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针对红外与可见光图像融合过程中出现的细节损失严重、视觉效果不佳等问题,提出了基于多尺度几何变换模型的融合方法。首先,采用改进的视觉显著性检测算法对红外与可见光图像进行显著性检测,并构建显著性矩阵;然后,对红外与可见光图像进行非下采样剪切波变换,得到相应的低频和高频子带,并采用显著性矩阵对低频子带进行自适应加权融合,同时采用简化的脉冲耦合神经网络并结合多方向拉普拉斯能量和对高频子带进行融合处理;最后,通过逆变换得到融合图像。实验结果表明,该方法能够有效提升融合图像的对比度并保留源图像的细节信息,融合图像具有良好的视觉效果,且多个客观评价指标均表现良好。
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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
年
月
Laser
&
O
p
toelectronics
Pro
g
ress
October
基于显著矩阵与神经网络的红外与可见光图像融合
沈 瑜
,
陈 小 朋
,
苑 玉 彬
,
王 霖
,
张 泓 国
兰州交通大学电子与信息工程学院
甘肃
兰州
摘要
针对红外与可见光图像融合过程中出现的细节 损失 严 重
视 觉效 果不 佳 等问 题
提 出了 基于 多 尺度 几何 变
换模型的融合方法
首先
采用改进的视觉显著性检测 算法 对 红外 与可 见 光图 像进 行 显著 性检 测
并 构建 显著 性
矩阵
然后
对红外与可见光图像进行非下采样剪切 波变 换
得 到相 应的 低 频和 高频 子 带
并 采用 显著 性 矩阵 对低
频子带进行自适应加权融合
同时采用简化的脉冲耦合神经网络并结合多方向拉普拉 斯能 量和对 高频 子带进 行融
合处理
最后
通过逆变换得到融合图像
实验结果表明
该方法能够有效提升融合 图像 的对比 度并 保留源 图像 的
细节信息
融合图像具有良好的视觉效果
且多个客观评价指标均表现良好
关键词
图像处理
图像融合
显著性检测
非下采样剪切波变换
脉冲耦合神经网络
中图分类号
文献标志码
doi
:
.
/
LOP.
Infrared
and
Visible
Ima
g
e
Fusion
Based
on
Si
g
nificant
Matrix
and
Neural
Network
Shen
Yu
Chen
Xiao
p
en
g
Yuan
Yubin
Wan
g
Lin
Zhan
g
Hon
gg
uo
School
o
f
Electronic
and
In
f
ormation
En
g
ineerin
g
Lanzhou
Jiaoton
g
Universit
y
Lanzhou
Gansu
China
Abstract
Ke
y
words
OCIS
codes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
E-mail
引
言
图像融合是将多源传感器所采集的关于同一目
标场景或者单一传感器所采集的关于不同场景的多
幅图像中的信息进 行整合
得到空间 分 辨率和光 谱
分辨率均有所提升的高质量图像
可见光图像的
空间分辨率较高且 蕴含丰富 的 细节信息
但成像易
受外界环境影响
红外图像虽然对比度较低
细节信
息丢失严重
但是红外 传 感器成像 非 常稳定
红外
与可见光图像具有 互补性
二者融合 后 图像具有 较
好的视觉效果
红外与可见光图像融合现已应用于
军事
计算机视觉
社会安全等多个领域
多尺度几何变换以其独特的多尺度分析特性被
广泛应用于红外与可见光图像融合
由于传统的小
激 光 与 光 电 子 学 进 展
波变换无法获取图 像的边缘 和 方向信息
因此研究
者提出了新的多尺 度分析工 具 以用于图 像 融合
如
曲波变换
轮廓波变换
剪 切 波 变 换
离 散 小
波变换
等
近年来
等
采用非下采样轮廓波
变换法对源图像进 行分解
并通过区 域 能量自适 应
准则对其中的低频 子带进行 融 合处理
同时通过 绝
对值取大法与自适应高斯区域标准差准则对高频子
