專利名稱：一種快速退火的基于mrf的sar圖像分割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，更具體地說(shuō)涉及合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,簡(jiǎn)寫為SAR)圖像的分割方法。
背景技術(shù)：
SAR是一種高分辨微波成像雷達(dá)，它具有全天侯、全天時(shí)工作的能力， 并且能夠穿透一定深度的天然植被、人工偽裝物和地表土壤等，因此倍受人 們關(guān)注。隨著SAR圖像獲取系統(tǒng)的日漸增多，迫切需要快速發(fā)展SAR圖像應(yīng) 用技術(shù)。SAR圖像分割是應(yīng)用SAR圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和分類識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù) 之一。SAR圖像中大量斑點(diǎn)噪聲的存在使得圖像不能正確地反映地物目標(biāo)的 散射特性，從而會(huì)導(dǎo)致SAR圖像分割的不準(zhǔn)確。因此，在SAR圖像分割處理 中必須考慮斑點(diǎn)噪聲的影響。目前的SAR圖像分割算法主要有兩種思路 一是先對(duì)原始SAR圖像進(jìn)行 斑點(diǎn)噪聲抑制，然后再采用類似于可見(jiàn)光圖像分割的處理方法進(jìn)行圖像分 割；另一種是直接針對(duì)SAR圖像的統(tǒng)計(jì)特性，在分割過(guò)程中考慮斑點(diǎn)噪聲的 抑制。相比較而言，第二種思路能夠獲得更好的分割結(jié)果，因此近年來(lái)關(guān)于 SAR圖像分割的研究主要集中在第二種思路上。其中，基于Markov隨機(jī)場(chǎng) 模型MRF的SAR圖像分割方法是最有代表性的一類方法?；贛RF的圖像分割方法在最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則下，確定代價(jià)函數(shù)，并且 通過(guò)使得能量函數(shù)最小獲取最優(yōu)解，從而得到最優(yōu)的分割結(jié)果。模擬退火算 法是最常用的最優(yōu)化方法，它通過(guò)模擬固體物質(zhì)退火過(guò)程中出現(xiàn)的熱平衡現(xiàn) 象，形成基于一定概率的雙方向隨機(jī)搜索，通過(guò)迭代尋優(yōu)獲得全局最優(yōu)解。但是模擬退火算法的計(jì)算量很太，收斂到全局最優(yōu)解的速度很慢，這一缺點(diǎn)的存在大大限制了基于模擬退火的SAR圖像分割算法在實(shí)際SAR圖像處理系 統(tǒng)中的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種快速退火的基于MRF的SAR圖像分割方法的模擬退火處理方法，該方法在基本不影響處理效果的前提下，大大提高了處理的速度，促進(jìn)了基于模擬退火SAR圖像分割算法在實(shí)際處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種快速退火的基于MRF的SAR圖像分割方法，其特點(diǎn)在于步驟如下(1) 確定初始分割場(chǎng)；(2) 計(jì)算當(dāng)前分割場(chǎng)每個(gè)像素的局部能量；(3) 改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記首先判斷當(dāng)前像素點(diǎn)鄰域中是否存在占 支配地位的標(biāo)記，如果存在占支配地位的占優(yōu)標(biāo)記，則令當(dāng)前像素點(diǎn)的新標(biāo) 記為占優(yōu)標(biāo)記；如果不存在占優(yōu)標(biāo)記，則按照傳統(tǒng)模擬退火方法隨機(jī)改變當(dāng) 前像素點(diǎn)的標(biāo)記，對(duì)于隨機(jī)改變獲得的新標(biāo)記，如果由新標(biāo)記計(jì)算的能量低 于當(dāng)前標(biāo)記計(jì)算的能量，則接受新標(biāo)記，否則隨機(jī)選取[O， l]中的一個(gè)值， 如果新能量相對(duì)于當(dāng)前能量的能量差對(duì)應(yīng)的概率大于等于該值，則接受標(biāo) 記，反之不接受新標(biāo)記；(4) 計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的全局能量和新?tīng)顟B(tài)的全局能量，如果全局能量的 變化量小于事先確定的某一閾值，迭代尋優(yōu)過(guò)程結(jié)束，得到最終分割結(jié)果； 否則，更新溫度系數(shù)，并轉(zhuǎn)到步驟(3)進(jìn)行下一次迭代。所述的步驟(3)中當(dāng)前像素點(diǎn)標(biāo)記的改變優(yōu)先采用其鄰域內(nèi)的占優(yōu)標(biāo) 記作為新標(biāo)記，如果不存在占優(yōu)標(biāo)記才按照傳統(tǒng)退火方法隨機(jī)改變獲得新標(biāo) 記，具體為首先判斷當(dāng)前像素點(diǎn)鄰域中是否存在占支配地位的占優(yōu)標(biāo)記、，即判斷關(guān)系式A^〉i^/2是否成立，如果成立，則令當(dāng)前像素點(diǎn)的新i 記為 5;否則隨機(jī)改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記，得到新標(biāo)記&;對(duì)于&，若g,，一&一,， 則在
