CN114387258B - 基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法 - Google Patents

基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，包括如下步骤：S1，模拟高光谱数据的真值图像；S2，将真值图像经过掩膜编码得到混叠图像；S3，混叠图像经过数据预处理后输入深度展开神经网络进行训练；所述深度展开神经网络包括区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；S4，利用训练好的深度展开神经网络进行光谱图像重构。本发明采用基于区域动态的深度展开神经网络根据混叠图像的区域化特征来动态指导重构变换域的生成，有效提升了快照压缩光谱成像中的图像重构质量，在网络训练和实用中更为便捷灵活，节省计算资源和降低时间消耗。

Description

基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法
技术领域
本发明涉及计算成像技术领域，具体而言，涉及一种基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法。
背景技术
高光谱图像是由数十或数百幅连续的窄波段图像组成，能够同时捕获目标场景的空间维和光谱维信息，称为“数据立方体”。随着高光谱成像技术的发展，高光谱成像仪能够采集具有更高空间分辨率和光谱分辨率的高光谱数据。目前，高光谱图像已在众多领域中得到应用并取得成效，例如地物遥感、精准农业、医学诊断、目标检测等。
快照压缩光谱成像是指将多帧光谱图像映射到一个测量值中的压缩成像系统，其典型系统是编码孔径快照光谱成像系统(CASSI)。通过将输入的高光谱图像(Hyper-Spectral Image，HSI)经由掩膜编码到一幅二维压缩图像中，然后采用逆优化算法重建底高光谱图像，该系统具有快照的优点，然而重建质量较低，因此有效提升系统重建质量是使其广泛应用的关键。
深度学习算法日前被应用到上述光谱图像的重构中，其中一种通过将传统算法的每一次迭代进行网络展开兼具解释性和良好的重构性能。现有的基于深度展开神经网络的方法大都将压缩混叠图像作为一个整体作为网络输入学习迭代变换，未能充分利用混叠图像的特征。
发明内容
本发明旨在提供一种基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，以解决现有的快照压缩光谱图象重构方法未能充分利用区域的特征信息来指导重构的问题。
本发明提供的一种基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，包括如下步骤：
S1，模拟高光谱数据的真值图像；
S2，将真值图像经过掩膜编码得到混叠图像；
S3，混叠图像经过数据预处理后输入深度展开神经网络进行训练；所述深度展开神经网络包括区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；训练过程为：
S31，混叠图像经过光谱维特征融合得到区域特征，再将区域特征同时输入到区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；首先经过区域权重生成模块生成区域特征指导的权重系数；然后在阈值迭代算法变换模块中进行多个基础的阈值迭代变换，阈值迭代变换的动态阈值由像素级自适应阈值模块根据区域特征生成；最后将区域特征指导的权重系数和多种基本变换进行动态加权得到区域动态重构出的光谱重构图像；
S32，步骤S31为深度展开神经网络的一次展开过程，经过若干次展开过程并在每次展开时采用损失函数计算真值图像和光谱重构图像之间的损失以及对阈值迭代变换中的稀疏性和对称性进行约束，通过反向传播算法优化深度展开神经网络的参数；训练完成后得到训练好的深度展开神经网络；
S4，利用训练好的深度展开神经网络进行光谱图像重构。
在一些实施例中，步骤S32中的损失函数由第一损失函数、第一损失函数和第一损失函数加权求和得到；
所述第一损失函数采用L2损失函数计算真值图像和光谱重构图像之间的损失；
所述第二损失函数采用L1损失函数对阈值迭代变换中的稀疏性进行约束；
所述第三损失函数采用L2损失函数对阈值迭代变换中的对称性进行约束。
在一些实施例中，所述区域权重生成模块包括依次连接的一个5×5的池化层、一个3×3卷积、ReLU激活函数、一个3×3卷积和一个softmax层；
一个5×5的池化层用于实现区域化；
两个3×3卷积以及连接在两个3×3卷积之间的ReLU激活函数用于提取区域特征；
一个softmax层用于生成区域特征指导的权重系数。
在一些实施例中，所述阈值迭代算法变换模块包括两个互逆的变换函数块，两个变换函数块之间由像素级自适应阈值模块完成阈值化连接；每个变换函数块包括依次连接的一个3×3卷积、ReLU激活函数和一个3×3卷积。
在一些实施例中，所述像素级自适应阈值模块包括依次连接的一个3×3卷积、ReLU激活函数、一个3×3卷积和一个符号函数Sgn。
在一些实施例中，步骤S31中采用一个3×3卷积进行光谱维特征融合得到区域特征。
在一些实施例中，步骤S3中所述数据预处理是指移位操作。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用基于区域动态的深度展开神经网络根据混叠图像的区域化特征来动态指导重构变换域的生成，有效提升了快照压缩光谱成像中的图像重构质量，在网络训练和实用中更为便捷灵活，节省计算资源和降低时间消耗。
2、本发明构建基于区域动态的深度展开神经网络结构，设计区域权重生成模块，阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块充分利用图像的区域特征，提升了重构的鲁棒性，能够生成质量更高的重构图像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例中基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法的原理图
图2为本发明实施例中深度展开神经网络的结构图。
图3为本发明实施例中深度展开神经网络训练过程中一次展开的原理图。
图4为本发明实施例中深度展开神经网络训练过程中多次展开的原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，包括如下步骤：
