一種基于自適應(yīng)高提升濾波的遙感影像的陰影處理方法*

滕秀花，胡文瑜，林志強(qiáng)

(福建工程學(xué)院)

0 引言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，高空間遙感影像的分辨率越來(lái)越高，影像中大目標(biāo)，如森林、海洋等大目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息越來(lái)越豐富，同時(shí)道路，車輛［1－2］、樹等小目標(biāo)識(shí)別也越來(lái)越熱門.但是，由于高樓等高大物體的遮擋引起的陰影區(qū)域，掩蓋了區(qū)域內(nèi)小目標(biāo)物體的細(xì)節(jié)信息，一定程度上影響了目標(biāo)的識(shí)別、分割的精確性.因此如何正確地提取陰影區(qū)域，并有效地減少或去除陰影的影響，這在遙感影像的預(yù)處理中是十分重要的問(wèn)題.該文首先分析了遙感影像陰影的顏色特性和光譜特征，利用光譜中的亮度閾值進(jìn)行陰影檢測(cè)，然后利用形態(tài)學(xué)基本操作，對(duì)閾值處理后的圖像進(jìn)行噪聲濾除;并利用高提升濾波技術(shù)，對(duì)檢測(cè)出的陰影區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償處理;最后實(shí)驗(yàn)證明，該文提出高的提升濾波補(bǔ)償方法與分段線性化補(bǔ)償方法［3］比較，該文方法在保持陰影區(qū)域內(nèi)物體形狀信息方面，效果更好;經(jīng)該文方法補(bǔ)償預(yù)處理后，遙感影像超塊分割［4－5］邊緣準(zhǔn)確性明顯改善.

1 高分辨率遙感影像陰影處理的研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于陰影的研究成果主要體現(xiàn)在陰影檢測(cè)［6］和陰影補(bǔ)償兩個(gè)方面.在陰影檢測(cè)方面的研究成果主要分為兩種方法:一種是基于模型的方法;另一種是基于屬性的方法.基于模型的方法需要先驗(yàn)的場(chǎng)景信息，如太陽(yáng)的方位、攝像頭的位置、日期、時(shí)間等眾多條件參數(shù)信息，利用這些條件參數(shù)可以比較精確計(jì)算出陰影的位置，但是實(shí)際操作很困難;基于屬性的方法充分利用陰影中的顏色特性，比如亮度、光譜特性等信息相對(duì)于非陰影區(qū)域的差異性，操作比較容易.

對(duì)于陰影區(qū)域的補(bǔ)償方法主要有三種［7－8］:伽馬校正，分段線性調(diào)整以及直方圖匹配.伽馬校正方法主要考慮陰影中像素的亮度信息受到破壞，因此在陰影區(qū)域與非陰影區(qū)域之間建立映射關(guān)系，使得陰影區(qū)和光照區(qū)的亮度分布一致;分段線性調(diào)整根據(jù)不同亮度的各區(qū)域進(jìn)行亮度的線性調(diào)整，使得圖像整體變亮;直方圖匹配的方法是將檢測(cè)出來(lái)的陰影區(qū)域的直方圖和非陰影區(qū)域的直方圖匹配，使得兩種區(qū)域的亮度整體分布一致.這三種方法通過(guò)不同的途徑僅僅調(diào)整了陰影區(qū)域的亮度分布.該文采用的方法是對(duì)陰影區(qū)域進(jìn)行高提升濾波處理，不僅能夠整體上提高圖像亮度，而且將陰影區(qū)域內(nèi)被增強(qiáng)了的邊緣細(xì)節(jié)信息加入到被調(diào)亮的影像中，實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)償后的形狀信息更加突出.

