馮博迪,楊海濤,張長(zhǎng)弓,高宇歌

(航天工程大學(xué)航天信息學(xué)院,北京 101416)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)是一種主動(dòng)式高分辨率成像傳感器[1],與光學(xué)遙感成像不同的是,SAR成像能夠不受外界條件的干擾,全天候的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè),然而由于SAR圖像相干成像的特點(diǎn),真實(shí)SAR圖像無(wú)法避免的會(huì)受到斑點(diǎn)噪聲的影響,這些噪聲大大降低了SAR圖像的質(zhì)量,并對(duì)后續(xù)的解譯和分析工作造成了極大的困擾。因此,為了更好地推動(dòng)SAR圖像的廣泛應(yīng)用,需要采用合適的去噪算法對(duì)圖像中的斑點(diǎn)噪聲進(jìn)行抑制削弱。

近幾十年來(lái),涌現(xiàn)出了大量關(guān)于SAR圖像噪聲抑制的方法,傳統(tǒng)的方法有基于空域?yàn)V波的方法和基于變換域?yàn)V波的方法。前者是直接對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行濾波,能夠有效抑制均勻區(qū)域的噪聲,但是其容易受到濾波器濾波核大小的影響,并且在圖像去噪的效果和細(xì)節(jié)保留方面存在折衷情況,二者之間的關(guān)系難以得到平衡。后者是將原始信號(hào)轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的變換域中進(jìn)行濾波,再對(duì)降噪后的信號(hào)進(jìn)行逆運(yùn)算得到噪聲抑制后的圖像。常用的方法有Lee[2]濾波、Kuan[3]濾波和Frost[4]濾波等。變換域?yàn)V波一般通過(guò)例如傅里葉變換或小波變換[5][6]等方法進(jìn)行變換,擁有優(yōu)于空域?yàn)V波的效果,但在使用變換域?yàn)V波算法時(shí),圖像復(fù)原后邊緣有時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛假信息,即吉布斯(Gibbs)現(xiàn)象,導(dǎo)致圖像像素失真,傳統(tǒng)的噪聲抑制算法均會(huì)對(duì)圖像的邊緣信息造成一定的損失。

隨著深度學(xué)習(xí)在各領(lǐng)域的成功應(yīng)用,為了更好的規(guī)避上述問(wèn)題并獲得更好的去噪效果,深度學(xué)習(xí)被引入了圖像去噪領(lǐng)域[7],在深度網(wǎng)絡(luò)的眾多模型中,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks,CNN)由其優(yōu)越的特征學(xué)習(xí)能力,在圖像降噪領(lǐng)域得到了眾多學(xué)者的青睞。Jain[8]等人使用CNN對(duì)自然圖像進(jìn)行去噪,與傳統(tǒng)的去噪方法相比,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得了有更為優(yōu)秀的去噪效果。Zhang[9]等人提出了一種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DnCNN),該算法由17層的全卷積網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,首次將殘差學(xué)習(xí)(Residual learning)和批標(biāo)準(zhǔn)化(Batch Normalization, BN)思想引入圖像去噪。DnCNN在圖像處理領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn),采用了更加高效的殘差圖像學(xué)習(xí)方法,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算噪聲圖像和干凈圖像的差值,引入跳躍連接,使用輸入圖像減掉學(xué)習(xí)到的殘差圖像從而實(shí)現(xiàn)噪聲的去除。該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,殘差學(xué)習(xí)和批標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)合能夠有效提升去噪的效果。隨后,Chierchia[10]等人采用對(duì)數(shù)變換的思想變換噪聲性質(zhì)為更易去除的加性噪聲,提出了基于CNN的SAR圖像去噪方法SAR-CNN。該方法雖然取得了較好的噪聲抑制效果,但對(duì)數(shù)變換過(guò)程增加的運(yùn)算量導(dǎo)致了噪聲去除的實(shí)際效率較低。

