第12卷第3期 智能系统学报 Vol.12 No.3 2017年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2017 D0I:10.11992/is.201603025 网络出版地址：http:/kns.cmki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170705.1657.012.html 基于梯度比率的SAR图像局部特征提取方法研究 王庆，唐涛，项德良，粟毅 (国防科技大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073) 摘要：本文研究了基于像素灰度差值计算的LB即P算子和基于梯度比率的LGRP算子等局部二值模式。首先介绍 了基本LBP算子和其他几种LBP算子的变形模式，并通过光学图像和实测SAR图像对LBP算子进行性能评估。针 对LBP对SAR图像乘性噪声敏感的问题，利用梯度比率计算的LGRP算子，并结合旋转不变LBP的抗旋转性，本文 提出了一种改进的SAR图像LGRP特征，获得了对SAR图像的抗噪性和抗旋转性能。实验结果表明，由本文方法提 取的SAR图像局部特征具有较好的不变性，可用于姿态角变化下的目标识别与图像纹理切片匹配。 关键词：SAR图像：特征提取：局部二值模式：梯度比率：旋转不变 中图分类号：TP751.1 文献标志码：A文章编号：1673-4785(2017)03-0286-07 中文引用格式：王庆，唐涛，项德良，等.基于梯度比率的SAR图像局部特征提取方法研究[J].智能系统学报，2017,12(3)： 286-292. 英文引用格式：WANG Qing,TANG Tao,XIANG Deliang,etal.Research on local feature extraction of SAR images based on gradient ratio[J].CAAI transactions on intelligent systems,2017,12(3):286-292. Research on local feature extraction of SAR images based on gradient ratio WANG Qing,TANG Tao,XIANG Deliang,SU Yi (School of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China) Abstract:In this study,we investigate a local binary pattern (LBP)operator based on a difference calculation and a local gradient ratio pattern (LGRP)operator based on a gradient ratio.First,we introduce a basic and several other LBP operators and evaluate the performance of the LBP operators using optical image and synthetic aperture radar (SAR)image analysis.To address the problem of LBP's sensitivity to multiplicative noise in SAR images, we use the LGRP calculator based on the gradient ratio,combined with the anti-rotation characteristics of a rotation- invariant LBP,and propose an improved rotation-invariant LGRP characteristic for SAR images.Our experimental results demonstrate that the proposed feature has good invariant performance in target recognition and image texture slice matching with changes in the angle of attitude. Keywords:SAR image;feature extraction;local binary pattern;gradient ratio;rotation-invariant SAR固有的相干成像方式会导致描述同一目描述中心像素点与周围像素点灰度大小关系的纹 标场景的多幅图像之间出现几何和辐射差异。图 理算法，该方法计算简单且具有部分尺度、旋转和 像匹配通过将两幅图像的相似性进行比较，根据比 亮暗不变性等优点，被广泛地应用于人脸图像分 较结果快速地进行SAR图像识别，成为进一步挖掘 析、目标检测与跟踪等领域2-)。为提高纹理特征 目标场景信息变化的前提)。 的准确性，Maenpa等[o通过限制二值化编码中O/I 图像之间的相似性度量可以通过构建SAR图 或1/0跳变的次数，将基本LBP模式分为统一模式 像特征描述子进行衡量，国内外学者对特征描述子 和非统一模式，大大提高了图像信息获取的指向 的相关算法进行了大量研究。在光学图像领域中， 性。Ojla等[)对统一模式进一步划分，将不同方向 局部二值模式(local binary pattern,LBP)[是一种 上表示相同结构的统一模式合并归类，提出了旋转 不变统一LBP方法，使提取到的图像信息具备抗旋 收稿日期：2016-03-16.网络出版日期：2017-07-05. 转性能。在SAR图像领域中，局部模式直方图 基金项目：国家自然科学基金(61401477). 通信作者：王庆.E-mail:290720609@gg.com. (local pattern histogram,LPH)[8)是一种针对SAR图第 １２ 卷第 ３ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１２ №．３ ２０１７ 年 ６ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｕｎ． ２０１７ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ． ２０１６０３０２５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１７０７０５．１６５７．０１２．ｈｔｍｌ 基于梯度比率的 ＳＡＲ 图像局部特征提取方法研究 王庆，唐涛，项德良，粟毅 （国防科技大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００７３） 摘 要：本文研究了基于像素灰度差值计算的 ＬＢＰ 算子和基于梯度比率的 ＬＧＲＰ 算子等局部二值模式。 首先介绍 了基本 ＬＢＰ 算子和其他几种 ＬＢＰ 算子的变形模式，并通过光学图像和实测 ＳＡＲ 图像对 ＬＢＰ 算子进行性能评估。 针 对 ＬＢＰ 对 ＳＡＲ 图像乘性噪声敏感的问题，利用梯度比率计算的 ＬＧＲＰ 算子，并结合旋转不变 ＬＢＰ 的抗旋转性，本文 提出了一种改进的 ＳＡＲ 图像 ＬＧＲＰ 特征，获得了对 ＳＡＲ 图像的抗噪性和抗旋转性能。 