一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于圖像處理領域，涉及一種單幀遙感圖像的超分辨率處理方法。
【背景技術】
[0002] 分辨率是衡量光學衛星影像成像質量的一個重要評價指標，遙感圖像中包含的細 節信息與分辨率密切相關，其直接影響著對目標的分析、識別和定位能力。由于像元尺寸的 限制，再加上高分辨率相機體積龐大、造價昂貴，往往只能獲取到低分辨率圖像。因此在已 有成像環境（無法改變成像系統硬件條件）和數據源條件下，如何根據信息理論，采用數字 圖像處理技術來提高遙感圖像的分辨率，是衛星地面分析與處理的重要環節之一。
[0003] 常用的超分辨率方法歸納起來可以分為兩類：一類是多幀超分辨率方法，即獲取 相對運動關系已知的圖像，利用冗余的采樣信息構建重疊區域的高分辨率細節；另一類為 單幀超分辨率方法，即只有目標區域的一幅影像。大多數情況下，衛星成像系統不支持微動 模式，無法得到多幀圖像，或者多幀間的相對運動關系難以求解，因此單幀超分辨率技術的 突破更為迫切。
[0004] 目前主要的單幀超分辨率方法包括：插值、重構和統計學習的方法。
[0005] 典型的插值方法包括：最近鄰插值、線性插值、雙三次插值（Keys，Hou)等。此類 方法通常模糊了高頻信息，尤其是邊緣細節，且會產生嚴重的塊狀效應，在遙感應用中難以 忍受。但其計算速度快、實時性好，一般作為復雜超分方法的基礎。為了克服傳統方法的不 足，Li，Allebach等提出了基于最小二乘法的邊緣內插算法，對插值的邊緣有所改善，但在 大幅遙感圖像應用上無法克服分塊間的條紋效應。
[0006] 基于重構的方法通常需要操作者給出某種先驗，對超分辨率的結果與原始圖像進 行先驗一致投影，實用性較高。這類算法主要有迭代反投影法、凸集投影法。迭代反投影法 由Irani等人提出并引入到超分辨率問題中，該方法將反投影誤差均勻地累加到重建圖像 上，導致重建圖像在邊緣存在鋸齒效應且邊緣信息模糊。Stark等人基于集合理論提出了凸 集投影法，試圖將解投影到約束集上。Morse等人利用水平集實現了重構。這些算法數學描 述直觀，但是約束集往往難以定義，而且對于整幅衛星圖像的處理，計算速度需改善。
[0007] 基于學習的方法需要構造低分辨率和高分辨率圖像樣本庫，通過學習樣本庫得到 兩者內在的聯系，完成重建。早期，Chang等人提出了鄰域嵌入算法，使基于學習的算法得 到了很大的關注。Yang等人利用稀疏表示中過完備字典的思想，取得了很好的效果。但需 要注意的是，任何一種學習方法都會嚴重依賴學習的樣本，且計算量龐大。

【發明內容】

[0008] 本發明解決的技術問題是：克服現有單幀超分辨率方法應用于遙感圖像時復雜度 高、塊狀效應及地物邊緣模糊等不足，針對大幅遙感圖像，提供了一種基于邊緣先驗約束的 單幀超分辨率并行處理方法，融合梯度場轉移和迭代后投影處理方法，使得最終重建的圖 像邊緣細節得以保護，同時信噪比等質量指標未大幅下降且處理速度快。
[0009] 本發明的技術解決方案是：一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方 法，包括如下步驟：
[0010] (1)獲取原始圖像I1，并對込進行分塊，對11的分塊圖像進行索引并記為SubI
[0011] ⑵根據超分辨率倍數m，對每一個Sublt?行插值，得到分塊圖像SubI Htmp， SubImnip的集合構成過程圖像I Htenip;
[0012] (3)針對任意51*1^及其對應插值后的SubI Htmp，均執行以下的操作：
[0013] (3. 1)按超分辨率倍數m，形成模糊濾波器h，利用h對SubIL和SubI Htmp分別進行 卷積，并在卷積的基礎上分別計算SubIj^行方向邊緣圖SubL ex，列方向邊緣圖SubLey，以及 SubIlitmp的行方向邊緣圖SubHtmp ex，列方向邊緣圖SubHtmpey;
[0014] (3. 2)對SubLJ^像素求絕對值，并按最大最小值進行線性拉伸得到線性邊緣圖 SubLex I lin，
[0015]
【主權項】