雖然多年來(lái)關(guān)于 SAR 圖像斑點(diǎn)噪聲抑制的方法研究取得了非常大的進(jìn)步,但是人們?nèi)匀徊粩嗵綄と绾卧谟行б种芐AR圖像斑點(diǎn)噪聲的基礎(chǔ)上,更加準(zhǔn)確的保留圖像中的細(xì)節(jié)信息。在使用CNN對(duì)圖像的噪聲進(jìn)行抑制的過(guò)程中,為了得到更好的去噪效果,往往構(gòu)造比較深的網(wǎng)絡(luò),層疊使用卷積層來(lái)加強(qiáng)對(duì)圖像信息的獲取,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為深的時(shí)候,網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)數(shù)量較大,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練較為復(fù)雜,難以對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,另一方面較深的網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過(guò)程中容易發(fā)生梯度消失現(xiàn)象,對(duì)模型的調(diào)優(yōu)也存在一定的難度,同時(shí)會(huì)消耗大量的時(shí)間和計(jì)算資源。因此,針對(duì)上述問(wèn)題,本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上,提出了一種基于Inception結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱卷積結(jié)構(gòu)、殘差學(xué)習(xí)和跳躍連接的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去噪模型,通過(guò)實(shí)現(xiàn)含噪圖像和干凈圖像的非線性映射關(guān)系來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。模型的第一層是Inception結(jié)構(gòu),在該層包含了4種尺度不同的卷積操作來(lái)提取更多的特征信息,在第2至16層,層疊使用非對(duì)稱卷積塊,全部采用ReLU激活函數(shù),同時(shí)為了加快網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度,引入了批量歸一化操作。最后一層使用一個(gè)卷積核來(lái)進(jìn)行非線性映射,并引入跳躍連接,使用殘差學(xué)習(xí)思想來(lái)學(xué)習(xí)殘差影像。

在本文的第二部分介紹了文章所使用的方法,包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),多尺度卷積,非對(duì)稱卷積塊和訓(xùn)練過(guò)程,第三部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性,并與其它經(jīng)典去噪方法做對(duì)比,突出本文方法的有效性。第四部分對(duì)文章進(jìn)行總結(jié)。

2 相關(guān)理論

在本節(jié)中首先對(duì) SAR圖像噪聲模型進(jìn)行了介紹,然后簡(jiǎn)要介紹了CNN的基本原理。

2.1 SAR圖像噪聲模型

SAR圖像中的斑點(diǎn)噪聲是由于雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)的衰落現(xiàn)象所引起的,在進(jìn)行斑點(diǎn)噪聲的噪聲抑制算法研究時(shí),經(jīng)常采用乘性噪聲模型對(duì)斑點(diǎn)噪聲進(jìn)行描述。相較于傳統(tǒng)的高斯噪聲而言,斑點(diǎn)噪聲的去除更為復(fù)雜[11]。

zij=xijyij

(1)

這里zij指SAR圖像上第(i,j)個(gè)像素的強(qiáng)度或振幅,yij是指服從均值為1,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ分布的噪聲。圖像去噪的過(guò)程是從含噪圖像中恢復(fù)出原始干凈圖像信息的過(guò)程,通過(guò)對(duì)圖像的處理獲得與初始圖像近似的一個(gè)估計(jì)值,獲得的估計(jì)值與初始圖像相差越小,模型的去噪效果越好。

2.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理

CNN的出現(xiàn)是得到了生物學(xué)領(lǐng)域的啟示,擁有多層結(jié)構(gòu),且是一種通過(guò)有監(jiān)督學(xué)習(xí)獲得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),生物中的神經(jīng)元只對(duì)特定的局部信息有反應(yīng),與生物視覺(jué)皮層中的神經(jīng)元相似,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)人工神經(jīng)元也只對(duì)圖像的局部特征進(jìn)行感知,在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,有權(quán)值共享和局部感受野兩個(gè)重要思想。如圖1所示,為經(jīng)典LeNet-5[12]結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)主要包含卷積層、下采樣層和全連接層。

