郭 睿 臧 博 張雙喜 周 峰 邢孟道

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)在復(fù)雜環(huán)境下可以獲得監(jiān)視區(qū)域的高分辨率雷達(dá)圖像，在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、民用搜救和地形測(cè)繪等方法具有重要的價(jià)值。在SAR圖像中，人造目標(biāo)大都具有強(qiáng)散射特性及固定形狀，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，在軍事方面和民用方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值，可以提高SAR對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視、識(shí)別、定位和描述能力等。但由于 SAR應(yīng)用環(huán)境存在噪聲、干擾等復(fù)雜的不利因素，致使目標(biāo)檢測(cè)虛警概率提高，算法魯棒性下降。其中，針對(duì)特定環(huán)境背景和特定目標(biāo)的檢測(cè)方法相繼被提出和實(shí)現(xiàn)[1-4]。這些目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)從不同的角度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了有效的檢測(cè)。恒虛警(CFAR)[1]主要針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，因此被廣泛應(yīng)用于低分辨圖像中的目標(biāo)檢測(cè)；Hough變化[2]是提取圖像中直線的主要方法，主要被運(yùn)用于道路，跑道，橋梁的檢測(cè)中；對(duì)于與周圍背景對(duì)比度較大的水上橋梁，多采用閾值方法[3]對(duì)其進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)；雙門限最佳直方圖熵(KSW)法在對(duì)海面艦船檢測(cè)[4]中的效果也已被證實(shí)。

本文針對(duì)場(chǎng)景中地物自然環(huán)境復(fù)雜，存在大量的非人造目標(biāo)(即自然地物目標(biāo))的情況，提出了對(duì)其中的人造目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的方法。本文提出的檢測(cè)算法基本思想是：在圖像預(yù)處理階段，根據(jù)圖像信息熵的不同，設(shè)計(jì)出一種圖像平滑方法—改進(jìn)的Lee濾波，該方法不僅可以有效地抑制圖像中的噪聲，而且可以較好的保持圖像的細(xì)節(jié)和鄰域特征；然后利用門限化的分割技術(shù)，粗略檢測(cè)出目標(biāo)；最后根據(jù)目標(biāo)的分形特征，采用方向梯度能量進(jìn)行特征提取，找出人造目標(biāo)和背景的形狀和尺寸特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)人造目標(biāo)的準(zhǔn)確檢測(cè)。

2 圖像預(yù)處理

基于信息熵的改進(jìn)Lee濾波

由于SAR圖像中含有大量的噪聲，對(duì)后續(xù)的圖像檢測(cè)性能影響很大，通常都采用圖像平滑的方法進(jìn)行去噪處理。Lee濾波[5]方法是一種常用的低通濾波方法，但是常規(guī)的Lee方法在抑制噪聲的同時(shí)消除圖像的細(xì)節(jié)信息，為了在濾除隨機(jī)噪聲的同時(shí)又能很好地保持圖像的細(xì)節(jié)信息，本文提出了一種基于信息熵的改進(jìn)Lee濾波方法。

2.1 圖像平滑處理

從上述的分析中可以看出，進(jìn)行Lee濾波的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)濾波參數(shù)b的估計(jì)，采用 Lee濾波中的窗口滑動(dòng)方法，由于對(duì)中心像素的處理是采用窗口內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行平均，因此，會(huì)將不同類型點(diǎn)信息混淆了，造成圖像細(xì)節(jié)的損失，使得鄰域特征的區(qū)別產(chǎn)生模糊。例如，當(dāng)中心像素與其滑窗內(nèi)的某一點(diǎn)特性不同，但進(jìn)行平均后，兩點(diǎn)的特性很可能就一致了，不利于對(duì)鄰域內(nèi)不同點(diǎn)之間特性的區(qū)分。為了能夠很好地改進(jìn)這一點(diǎn)，本文對(duì)Lee窗口滑動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)估計(jì)窗口中心像素的濾波參數(shù)b。

首先根據(jù)式(5)計(jì)算圖像的信息熵：

式中pi為第i個(gè)灰度出現(xiàn)的概率。這里，根據(jù) SAR圖像信息熵的不同，將圖像中的像素點(diǎn)大致劃分為三類：高熵區(qū)(H＞0.9)，中熵區(qū)(0.5 ＜H≤ 0 .9)，低熵區(qū)(H≤0.5)。

進(jìn)行窗口滑動(dòng)時(shí)，并不將窗口內(nèi)的所有像素都用來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行估計(jì)，而是選擇窗口內(nèi)與中心像素熵類型一致的像素進(jìn)行估計(jì)。具體選擇方法如圖1所示(文中初始窗口大小為5×5)：

設(shè)中心像素(i,j)為Aij，窗口內(nèi)與Aij屬于同一熵區(qū)的像素集合為B，不同的集合為C。如果集合B中的元素個(gè)數(shù)M≥24時(shí)，就可以對(duì)中心像素進(jìn)行濾波參數(shù)b的估計(jì)；如果M＜24，在窗口中的同類像素集B就需要擴(kuò)大，這時(shí)，對(duì)初始的5×5窗口進(jìn)行擴(kuò)大，直到窗口內(nèi)同類像素集B的元素個(gè)數(shù)符合M≥ 2 4。