带进行 融 合 处 理
融 合 图 像 中 目 标 更 为 突 出
冯
鑫
采用联合稀疏表示对
分解后的低频子
带进行精确拟合
并根据改 进 神经网络 的 神经元点
火次数对高频子带 进行选择
融合图像 有 效保留了
源图像的边缘信息与细节特征
非下采样剪切波变
换
以剪切波变换
为基础
具备较
好 的 平 移 不 变 性
能 够 有 效 克 服 图 像 融 合 中 的
失真
江泽涛 等
采用显著 性
清 晰 度 和 标
准差联合权 重 矩 阵 对 经
分 解 后 的 低 频 子 带
进行加权融合
并采 用 双通道脉 冲 发放皮层 模 型对
高频子带进行融合 处理
解决了背 景 信息缺失 与 图
像边缘保留不充分的问题
吴 一 全 等
采 用 引 导
滤波 并 结 合 二 维
熵
显 著 性 特 征 提 取 对 经
分解的低 频 子 带 进 行 增 强 融 合
同 时 采 用 信
息和取最大对高频 子带进行 融 合处理
解决了图 像
融合中目标不够突出
细节不够丰富的问题
目前
红外与可见 光图像的融 合仍然存在 以下
问题
首先
源图像来自不同的传感器
相关性较小
存在空间校正误差
其次
一般的多尺度变换运算较
为复杂且对分解方 向数目有 一 定的限制
无法对图
像进行进一步的稀 疏表示
这限制了 融 合效果的 提
升
最后
现有的融合方法对图像细节保留不够充分
且融合图像的对比度较低
视觉效果并非最佳
针对上述问 题
本 文 以
为 基 础
并 结 合
视觉显著性 和脉冲耦合神经网络
提 出 了
一个图像 融 合 算 法
作 为 多 尺 度 变 换 模 型
的一种
可 以 对 图 像 的 配 准 误 差 进 行 一 定 程 度 上
的修正
减小了融合 误差
此 外
对 剪 切 后 的
方向数 没 有 限 制 且 逆 变 换 不 需 要 合 成 方 向 滤 波
器
能更好 地 对 图 像 进 行 稀 疏 表 示 并 且 降 低 运 算
的复杂度
提升运 算 效 率
另 外
低 频 子 带 的 融 合
以视觉显 著 性 为 基 础
可 以 突 出 图 像 的 显 著 性 区
域特征
契合人眼视 觉 的 观 察 效 果
高 频 子 带 的 融
合借助脉冲 耦合神 经 网 络 对 图 像 整 体 细 节 的 提 取
能力
通过结合改 进 的 拉 普 拉 斯 能 量 和
根 据 输 出
的点火矩 阵 设 定 融 合 规 则
实 现 图 像 边 缘 细 节 信
息的保留
分解模型
对图像的分解过程分为多尺度分解和方
向局部化两部分
多尺度分解的对象为源图像
通过
非下采样塔式滤波 器 组
实现
每次分解 可 得
到
个低频子带和
个高频子带
若源图像经过
v
级分解
则共可得到
v
个尺寸与源图像一致的
子带
方向局部化的对象为多尺度分解后的低频子
带
通过改进 的 剪 切 波 滤 波 器
实 现
即 先 将 标
准剪切波滤波器从非极化坐标系映射到笛卡儿坐标
系
再通过快速傅里叶逆变换计算二维卷积
从而得
到改进后的剪切波滤波器
避免了下采样的操作
使
具 有 平 移 不 变 性
改 善 了
失 真 现 象
此外
在方向局部化的过程中
可以根据需求选择长
宽比可变的
窗来自定义分解 方向的数量
这
打破了多尺度变换在分解方向上的局限性
若对某
子带进行
z
个 方 向 分 解
则 可 以 得 到
z
个 与
原子带大小相同 的 方 向 子 带
以 图 像
为
例
进行
分解
分解过程如图
所示
图
分解过程
图像融合
本文提出的基于显著矩阵与脉冲耦合神经网络
的图像融合算法如下
用快速引 导 滤波替换 调 谐
图像显著性检测算法中的高斯滤波
并分别提
取红外图像
可见光图像
的显著性特 征
以
构建二 者 的 显 著 性 矩 阵
分 别 对
进 行
l
级的非下采样剪切 波变换
并将变换 结 果分解为 低
频子带与高频子带的组合形式
针对低频子带
通
过显著性矩阵
自适 应 地计算显 著 性加权系 数 并进
行加权融合处理
得到融合后的低频系数
将
的 高 频 子 带 作 为 简 化
的 输 入
取
的高频子带在点火矩阵中所有位置处的点火次
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