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在10-4 lx环境下, 由多像素光子计数探测器利用光子计数原理点阵扫描得到光子计数图像。为了呈现更多细节, 获得更高清晰度的图像, 首先采用Bayes-Shink阈值及改进的新符号函数对光子计数图像进行处理, 然后在图像重构阶段将低频系数置零, 以处理后的高频系数进行图像重构, 并将其设置为虚拟通道, 使观测信号的个数与信号源个数相同, 从而满足快速独立成分分析无噪分离模型, 最后实现光子计数图像和噪声的盲源分离。实验结果表明, 该算法与小波软、硬阈值算法和符号函数算法相比, 图像的峰值信噪比分别提高了16.39%、10.18%、5.20%。同时, 滤除噪声后的图像较好地保护了边缘细节, 视觉效果良好。
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激光与光电子学进展
Laser&O
p
toelectronicsPro
g
ress
中国激光
杂志社
基于新符号函数与盲源分离的光子计数图像去噪方法
王 炫
,
尹 丽 菊
,
高 明 亮
,
申 晋
,
邹 国 峰
,
胡 浩 东
,
仲 红 玉
山东理工大学电气与电子工程学院
山东 淄博
摘要
在
环境下
由多像素光子计数探测器利用 光子 计数 原理 点阵 扫描 得到 光子 计数 图像
为 了 呈 现 更
多细节
获得更高清晰度的图像
首先采用
阈值及 改进 的新 符号 函数 对光 子计 数图 像进 行处 理
然 后
在图像重构阶段将低频系数置零
以处理后的高频系数进行图像重构
并将其设 置为虚 拟 通道
使观 测 信号的 个 数
与信号源个数相同
从而满足快速独立成分分析无噪 分 离 模 型
最 后 实 现 光 子 计 数 图 像 和 噪 声 的 盲 源 分 离
实 验
结果表明
该算法与小波软
硬 阈 值 算 法 和 符 号 函 数 算 法 相 比
图 像 的 峰 值 信 噪 比 分 别 提 高 了
同时
滤除噪声后的图像较好地保护了边缘细节
视觉效果良好
关键词
成像系统
光子计数去噪图像
盲源分离
小波阈值变换
快速独立成分分析
中图分类 号
文献标识 码
doi
:
.
/
LOP.
DeGNoisin
g
MethodofPhotonCountin
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Ima
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eBasedonNew S
y
mbol
FunctionandBlindSourceSe
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Xuan YinLi
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ShenJin ZouGuofen
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ElectricalandElectronicEn
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Shandon
g
Universit
y
o
f
Technolo
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Zibo
Shandon
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项 目
国家级大学生创新创业训练计划
山 东 省 自 然 科 学 基 金
校 城 融 合 发 展 计 划
EGmail
引
言
光子计数 成 像 是 指 在 微 弱 照 度
小 于
环境下
通过特殊的成像元件
显示肉眼难以观察的
目标图像的一项技术
传统的光电成像技术在探测
灵敏度等方面的缺陷 日 益明显
如普通 夜 视仪已 无
法满足天文观察和军 事 上卫星 侦 察
导弹预 警 等极
低照度情况下的需求
光子探测技术可对单个光
子进行有效探测并 成像
已在天 文 观测
通信
生物
医学
环境辐射测量
粒子物理学等领域得到广泛应
用
但是
目前光子计数成像研究仍处于起步阶段
由于在该环境下获取 的 目标图 像 清晰度 低
夹杂的
噪声类型复杂多样
目标信 息 与背景 噪 声信息 难 于
区分