中隨機(jī)選取數(shù)值A(chǔ),如果exp[-(g,，廣￡,a+1)/7^;i，就接受新標(biāo)記為當(dāng) 前像素的分割標(biāo)記；否則，保持當(dāng)前分割標(biāo)記不變，其中乂是當(dāng)前像素 點(diǎn)鄰域中標(biāo)記為Xp的像素個(gè)數(shù)，^為鄰域中的總像素?cái)?shù)，其中A,為局部能量，r-r。/， ？;為初始退火溫度，義為降溫系數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明考慮到sar圖像中每個(gè)像素 與其鄰域像素同屬于一類的概率很大，因此在模擬退火尋求最優(yōu)解過(guò)程中不 是像傳統(tǒng)模擬退火隨機(jī)改變每個(gè)像素的分割標(biāo)記，而是首先對(duì)每個(gè)像素先判斷其鄰域像素的分割標(biāo)記是否存在占有支配地位的標(biāo)記值如果存在明顯占 支配地位的標(biāo)記，則在新的分割標(biāo)記場(chǎng)中采用這類標(biāo)記對(duì)該像素進(jìn)行標(biāo)記； 否則，隨機(jī)選取任一標(biāo)記對(duì)該像素進(jìn)行標(biāo)記。本發(fā)明的好處是由于使用了當(dāng) 前像素與其鄰域像素分割類別相同的先驗(yàn)知識(shí)，在退火的過(guò)程中不是隨機(jī)改 變狀態(tài)，而是限定狀態(tài)向全局最優(yōu)的方向改變，因此能夠快速地得到全局最 優(yōu)解。與傳統(tǒng)模擬退火方法相比，在基本不影響處理效果的前提下，大大提 高了處理的速度，促進(jìn)了基于模擬退火sar圖像分割算法在實(shí)際處理系統(tǒng)中 的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2a為原始sar圖像；圖2b為采用本發(fā)明方法得到的分割結(jié)果;圖2c為采用傳統(tǒng)退火方法得到的分割結(jié)果。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的具體步驟如下
(1)確定初始分割場(chǎng)，這里采用最大似然方法確定每個(gè)像素x,.的初始 分割標(biāo)記A， / = l,2,...，iV， AT為一幅圖像的像素點(diǎn)數(shù)。有其中，P(^l《)為SAR圖像的觀測(cè)模型，這里采用瑞利分布，即式中a")與瑞利分布的均值^")和方差cr〗(;c,.)的關(guān)系為它們可以通過(guò)EM方法估計(jì)獲得。 (2)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)每個(gè)像素的局部能量&。，有五"，o =-[h PU I《)+ ln )]式中<formula>formula see original document page 6</formula>為SAR圖像的先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它可以通過(guò)下式計(jì)算 <formula>formula see original document page 6</formula>其中，2是歸一化常數(shù)；/ 是(0,1)之間的一個(gè)常數(shù)；外)是狄拉克函數(shù)； 《是像素f的鄰域，可以是4鄰域，也可以是8鄰域，這里選取4鄰域。(3)令迭代次數(shù)yt-l，并改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記首先根據(jù)下式判斷 當(dāng)前像素點(diǎn)鄰域中是否存在占支配地位的標(biāo)記，即是否存在 使得其中W 是鄰域《中的標(biāo)記為xp的像素個(gè)數(shù)之和，為鄰域中的總像素 數(shù)，如果存在占支配地位的標(biāo)記Xp，則令當(dāng)前像素點(diǎn)的新標(biāo)記為Xp;否則隨 機(jī)改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記，得到新標(biāo)記&。對(duì)于隨機(jī)改變獲得的新標(biāo)記&，計(jì)算新能量《a，計(jì)算公式如步驟(2)， 若Aa^屮，則在[O，I]中隨機(jī)選取數(shù)值義，如果exp[-(A,「U/r]a，那么 就接受新標(biāo)記為當(dāng)前像素的分割標(biāo)記；否則，保持當(dāng)前分割標(biāo)記不變。r為W, >從/2
