-唯一
《
Lee
滤波与
Ref
ined-Lee
滤波实验报告》
Lee
滤波与
Refined-
Lee
滤波实验报告
一、实验目的
1
、掌握
Lee
滤波与
Refine
d-Lee
滤波的原理及方法；
2<
/p>
、掌握
Lee
滤波与
Refined-Lee
滤波滤波效果
ENL/ESI
分析的原理
及方法；
3
、分析比较
Lee
滤波与
Refined-Lee
滤波的滤波性能；
4
、分析滤波窗口与滤波效果的关系。
二、实验原理
1
、
Lee
滤波原理
由于
SAR
系统的有限分辨率和相干性，合成孔径雷
达成像过程
中总是不可避免地要产生一种称为纹斑（
speck
le noise
）的噪声。
SAR
图
像中的斑点噪声与数字图像处理中所遇到的噪声有本质的不
同，这是因为它们形成的物理
过程有本质上的差别。
SAR
图像中的斑
点噪声是在雷达回波信号中产生的，
是包括
SAR
系统在内所有基于相
干原理的成像系统所固有的原理性缺点。
为了研究相干斑的统计特性，
< br>Goodman
于
1976
年提
出了完全
发育的相干斑噪声的概念。
一般情况下，
SAR
的发射信号波长远远小于分辨单元尺寸，<
/p>
SAR
每个分辨单元都可看作是由许多尺寸与波长相近的散射点组
成的，
也
就是所谓的“完全发育”
。<
/p>
SAR
图像的分辨单元尺寸一般为其信号波
长的几十倍，因此，在每一时刻，雷达脉冲照射的地表单元内部包含
《
Lee
滤波与
Refined-
Lee
滤波实验报告》
成百上千个与
其波长相当的散射体。
在理想情况下这些散射子的回波
为球面波
，在球面上，其幅度处处相等。由于这些散射目标出自于同
一分辨单元之内，
合成孔径雷达是无法将它们区分开来，
因而这一单
元接受到的信号是这些散射目标回波的相干叠加，
该单元的最终成像
结果反映的是众多散射回波的矢量和，
因此导致接受信号的强度并不
完全由地物目标的散射系数决定，
而是围绕着散射系数的值有很大的
随机起伏，称之为衰落。这使得具有均匀散射系数的区域，它的
SAR
图像中并不具有均匀的灰度，
呈现出很强的噪声表现，
这种效应称为
相干斑噪声效应。
< br>根据试验研究表明完全发育的相干噪声是一种乘性噪声，即有：
(k,l)
是图像像素的坐标，
I(k,l)
是实际得到
的图强强度
（含有噪声）
，
x(k,l
)
是一个平稳随机过程，
描述了地面目标的雷达散射特性即原始
信号，
v(k,l)
即为相干斑噪声，
它是一个均值为
1
，方差为的平稳白
噪
声。乘性相干斑模型如下：
y
(
k,l
)
=
x
(
k,l
)
v
(
k,l
),
E<
/p>
(
v
)
?
1,
Var
(
v
)
?
?
v
2
，
噪声抑制的两个
关键环节：
一是建立真实后向散射系数的估计机
制，二是制定同
质区域像素样本的选择方案。
Lee
滤波是利用图像局部统计特性进行
SAR
图像斑点滤波的典型<
/p>
方法之一，
其是基于完全发育的斑点噪声模型，
< br>选择一定长度的窗口
作为局部区域，
假定先验均值和方差
可以通过计算局域的均值和方差
得到。具体计算如下：
x
?
a
x
?
by
，
^
?
《
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滤波与
Refined-
Lee
滤波实验报告》
var
?
x
?
var
?
x
?
a
?
1
?
，
b
?
，
var(y)
var(y)
x
?<
/p>
y
?
b(y
?<
/p>
y)
，
^
?
?
其中，
var
(
x
)
?
va
r(
y
)
?
?
v
y
1
2
。
,
?
?
v
2
1
?
?
v
N
< br>2
?
2
2
、
Refined-Lee
滤波原理
由于
Lee
滤波器存在缺陷，即对靠近
边缘或点目标的同质区域
像素滤波不够充分，之后，
Lee
又提出了一种基于边缘检测的自适应
滤波算法，
通过重新定义中心像素的邻域来提高估计的准确性。
通常
使
用
7*7
的滑动窗口，具体处理如下：
Step1
：将
7
×
7
的滑窗分为九个子区间，区间之间有重叠，每
个子区间大小为
3
×
3
。
Step2
：计算各子窗的均值。用这个均值构造一个
3
×
3
的矩阵
M
，来估计局域窗
中边缘的方向：将×
3
梯度模板应用到均值矩阵，
梯度绝对值最大的方向被认为是边缘的方向。
这里只需要用水平、
垂
直、
45
度和
135
度四个方向的梯度模板，相反方向互为相反数。
< br>
?
?
1
0
1
?
?
?
1
0
1
?
?
?
?
?
?
1
0
1
?
?
?
0
< br>1
1
?
?
?
1
0
1
?
?
?
?
?
?
1
?
1
0
?
?
?
1
1
1
?
< br>?
0
0
0
?
?
?
?
?
?
1
?
1
?
1
?
?
?
1
1
0
?
?
1
0
< br>?
1
?
?
?
?
?
0
?
1
?
1
?
?