2 高分辨遙感影像陰影區(qū)域的檢測(cè)

2.1 基于亮度閾值的陰影檢測(cè)

一般來(lái)說(shuō)，由于陰影區(qū)域光線被部分遮擋，不能接受太陽(yáng)的輻射，其接受到的輻射強(qiáng)度主要取決于天空光的輻射強(qiáng)度，必然導(dǎo)致陰影區(qū)的低輻射強(qiáng)度.因此陰影區(qū)域較非陰影區(qū)域具有較低的亮度值［9－10］.該文的陰影區(qū)與非陰影區(qū)初步分割的亮度閾值T是自適應(yīng)的，其定義如下:

其中max，min分別選取的是測(cè)試影像的最大亮度值與最小亮度值，meant亮度均值.由陰影特征可知，非陰影區(qū)的亮度值比陰影區(qū)域的亮度值高，因此基于亮度的陰影檢測(cè)公式為:

式中F(x，y)為被檢測(cè)圖像像素點(diǎn)的灰度值;1為陰影點(diǎn)，0為非陰影點(diǎn);因此本算法的關(guān)鍵是閾值T的設(shè)定，該文設(shè)定的閾值能檢測(cè)出所有的陰影.

圖1 基于閾值T的陰影檢測(cè)

2.2 陰影過(guò)濾

根據(jù)閾值T進(jìn)行陰影檢測(cè)，黑色表示陰影，白色表示光照區(qū).從圖1中可以看到閾值T能夠檢測(cè)出所有的陰影區(qū)域，但是仍然存在2個(gè)方面的問(wèn)題:1.由于圖像中的噪聲數(shù)據(jù)、或者區(qū)域內(nèi)細(xì)小的高亮度小物體，引起了陰影區(qū)域細(xì)小的不連續(xù)性;2.光照區(qū)內(nèi)暗色物體引起的錯(cuò)誤陰影.為了解決如上所述問(wèn)題，圖像處理的形態(tài)學(xué)操作［11］能夠處理這些噪聲數(shù)據(jù).

形態(tài)學(xué)中有兩個(gè)重要的操作:開操作與閉操作.其具體討論可見文獻(xiàn)［11］.開操作與閉操作的形態(tài)學(xué)方面的具體定義如下:

開操作:T=f?b

閉操作:T=f·b

f表示原圖，T表示開操作或者閉操作后的屬性圖像，b是結(jié)構(gòu)元素，實(shí)驗(yàn)選取結(jié)構(gòu)元素是5×5的矩形.該文針對(duì)陰影檢測(cè)結(jié)果圖像進(jìn)行開操作，可以濾出陰影區(qū)域的白色噪聲;閉操作可以濾出光照區(qū)的暗色噪聲.如圖2是及基于圖1中陰影檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行噪聲過(guò)濾.

圖2 基于形態(tài)學(xué)操作過(guò)濾

3 基于自適應(yīng)高提升濾波的陰影區(qū)域補(bǔ)償

針對(duì)遙感圖像陰影區(qū)域的低頻化特性，以及陰影的光譜特性進(jìn)行分析，該文提出了基于類比的自適應(yīng)高提升濾波處理.銳化處理的主要目的是突出了圖像中的細(xì)節(jié)或者增強(qiáng)被模糊的細(xì)節(jié)，從而獲取特殊圖像中固有的信息.遙感圖像的陰影區(qū)域主要是低頻信息，經(jīng)過(guò)銳化處理后提取出圖像中隱含的高頻信息.該文選擇的拉普拉斯是一種二階微分算子，它強(qiáng)調(diào)圖像灰度的突變及降低灰度慢變化的區(qū)域，因此可以提取高頻信息.

反銳化處理是在圖像中各像素進(jìn)行如下變換:

其中fs(x，y)表示經(jīng)過(guò)反銳化掩蔽得到銳化圖像，是f(x，y)的模糊形式.