圖1 LeNet-5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 Unit-block

CNN的特征提取功能主要是靠卷積層和池化層來(lái)實(shí)現(xiàn)的,卷積層通過(guò)對(duì)各區(qū)域進(jìn)行卷積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像特征的提取。卷積核的具體值可在訓(xùn)練過(guò)程中通過(guò)學(xué)習(xí)獲得。下采樣層主要的作用是降低數(shù)據(jù)維度,來(lái)有效避免訓(xùn)練過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)擬合現(xiàn)象,通過(guò)下采樣的操作可以有效的減少網(wǎng)絡(luò)中需要被處理數(shù)據(jù)的數(shù)量,同時(shí)保留有用的信息。全連接層采用多層結(jié)構(gòu),每層都包含大量神經(jīng)元,可對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)或回歸。

3 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SAR圖像去噪

對(duì)于SAR圖像的小樣本來(lái)說(shuō),如何提取和充分利用更多的特征信息至關(guān)重要。因此,為了提升網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像特征信息的捕捉,實(shí)現(xiàn)更為有效的特征提取,更好的得到輸入和輸出的非線性映射關(guān)系,本文構(gòu)建了如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使用了Inception結(jié)構(gòu)來(lái)深度挖掘原始圖像,獲取更多特征信息,采用擴(kuò)張卷積的方法來(lái)增加模型的感受野,在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過(guò)程中交疊使用非對(duì)稱卷積塊來(lái)進(jìn)行特征映射,使用非對(duì)稱卷積塊替換掉傳統(tǒng)的方形對(duì)稱卷積塊,在不引入額外參數(shù)的同時(shí),來(lái)達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)精度和提升網(wǎng)絡(luò)特征提取能力的目的,使用殘差學(xué)習(xí)思想來(lái)學(xué)習(xí)殘差影像,由含噪圖像減去學(xué)習(xí)到的殘差影像從而得到干凈的去噪圖像。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 多特征提取層

Inception[13]網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更寬,使得網(wǎng)絡(luò)可以更好的選擇有用的特征。在標(biāo)準(zhǔn)的CNN中,層與層之間通過(guò)提取特征信息將輸入網(wǎng)絡(luò)的圖像轉(zhuǎn)換成更有用的特征表示,不同類(lèi)型的層提取獲得的特征種類(lèi)也是不同的[14]。Inception結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可以采用不同的卷積核對(duì)同一個(gè)輸入進(jìn)行特征提取,并將提取的結(jié)果連接到同一個(gè)輸出。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于從輸入圖像中獲取更多的特征信息,以提高網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練效果,在對(duì)未知的噪聲圖像進(jìn)行處理時(shí),獲得更好的泛化效果。同時(shí),由于Inceotion模型的卷積網(wǎng)絡(luò)特征映射的數(shù)量增加會(huì)增大計(jì)算成本,為了避免網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)數(shù)量過(guò)多,本文的結(jié)構(gòu)只在第一層使用Inception結(jié)構(gòu),旨在盡可能降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)又能增強(qiáng)對(duì)原始圖像特征信息的獲取,增強(qiáng)對(duì)輸入圖像特征信息的利用率,在該層使用3×3,5×5,7×7,9×9這4種尺度不同的卷積核并列組合來(lái)提取更多的特征信息,使用非線性Relu激活函數(shù)獲得每層的輸出值,通過(guò)concat操作對(duì)各個(gè)尺度卷積之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,同時(shí)使用擴(kuò)張卷積,擴(kuò)張卷積的主要優(yōu)點(diǎn)是在不使用池化層的條件下,提供更大的感受野,同時(shí)不會(huì)引入較為復(fù)雜的計(jì)算量。在使用過(guò)程中,為了避免感受野不連續(xù)的問(wèn)題,采用鋸齒型擴(kuò)張率,使小的擴(kuò)張率能關(guān)注近距離信息,大的擴(kuò)張率來(lái)關(guān)注遠(yuǎn)距離信息。