1. 一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方法，其特征在于包括如下步驟： ⑴獲取原始圖像Iy并對込進行分塊，對U的分塊圖像進行索引并記為SubU; (2) 根據超分辨率倍數111，對每一個51*、進行插值，得到分塊圖像51*111_，51*111_的 集合構成過程圖像I mraip; (3) 針對任意51*、及其對應插值后的SubI Htmp，均執行以下的操作： (3. 1)按超分辨率倍數m，形成模糊濾波器h，利用h對SubIjP SubI Htmp分別進行卷 積，并在卷積的基礎上分別計算SubIj^行方向邊緣圖SubL ex，列方向邊緣圖SubLey，以及 SubIlitmp的行方向邊緣圖SubHtmp ex，列方向邊緣圖SubHtmpey; (3. 2)對SubLJ^像素求絕對值，并按最大最小值進行線性拉伸得到線性邊緣圖 SubLex I lin，
其中，像素絕對值最大值Maxex= Max (I SubL ex I )，像素絕對值最小值Minex = Min(|SubLex|);然后對SubLey、SubHtmpex、SubHtmpjA行相同的操作，得到對應的線性邊緣 圖 I SubLey I lin、I SubHtmpex I lin和 I SubHtmp ey I lin; (3· 3)分別計算線性邊緣圖 I SubLex I lin，I SubLey I lin、I SubHtmpex I lin和，I SubHtmp ey I lin的 方差Lvx、Lvy、Htmpvx、Htmpvy，并求取梯度場轉移參數L vm與H ，其中： Lvx= std (I SubL ex I Lin) Lvy= std (I SubL ey I lin) Htmpvx= std (I SubHtmp ex I lin) Htmpvy= std (I SubHtmp ey I lin) Lyar 一 〇· 5 (L vx+Lvy) Hvar= 0. 5 (Htmp vx+Htmpvy) 其中std表不方差計算； (3· 4)采用一階微分計算SubIlitmp的行方向梯度場Htmp &和列方向梯度場Htmp ey，完成 梯度場轉移，其中：
式中角標X和x-1表示行方向的相鄰兩行，角標y和y-Ι表示列方向的相鄰兩列； (3. 5)根據轉移后的梯度場，利用稀疏矩陣求解器解算標準Poisson圖像方程，得到新 的高分辨率圖像子塊SubIc; (3. 6)采用迭代后向投影對51*1。與SubU進行迭代投影，得到超分結果圖像子塊記為 SubIH； (4)對步驟（3)獲得的全部SubI11進行圖像拼接，得到U的超分辨率結果圖像I H。
2. 根據權利要求1所述的一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方法，其特 征在于：所述步驟（3. 1)中邊緣圖的計算采用歸一化Sobel算子，算子的像素長和寬均取 [2R(m+l)+l]，R為取整操作。
3. 根據權利要求1或2所述的一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方法， 其特征在于：所述步驟（3. 6)中進行迭代投影的方法為： Sublc(i+1) = SubI c(i)* (1+ β *RMS)，i = 1，2，…，Ns 迭代執行凡步，其中= IISWl - (你/i)m)||2, (g)表卷積操作，d(l) m表示將圖像I按m倍進行降采樣，β為拉格朗日平衡參數。
4. 根據權利要求3所述的一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方法，其特 征在于：所述的β = 0. 2。
【專利摘要】一種邊緣先驗引導的單幀遙感圖像超分辨率處理方法，將待處理圖像的邊緣細節作為先驗，對經過插值生成的中間圖像進行高頻信息恢復，以避免細節丟失或模糊。該方法基于正則優化理論，提供了一種單幀圖像超分辨率處理機制，同時能夠有效地提升圖像細節描述能力、改善影像質量，對數據量大的遙感圖像并行能力好，執行效率高。
【IPC分類】G06T5-00
【公開號】CN104732491
【申請號】CN201510098356
【發明人】曹世翔, 劉薇, 邢坤, 何紅艷, 周楠, 李巖, 張炳先, 岳春宇, 李方琦
【申請人】北京空間機電研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月5日