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基于字典学习的遥感图像去模糊研究

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Measurement Control Technology and Instruments 基于字典学习的遥感图像去模糊研究 赵相瑜。,秦振涛 ,杨武年 ,杨茹 (1.成都理工大学地学空间信息技术国土资源部重点实验室/遥感与GIS研究所, 四川成都610059; 2.攀枝花学院,四川I攀枝花617000) 摘要:对高分辨率遥感图像进行去模糊是遥感研究中的一个主要难题,针对此提出了一种新的 基于稀疏表示的高分辨率遥感图像去模糊算法。该算法利用快速梯度投影算法实现去模糊,并且保 留原图像的有用信息。通过对“高分一号”获取的遥感图像进行验证,表明该算法能较好地滤除遥感 图像的模糊,提高图像的峰值性噪比,且比其他字典学习算法具有更好的性能。 关键词:稀疏表示;图像去模糊;梯度投影算法;高分一号 中图分类号:TN911.73 文献标识码:A 文章编号:0258—7998(2015)05—0088—03 DOl:10.16157/j.issn.0258—7998.2015.05.020 Study on remote sensing images of de-blurring based on sparse representation ~ ’ ● ● ^ ’ ‘‘ 一 1 0 Zhao Xiangyu ,Qin Zhentao 一,Yang Wunian ,Yang Ru (1.Key Laboratory of Geo-special Information Technology,Ministyr of Land and Resources/Institute of Remote Sensing&GIS Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Panzhihua College,Panzhihua 617000,China) Abstract:De-Blurring the high resolution remote sensing images is an important issue in the relative research field of remote sensing.In this paper a novel algorithm of de-blurring the high resolution remote sensing images is proposed based on sparse rep— resentation.The high spatial resolution remote sensing images can be de-blurred by gradient projection algorithm,and keep the use— ful ifnormation of the image.The experimental results of the remote sensing images obtained by “the first satellite of h J gh resolu— tion”show that the algorithm can de-blurred the image more effectively and improve the PSNR,this method has better perfor- mance than other dictionary learning algorithm. Key WOrds:sparse representation;image de-bluritng;gradient projeetion algorithm;the first satellite of high resolution O引言 ;Elad等人通过字典学习利用前向滤波过程进行去模 在实际的工作环境中,遥感图像在其光学信息获取 糊等【I。1。图像域的去模糊主要包括基于回归的bilateral- 转换和传输过程中通常会受到噪声干扰而引起图像质 filter去模糊、PDE方法去模糊和Nonloeal的方法等【6 】。 量下降,从而变得模糊,因此遥感图像的去模糊分析、评 近年来,基于超完备稀疏分解的信号表示理论得到广泛 估和滤波作为遥感图像处理的研究热点一直受到遥感 关注,并取得巨大成果。其基本原理是利用超完备字典 应用领域的关注[11。遥感图像去模糊的主要目的是在去 中的冗余基取代正交基,对字典的选择尽可能地包含分 掉模糊的同时保持遥感图像的边缘和重要的特征信息。 解信号的信息。对信号的稀疏分解就是从超完备字典当 目前对遥感图像的去模糊方法主要有变换域和图像域 中选择出最佳线性组合的若干原子来表示信号,能极大 的处理方法。变换域的处理方法如Donoho等提出的著 地降低高分辨率遥感图像的存储、传输、处理的所需资 名的小波阈值方法I ;在小波域下变换的方法去除模糊 源,将该方法应用于高分辨率遥感图像的去模糊中,能 基金项目:IR家自然科学基金资助项目(41071265,41372340);高等学校博士学科点专项科研基金f20105122110006); 国土资源部地学空间信息技术重点实验室开放基金资助项目(KLGSIT2014—03) 88 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 《电子技术应用》2015年第41卷第5期 够取得较好的结论f 。 