3.2 非對(duì)稱卷積模塊

在網(wǎng)絡(luò)的第2至16層,串聯(lián)堆疊使用非對(duì)稱卷積模塊來(lái)增強(qiáng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)核骨架,使得網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力得到提升,并通過(guò)填充零值,來(lái)確保每一層的輸出與輸入圖像的維數(shù)相同。非對(duì)稱卷積塊的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示,將3×3,1×3,3×1三個(gè)卷積核卷積運(yùn)算的結(jié)果相加作為最終輸出,這種方式使得在進(jìn)行卷積運(yùn)算時(shí)信息集中于卷積核十字位置的像素,尤其是卷積核的中心位置的像素[15]。利用非對(duì)稱卷積組增大對(duì)信息熵較大位置的信息提取,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力。此外,通過(guò)這種方式得到的卷積結(jié)果不會(huì)受到圖像水平/垂直翻轉(zhuǎn)的影響。

3.3 殘差學(xué)習(xí)

隨著網(wǎng)絡(luò)深度的增加,在網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)梯度消失的現(xiàn)象,無(wú)法有效的調(diào)整各層網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重,深度網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)變得難以訓(xùn)練,網(wǎng)絡(luò)模型的映射能力逐漸退化,模型的訓(xùn)練效果也會(huì)越來(lái)越差,為了解決由于網(wǎng)絡(luò)深度的增加而引起的模型退化問(wèn)題,ResNet模型中提出了殘差模塊,通過(guò)殘差模塊構(gòu)造恒等映射,來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)深度。

去噪網(wǎng)絡(luò)中引入的殘差學(xué)習(xí)思想與殘差網(wǎng)絡(luò)的殘差學(xué)習(xí)不同的是,去噪網(wǎng)絡(luò)并不是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層之間增加跳躍連接,而是使網(wǎng)絡(luò)直接學(xué)習(xí)輸出殘差。假設(shè)干凈圖片為x,含噪聲圖片為y,那有y=x+n,這里的n就是殘差,也就是噪聲。在網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程中,通過(guò)非線性特征提取,優(yōu)化殘差與網(wǎng)絡(luò)輸出之間的誤差,使網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)結(jié)果與真實(shí)SAR圖像的噪聲分布特征更為相近。再直接使用含噪圖像減去學(xué)習(xí)到的噪聲分布圖像,達(dá)到去噪的效果。

3.4 算法流程

具體的算法流程如圖4所示,利用卷積網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像進(jìn)行去噪訓(xùn)練的過(guò)程中需要學(xué)習(xí)含噪圖像和干凈圖像之間映射,而SAR圖像本身就是含有斑點(diǎn)噪聲的含噪圖像,由于SAR圖像的斑點(diǎn)噪聲可以近似的看作乘性噪聲,因此首先對(duì)光學(xué)圖像添加乘性噪聲模型形成仿真數(shù)據(jù),將仿真圖像送入網(wǎng)絡(luò)模型中,利用損失函數(shù)更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù),使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到收斂,從而完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。本文算法在訓(xùn)練過(guò)程中采用ReLU[16],批量歸一化(BN)[17],Adam算法[18]。

圖4 用于驗(yàn)證算法的光學(xué)圖像

測(cè)試階段使用一副真實(shí)SAR圖像輸入網(wǎng)絡(luò),通過(guò)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型,得到一幅抑制過(guò)噪聲的清晰圖像。

使用平均均方誤差(MSE)作為損失函數(shù),具體的表示如下

(2)

式中,L為損失值,R(Li)為網(wǎng)絡(luò)的輸出,Ri為實(shí)際殘差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在這一部分中,主要的工作是把改進(jìn)的算法應(yīng)用在仿真圖像和SAR圖像上展示其運(yùn)行結(jié)果。并與Forst filter、PPB[19]、SAR-BM3D[20]這三種去噪算法的性能進(jìn)行比較。其中PPB、SAR-BM3D是較為先進(jìn)且去噪效果較為優(yōu)越的圖像去噪算法。這些算法的參數(shù)都根據(jù)參考文獻(xiàn)中的建議進(jìn)行設(shè)置。