实验结果表明，由本文方法提 取的 ＳＡＲ 图像局部特征具有较好的不变性，可用于姿态角变化下的目标识别与图像纹理切片匹配。 关键词：ＳＡＲ 图像；特征提取；局部二值模式；梯度比率；旋转不变 中图分类号：ＴＰ７５１．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１７）０３－０２８６－０７ 中文引用格式：王庆，唐涛，项德良，等．基于梯度比率的 ＳＡＲ 图像局部特征提取方法研究［ Ｊ］． 智能系统学报， ２０１７， １２ （ ３）： ２８６－２９２． 英文引用格式：ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ， ＴＡＮＧ Ｔａｏ， ＸＩＡＮＧ Ｄｅｌｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｌｏｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡＲ ｉｍａｇｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒａｔｉｏ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１７， １２（３）： ２８６－２９２． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｌｏｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡＲ ｉｍａｇｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒａｔｉｏ ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ， ＴＡＮＧ Ｔａｏ， ＸＩＡＮＧ Ｄｅｌｉａｎｇ， ＳＵ Ｙｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｗｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ａ ｌｏｃａｌ ｂｉｎａｒｙ ｐａｔｔｅｒｎ （ＬＢＰ） ｏｐｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｌｏｃａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒａｔｉｏ ｐａｔｔｅｒｎ （ＬＧＲＰ） ｏｐｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒａｔｉｏ． Ｆｉｒｓｔ， ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａ ｂａｓｉｃ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｏｔｈｅｒ ＬＢＰ ｏｐｅｒａｔｏｒｓ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＬＢＰ ｏｐｅｒａｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｄａｒ （ＳＡＲ） ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｏ ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ＬＢＰ’ ｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ＳＡＲ ｉｍａｇｅｓ， ｗｅ ｕｓｅ ｔｈｅ ＬＧＲＰ ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒａｔｉｏ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎｔｉ⁃ｒｏｔａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｒｏｔａｔｉｏｎ⁃ ｉｎｖａｒｉａｎｔ ＬＢＰ， ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ⁃ｉｎｖａｒｉａｎｔ ＬＧＲＰ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｆｏｒ ＳＡＲ ｉｍａｇｅｓ． Ｏｕｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｅａｔｕｒｅ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｉｎｖａｒｉａｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔａｒｇｅｔ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｓｌｉｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔｉｔｕｄｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＳＡＲ ｉｍａｇｅ； ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ； ｌｏｃａｌ ｂｉｎａｒｙ ｐａｔｔｅｒｎ； ｇｒａｄｉｅｎｔ ｒａｔｉｏ； ｒｏｔａｔｉｏｎ⁃ｉｎｖａｒｉａｎｔ 收稿日期：２０１６－０３－１６． 网络出版日期：２０１７－０７－０５． 基金项目：国家自然科学基金（６１４０１４７７）． 通信作者：王庆． Ｅ⁃ｍａｉｌ：２９０７２０６０９＠ ｑｑ．ｃｏｍ． ＳＡＲ 固有的相干成像方式会导致描述同一目 标场景的多幅图像之间出现几何和辐射差异。 图 像匹配通过将两幅图像的相似性进行比较，根据比 较结果快速地进行 ＳＡＲ 图像识别，成为进一步挖掘 目标场景信息变化的前提［１］ 。 图像之间的相似性度量可以通过构建 ＳＡＲ 图 像特征描述子进行衡量，国内外学者对特征描述子 的相关算法进行了大量研究。 在光学图像领域中， 局部二值模式（ ｌｏｃａｌ ｂｉｎａｒｙ ｐａｔｔｅｒｎ，ＬＢＰ） ［２］ 是一种 描述中心像素点与周围像素点灰度大小关系的纹 理算法，该方法计算简单且具有部分尺度、旋转和 亮暗不变性等优点，被广泛地应用于人脸图像分 析、目标检测与跟踪等领域［２－５］ 。 为提高纹理特征 的准确性，Ｍäｅｎｐää 等［６］通过限制二值化编码中０ ／ １ 或 １ ／ ０ 跳变的次数，将基本 ＬＢＰ 模式分为统一模式 和非统一模式，大大提高了图像信息获取的指向 性。 Ｏｊａｌａ 等［７］对统一模式进一步划分，将不同方向 上表示相同结构的统一模式合并归类，提出了旋转 不变统一 ＬＢＰ 方法，使提取到的图像信息具备抗旋 转性能。 在 ＳＡＲ 图 像 领 域 中， 局 部 模 式 直 方 图 （ｌｏｃａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ，ＬＰＨ） ［８］是一种针对 ＳＡＲ 图