CN112598599A - 一种高光谱图像的去噪模型训练方法及去噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光谱图像的去噪模型训练方法及去噪方法。其去噪模型训练方法包括如下步骤:(1)对获取的高光谱图像数据集做预处理,获得无噪数据集,然后加入不同方差的高斯白噪声,生成有噪数据集;(2)对方差扩充维度,得到与图像同等大小的噪声水平图;(3)将有噪数据集和噪声水平图构成样本数据组进行训练,得到噪声估计子网络模型;(4)利用噪声估计子网络模型预测得到噪声水平图,并将噪声水平图和有噪数据合并,与无噪数据集作为样本数据组进行训练,得到高光谱图像去噪模型。本发明采用了训练子网络的方法估计噪声方差,使得去噪模型不仅对高光谱图像去噪效果显著,而且实现了处理不同噪声方差的盲去噪效果。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能领域,特别涉及一种高光谱图像去噪模型的训练方法,以及利用去噪模型对高光谱图像进行去噪的方法。
背景技术
高光谱图像由于其丰富的光谱信息,不仅引起了遥感界的广泛关注,同时也引起了其他领域(如医学,农学,食品等)的极大兴趣。然而,高光谱图像在成像和传输过程中受限于成像设备以及外部环境等因素的干扰,会受到大量噪声污染,其中以高斯噪声为主。噪声的影响往往会严重干扰高光谱图像后续的分析和应用,因此高光谱去噪方法的研究至关重要。
在相关现有技术中,四维块匹配滤波(Block-Matching 4D filtering,BM4D)算法利用传统滤波的方式能取得很好的效果,但面对数据量大的高光谱图像,会损失较多的细节以及优化过程耗时过长。随着卷积神经网络在图像处理领域的极大应用,利用训练网络的方式进行高光谱图像去噪的方法发展迅速,但此类方法都只能处理单一方差的噪声,并且需要人为预先对其噪声方差进行估计。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷,本发明提供一种高光谱图像的去噪模型训练方法及去噪方法。
本发明采用的技术方案如下:
一种高光谱图像的去噪模型训练方法,包括如下步骤:
(1)对获取的高光谱图像数据集做预处理,获得无噪数据集,然后加入不同方差σ的高斯白噪声,生成有噪数据集;
进一步地,所述步骤(1)中,预处理的具体步骤为:将高光谱图像数据集裁剪至相同维度大小,并选取相同波段的高光谱图像数据,最后通过归一化处理,组成无噪数据集。
进一步地,所述步骤(1)中,生成有噪数据集的具体步骤为:根据所述无噪数据集的高光谱图像维度,产生相同维度大小的高斯白噪声;其中,对于每张高光谱图像,其对应的高斯白噪声方差σ不同;将高光谱图像与高斯白噪声相加,得到有噪数据集。
进一步地,所述步骤(2)中,对方差σ扩充维度的具体步骤为:对于高光谱图像(m,n,λ),将该图像加入的方差σ乘以维度大小为(m,n,λ)的单位矩阵;经过扩维操作的噪声方差是代表了像素级的噪声水平图其中,m,n,λ分别代表了高光谱图像的维度大小。
进一步地,所述步骤(3)中,训练的具体步骤为:通过将n组由所述有噪数据和对应的噪声水平图组成的样本数据组,利用卷积神经网络进行迭代优化训练;在达到一定的迭代次数后,损失函数经过收敛后得到噪声估计子网络模型;其中,噪声水平图应与高光谱图像维度大小保持一致。
进一步地,所述步骤(4)中,训练的具体步骤为:将有噪数据与噪声水平图在光谱维度进行合并操作,组成含噪声水平图的有噪图像,其维度为(m,n,2λ);将n组含噪声水平图的有噪数据集与无噪数据集作为样本数据组,采用UNet结构卷积神经网络进行迭代优化训练;在迭代到一定次数后,损失函数经过收敛后得到最后的高光谱图像去噪模型。
本发明一种高光谱图像的去噪方法,包括如下步骤:
(1)获取待去噪的高光谱图像,将其输入到噪声估计子网络;其中,噪声估计子网络为通过样本数据进行训练后得到的模型,所述样本数据中包括n组有噪数据集和对应的噪声水平图;
(2)对噪声估计子网络生成的噪声水平图引入松弛因子k;
(3)将待去噪的高光谱图像和噪声估计子网络生成的含松弛因子k的噪声水平图进行合并,再输入到高光谱图像去噪模型,得到去除噪声的高光谱图像;其中,高光谱图像去噪模型为通过样本数据进行训练后得到的模型,所述样本数据中包括n组含噪声水平图的有噪数据集和无噪数据集。
本发明的高光谱图像去噪方法具有高效的去噪能力。与现有的技术相比,本发明方法优势在于:
(1)本方法利用深度学习网络训练去噪模型,在去除噪声的同时,能保留更多的细节纹理,获得较高的PSNR值。
(2)本方法在获得去噪模型后,通过已有的网络参数去除噪声过程耗时短,能高效完成数据量巨大的高光谱图像去噪的工作。
(3)相比于其他神经网络去噪方法,本方法由于引入噪声估计子网络,因此能自行预测含噪高光谱图像的噪声水平,不需人为估计。
(4)相比于其他神经网络去噪方法,本方法由于引入噪声估计子网络训练去噪模型,因此能处理不同噪声方差的高光谱图像。
