بخشی از مقاله
پردازش تصاوير ماهواره اي SAR با استفاده ازاتوماتاي سلولي فازي
چکيده :
آشکارسازي لبه از نکته هاي مهم در سنجش از راه دور است . بسياري از الگوريتم هاي کلاسيک آشکارسازي لبه که عملکرد مناسبي را بر روي تصاوير اپتيکي ارائه کرده اند، فاقد توان تشخيص لبه در تصاوير رادار با روزنه ترکيبي (SAR)اند. در اين مقاله الگوريتم اتوماتاي سلولي فازي به منظور آشکارسازي لبه ها در تصاوير SAR پيشنهاد شده است . اين نظريه ترکيب اتوماتاا تري سلولي و قوانين فازي براي ايجاد يک مدل به نام اتوماتاي سلولي فازي است . در اين مقاله از همسايگي هشت تايي مور استفاده شده است . سه متغير به نام سلول اوليه ، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه و سطح خاکستري سلول هاي همسايه در هشت جهت مختلف مور بررسي شده و قوانين فازي بر روي آنها اعمال شده است . سپس نتايج بر روي دو دسته از تصاوير آزمايش شده اند. دسته اول تصاوير اپتيکي است که ابتدا با الگوريتم FCA لبه يابي شده و سپس با عملکرد آشکارسازي لبه موجود در نرم افزار MATLAB مقايسه مي شود. دسته دوم تصاوير واقعي SAR است که پس از آشکارسازي لبه با الگوريتم FCA با عملکرد آشکارسازي لبه موجود در نرم افزار MATLAB مقايسه مي شود. نتايج آزمايشات نشان مي دهد که روش ارائه شده نسبت به ديگر روش ها براي آشکارسازي لبه تصاويرSAR به دليل داشتن دقت بيشتر در بخش بندي و خطاي کمتر مناسب تر است .
کلمات کليدي : آشکارسازي لبه ، رادار روزنه ترکيبي ، اتوماتاي سلولي ، اتوماتاي سلولي فازي
١-مقدمه
رادار روزنه ترکيبي ١(SAR) روشي براي شبيه سازي يک آنتن رادار بسيار دراز از راه ترکيب پژواکهاي دريافتي رادار است .
روزنه به محدوده اي گفته مي شود که براي کسب انرژي بازتابي مورد استفاده قرار مي گيرد. اين روزنه ها همان آنتن رادار هستند. مشابه آن در دوربين عکاسي ، روزنه ديافراگم است . روزنه ترکيبي در نتيجه حرکت دادن روزنه حقيقي يا آنتن از يک سري موقعيت ها در راستاي مسير پروازي ساخته مي شود[١]. تصاوير SAR کاربردهاي گسترده اي به طور فزاينده پيدا کرده اند زيرا سنسورهاي SAR مي توانند در ابرها نفوذ کنند و در وضعيت آب و هوايي نامناسب و در شب زماني که سنسورهاي اپتيکي عمل نمي کنند، کار کنند[٤]. در بسياري از موارد، تصاوير توسط وضعيت روشنايي ، نويز تصادفي و آشفتگي محيط زيست که به دليل فشار اتمسفر يا نوسانات دمايي به وجود مي آيند، پردازش مي شوند[٥]. اختلاف تصاوير SAR با تصاوير اپتيکي در آلودگي ذاتي اين تصاوير است که در اثر نويز speckle ايجاد مي شود[٦]. نويز speckle رزولوشن فضايي تصوير را کاهش مي دهد و جزئيات ساختارها را آلوده مي کند[٧]. مقالات و کتاب هايي که در زمينه پردازش تصاوير SAR ارائه شده اند، نويز موجود در تصاوير SAR را به عنوان مهمترين و اساسي ترين معضل در بخش بندي معرفي کرده اند[٨]. از آنجا که تکنيکهاي آناليز خودکار اغلب به علت خصوصيات نويزي در داده هاي SAR به چالش کشيده شده اند، محققان امروزه بر روي تفسير اين داده ها در محيط هاي عملياتي کار مي کنند[٩]. لبه در تصاوير عموما به تغييرات شديد در خصوصيات فيزيکي نظير هندسه ، روشنايي و انعکاسي اطلاق مي شود. آشکارسازي لبه از کاربردهاي مهم در به کارگيري تصاوير سنجش از راه دور به شمار مي آيد، که مي توان از آن در استخراج خطوط ساحلي ، قطعه بندي اراضي کشاورزي ، استخراج راه ها ومانند اين ها استفاده کرد.