本文针对“高分一号”遥感图像高分辨率与大视场 相结合、多载荷图像拼接融合应用的特点,提出一种基 于稀疏表示和快速梯度投影算法。该算法通过对模糊图 像的特迭代处理,从而达到滤除遥感图像模糊的目的。 本文建立了基于稀疏表示和快速迭代投影的模型,并以 理论和实验证明了本算法的有效性。 1基于压缩感知的遥感图像去模糊模型 1.1基于稀疏表示的遥感图像处理模型 任一理想的遥感图像可以表示为yo∈R ,A为线性 模糊算子,可以对图像进行均匀线性模糊或者高斯低通 滤波,则遥感图像的模糊操作可以建模为[9-111: argmin F( )=I IAx—b I I +AIl IITv (1) 图像去模糊的作用是使F( )最小,ll・lIF表示矩阵 的Frobenius范数,ll・IlTv表示矩阵的TV范数, 是一个 图像变量。其中,式(1)的第一部分是关于 的光滑凸函 数,用.厂( )表示;第二部分是非光滑的但也属于凸函数, 用g(x)表示。 其中,Il・IlF主要表示矩阵的2范数和lI・lITv范数, 对一张n  ̄rt2的图像可以表示为: 蛳= x( i+1,j) -x( i,j= +1)))] (2) 1.2对模型的求解 根据Beck等人提出的快速梯度投影(Gradient ec— tion Algorithm,GPA)算法 】,对式(1)中的第一部分f(x), 由于其是光滑且凸的,具有Lipschitz梯度,因此对k次 迭代采用最速下降法,可以表示为: 鼽=鼽一1-t f(x ) (3) 其中tk>0,定义为下降的幅度,则第瓢一 次迭代可以通 过下面的二次函数进行求解: xk=argminUn( 一l+<( — 一】)、 ,( 一1) +-} 一钆一。 )) (4) 去掉固定值,对式(4)凑平方可得: =argmin(— }I l 一( 一 -t Vf(x 一1))f f;+g( )} (5) 对稀疏表示信号模型minimize I IAx—Y l1:+AIIxIll来 说,加上第二部分g(x),式(5)可以转化为: argmin‘ 1 I Ix-(Xk-i-tk ) +A 可将式(6)表示为: argm in{ I Ix-(c )I J:2训 ) 其中:c^=(钆一l-tk 厂(Xk一1))=钆~1-2t A (Axk—l-y)。 从式(7)可见,其中的1范数和2范数是可分开的, 在此情况下,通过直接收缩的方法对该问题进行求解: xk=F札(c^) (8) 《电子技术应用》2015年第41卷第5期 其中,r 表示收缩算子,表示从 域到 域的投影, 输出向量可以表示为: (c)I产(Ic I-a)+sgn(c ) (9) 其中,(“)+ ̄max(u,0),“= 一ol,该算法被称为迭代收缩阈值 算法(ISTAs)。通过研究发现,当其阈值 E(0,1川A A lI) 时,该算法严格收敛,而超出这个范围时,就不再收敛。 1.3对模型的扩展 式(1)所示高分辨率遥感图像的去模糊模型与传统 的去噪模型相似,但又有所不同,主要表现在噪声在一 次函数中属于位移的变换操作,如式(1)中对b进行操 作,而模糊是其斜率的变换操作,如式(1)中对A进行操 作,因此可对其进一步变换: QL( ,Xk一1)--f(xk一1)+<( 一 一1),Vf(x ̄一1)> +安一l I 一 一 l{:+g( ) (10) 满足 ∈C,即钆E ( 一1),其中: ( =argmin{争 一 1 _1))ll ̄hllxllaw} (11) 可以将其设置为: bk-i=轨一l一.}_ ,(‰一1) (12) 则去模糊的模型就可以写成下式: (钆一 )=argmin{去 }l —b 一。f I;+A IlxllTvl (13) 这个模型变成了式(5)的形式,可以利用快速梯度投 影算法实现,只需要将式(13)的A改为2A/L,这也表明 了去模糊的过程可以看成是迭代去噪的过程,要 ( )= J IAx—b I】:求解,需解决2个问题【12-141: (1)求解Vf(x),由于 是一个线性算子,因此f(x)的 梯度可以表示为: Vf(x)=2A (Ax—b) (14) 其中A 是A的伴随算子,b 可以表示为: bk-1= ^一1一争A (A 一1一b) (15) (2)计算Lipschitz常数 ,L需满足I12ATA( —Y)llF≤ Il -y)lIr,对任意的 及Y,有:L=2・maxlIATAxllF。 2高分辨率遥感图像的去模糊算法 对高分辨率遥感图像进行去模糊操作,确定算法如 下: 输入:模糊算子A,Lipschitz常数 ,观测图像b,归 一化参数A,梯度投影迭代次数 ,去模糊迭代次数 。 任一像素 满足Z≤ ≤“: 输出:最优化图像 。 第O步:设置: 0=0; 第k步:采用式(15)计算b ,计算(p ,q )= {(p , )+亩 (P ,q^- )}, 【6一A (p ,q )】 89 而且搜索优化效率明显增加。 5结论 本文分析了跳频OFDM低压电力线通信网络的传 In Proc.Conf.on Information Sciences and Systems(CISS), (Baltimore,MD),March,2007. 