用这个矩阵与四种边缘模板与之进行加权计算
,
选择计算加权结果绝
对值最大，确定边缘方向。一种边缘
方向对应两种模板
Xij
和
Xji
，
比较
Mij
和<
/p>
Mji
大小，确定选择哪一种窗口。
<
/p>
《
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滤波与
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滤波实验报告》
所有阴影区域外的像素将取代原来滑窗内所有的像素来计算局
域均
值和方差，从而重新估计局域窗的中心像素值。
3
、相干斑抑制效果评价
(1)
等效视数
ENL
需要注意的是，
ENL
的值只有在同质区域才有效<
/p>
错误！未找到
引用源。
，这是因为只有在
同质区域中，回波的起伏才主要决定于相
干斑，
而在非同质区域
中地物的结构和属性的变化是回波强度起伏的
主要原因，因此计算
ENL
时，需要确定同质区域的位置。
等效视数
(EquivalentNumberofLooks
，
ENL):
多视强度
SAR
图像
满足
Gamma
分布，
观察其均值方差与视数的关系，
人们提出了等效视
数的概念。
对
S
AR
强度图像，如果某强度均匀的局部区域
I
< br>中像素的均值
和方差分别为
E(I)
和
Var(I)
，则定义其等效视数
ENL
为
:
从多视强度图像的均值和方差可知
，即等
《
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滤波实验报告》
效视数
ENL
在数值上等于用于多视平均的独立强度图像的数目，例
如，一幅相干斑指数
?
值为
0.5
的
4
视
SAR
强度图像的
ENL
就是
4
。
同样，对多
视幅度
SAR
图像同样可以定义其等效视数，但上式
的定义对于幅度图像并不适用，对于
SAR
幅度图
像，
ENL
的定义应该
是：
这里
0.5227<
/p>
是由于单视
SAR
幅度图像的标准方差值
，这一
定义是与利用单视图像的幅度值进行平均实现多视处理相
吻合的。
ENL
常常被用于衡量原始
S
AR
图像的相干斑程度，但由于进行多视平
均的强度图像存在相
关所以在整个
SAR
图像中
ENL
常常不是恒定的整
数。
由于良好刻画了图像
的相干斑程度，
等效视数是最常用的评价相
干斑抑制滤波器平滑
效果的参数，
等效视数越大，
表明图像区域越光
滑，相干斑噪声抑制的效果越好。
（
2
）辐射分辨率
辐射分辨率
是衡量
SAR
系统灰度级分辨能力的一种量度，更准
确地说，
它定量地表示了
SAR
< br>系统区分目标后向散射系数的能力。
辐
射分辨率的好坏直
接影响
SAR
图像的判读和定量化应用。辐射分辨
率的大小由消除斑点噪声的多少直接决定。
为了
改善
SAR
图像的整体质量，通常采用斑点噪声抑制技术来
获得图像辐射分辨率的提高。
例如，
单视图
像的辐射分辨率不会好于
3dB
，而四视图像的辐射分辨率为<
/p>
1.8dB
，即经过四视处理后，图像
《
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滤波实验报告》
的辐射分辨率
改善了
1.2dB
。
辐射分辨率定义为
（
3
）边缘保持指数
ESI
边缘保持指数表示处理后滤波器对边界的保持能力，分为水平
边
缘保持指数和垂直边缘保持指数。
边缘保持指数值愈高，
边缘保
持
能力愈好，其公式为
其中，
m
表示图像像元的个数，
< br>R1
表示沿滤波后图像边缘交接处左右
或上下互邻像元的
灰度值，
R2
表示沿原始图像边缘交接处左右或上
下互邻像元的灰度值。
ESI
值的取值范围是
[0,1],
当其值为
1
时，图像的边缘得到完
全保持，值为
0
时，图像已变为一个平面，没有任何变化。
ESI
的值
越大，滤波器的边缘保持能力越强。
三、实验报告要求
上交电子版实验报
告，
实验报告内容包括问题求解思路，
实验结
< br>果图表、实验结果分析以及实验源程序。
（采用
Matl
ab
或
C
语言）
四、问题求解思路
1
、
Lee
滤波器设计
<
/p>
《
Lee
滤波与
Refined-Lee
滤波实验报告》
图
1
Lee
滤波器设计流程图
2
、
Refined
Lee
滤波器设计
图
2 Refined
Lee
滤波器设计流程图
五、实验结果及分析
1
、
Lee
滤波实验结果及分析
《
Lee
滤波与
< br>Refined-Lee
滤波实验报告》
待
处
理
图
< br>像
（
线
性
拉
伸
）
图
3
原始
S
AR
图像
由于原始图像较大，处理较
慢，本实验只为验证算法，故可以取
原图像中的一块典型区域进行分析和处理。截取的图
像如下：
图
4
待处理的图像
从上图可以看出，图像
较暗，为了便于观察和分析，对图像进行
线性拉伸处理，如下图所示。
< br>
《
Lee
滤波与
Refined-Lee
滤波实验报告》
图
5
对待处理图像进行线性拉伸后的图像
Lee
滤波前
Lee
滤波后
图
6
Lee
滤波前后图像的对比
从上图可
以看出，
Lee
滤波后，图像的灰度值变得比较均匀，
相干斑噪声明显减少。
-唯一
-唯一
-唯一
-唯一
-唯一
-唯一
-唯一
-唯一
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