تاکنون روش هاي متفاوتي براي آشکارسازي لبه ها پيشنهاد شده است . از روش هاي کلاسيک آشکارسازي لبه مي توان به اپراتورهاي سوبل ٢، کني ٣و رابرت ٤ اشاره کرد. اپراتور کني در بيشتر تصاوير نتايج نسبتا مناسبي را ارائه کرده است . ايونزکو و گلينگ استفاده از روش هاي کلاسيک را براي آشکارسازي لبه در تصاوير SAR مطرح کردند[٢]. نقطه ضعف اين اپراتورها، آشکارسازي لبه ها در تصوير به صورت محلي است [١٠]. عموما روش هاي کلاسيک بر روي تصاوير SAR نتايج پذيرفتني اي ارائه نمي کنند، چون اساس روش هاي مذکور بر اين است که نويز موجود در تصاوير، نويز سفيد افزايشي ٥ و گوسي است ؛ در حالي که تصاوير SAR با نويز speckle همراه اند[٢]. هدف اصلي اين مقاله ارائه روشي جديد در آشکارسازي لبه در تصاوير رادار با روزنه ترکيبي است ، و الگوريتم پيشنهادي حساسيت بسيار کمي به نويز speckle دارد. اتوماتاي سلولي فازي ٦ يکي از روش هايي است که مي تواند براي آشکارسازي تصاويرSAR مورد استفاده قرار گيرد. اين نظريه ترکيب اتوماتاي سلولي و قوانين فازي براي ايجاد يک مدل به نام اتوماتاي سلولي فازي است . بنابراين پيکسلي که سطح خاکستري دارد مي تواند بين جسم و پس زمينه به خوبي به کار گرفته شود و نتيجه خوبي از بخش بندي تصوير حاصل شود. اگر حالت سلول به حالت اتوماتاي سلولي فازي تغيير يابد، تمام قوانين به قوانين فازي تغيير يافته و اتوماتاي سلولي فازي شکل مي گيرد. به اين ترتيب مساله بخش بندي مي تواند بهتر حل شود و يک الگوريتم جديد براي تشخيص لبه تصوير بدست آيد[١١]. در اين مقاله قوانين فازي جديدي ارائه مي شوند که مي توانند لبه ها را به خوبي در تصاوير SAR بدست آورند. ادامه اين مقاله در بخش هاي زير تنظيم شده است . در بخش ٢، به توصيف مختصر مفهوم اتوماتاي سلولي و اتوماتاي سلولي فازي پرداخته شده و الگوريتم هاي پيشنهادي ارائه شده اند. در بخش ٣، نتايج آزمايش ها بر روي تصاوير اپتيکي مورد بررسي قرار مي گيرد. در بخش ٤، نتايج آزمايش ها بر روي تصاوير واقعي SAR مورد بررسي قرار مي گيرد و درنهايت در بخش ٥، نتيجه گيري از روش هاي به کار گرفته شده درج مي شود.
٢- آشکارسازي لبه در تصاوير SAR با استفاده از اتوماتاي سلولي فازي
٢-١- اتوماتاي سلولي
اتوماتاي سلول در حقيقت سيستمهاي ديناميکي گسسته اي هستند که رفتارشان کاملا بر اساس ارتباط محلي استوار است . در اتوماتاي سلولي فضا بصورت يک شبکه تعريف مي گردد که به هر خانه آن يک سلول گفته مي شود. زمان بصورت گسسته پيش مي رود و قوانين آن بصورت سرتاسري است که از طريق آن در هر مرحله ، هر سلول وضعيت جديد خود را با در نظر گرفتن همسايه هاي خود بدست مي آورد. قوانين اتوماتاي سلولي نحوه تاثير پذيرفتن CA سلول از سلولهاي همسايه را مشخص مي کنند[٣]. CA يک مجموعه هفت تايي است که به صورت می باشد که در آن [١٢]:
Q : مجموعه حالاتي است که هر سلول مي تواند اختيار کند؛
d : ابعاد فضاي سلول را مشخص مي کند که اگر ٢=d باشد در اين صورت يک CA دوبعدي خواهيم داشت ؛
v : براي هر سلول x در CA، آرايه v مشخص کننده ١+k همسايه اي مي باشد که به صورت مستقيم با سلول در ارتباطند؛
: الفباي ورودي CA است ؛
: الفباي خروجي CA است ؛
: تابع انتقال است که به فرم مي باشد. بر اساس تابع انتقال ، حالت هر سلول به حالت و مقادير حافظه ي ورودي تمام همسايگان سلول در مرحله فعلي بستگي دارد. n تعداد حافظه هاي ورودي و خروجي هر سلول مي باشد؛
... : رابطه مبدل است که زير مجموعه متناهي از می باشد. اين مبدل مقدار هرحافظه خروجي در هر سلول را باتوجه به حالت و مقادير حافظه ي ورودي همسايگانش مشخص مي سازد. در اين جا هر سلول CA را در همان حافظه هايي مي نويسد که از آنها مي خواند و در نتيجه مي باشد.