(5)本方法通过引入松弛因子,能依据实际情况控制调整噪声估计,允许用户交互式调整去噪结果,增强了去噪结果的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的高光谱图像去噪模型的训练方法流程示意图;
图2是本发明的高光谱图像去噪模型的训练方法神经网络结构示意图;
图3是本发明的高光谱图像去噪方法的流程示意图;
图4是本发明一个示例性实施例提供的图像去噪效果示意图,(a)为高光谱图像原图,(b)为加入方差为25的高斯噪声后的含噪图像,(c)为BM4D去噪后图像,PSNR为31.71dB,(d)为本发明方法去噪后图像,PSNR为33.54dB。
图5是本发明一个示例性实施例提供的图像去噪效果局部放大示意图;(a)为高光谱图像原图,(b)为含噪图像,(c)为BM4D去噪后图像,(d)为本发明方法去噪后图像。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清晰,下面将结合附图对本申请实施方案做进一步地详细描述。
本实施例中提供了一种高光谱图像去噪模型的训练方法。参照图1,2,此方法包括:
(1)采集已公开的ICVL dataset高光谱图像数据集,将数据集中200张高光谱图像进行裁剪至相同维度(100,100,10),并进行归一化处理,得到20000张维度大小为(100,100,10),数值大小在(0,1)之间的高光谱图像。将所有高光谱图像在第一个维度上进行叠加,构成维度大小为(20000,100,100,10)的无噪数据集。生成不同方差的高斯白噪声,将其依次加入到所有的高光谱图像,得到有噪数据集。
y=x+n
其中,y代表含噪数据,x代表无噪数据,n代表加入的高斯白噪声。
对每张高光谱图像加入的噪声方差按如下方法扩充维度,
并在第一个维度上进行叠加,得到噪声水平图数据集,维度大小同为(20000,100,100,10)。
(2)利用所获得的有噪数据集和噪声水平图数据集训练噪声估计子网络。
通过将20000组由有噪数据和对应的噪声水平图组成的样本数据组,利用卷积神经网络进行迭代优化训练。在达到一定的迭代次数后,损失函数经过收敛后得到噪声估计子网络。其中,噪声水平图应与高光谱图像维度保持一致。
本实施例的模型采用6层卷积神经网络的结构。以有噪数据集和噪声水平图数据集作为样本组进行训练,其中每个神经网络层的通道数,卷积核大小,步长,填充,激活函数通过如下表1进行示意性说明:
表1卷积神经网络的参数表
神经网络层 | 通道数 | 卷积核大小 | 步长 | 激活函数 | 填充 |
输入 | 10 | - | - | - | - |
卷积层1-1 | 32 | (3,3) | (1,1) | relu | same |
卷积层1-2 | 32 | (3,3) | (1,1) | relu | same |
卷积层1-3 | 32 | (3,3) | (1,1) | relu | same |
卷积层1-4 | 32 | (3,3) | (1,1) | relu | same |
卷积层1-5 | 32 | (3,3) | (1,1) | relu | same |
卷积层1-6 | 10 | (3,3) | (1,1) | relu | same |
可选地,每层卷积层都采用(3,3)的卷积核大小,步长为(1,1),激活函数使用relu函数,填充为same。采用Adam优化算法,损失函数通过引入TV loss构造为:
(3)利用噪声估计子网络预测噪声水平图后,将含噪的高光谱图像与子网络对其估计的噪声水平图在光谱维度进行合并操作,组成含噪声水平图的有噪图像,其维度为(100,100,20)。将20000组含噪声水平图的有噪数据集与无噪数据集作为样本数据组,采用UNet结构卷积神经网络进行迭代优化训练。在迭代到一定次数后,损失函数经过收敛后得到最后的高光谱图像去噪模型。
本实施例叠加操作后的数据集维度大小为(20000,100,100,20)。该数据集与无噪数据集作为样本组,采用UNet 18层网络结构进行去噪模型的训练。其中每个神经网络层的种类,通道数,窗口大小,步长,填充,激活函数通过如下表2进行示意性说明:
表2 UNet结构卷积神经网络的参数表
神经网络层 | 通道数 | 窗口大小 | 步长 | 激活函数 | 填充 |
输入 | 20 | - | - | - | - |
卷积层2-1 | 64 | (3,3) | (1,1) | lrelu | Same |
卷积层2-2 | 64 | (3,3) | (1,1) | lrelu | Same |
池化层2-3 | 64 | (2,2) | (1,1) | - | Same |
卷积层2-4 | 128 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-5 | 128 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