高提升濾波是反銳化的進(jìn)一步處理，其圖像fhb定義如下:

A是大于等于1的系數(shù)，結(jié)合反銳化處理公式，高提升銳化也可以等價(jià)如下定義:

參照非陰影區(qū)域光照情況，自適應(yīng)地調(diào)整高提升銳化系數(shù)，該系數(shù)為:

其中Mref參照?qǐng)D像光照區(qū)域的平均亮度值，m陰影區(qū)域的平均亮度值.沒(méi)有使用固定的系數(shù)，而是根據(jù)圖像本身光照情況，自動(dòng)調(diào)整高提升A的系數(shù)，使得遙感圖像的陰影區(qū)域不但能夠提高亮度，而且增加陰影區(qū)域內(nèi)小目標(biāo)物體的邊緣突變信息，如圖3所示，其結(jié)果保證了能夠更好地保持區(qū)域內(nèi)的形狀信息，更加有效的輔助圖像分割、分類.

圖3陰影區(qū)域補(bǔ)償

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 陰影檢測(cè)與補(bǔ)償

采用亮度閾值的方法對(duì)遙感圖像的陰影進(jìn)行初步檢測(cè)，同時(shí)利用形態(tài)學(xué)操作進(jìn)行修正，基于高提升濾波方法對(duì)陰影區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償處理.在實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)高提升濾波和分段線性化兩種陰影區(qū)域的補(bǔ)償方法進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示.

圖4 陰影補(bǔ)償比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)影像片斷的空間分辨率是0.15 m，從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，由于城市道路兩旁有大量的高建筑物，遮擋住了直射太陽(yáng)光而在路面形成了大量的陰影，給陰影區(qū)域中的地物信息如(道路標(biāo)志標(biāo)線、車輛等)的識(shí)別造成了困難，使得后續(xù)研究的車輛識(shí)別的精度受到影響.因此為了使陰影區(qū)域中車輛信息顯示更加清楚，需要對(duì)影像中的陰影區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)和處理.

基于該文的亮度閾值方法對(duì)此遙感圖像進(jìn)行檢測(cè)，與原圖像相比，陰影的絕大部分區(qū)域都檢測(cè)出來(lái)，只有影音區(qū)域內(nèi)亮色小目標(biāo)影響了陰影區(qū)域的連通性，以及光照區(qū)域的暗色小目標(biāo)形成了假陰影，因此該文通過(guò)形態(tài)學(xué)操作以及面積約束，濾出了大部分的噪聲數(shù)據(jù).該文實(shí)驗(yàn)的兩種補(bǔ)償方法使得陰影區(qū)域的亮度都得到了提升，陰影區(qū)域內(nèi)信息都得到了增強(qiáng)，但是效果不同:由于高提升濾波是在提升亮度的基礎(chǔ)上增加邊緣突變信息，因此保持陰影處的物體形狀保持的更好如圖5所示.而且陰影內(nèi)如車道等更明顯.

圖5 局部放大比較

4.2 超塊分割［5］

經(jīng)過(guò)陰影區(qū)域補(bǔ)償增強(qiáng)后，能夠進(jìn)一步改善超塊分割的精度，如圖6所示.

圖6 超塊分割比較

陰影區(qū)內(nèi)的白色車輛沒(méi)有經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理，車輛被過(guò)度分割2個(gè)超塊，經(jīng)過(guò)亮度分段線性化后，過(guò)度分割效果情況沒(méi)有了，但是邊緣貼附性較弱，但是經(jīng)過(guò)高提升銳化補(bǔ)償后，不僅避免了過(guò)度分割情況，而且分割的邊緣貼附性良好.經(jīng)過(guò)該文方法的預(yù)處理后，其他車輛的分割情況和線性化方法相比，也得到了不同程度的改善.

5 結(jié)束語(yǔ)

陰影檢測(cè)為陰影補(bǔ)償界定了區(qū)域;陰影補(bǔ)償增強(qiáng)了區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的形狀、紋理信息，對(duì)于陰影區(qū)域內(nèi)車輛等小目標(biāo)識(shí)別，遙感圖像的對(duì)象分割等研究有著至關(guān)重要的作用，是后續(xù)研究的基礎(chǔ).

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