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在本文中使用Train400數(shù)據(jù)集,添加乘性噪聲模型,來(lái)用于模型訓(xùn)練,Train400數(shù)據(jù)集中包含400張尺寸為180×180的不含噪灰度圖像,在使用圖像進(jìn)行訓(xùn)練時(shí),為了訓(xùn)練方便,首先將圖像劃分成為238336張40×40的圖像塊,同時(shí)為了提高網(wǎng)絡(luò)性能,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的泛化性,在訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)訓(xùn)練圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)的操作。使用python里的skimage庫(kù)對(duì)圖像添加乘性噪聲后將圖像輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)在64位windows10系統(tǒng)下進(jìn)行,使用TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

本文所用測(cè)試集分為兩部分,一部分是添加乘性噪聲的灰度圖像,一部分是真實(shí)的SAR圖像。添加了噪聲水平為L(zhǎng)=1,2,4,8的斑點(diǎn)噪聲進(jìn)行訓(xùn)練。在仿真圖像實(shí)驗(yàn)中,利用峰值信噪比(PSNR)來(lái)衡量比對(duì)不同方法的去噪性能。PSNR 是一種全參考的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),兩幅圖像間的PSNR(單位:dB)值越大,表示去噪后的圖像與原始圖像的相似度越高,去噪性能越好。在真實(shí)SAR圖像測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,使用ENL作為圖像去噪評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2 仿真SAR圖像去噪實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證本文算法的有效性,選擇了不同場(chǎng)景的圖像來(lái)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的圖像來(lái)自數(shù)據(jù)集Set12,具體圖像如圖4所示。使用峰值信噪比(PSNR)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化。

本文方法和Forst filter、PPB、SAR-BM3D這三種去噪算法的去噪結(jié)果對(duì)比圖如圖5,圖6,圖7所示。其中圖a是原始圖像,圖b是添加了噪聲強(qiáng)度等級(jí)L=8 乘性噪聲的含噪圖像,圖c是使用Forst filter方法去噪之后的圖像,由這三類(lèi)場(chǎng)景的對(duì)比圖可以看出,傳統(tǒng)的Forst filter濾波算法去除噪聲的能力相對(duì)較差,處理之后的圖像還明顯的殘留著一些沒(méi)有濾掉的斑點(diǎn)噪聲。這是由于該算法去噪原理的局限性,使用該算法濾波的結(jié)果與濾波窗口的大小息息相關(guān),當(dāng)窗口較大時(shí)會(huì)失去邊緣紋理細(xì)節(jié)信息,窗口較小時(shí)會(huì)使得去噪結(jié)果的有效性降低,導(dǎo)致兩者之間不能得到有效平衡。圖d是使用PPB方法對(duì)圖像進(jìn)行噪聲抑制之后的效果,PPB算法相較Forst 這種傳統(tǒng)濾波算法而言,對(duì)相干斑噪聲的抑制效果要好很多,但通過(guò)觀察細(xì)節(jié)發(fā)現(xiàn),去噪后的圖像在邊緣處會(huì)產(chǎn)生一些偽吉布斯紋理。圖e是使用SAR-BM3D方法對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理之后的結(jié)果,SAR-BM3D是將小波變換與非局部均值去噪方法相結(jié)合產(chǎn)生的方法,該算法是目前圖像去噪領(lǐng)域被廣為認(rèn)可的去噪方法,由圖可以看出,該算法較前兩種方法而言,去噪效果有了較為明顯的提升,但使用該算法處理完的圖像局部紋理過(guò)于平滑,存在細(xì)節(jié)紋理信息丟失的情況,圖f是使用本文改進(jìn)的算法進(jìn)行去噪處理之后的圖像。僅從視覺(jué)效果看,本文提出的方法都能較好的去除仿真圖像的相干斑噪聲,去噪之后的圖像與原始圖像的相似性更高,在細(xì)節(jié)和邊緣方面保留的信息也較多。

圖5 去噪算法流程圖

圖6 不同去噪算法對(duì)人物圖像的去噪結(jié)果圖

圖7 不同去噪算法對(duì)房屋的去噪結(jié)果圖

針對(duì)3種光學(xué)仿真圖像,4種噪聲水平,各算法的PSNR評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)表1可以看到,在大部分情況下,由本文方法得到的去噪圖像的PSNR指標(biāo)均稍高于其它算法,說(shuō)明本文的去噪方法是有效且較為優(yōu)越的。通過(guò)觀察對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),PSNR值并沒(méi)有隨著噪聲水平L的變化而發(fā)生較大水平的變化,這也進(jìn)一步說(shuō)明了本文改進(jìn)的算法對(duì)噪聲變化的敏感性較低。