圖1 自適應(yīng)窗口示意圖

需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行自適應(yīng)滑窗處理時(shí)，窗口不能無(wú)限擴(kuò)大，在這里規(guī)定一個(gè)最大步長(zhǎng)step=4，即窗口邊界上的邊界點(diǎn)到中心像素的最大距離。當(dāng)step＞4時(shí)，就停止窗口的自適應(yīng)增長(zhǎng)，進(jìn)行下一個(gè)像素點(diǎn)的濾波參數(shù)b的估計(jì)。

改進(jìn)的圖像濾波方法具體如下：(1)依照式(5)計(jì)算圖像的信息熵，將圖像分為3類區(qū)域：高熵區(qū)，中熵區(qū)，低熵區(qū)；(2)依照?qǐng)D1所示的方法進(jìn)行自適應(yīng)窗口滑動(dòng)，估計(jì)濾波參數(shù)b；(3)將(2)中得到的濾波參數(shù)b代入式(4)，得到未被噪聲污染的原圖像的估計(jì)值，即濾波后的圖像。

從上可以看出，由于進(jìn)行窗口濾波時(shí)選取的是位于同一熵區(qū)的像素點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)，因此，在中心像素與鄰域像素不連續(xù)的情況下，有效地避免了鄰域特征的混淆和擴(kuò)展，對(duì)于圖像輪廓等細(xì)節(jié)信息能夠得到更好的保持，為后續(xù)圖像中的目標(biāo)檢測(cè)提供了有利的條件。對(duì)圖像的平滑處理完成后，就可以采用門限技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分割，其中噪聲對(duì)門限的影響被消除，分割結(jié)果更符合實(shí)際地物特征。

2.2 門限分割—雙門限最佳直方圖熵(KSW)法

對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理后，采用Kapur等人提出的 KSW 方法對(duì)圖像進(jìn)行門限化分割，在高分辨復(fù)雜場(chǎng)景中粗略檢測(cè)出目標(biāo)。這種方法將信息論中Shannon熵概念用于圖像分割，測(cè)量圖像灰度直方圖圖的熵，由此找出最佳門限，其出發(fā)點(diǎn)是使圖像中目標(biāo)與背景分布的信息量最大。由于此方法已被廣泛應(yīng)用于海面艦船檢測(cè)[4]，這里不再對(duì)雙門限KSW的方法步驟進(jìn)行介紹。

3 圖像分形特征提取

經(jīng)過門限分割后得到的圖像，背景對(duì)人造目標(biāo)檢測(cè)的影響已大大減小。此時(shí)，對(duì)于圖中背景與目標(biāo)，其形狀與大小特征是不同的，因此根據(jù)分形特征[6]在多尺度圖像目標(biāo)檢測(cè)中的優(yōu)越性，采用方向梯度能量[7]特征提取分形特征，沿距離向(x方向)和方位向(y方向)兩個(gè)方向來(lái)描述 2維目標(biāo)總方向梯度能量，就可以完成對(duì)高分辨SAR圖像中人造目標(biāo)的分形(形狀與大小)特征的描述，完成對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確檢測(cè)。

在2維目標(biāo)總方向梯度能量中，復(fù)數(shù)的模是 2維目標(biāo)的梯度總能量，代表物體尺寸的聚類特征。輻角是梯度總能量的方向，代表物體的形狀特征。同時(shí)可以看出：當(dāng)物體尺寸小于測(cè)量半步長(zhǎng)，則方向梯度總能量為零；若物體尺寸等于或大于測(cè)量步長(zhǎng)時(shí)，方向梯度總能量達(dá)到最大值并保持不變。由這些性質(zhì)可以看出，利用方向梯度能量進(jìn)行分形特征的提取，可以檢測(cè)和識(shí)別不同的目標(biāo)。

4 目標(biāo)檢測(cè)流程

對(duì)于高分辨 SAR復(fù)雜場(chǎng)景中的人造目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)步驟如下：

(1)計(jì)算原始圖像的信息熵，將圖像劃分為3類熵區(qū)域(高熵區(qū)、中熵區(qū)和低熵區(qū))；

(2)采用自適應(yīng)窗口滑動(dòng)方法，按圖1所示方法對(duì)圖像中每一像素點(diǎn)的濾波參數(shù)b進(jìn)行估計(jì)；

(3)將濾波參數(shù)估計(jì)值b代入式(4)，經(jīng)計(jì)算得到濾波后的圖像。完成圖像處理的同時(shí)，對(duì)細(xì)節(jié)和鄰域特征進(jìn)行了有效的保持；

(4)計(jì)算平滑后的圖像信息熵；

(5)采用雙門限KSW方法，尋找最佳門限，對(duì)高分辨圖像進(jìn)行門限化分割，實(shí)現(xiàn)高分辨SAR人造目標(biāo)的粗略檢測(cè)；

