抑制以及边缘保持效果的对比
Figure BDA0002543407910000071
Figure BDA0002543407910000081
表1。

Claims (3)

1.一种基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一,读取原始的SAR图像数据矩阵:原始图像矩阵R,矩阵大小为M×N,其M和N为整数,分别代表图像行和列的数量;
步骤二,对原始图像R进行Gamma校正:设定Gamma系数为c,Gamma指数为e,原始图像的Gamma校正方法如下:
S=c×Re (2)
其中,S是大小为M×N的Gamma校正变换的输出图像,通过这种非线性变换,可以使得SAR图像从曝光强度的线性响应变得更接近人眼感受的响应:当Gamma指数e大于1时,这种校正将使图像的灰度分布直方图高灰度值延展;而Gamma指数e小于1时,这种校正将图像的灰度分布直方图向低灰度值方向靠拢;
步骤三,选择局部窗口:设定具有平移不变性的局部窗口矩阵H,矩阵大小为K×K,其中K为整数,局部窗口矩阵H中的每个元素都设置为1,即有:
H(i,j)=1,i=1,2,…,K;j=1,2,…,K (3)
步骤四,局部窗口平移匹配:逐行逐点移动局部窗口H,使其中心元素与Gamma校正图像S的每个元素分别对齐,然后根据局部窗口所覆盖的Gamma校正图像S内元素的像素值的大小,计算各统计参数:滤波窗口的均值和方差,中心像素的数值;
步骤五,生成新的滤波后图像:根据步骤四得到的统计参数,逐点计算滤波后图像的灰度值,计算公式为:
Figure FDA0002543407900000011
其中,m=1,2,…M;n=1,2,…N;
Figure FDA0002543407900000012
是滤波后的窗口的中心像素值;
Figure FDA0002543407900000013
是这个滤波窗口覆盖像素的均值;I(m,n)是滤波前窗口覆盖像素的中心像素值;W(m,n)是一个加权因子,其计算方式如下:
Figure FDA0002543407900000014
其中,σu是噪声标准差,
Figure FDA0002543407900000015
为噪声均值,σI(m,n)是局部窗口在平移过程中所覆盖像素的标准差;
步骤六,判断滤波结果是否达到要求:计算滤波后图像
Figure FDA0002543407900000016
的等效视数ENL与边缘保持指数EPI,计算方式如下:
Figure FDA0002543407900000017
Figure FDA0002543407900000018
其中μ与σ分别表示图像
Figure FDA0002543407900000021
的均值与标准差,Ih(i)和Io(i)分别表示滤波后边缘两侧相邻像元灰度值,
Figure FDA0002543407900000022
Figure FDA0002543407900000023
表示滤波前边缘两侧相邻像元灰度值;
当滤波后图像
Figure FDA0002543407900000024
的等效视数ENL与边缘保持指数EPI未达到指定阈值时,返回步骤二重新选取Gamma系数和Gamma指数,当其ENL和EPI达到指定阈值时,执行下一步骤;
步骤七,输出SAR影像斑点噪声抑制结果
Figure FDA0002543407900000025
在局部窗口遍历每个像素点后,图像的噪声得到充分的抑制,同时边缘细节部分也得到了较好的保护效果。
2.如权利要求1所述的基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,其特征在于,所述步骤二中,所述的Gamma指数用于增强图像的细节部分,Gamma系数取值为1,Gamma指数根据原始SAR图像的灰度值分布来取值,取值范围为[0.1,10];当原始SAR图像的灰度值较高时,选取小于1的Gamma系数以压缩灰度级较高的部分,反之则选取系数大于1的数值以拉伸图像中灰度级较高的区域。
3.如权利要求1或2所述的基于Gamma-Lee滤波的SAR影像斑点噪声抑制方法,其特征在于,所述步骤三中,所述的局部窗口大小必须比被测SAR图像要小,假设被测SAR图像的大小为M×N,局部窗口的大小为K×K,那么必须满足K≤min{M,N}-1。
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