【5】TORRIERI D,CHENG S,VALENTI M.Robust frequency 输能力,求得了其通信传输中断率的闭式解,在分析传 输能力理论表达式基础之上,以传输能力作为系统性能 bopping for interference and fading channels[J】.IEEE Trans. Commun.,2008,56(8):1343—1351. 【6】MASSE M R,MICHAEL B.Adaptive coding for frequency- hop transmission over fading channels with partial-band 指标,提出穷举搜索和梯度搜索联合优化跳频信道数、 OFDM调制指数和差错控制编码速率。分别给出了穷举搜 索优化和梯度搜索优化的使用范围,实验证明穷举搜索 和梯度搜索优化效果接近,梯度搜索的优化效率更高。 参考文献 【1】WEBER S,YANG X,ANDREWS J,et a1.Transmission ca- pacity of wireless ad hoe networks with outage constraints[J]. IEEE Trans.Inform.Theory,2005,51(12):4091—4102. interference[J】.IEEE Transactions on Communications,2011, 59(3):854-862. 【7】BOYD S,VANDENBERGHE L.Convex optimization[M】.New York,NY:Cambridge University Press,first ed,2004. f收稿日期:2014—10—27) 作者简介: 王彦(1971一),男,博士,教授,主要研究方向:智能信 【2】TORRIERI D.Principles of spread-spectrum communication systems[M].New York,NY:Springer,second ed,2011. 【3】MOU正NAUER F.Mobile broadband wireless access propos- al[P】.IEEE 802.20 Working Group,IEEE P802.20-07/ 09rl,Mar,2007. 息处理技术、智能通信技术。 王超(1984一),男,硕士,讲师,主要研究方向:无线传 感器网络、移动通信。 刘宏立(1963一),男,博士生导师,主要研究方向:现代 【4】CHENG S,SESHADRI R I,VALEN ̄M,et a1.The capacity of noncoherent continuous—phase frequency shift keying[C]. 通信理论和无线传感网络新技术、移动通信系统与软件无 线电。 (上接第90页) 2007,San-Diego CA,2007. 技术,人工智能。 秦振涛(1982-),男,博士在读,副教授,主要研究方向: 3S技术,图像处理。 杨武年(1954-),男,博士生导师,教授,主要研究方向: 3S技术,生态评价,灾害监测评价。 (收稿日期:2014-12-01) 作者简介: 赵相瑜(1974-),男,硕士,副教授,主要研究方向:电子 (上接第93页) [3】KRAUS J D,MARHEFKA R J.Antenna[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industy,2008:193—195. 虽然略微增大,但是与传统的八木天线相比依然减小接 近100 cm的轴向距离。 【4】常嫒嫒√ 木天线的设计仿真与测试【D】.北京:北京交通 大学,2009. 4结论 本文主要针对八木天线在列车间直接通信系统中 应用进行可行性研究,并根据铁路通信的特点为列车的 移动台设计了一幅基于传统八木天线的改进形式的天 线一全折合振子密距八木天线。在设计完成后利用 HFSS软件仿真,最后用遗传算法优化,使得天线的参数 [5】梅涛,袁斌.米波超短间距八木天线设计与实现[J】.电视 技术,20o7(111. 【6】中华人民共和国铁道部.铁路技术管理规定【s】.中华人 民共和国铁道部.2006. 【7】林昌禄.天线工程手册【M】.北京:电子工业出版社,2002. f8】李明洋,刘敏,杨放.HFSS天线设计[MJ.北京:电子工业 出版社.2011. 达到最优。该天线轴向尺寸较传统的八木天线有明显缩 小,而天线的增益却比传统的八木天线更好,在满足了 天线设计要求外还有一定的余度,为系统的可靠运行提 供了保证。 参考文献 【1】陈启香,李茂青,林俊亭.基于超短波的列车间直接通信 技术研究【J】.计算机工程,2013(12):5~l0. [2】黄欣萍,蒋笑冰.列车无线调度通信【M】.北京:中国铁道 出版社,2011:163—180. 【9]马凯,王应龙.载体微带八木天线的优化设计【J】.微波学 报,2010(s1):134—135. (收稿日期:2014—10—14) 作者简介: 周怀庆(1989一),男,硕士研究生,主要研究方向:铁路 信号、通信与电磁波。 李茂青(1973一),男,副教授,博士,主要研究方向:列 车运行控制、铁路通信与信号技术、通信与电磁波。 97 《电子技术应用》2015年第41卷第5期 

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