Image Restoration for Remote Sensing: Overview and Toolbox

Remote sensing provides valuable information about objects or areas from a distance in either active (e.g., RADAR and LiDAR) or passive (e.g., multispectral and hyperspectral) modes. The quality of data acquired by remotely sensed imaging sensors (both active and passive) is often degraded by a variety of noise types and artifacts. Image restoration, which is a vibrant field of research in the remote sensing community, is the task of recovering the true unknown image from the degraded observed image. Each imaging sensor induces unique noise types and artifacts into the observed image. This fact has led to the expansion of restoration techniques in different paths according to each sensor type. This review paper brings together the advances of image restoration techniques with particular focuses on synthetic aperture radar and hyperspectral images as the most active sub-fields of image restoration in the remote sensing community. We, therefore, provide a comprehensive, discipline-specific starting point for researchers at different levels (i.e., students, researchers, and senior researchers) willing to investigate the vibrant topic of data restoration by supplying sufficient detail and references. Additionally, this review paper accompanies a toolbox to provide a platform to encourage interested students and researchers in the field to further explore the restoration techniques and fast-forward the community. The toolboxes are provided in https://github.com/ImageRestorationToolbox.Comment: This paper is under review in GRS

Bayesian Approach in a Learning-Based Hyperspectral Image Denoising Framework

International audienceHyperspectral images are corrupted by a combination of Gaussian-impulse noise. On one hand, the traditional approach of handling the denoising problem using maximum a posteriori criterion is often restricted by the time-consuming iterative optimization process and design of hand-crafted priors to obtain an optimal result. On the other hand, the discriminative learning-based approaches offer fast inference speed over a trained model; but are highly sensitive to the noise level used for training. A discriminative model trained with a loss function which does not accord with the Bayesian degradation process often leads to sub-optimal results. In this paper, we design the training paradigm emphasizing the role of loss functions; similar to as observed in model-based optimization methods. As a result; loss functions derived in Bayesian setting and employed in neural network training boosts the denoising performance. Extensive analysis and experimental results on synthetically corrupted and real hyperspectral dataset suggest the potential applicability of the proposed technique under a wide range of homogeneous and heterogeneous noisy settings. INDEX TERMS Bayesian estimation, discriminative learning, Gaussian-impulse noise, hyperspectral imaging, residual network

Recent Advances in Image Restoration with Applications to Real World Problems

In the past few decades, imaging hardware has improved tremendously in terms of resolution, making widespread usage of images in many diverse applications on Earth and planetary missions. However, practical issues associated with image acquisition are still affecting image quality. Some of these issues such as blurring, measurement noise, mosaicing artifacts, low spatial or spectral resolution, etc. can seriously affect the accuracy of the aforementioned applications. This book intends to provide the reader with a glimpse of the latest developments and recent advances in image restoration, which includes image super-resolution, image fusion to enhance spatial, spectral resolution, and temporal resolutions, and the generation of synthetic images using deep learning techniques. Some practical applications are also included

Contributions au traitement des images multivariées

Ce mémoire résume mon activité pédagogique et scientifique en vue de l’obtention de l’habilitation à diriger des recherches

Détection de changement par fusion d'images de télédétection de résolutions et modalités différentes

La détection de changements dans une scène est l’un des problèmes les plus complexes en télédétection. Il s’agit de détecter des modifications survenues dans une zone géographique donnée par comparaison d’images de cette zone acquises à différents instants. La comparaison est facilitée lorsque les images sont issues du même type de capteur c’est-à-dire correspondent à la même modalité (le plus souvent optique multi-bandes) et possèdent des résolutions spatiales et spectrales identiques. Les techniques de détection de changements non supervisées sont, pour la plupart, conçues spécifiquement pour ce scénario. Il est, dans ce cas, possible de comparer directement les images en calculant la différence de pixels homologues, c’est-à-dire correspondant au même emplacement au sol. Cependant, dans certains cas spécifiques tels que les situations d’urgence, les missions ponctuelles, la défense et la sécurité, il peut s’avérer nécessaire d’exploiter des images de modalités et de résolutions différentes. Cette hétérogénéité dans les images traitées introduit des problèmes supplémentaires pour la mise en œuvre de la détection de changements. Ces problèmes ne sont pas traités par la plupart des méthodes de l’état de l’art. Lorsque la modalité est identique mais les résolutions différentes, il est possible de se ramener au scénario favorable en appliquant des prétraitements tels que des opérations de rééchantillonnage destinées à atteindre les mêmes résolutions spatiales et spectrales. Néanmoins, ces prétraitements peuvent conduire à une perte d’informations pertinentes pour la détection de changements. En particulier, ils sont appliqués indépendamment sur les deux images et donc ne tiennent pas compte des relations fortes existant entre les deux images. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de détection de changements qui exploitent au mieux l’information contenue dans une paire d’images observées, sans condition sur leur modalité et leurs résolutions spatiale et spectrale. Les restrictions classiquement imposées dans l’état de l’art sont levées grâce à une approche utilisant la fusion des deux images observées. La première stratégie proposée s’applique au cas d’images de modalités identiques mais de résolutions différentes. Elle se décompose en trois étapes. La première étape consiste à fusionner les deux images observées ce qui conduit à une image de la scène à haute résolution portant l’information des changements éventuels. La deuxième étape réalise la prédiction de deux images non observées possédant des résolutions identiques à celles des images observées par dégradation spatiale et spectrale de l’image fusionnée. Enfin, la troisième étape consiste en une détection de changements classique entre images observées et prédites de mêmes résolutions. Une deuxième stratégie modélise les images observées comme des versions dégradées de deux images non observées caractérisées par des résolutions spectrales et spatiales identiques et élevées. Elle met en œuvre une étape de fusion robuste qui exploite un a priori de parcimonie des changements observés. Enfin, le principe de la fusion est étendu à des images de modalités différentes. Dans ce cas où les pixels ne sont pas directement comparables, car correspondant à des grandeurs physiques différentes, la comparaison est réalisée dans un domaine transformé. Les deux images sont représentées par des combinaisons linéaires parcimonieuses des éléments de deux dictionnaires couplés, appris à partir des données. La détection de changements est réalisée à partir de l’estimation d’un code couplé sous condition de parcimonie spatiale de la différence des codes estimés pour chaque image. L’expérimentation de ces différentes méthodes, conduite sur des changements simulés de manière réaliste ou sur des changements réels, démontre les avantages des méthodes développées et plus généralement de l’apport de la fusion pour la détection de changement