S1，模拟高光谱数据的真值图像；
S2，将真值图像经过掩膜编码得到混叠图像，表示为Y0∈N256×286，其中，256和286分别代表混叠图像的高度和宽度；
S3，将混叠图像经过数据预处理后输入深度展开神经网络进行训练；所述数据预处理是指移位操作，即对混叠图像进行移位操作，得到数据预处理后的图像，表示为X0∈N256×256×28，其中，28表示数据预处理后的图像的光谱维度。
所述深度展开神经网络包括区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；如图2所示，本实施例中的所述深度展开神经网络的结构如下：
1、区域权重生成模块
所述区域权重生成模块包括依次连接的一个5×5的池化层、一个3×3卷积、ReLU激活函数、一个3×3卷积和一个softmax层；
一个5×5的池化层用于实现区域化；
两个3×3卷积以及连接在两个3×3卷积之间的ReLU激活函数用于提取区域特征；
一个softmax层用于生成区域特征指导的权重系数。
2、阈值迭代算法变换模块
所述阈值迭代算法变换模块包括两个互逆的变换函数块，两个变换函数块之间由像素级自适应阈值模块完成阈值化连接；每个变换函数块包括依次连接的一个3×3卷积、ReLU激活函数和一个3×3卷积。
3、像素级自适应阈值模块
所述像素级自适应阈值模块包括依次连接的一个3×3卷积、ReLU激活函数、一个3×3卷积和一个符号函数Sgn。
训练过程为：
S31，如图3所示，混叠图像经过进行光谱维特征融合得到区域特征，本实施例中采用一个3×3卷积进行光谱维特征融合得到区域特征；再将区域特征同时输入到区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；首先经过区域权重生成模块生成区域特征指导的权重系数；然后在阈值迭代算法变换模块中进行多(N)个基础的阈值迭代变换，阈值迭代变换的动态阈值由像素级自适应阈值模块根据区域特征生成；最后将区域特征指导的权重系数和多种基本变换进行动态加权得到区域动态重构出的光谱重构图像，表示为Xk∈N256×256×28，其中，k表示当前展开次数；经过k次展开后的
S32，步骤S31为深度展开神经网络的一次展开过程，如图4所示，经过若干次(k次)展开过程并在每次展开时采用损失函数计算真值图像和光谱重构图像(经过k次展开后的光谱重构图像表示为X∈N256×256×28)之间的损失以及对阈值迭代变换中的稀疏性和对称性进行约束，通过反向传播算法(如Adam算法，学习率可以设置为0.001)优化深度展开神经网络的参数；训练完成后得到训练好的深度展开神经网络；
其中，损失函数由第一损失函数、第一损失函数和第一损失函数加权求和得到；
所述第一损失函数采用L2损失函数计算真值图像和光谱重构图像之间的损失；
所述第二损失函数采用L1损失函数对阈值迭代变换中的稀疏性进行约束；
所述第三损失函数采用L2损失函数对阈值迭代变换中的对称性进行约束。
S4，利用训练好的深度展开神经网络进行光谱图像重构。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，模拟高光谱数据的真值图像；
S2，将真值图像经过掩膜编码得到混叠图像；
S3，混叠图像经过数据预处理后输入深度展开神经网络进行训练；所述深度展开神经网络包括区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；训练过程为：
S31，混叠图像经过光谱维特征融合得到区域特征，再将区域特征同时输入到区域权重生成模块、阈值迭代算法变换模块以及像素级自适应阈值模块；首先经过区域权重生成模块生成区域特征指导的权重系数；然后在阈值迭代算法变换模块中进行多个基础的阈值迭代变换，阈值迭代变换的动态阈值由像素级自适应阈值模块根据区域特征生成；最后将区域特征指导的权重系数和多种基本变换进行动态加权得到区域动态重构出的光谱重构图像；
S32，步骤S31为深度展开神经网络的一次展开过程，经过若干次展开过程并在每次展开时采用损失函数计算真值图像和光谱重构图像之间的损失以及对阈值迭代变换中的稀疏性和对称性进行约束，通过反向传播算法优化深度展开神经网络的参数；训练完成后得到训练好的深度展开神经网络；
S4，利用训练好的深度展开神经网络进行光谱图像重构。
2.根据权利要求1所述的基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，步骤S32中的损失函数由第一损失函数、第二损失函数和第三损失函数加权求和得到；
所述第一损失函数采用L2损失函数计算真值图像和光谱重构图像之间的损失；
所述第二损失函数采用L1损失函数对阈值迭代变换中的稀疏性进行约束；
所述第三损失函数采用L2损失函数对阈值迭代变换中的对称性进行约束。
3.根据权利要求1所述的基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，所述区域权重生成模块包括依次连接的一个5×5的池化层、一个3×3卷积、ReLU激活函数、一个3×3卷积和一个softmax层；
一个5×5的池化层用于实现区域化；
两个3×3卷积以及连接在两个3×3卷积之间的ReLU激活函数用于提取区域特征；
一个softmax层用于生成区域特征指导的权重系数。
4.根据权利要求1所述的基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，所述阈值迭代算法变换模块包括两个互逆的变换函数块，两个变换函数块之间由像素级自适应阈值模块完成阈值化连接；每个变换函数块包括依次连接的一个3×3卷积、ReLU激活函数和一个3×3卷积。
5.根据权利要求1所述的基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，所述像素级自适应阈值模块包括依次连接的一个3×3卷积、ReLU激活函数、一个3×3卷积和一个符号函数Sgn。
6.根据权利要求1所述的基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，步骤S31中采用一个3×3卷积进行光谱维特征融合得到区域特征。
7.根据权利要求1所述的基于区域动态深度展开神经网络的高光谱图像重构方法，其特征在于，步骤S3中所述数据预处理是指移位操作。
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