(6)分別計(jì)算沿距離向(x方向)和方位向(y方向)的方向梯度總能量；

(7)計(jì)算2維目標(biāo)的方向梯度總能量，提取模值；

(8)從步驟(7)中得到的模值信息，對(duì)圖像中目標(biāo)的大小和形狀進(jìn)行描述，得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

需要說(shuō)明的是，在步驟(6)中，隨著步長(zhǎng)設(shè)置的不同，步驟(7)中提取得到的模值信息也不相同，通過不同步長(zhǎng)的選取，可以獲得人造目標(biāo)的分形特征的不同描述。

結(jié)合 1，2節(jié)的原理分析，具體的高分辨 SAR復(fù)雜背景下的人造目標(biāo)檢測(cè)流程圖如圖2所示：

圖2 高分辨SAR復(fù)雜場(chǎng)景下的目標(biāo)檢測(cè)算法流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用分辨率為0.3 m的高分辨SAR圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析。圖3中圖像大小為1500×3500，從圖 3(a)中可以看到，原始圖像中存在大量的噪聲，會(huì)對(duì)后續(xù)的圖像的處理帶來(lái)不便。本實(shí)驗(yàn)是要將圖像中的A、B兩座高壓線塔檢測(cè)提取出來(lái)。

首先對(duì)圖3(a)進(jìn)行平滑處理，采用改進(jìn)Lee濾波方法得到的平滑結(jié)果如圖 3(b)所示，可以看到圖中的噪聲明顯減少，圖像的邊緣細(xì)節(jié)等特征也都得到了很好的保持，通過計(jì)算，圖像的方差均值比(s/m)從0.7975減小到了0.5244，無(wú)論圖像域還是統(tǒng)計(jì)數(shù)值域，都證明了本文采用的改進(jìn)Lee濾波方法是有效的。

圖3(c)為直接采用KSW算法檢測(cè)后的結(jié)果，可以看到此時(shí)對(duì)應(yīng)A、B兩座高壓線塔的位置被檢測(cè)出來(lái)了。不同于高分辨的艦船檢測(cè)(其背景為海面，散射強(qiáng)度比艦船弱很多，目標(biāo)的信雜噪比很高)，在進(jìn)行地面人造目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，周圍復(fù)雜的地物場(chǎng)景對(duì)人造目標(biāo)檢測(cè)有很強(qiáng)的干擾和混淆，尤其是在高分辨情況下，目標(biāo)所在場(chǎng)景中會(huì)存在很多強(qiáng)散射的物體。因此，在檢測(cè)到高壓線塔的同時(shí)，圖 3(c)中還存在散布的一些強(qiáng)散射點(diǎn)，大大降低了目標(biāo)檢測(cè)概率，因此需要進(jìn)行更進(jìn)一步的準(zhǔn)確檢測(cè)。

采用方向梯度能量進(jìn)行分形特征的提取時(shí)，設(shè)置測(cè)量步長(zhǎng)遠(yuǎn)小于圖像中目標(biāo)的大小時(shí)，得到的方向能量梯度的模如圖3(d)所示，可以看到，此時(shí)圖3(c)中粗略檢測(cè)到的所有目標(biāo)，它們的輪廓在圖3(d)中都通過分形特征被描述出來(lái)。當(dāng)改變測(cè)量步長(zhǎng)，使得測(cè)量步長(zhǎng)大于圖像中目標(biāo)的大小時(shí)，得到的方向能量梯度的模如圖 3(e)所示，可以看到，此時(shí)圖中只存在A、B兩座高壓線塔的信息，但是它們的形狀與圖3(c)和3(d)相比，不是很完整。這是因?yàn)楫?dāng)物體尺寸小于測(cè)量半步長(zhǎng)，則方向梯度總能量為零；若物體尺寸等于或大于測(cè)量步長(zhǎng)時(shí)，方向梯度總能量達(dá)到最大值并保持不變。

結(jié)合圖3(d)和3(e)，高分辨SAR圖像中的人造目標(biāo)，其形狀和大小，都可以被較好的描述出來(lái)，完成了在復(fù)雜場(chǎng)景中的準(zhǔn)確檢測(cè)，為后續(xù)的識(shí)別處理等奠定了基礎(chǔ)。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過完整的圖像處理過程，對(duì)復(fù)雜地物背景下高分辨 SAR圖像中存在的人造目標(biāo)進(jìn)行了準(zhǔn)確的識(shí)別。首先，本文充分利用圖像熵信息，對(duì)已有的Lee濾波算法進(jìn)行改進(jìn)，使得圖像得到平滑的同時(shí)，細(xì)節(jié)和鄰域特征等信息都得到了很好的保持，這種方法也可以在其它的圖像平滑處理中借鑒和使用，具有一定的推廣性；其次，本文采用方向能量梯度進(jìn)行分形特征的提取，通過改變測(cè)量尺寸，對(duì)目標(biāo)的形狀和大小都進(jìn)行了較好的描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨復(fù)雜地物場(chǎng)景中人造目標(biāo)的準(zhǔn)確檢測(cè)。實(shí)測(cè)的高分辨 SAR圖像處理結(jié)果驗(yàn)證了本文算法的有效性，該目標(biāo)檢測(cè)算法對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用具有一定的理論參考性。

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