因此针对光子 计 数图像 的 去噪研 究 具有实 际
激光与光电子学进展
意义
本文使用的
图像 是 在
环境下
在
以多像素光子计数器
为核心搭建的光子计
数成像实 验 平 台 上 获 取 的
探 测 器 本 质 上
是一个固态半导体光 探 测器件
主要由 多 个工作 在
盖 革 模 式 的 雪 崩 型 光 电 二 极 管
组成
因其低 串 扰
低脉冲
低暗计 数
等特性
在光子 计 数领域 的 应用越 来 越广泛
一
般来 说
器 件 未 倍 增 时 的 噪 声 主 要 为 散 粒 噪
声
热噪声
f
噪 声
等
当
的 反 偏 电 压 高
于击穿电压
即处于盖革模式时
噪声多为雪崩过剩
噪声
雪崩过剩噪 声类似 散 粒噪声
是一种 白 噪
声
其大小受电子和空穴的碰撞电离系数影响
同时
也与光生
热生电 流 的位置 有 关
本文以 白 噪声为
主要噪声对象
对光子计数图像展开研究
对于含噪的光子计数图像
若要实现盲源分离
首先应对含噪图像做 预 处理
目前常 用 的方法 有 小
波去噪
卡尔曼滤波去噪
曲线阈值去噪等
基于小
波理论的去噪预处理 模 型简单
具有良 好 的时频 特
性
因此常被用于图像预处理
文献
将一种稳健
的含噪条件下的白化预处理方法应用于独立成分分
析算法中
文献
首先利用小波滤波器对信号进
行降噪
再进行信号分离
文献
提出先用小波
滤波进行去噪处理
再进行信号的盲源分离
最后对
分离后的 信 号 再 使 用 小 波 滤 波 处 理 的 信 号 分 离 思
路
文献
提出一种适用于较低信噪比的基于平
移不变量的小波阈值 收 缩算法
选择合 适 的阈值 函
数及循环平移范围来 提 高小波 阈 值的去 噪 能力
从
而提升盲源分离的性能
本 文 在 参 考 文 献
的基础上
改进了阈值函数
在具有更好连续性与可
导性的同时
解决了偏差问题
最终通过快速独立成
分分析
算法实现噪声与原图像的盲源分离
小波阈值去噪
21
小波阈值去噪介绍
小波阈值去噪算法能够得到原始信号的近似最
优估计
计算速度快
适应性强
含噪图像经过小波
变换后具有不同的统 计 特性
图像有 用 信息主 要 为
低频信号
而边缘
细节信息和噪声信号主要为高频
信号
阈 值 去 噪 是 通 过 选 取 阈 值
λ
与 小 波 系 数
w
j
k
作比较
根据不同的算法对
w
j
k
处理
信号重构
后得到去噪图像
流程如图
所示
图
小波阈值去噪流程图
22
阈值选取
阈值的选取与去噪结果有关
阈值 过大 会丢 失
有用信号频率
造成失 真
阈值过 小
系数夹 杂 大量
噪声分量
去噪效果差
多数的 阈值 估计 方法 都
需要已知噪声方差
光子计 数 图像在 选 取阈值 前 需
要对噪声方差进行估计
最常用的噪声估计方法由
和
提出
δ
n
=
Y
i
j
.
式中
Y
i
j
表示小波变换后的第
i
层第
j
个小波高频
系数
分子部分表示 对 分解出 的 小波系 数 先取绝 对
值
再取中值
为 高 斯 噪 声 标 准 方 差 的 调 整
系数
选取阈值的方法主要为全局阈值和局部自适
应阈值
经典全局阈值
如
阈值
计算
便捷
但由于数据 尺 寸的原 因
计算出 的 阈值过 大
趋于过扼杀系数
而局部自适应阈值适应能力较强
基于图 像 局 部 特 点 综 合 决 定 系 数 的 去 留
自适应阈值基于 图像 小波 系 数的统 计 模型
在平方误差代价下通过极小化贝叶斯风险得到近似
最优阈值
算法简单且运算量适中
在小波系数服从
广义高斯 分 布 的 假 设 下
阈 值
能
够获得较好的去噪效果
23
新构造的新型符号函数
硬阈值函数在
λ
处 不 连 续
虽 能 较 好 地 保 留
边缘等局部信息
但会产生间断点
导致重构信号震
荡
软阈值函数是连续函数
过渡相对平滑
但估计
小波系数与小波系数 之 间存在 恒 定偏差
会使其 导
数不连续
同 时 会 降 低 重 构 信 号 的 精 度
使 边 缘 模
糊
实际处理中
小波系数增大
噪声分量逐渐减小
必然出现边缘模糊等失真现象
两种函数均将低于
阈值的小波系数置零
在滤除多数噪声的同时
也丢
失了部分有用信 号
损失图 像 细节
为了解 决 这些
弊端
提出一种 改 进的新 型 符号阈 值 函数
在极限
条件下
新构造的 符 号函数 即 为软
硬阈值 函 数
可
解决函数不连续及存 在 固定偏 差 的问题
同时设 置
双阈值
尽量从低频分量中提取更多有用信号
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