退火溫度，這里采用指數(shù)降溫形式，有r。為初始退火溫度，義為降溫系數(shù)。(4)計(jì)算當(dāng)前分割標(biāo)記場(chǎng)的全局能量A，有<formula>formula see original document page 7</formula>p(y,l;O為SAR圖像的觀測(cè)模型，這里采用瑞利分布，即式中與瑞利分布的均值和方差的關(guān)系為它們可以通過(guò)EM方法估計(jì)獲得。如果全局能量的變化量滿足為收斂判決門限，則認(rèn)為滿 足收斂條件，得到最終分割結(jié)果，程序結(jié)束；否則，令& ，如果;《K， 轉(zhuǎn)到步驟(3)，進(jìn)行下一次迭代；如果;尺，強(qiáng)行結(jié)束程序，退火尋優(yōu)過(guò) 程失敗，其中K為預(yù)先設(shè)置的迭代次數(shù)的上限值。采用本發(fā)明給出的方法對(duì)圖2a所示的某一機(jī)場(chǎng)跑道的SAR圖像進(jìn)行分 割處理，得到圖2b;為了比較，同時(shí)給出了采用傳統(tǒng)模擬退火方法得到的 分割結(jié)果如圖2c。本發(fā)明給出的快速退火方法和傳統(tǒng)退火方法均取7;=4,fA=0.1。傳統(tǒng)退火方法的迭代次數(shù)為558,本發(fā)明給出的方法的迭 代次數(shù)為38。可以看出，與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明給出的方法在能夠獲取 較好分割效果的同時(shí)，大大提高了分割處理的速度，本實(shí)例中的分割速度提 高了 14倍多。
權(quán)利要求
1、一種快速退火的基于MRF的SAR圖像分割方法，其特征在于步驟如下(1)確定初始分割場(chǎng)；(2)計(jì)算當(dāng)前分割場(chǎng)每個(gè)像素的局部能量；(3)改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記首先判斷當(dāng)前像素點(diǎn)鄰域中是否存在占支配地位的標(biāo)記，如果存在占支配地位的占優(yōu)標(biāo)記，則令當(dāng)前像素點(diǎn)的新標(biāo)記為占優(yōu)標(biāo)記；如果不存在占優(yōu)標(biāo)記，則法隨機(jī)改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記，對(duì)于隨機(jī)改變獲得的新標(biāo)記，如果由新標(biāo)記計(jì)算的能量低于當(dāng)前標(biāo)記計(jì)算的能量，則接受新標(biāo)記，否則隨機(jī)選取
中的一個(gè)值，如果新能量相對(duì)于當(dāng)前能量的能量差對(duì)應(yīng)的概率大于等于該值，則接受標(biāo)記，反之不接受新標(biāo)記；(4)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的全局能量和新?tīng)顟B(tài)的全局能量，如果全局能量的變化量小于事先確定的某一閾值，迭代尋優(yōu)過(guò)程結(jié)束，得到最終分割結(jié)果；否則，更新溫度系數(shù)，并轉(zhuǎn)到步驟(3)進(jìn)行下一次迭代。
全文摘要
一種快速退火的基于MRF的SAR圖像分割方法(1)確定初始分割場(chǎng)；(2)計(jì)算當(dāng)前分割場(chǎng)每個(gè)像素的局部能量；(3)改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記首先判斷當(dāng)前像素點(diǎn)鄰域中是否存在占支配地位的標(biāo)記，如果是，則令當(dāng)前像素點(diǎn)的新標(biāo)記為占優(yōu)標(biāo)記；如果不是，則隨機(jī)改變當(dāng)前像素點(diǎn)的標(biāo)記，獲得的新標(biāo)記，如果由新標(biāo)記計(jì)算的能量低于當(dāng)前標(biāo)記計(jì)算的能量，則接受新標(biāo)記，否則隨機(jī)選取
中的一個(gè)值，如果新能量相對(duì)于當(dāng)前能量的能量差對(duì)應(yīng)的概率大于等于該值，則接受標(biāo)記，反之不接受新標(biāo)記；(4)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的全局能量和新?tīng)顟B(tài)的全局能量，如果全局能量的變化量小于事先確定的某一閾值，迭代尋優(yōu)過(guò)程結(jié)束。本發(fā)明提高了處理的速度，促進(jìn)了基于模擬退火SAR圖像分割算法在實(shí)際處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06K9/34GK101127082SQ20071011996
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者周蔭清, 孫慕涵, 徐華平 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)