兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (10): 3115-3126.doi: 10.12382/bgxb.2022.0510
收稿日期:
2022-06-10
上线日期:
2023-10-30
通讯作者:
DING Bosheng, ZHANG Ruiheng*(), XU Lixin, CHEN Huiming
Received:
2022-06-10
Online:
2023-10-30
摘要:
沙尘颗粒对光的散射和吸收作用导致了沙尘天气下获取的可见光图像对比度低、颜色偏移严重,影响无人机、精确制导弹药对目标的识别与跟踪性能。由于场景结构复杂、参数估计困难等因素,现有的沙尘图像修复方法不能有效地提取图像中语义分量,导致修复后的图像颜色不真实、细节模糊。为此,提出基于灰度补偿的图像预处理模块和特征融合网络组成的沙尘图像修复框架。图像预处理模块对输入的沙尘图像进行灰度分布补偿来恢复场景中潜在的信息,并派生出颜色均衡和轮廓清晰的两个图像;融合网络对不同派生输入图像进行高维特征提取和融合,并恢复出高质量的图像。研究结果表明,所提出的方法修复图像取得了较高的指标统计值和良好的视觉效果,能有效提高沙尘图像的目标检测精度和分割准确率。
中图分类号:
丁伯圣, 张睿恒, 徐立新, 陈慧敏. 基于灰度补偿和特征融合的沙尘图像修复方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 3115-3126.
DING Bosheng, ZHANG Ruiheng, XU Lixin, CHEN Huiming. Sand-dust Image Restoration Using Gray Compensation and Feature Fusion[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(10): 3115-3126.
层 | 输入 | 输出 | 卷积核尺寸 | 滑动步长 | 填充圈数 |
---|---|---|---|---|---|
卷积层1 | 6 | 64 | 7 | 1 | |
下卷积2 | 64 | 128 | 3 | 2 | 1 |
下卷积3 | 128 | 256 | 3 | 2 | 1 |
残差1~9 | 256 | 256 | 3 | 1 | |
上卷积4 | 256 | 128 | 3 | 1/2 | 1 |
上卷积5 | 128 | 64 | 3 | 1/2 | 1 |
表1 编码-解码网络参数设置
Table 1 Encoding-decoding network parameter settings
层 | 输入 | 输出 | 卷积核尺寸 | 滑动步长 | 填充圈数 |
---|---|---|---|---|---|
卷积层1 | 6 | 64 | 7 | 1 | |
下卷积2 | 64 | 128 | 3 | 2 | 1 |
下卷积3 | 128 | 256 | 3 | 2 | 1 |
残差1~9 | 256 | 256 | 3 | 1 | |
上卷积4 | 256 | 128 | 3 | 1/2 | 1 |
上卷积5 | 128 | 64 | 3 | 1/2 | 1 |
层 | 输入 | 输出 | 卷积核尺寸 | 滑动步长 | 填充圈数 |
---|---|---|---|---|---|
卷积1 | 3 | 64 | 4 | 2 | 1 |
卷积2 | 64 | 128 | 4 | 2 | 1 |
卷积3 | 128 | 256 | 4 | 2 | 1 |
卷积4 | 256 | 512 | 4 | 1 | 1 |
卷积5 | 512 | 1 | 4 | 1 | 1 |
表2 鉴别器网络参数设置
Table 2 Discriminator network parameter settings
层 | 输入 | 输出 | 卷积核尺寸 | 滑动步长 | 填充圈数 |
---|---|---|---|---|---|
卷积1 | 3 | 64 | 4 | 2 | 1 |
卷积2 | 64 | 128 | 4 | 2 | 1 |
卷积3 | 128 | 256 | 4 | 2 | 1 |
卷积4 | 256 | 512 | 4 | 1 | 1 |
卷积5 | 512 | 1 | 4 | 1 | 1 |
参数 | 沙尘图像 | CCH[ | STME[ | DCP[ | VRB[ | Refine-Net[ | Cycle-GAN[ | CAL[ | YUV[ | 本文方法 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SSIM | 0.5557 | 0.5934 | 0.513 | 0.5897 | 0.5953 | 0.613 | 0.5981 | 0.5885 | 0.615 | 0.7433 |
PSNR | 10.9907 | 12.1304 | 11.805 | 11.2573 | 12.9054 | 16.855 | 13.5896 | 12.356 | 15.64 | 20.1885 |
表3 不同方法在TestA测试集上的定量评估
Table 3 Quantitative evaluation of different methods on TestA dataset