表1 噪聲等級(jí)L=1,2,4,8仿真光學(xué)圖像去噪性能指標(biāo)PSNR

4.3 真實(shí)SAR圖像的去噪驗(yàn)證

為了證明本文算法的有效性,本文選取了真實(shí)的SAR圖像來(lái)驗(yàn)證去噪性能。該圖像來(lái)自于美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)劃署(DARPA)支持MSTAR數(shù)據(jù)集中的一張大場(chǎng)景圖像,分別使用Forst filter濾波算法,PPB濾波算法,SAR-BM3D濾波算法和本文使用的算法對(duì)真實(shí)SAR圖像進(jìn)行去噪處理后得到的圖像如圖8所示。

圖8 不同去噪算法對(duì)船的去噪結(jié)果圖

圖9 真實(shí)SAR圖像的去噪結(jié)果圖

從各圖像的視覺(jué)效果看,使用Frost算法的去噪效果依然較差,圖像中還存在較為明顯的斑點(diǎn)噪聲。PPB算法抑斑效果比Frost方法有所提高,但是使用該算法去噪完的圖像產(chǎn)生了額外的紋理。SAR-BM3D和本文提出的方法都對(duì)SAR噪聲有較好的去除,但仔細(xì)看使用SAR-BM3D處理完之后的圖像還存在一些殘留噪聲,放大去噪處理過(guò)后的圖片,發(fā)現(xiàn)圖像的部分區(qū)域存在輕微模糊。而本文提出的算法對(duì)SAR圖像的斑點(diǎn)噪聲進(jìn)行了有效的抑制,既可以在勻質(zhì)區(qū)域取得很好的平滑效果,對(duì)邊緣的保持能力也較好,同時(shí)圖像中的細(xì)小的紋理特征信息也得到了保留。且沒(méi)有額外的紋理生成。

為了能夠更好的衡量對(duì)比各個(gè)算法的去噪性能,使用等效視數(shù)(ENL)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化評(píng)價(jià),等效視數(shù)是一種衡量均勻區(qū)域光滑性的指標(biāo),被廣泛應(yīng)用于SAR圖像去噪領(lǐng)域。ENL的值越大,表示去噪算法在平滑區(qū)域?qū)Π唿c(diǎn)噪聲的抑制效果越好。ENL的計(jì)算公式為

在圖(a)所示的兩個(gè)紅色勻質(zhì)區(qū)域內(nèi)來(lái)估算ENL的值,從左到右以此為區(qū)域1和區(qū)域2,各類(lèi)方法濾波之后的圖像的ENL估算結(jié)果如表2所示,通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文算法去噪之后的ENL值相較于其它算法較高,這也證明了本文改進(jìn)的算法的優(yōu)越性。

表2 真實(shí)SAR圖像的ENL估計(jì)值

5 結(jié)束語(yǔ)

為了降低SAR圖像中的相干斑噪聲且保持圖像原本的紋理細(xì)節(jié)信息,從而提高SAR圖像的質(zhì)量,以便于后期對(duì)SAR圖像的解譯處理。本文提出了一種改進(jìn)的基于CNN的斑點(diǎn)噪聲抑制算法,為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)模型的性能,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)提取特征的能力,本文使用非對(duì)稱卷積模塊代替了傳統(tǒng)的對(duì)稱卷積模塊,并在網(wǎng)絡(luò)的第一層引入Inception來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的受野,同時(shí)使用擴(kuò)張卷積操作,采用殘差學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu),并引入批量歸一化操作,以便于加速網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程,同時(shí)提高去噪性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,本文改進(jìn)的用于去除SAR圖像的算法,不管在SAR圖像仿真算法還是真實(shí)的SAR圖像上都表現(xiàn)得較好。