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

영상 복원 문제의 변분법적 접근

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 수리과학부, 2013. 2. 강명주.Image restoration has been an active research area in image processing and computer vision during the past several decades. We explore variational partial differential equations (PDE) models in image restoration problem. We start our discussion by reviewing classical models, by which the works of this dissertation are highly motivated. The content of the dissertation is divided into two main subjects. First topic is on image denoising, where we propose non-convex hybrid total variation model, and then we apply iterative reweighted algorithm to solve the proposed model. Second topic is on image decomposition, in which we separate an image into structural component and oscillatory component using local gradient constraint.Abstract i 1 Introduction 1 1.1 Image restoration 2 1.2 Brief overview of the dissertation 3 2 Previous works 4 2.1 Image denoising 4 2.1.1 Fundamental model 4 2.1.2 Higher order model 7 2.1.3 Hybrid model 9 2.1.4 Non-convex model 12 2.2 Image decomposition 22 2.2.1 Meyers model 23 2.2.2 Nonlinear filter 24 3 Non-convex hybrid TV for image denoising 28 3.1 Variational model with non-convex hybrid TV 29 3.1.1 Non-convex TV model and non-convex HOTV model 29 3.1.2 The Proposed model: Non-convex hybrid TV model 31 3.2 Iterative reweighted hybrid Total Variation algorithm 33 3.3 Numerical experiments 35 3.3.1 Parameter values 37 3.3.2 Comparison between the non-convex TV model and the non-convex HOTV model 38 3.3.3 Comparison with other non-convex higher order regularizers 40 3.3.4 Comparison between two non-convex hybrid TV models 42 3.3.5 Comparison with Krishnan et al. [39] 43 3.3.6 Comparison with state-of-the-art 44 4 Image decomposition 59 4.1 Local gradient constraint 61 4.1.1 Texture estimator 62 4.2 The proposed model 65 4.2.1 Algorithm : Anisotropic TV-L2 67 4.2.2 Algorithm : Isotropic TV-L2 69 4.2.3 Algorithm : Isotropic TV-L1 71 4.3 Numerical experiments and discussion 72 5 Conclusion and future works 80 Abstract (in Korean) 92Docto

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

Provably robust estimation of modulo 1 samples of a smooth function with applications to phase unwrapping

Consider an unknown smooth function $f: [0,1]^d \rightarrow \mathbb{R}$, and say we are given $n$ noisy mod 1 samples of $f$, i.e., $y_i = (f(x_i) + \eta_i)\mod 1$, for $x_i \in [0,1]^d$, where $\eta_i$ denotes the noise. Given the samples $(x_i,y_i)_{i=1}^{n}$, our goal is to recover smooth, robust estimates of the clean samples $f(x_i) \bmod 1$. We formulate a natural approach for solving this problem, which works with angular embeddings of the noisy mod 1 samples over the unit circle, inspired by the angular synchronization framework. This amounts to solving a smoothness regularized least-squares problem -- a quadratically constrained quadratic program (QCQP) -- where the variables are constrained to lie on the unit circle. Our approach is based on solving its relaxation, which is a trust-region sub-problem and hence solvable efficiently. We provide theoretical guarantees demonstrating its robustness to noise for adversarial, and random Gaussian and Bernoulli noise models. To the best of our knowledge, these are the first such theoretical results for this problem. We demonstrate the robustness and efficiency of our approach via extensive numerical simulations on synthetic data, along with a simple least-squares solution for the unwrapping stage, that recovers the original samples of $f$ (up to a global shift). It is shown to perform well at high levels of noise, when taking as input the denoised modulo $1$ samples. Finally, we also consider two other approaches for denoising the modulo 1 samples that leverage tools from Riemannian optimization on manifolds, including a Burer-Monteiro approach for a semidefinite programming relaxation of our formulation. For the two-dimensional version of the problem, which has applications in radar interferometry, we are able to solve instances of real-world data with a million sample points in under 10 seconds, on a personal laptop.Comment: 68 pages, 32 figures. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1710.1021