参数 | 沙尘图像 | CCH[ | STME[ | DCP[ | VRB[ | Refine-Net[ | Cycle-GAN[ | CAL[ | YUV[ | 本文方法 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SSIM | 0.5557 | 0.5934 | 0.513 | 0.5897 | 0.5953 | 0.613 | 0.5981 | 0.5885 | 0.615 | 0.7433 |
PSNR | 10.9907 | 12.1304 | 11.805 | 11.2573 | 12.9054 | 16.855 | 13.5896 | 12.356 | 15.64 | 20.1885 |
参数 | 沙尘图像 | CCH[ | STME[ | DCP[ | VRB[ | Refine-Net[ | Cycle-GAN[ | CAL[ | YUV[ | 本文方法 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
NIQE | 5.8695 | 6.2191 | 5.1063 | 5.6189 | 5.0804 | 5.141 | 6.0423 | 6.056 | 5.053 | 5.019 |
e | 0.5683 | 0.753 | 1.099 | 0.3543 | 0.645 | 0.6381 | 0.554 | 0.736 | 1.3871 | |
0.6343 | 1.44 | 1.141 | 1.0826 | 1.387 | 1.5056 | 0.731 | 1.38 | 2.079 |
表4 不同方法在TestB测试集上的定量评估
Table 4 Quantitative evaluation of different methods on TestB dataset
参数 | 沙尘图像 | CCH[ | STME[ | DCP[ | VRB[ | Refine-Net[ | Cycle-GAN[ | CAL[ | YUV[ | 本文方法 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
NIQE | 5.8695 | 6.2191 | 5.1063 | 5.6189 | 5.0804 | 5.141 | 6.0423 | 6.056 | 5.053 | 5.019 |
e | 0.5683 | 0.753 | 1.099 | 0.3543 | 0.645 | 0.6381 | 0.554 | 0.736 | 1.3871 | |
0.6343 | 1.44 | 1.141 | 1.0826 | 1.387 | 1.5056 | 0.731 | 1.38 | 2.079 |
输入图像 | ICB | ICE | ICB+ICE |
---|---|---|---|
PSNR | 18.45 | 17.25 | 20.1885 |
SSIM | 0.492 | 0.625 | 0.7433 |
表8 派生输入的影响分析
Table 8 Impact analysis of derived inputs
输入图像 | ICB | ICE | ICB+ICE |
---|---|---|---|
PSNR | 18.45 | 17.25 | 20.1885 |
SSIM | 0.492 | 0.625 | 0.7433 |
损失函数 | LA | LA+LC | LA+LP | LA+LP+LC |
---|---|---|---|---|
PSNR | 9.4868 | 19.2175 | 15.701 | 20.1885 |
SSIM | 0.0979 | 0.7195 | 0.673 | 0.7433 |
表9 不同损失函数的定量分析
Table 9 Quantitative analysis of different loss functions
损失函数 | LA | LA+LC | LA+LP | LA+LP+LC |
---|---|---|---|---|
PSNR | 9.4868 | 19.2175 | 15.701 | 20.1885 |
SSIM | 0.0979 | 0.7195 | 0.673 | 0.7433 |
序号 | 方法 | 运行平台 | 运行时间/s |
---|---|---|---|
1 | DCP | 数字仿真软件(CPU) | 2.266 |
2 | CCH | 数字仿真软件(CPU) | 1.280 |
3 | Refine-Net | Pytorch软件(GPU) | 0.415 |
4 | Cycle-GAN | TensorFlow软件(GPU) | 0.533 |
5 | 本文方法 | Pytorch软件(GPU) | 0.124 |
表13 图像修复平均运行时间
Table 13 Average running time of image restoration methods
序号 | 方法 | 运行平台 | 运行时间/s |
---|---|---|---|
1 | DCP | 数字仿真软件(CPU) | 2.266 |
2 | CCH | 数字仿真软件(CPU) | 1.280 |
3 | Refine-Net | Pytorch软件(GPU) | 0.415 |
4 | Cycle-GAN | TensorFlow软件(GPU) | 0.533 |
5 | 本文方法 | Pytorch软件(GPU) | 0.124 |
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