٢-٢- اتوماتاي سلولي فازي
با توجه به توانايي منطق فازي درپردازش داده هاي غير قطعي ، ساختاري از اتوماتاي سلولي معرفي شده است که در آن به جاي استفاده از مقادير قطعي در سلول ها و توابع انتقالشان از مقادير غير قطعي و فازي استفاده مي شود. در اتوماتاي سلولي فازي مجموعه حالات يک سلول و تابع انتقال محلي يا همان قوانين ، فازي هستند و مجموعه حالات يک سلول متغيرهاي زباني هستند. اين متغيرهاي زباني با توجه به دانش ما از مسئله موردنظر تعيين مي شود و حالت هر سلول در مرحله بعد بستگي به حالت فعلي سلول و حالات فعلي همسايه هايش دارد. اين تغيير حالت توسط تابع انتقال محلي اتوماتاي سلولي فازي انجام مي شود. تابع انتقال محلي براي کليه سلولها يکسان و يک تابع فازي است . اين تابع به اين صورت عمل مي کند که در هر مرحله مقدار عضويت همسايگي سلول را گرفته و مقدار عضويت آن را در مرحله بعد محاسبه مي کند. براي نمايش روند تکامل اتوماتاي سلولي فازي ، از مقادير عضويت متغيرهاي زباني سلول در هر لحظه بهره مي گيريم و متغير براي نمايش خروجي يک سلول در هر مرحله بکار مي رود. همسايگي براي تمام سلولها يکسان مي باشد و در طي زمان بدون تغيير باقي مي ماند. اتوماتاي سلولي فازي را مي توان بصورت چهارتايي ( ,s, r,z ) نمايش داد که z ک توري منظم n بعدي ازسلول ها، s مجموعه حالات هر سلول مي باشد که هر سلول در هر مرحله مي تواند يکي از آنها را اختيار کند و مقادير عضويت اين مجموعه در بازه [٠,١] قرار دارند، r شعاع همسايگي است و f تابع انتقال فازي است [٣].
٢-٣- الگوريتم پيشنهادي
براي يک تصوير داده شده سه متغير در هشت جهت مختلف همسايگي مور بررسي مي شوند که اين سه متغير عبارتند از: سطح خاکستري سلول هاي همسايه ، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه و وضعيت سلول هاي همسايه که به عنوان متغيرهاي ورودي
سيستم فازي در نظر گرفته شده و مقادير آنها به صورت زير تعريف شده اند:
١) سطح خاکستري سلول هاي همسايه پنج مقدار دارد: بالا، متوسط -بالا ،متوسط -متوسط ، متوسط -پايين و پايين که به اختصار به صورت (H،MH ،ML،MM وH) است ؛
٢) وضعيت ايمني سلول هاي همسايه دو مقدار دارد: بالا و پايين که به اختصار به صورت (L و H) است ؛
٣) وضعيت سلول هاي همسايه سه مقدار دارد: بالا، پايين و پيام خارجي که به اختصار به صورت (L،G وH ) است ؛ فقط يک متغير در خروجي سيستم فازي وجود دارد. اين متغير داراي سه مقدار است که اين سه مقدار عبارتند از: درجه ايمني بالا، درجه ايمني پايين و پيغام خارجي (G،L وH )
قوانين فازي قبلي بر روي پارامترهاي خاکستري در بخش بندي تصوير به صورت زير تعريف شده اند:
١) اگر وضعيت ايمني سلول هاي همسايه در مرحله زمان t،G باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٢) اگر وضعيت ايمني سلول هاي همسايه در مرحله زمان t،L باشد، سطوح خاکستري سلول هاي همسايه H باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٣) اگر وضعيت ايمني سلول هاي همسايه در مرحله زمان t،L باشد، سطوح خاکستري سلول هاي همسايه L باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٤) اگر سلول مرکز در مرحله زمان t،L باشد، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه H باشد و سطوح خاکستري سلول هاي همسايه H باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٥) اگر سلول مرکز در مرحله زمان t،L باشد، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه L باشد و سطوح خاکستري سلول هاي همسايه HM باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٦) اگر سلول مرکز در مرحله زمان t،MH باشد، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه L باشد و سطوح خاکستري سلول هاي همسايه ML باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٧) اگر سلول مرکز در مرحله زمان t،MM باشد، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه L باشد و سطوح خاکستري سلول هاي همسايه H باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٨) اگر سلول مرکز در مرحله زمان t،MM باشد، وضعيت ايمني سلول هاي همسايه L باشد و سطوح خاکستري سلول هاي همسايه ML باشد، آنگاه خروجي در مرحله زمان است ؛
٣- آشکارسازي لبه در تصاوير اپتيکي
در اين قسمت تصاوير داراي اندازه ٢٥٦* ٢٥٦ پيکسل با ٢٥٦ سطح خاکستري هستند. نتايج آزمايش بر روي دو تصوير cameraman و lena درشکل ١ نشان داده شده است . شکل ١ (الف ) تصوير اوليه را نشان مي دهد. در شکل ١ (ب ) نتيجه ي آشکارسازي لبه با استفاده از عملکرد آشکارسازي لبه در نرم افزارMATLAB، ارائه شده است . شکل ١ (ج ) نتيجه ي آشکارسازي لبه با استفاده از روش اتوماتاي سلولي فازي پيشنهاد شده در اين مقاله را نشان مي دهد. همانطور که در شکل (١) ديده مي شود، روش پيشنهاد شده در اين مقاله نسبت به عملکرد آشکارسازي لبه در نرم افزار MATLAB موفق تر عمل نموده است .