池化层2-6 | 128 | (2,2) | (1,1) | - | same |
卷积层2-7 | 256 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-8 | 256 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
池化层2-9 | 256 | (2,2) | (1,1) | - | same |
卷积层2-10 | 512 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-11 | 512 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-12 | 256 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-13 | 256 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-14 | 128 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-15 | 128 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-16 | 64 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-17 | 64 | (3,3) | (1,1) | lrelu | same |
卷积层2-18 | 10 | (3,3) | (1,1) | - | same |
可选地,所有卷积层都采用(3,3)大小的卷积核,(1,1)步长,LeakRelu激活函数和same填充。所有池化层都采用(2,2)的窗口大小,(1,1)步长和same填充。其中,LeakRelu激活函数为:
可选地,在上采样过程中添加连接层,能增加上采样输入信息从而提高网络学习能力。在卷积层2-12,2-14,2-16处,分别与卷积层2-7,2-4,2-1进行连接。
可选地,该模型采用Adam优化算法,损失函数选用L2 loss函数。
示意性的,图3是高光谱图像去噪方法的流程示意图。具体为:
首先,将待去噪高光谱图像输入噪声估计子网络预测噪声水平图。
接着,根据不同的实际情况,引入松弛因子k,允许用户交互式调整去噪结果,增强去噪结果的鲁棒性:
最后,将待去噪高光谱图像和子网络生成的含松弛因子k的噪声水平图在光谱维度上进行叠加,再输入到高光谱图像去噪模型,得到去除噪声的高光谱图像。
图4,5展示了本示例与BM4D算法的高光谱图像去噪效果对比,其中,示意图取单波段进行显示。可见,本发明的方法保留了更多的纹理细节,并获得了更高的PSNR值。
Claims (9)
2.根据权利要求1所述的一种高光谱图像的去噪模型训练方法,其特征在于,所述步骤(1)中,预处理的具体步骤为:将高光谱图像数据集裁剪至相同维度大小,并选取相同波段的高光谱图像数据,最后通过归一化处理,组成无噪数据集。
3.根据权利要求1所述的一种高光谱图像的去噪模型训练方法,其特征在于,所述步骤(1)中,生成有噪数据集的具体步骤为:
根据所述无噪数据集的高光谱图像维度,产生相同维度大小的高斯白噪声;其中,对于每张高光谱图像,其对应的高斯白噪声方差σ不同;将高光谱图像与高斯白噪声相加,得到有噪数据集。
7.一种高光谱图像的去噪方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)获取待去噪的高光谱图像,将其输入到噪声估计子网络;其中,噪声估计子网络为通过样本数据进行训练后得到的模型,所述样本数据中包括n组有噪数据集和对应的噪声水平图;
(2)对噪声估计子网络生成的噪声水平图引入松弛因子k;
(3)将待去噪的高光谱图像和噪声估计子网络生成的含松弛因子k的噪声水平图进行合并,再输入到高光谱图像去噪模型,得到去除噪声的高光谱图像;其中,高光谱图像去噪模型为通过样本数据进行训练后得到的模型,所述样本数据中包括n组含噪声水平图的有噪数据集和无噪数据集。
8.根据权利要求7所述的一种高光谱图像的去噪方法,其特征在于,所述步骤(1)中,待去噪的高光谱图像和子网络训练样本的光谱维度保持一致。
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CN113191968A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-30 | 华中科技大学 | 三维超声图像盲去噪模型的建立方法及其应用 |
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