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蔡怀行;雷宏
【摘 要】Objective evaluation index of image fusion of SAR and optical image can evaluate the performance of image fusion method objectively and quantitatively. Objective evaluation indices of image fusion of SAR and optical image are analyzed and classified. In order to obtain concise performance evaluation of image fusion, experiment is conducted to fuse pairs of SAR and optical images using several different fusion algorithms, then objective evaluation index selection is conducted with the experiment results as reference. Performance evaluation of different fusion methods is analyzed, and the results indicate the objective evaluation indices chosen are scientific and effective.%合成孔径雷达(SAR)与可见光图像融合效果的客观评价指标可以对图像融合方法的效果进行客观、定量的分析.研究了SAR与可见光图像融合效果的客观评价指标,并对这些指标进行了分类.为了对融合效果给出简洁的评价,利用多种融合方法对多组SAR图像和可见光图像进行融合.以实验结果作为依据,对客观评价指标进行了筛选,并利用选取的指标对不同融合方法的效果进行分析和评价.实验结果表明了选取的客观评价指标的科学性和有效性.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2011(011)015
【总页数】6页(P3456-3461)
【关键词】川音绵阳艺术学院合成孔径雷达;图像融合;效果评价
【作 者】蔡怀行;雷宏
【作者单位】中国科学院电子学研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100049;中国科学院电子学研究所,北京,100190
陈大启
【正文语种】中 文
【中图分类】TP751.1;TN957.51
合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)可以全天时、全天候工作，且具有一定的穿透性。SAR图像反映了目标的微波散射特性，具有较多的纹理信息。但是，SAR图像并
不包含目标的光谱信息，与人类视觉经验不符，不利于人眼目视解译和计算机处理。可见光图像包含丰富的目标光谱信息，符合人类视觉经验，易于理解和应用。但是，可见光遥感器工作受光照、气候等条件的限制，且不具备穿透性。利用图像融合技术，我们可以将SAR图像与可见光图像中所包含的互补性信息有机地结合起来，获得对目标的更客观、更本质的认识，便于目视解译和计算机处理。全面、客观的评价方法可用于分析各种融合方法的性能优劣，对现有方法的改进和新方法的研究具有重要的指导意义。
目前，SAR与可见光图像融合效果的评价方法一般分为主观评价方法和客观评价方法。主观评价方法是由判读人员直接对融合图像的质量进行评估，具有简单、直观的优点。但是这种方法的主观性比较强，评价结果容易受判读人员的经验、兴趣、观察条件等因素影响，评价的结论可能出现较大差异［1］，因此人们提出了客观评价方法。SAR与可见光图像融合效果的客观评价方法，就是依据融合图像、SAR图像和可见光图像的统计特性作为评价指标，对融合效果进行客观的定量分析和评价。本文研究了SAR与可见光图像融合效果的客观评价指标，并对这些指标进行了分类。为了对融合效果给出简洁的评价，本文利用不同的融合方法对多组SAR和可见光图像进行融合，以实验结果为依据，对客观评价指标进行了筛选，并利用所选取的指标对不同融合方法的效果进行分析和评价。实验结果
表明，本文所选取的客观评价指标可以对图像融合效果进行综合评价，具有科学性和有效性。
1 SAR与可见光图像融合效果的客观评价指标
常用的SAR与可见光图像融合效果的客观评价指标包括:平均梯度［1］、空间频率［1］、峰值信噪比［2］、扭曲程度［3］、偏差指数［3］、熵［3］、均方根误差［4］、通用图像质量指标［5］、交互信息量［6］和边缘互信息［7］。本文根据客观评价指标的物理意义，将这些指标分为四大类。以下公式中，X、Y和F分别为可见光图像、SAR图像和融合图像，M和N分别为图像的行数和列数，L为图像的灰度级数，F(i，j)为融合图像在(i，j)处的灰度值。
六自由度运动平台
1.1 基于清晰度的客观评价指标
1.1.1 平均梯度(AG，Average Gradient)
图像的平均梯度反映图像微小细节反差变化的速率与纹理变化特征，用来表征图像的清晰度。一般来说，融合图像的平均梯度越大，图像越清晰，融合效果越好。平均梯度定义为
［1］:
1.1.2 空间频率(SF，Spatial Frequency)
图像的空间频率反映图像的总体活跃度。一般来说，融合图像的空间频率越大，总体活跃度越高，融合效果越好。图像的空间频率定义为［1］:
式(2)中，
1.2 基于光谱逼真度的客观评价指标
1.2.1 扭曲程度(D，Distortion)
扭曲程度反映融合图像和可见光图像的平均差异程度。扭曲程度值越小，融合图像的光谱逼真度越高，融合效果越好。扭曲程度定义为［3］:天宝系
1.2.2 偏差指数(DI，Deviation Index)
偏差指数反映融合图像和可见光图像之间的相对差异。偏差指数越小，融合图像的光谱逼真度越高，融合效果越好。偏差指数定义为［3］:
1.2.3 均方根误差(RMSE，Root Mean Square Error)
均方根误差表示融合图像与可见光图像之间的差异程度。均方根误差越小，融合图像的光谱逼真度越高，融合效果越好。均方根误差定义为［1］:
1.2.4 峰值信噪比(PSNR，Peak Signal Noise Ratio)
峰值信噪比表示融合图像和可见光图像的能量相似程度。此处的噪声是指融合图像与可见光图像之差。峰值信噪比越大，融合图像的光谱保持特性越好，融合效果越好。峰值信噪比定义为［2］:
1.3 基于信息量的客观评价指标
1.3.1 熵
熵是衡量图像信息丰富程度的一个重要指标。熵的大小反映了图像所包含的信息量的多少。一般情况下，融合图像的熵越大，它所包含的信息量越多，融合效果越好。图像的熵H定义为［3］:
式(9)中，L为图像的灰度级数，p(i)为灰度值为i的像素数Di与图像总像素数D之比。
1.3.2 交互信息量［6］(MI，Mutual Information)
交互信息量表征通过观察一幅图像获得的关于另一幅图像的信息量，反映融合图像从可见光图像和SAR图像中获取的信息量。交互信息量越大，融合图像从源图像中获取的信息越多，融合效果越好。交互信息量定义为:
式(10)中，
其中，pF(i)、pX(j)、pY(j)分别为图像 F、X 和 Y的归一化分布直方图，pFX(i，j)为F和X的归一化联合分布直方图，pFY(i，j)为F和Y的归一化联合分布直方图。
aphidici1.4 基于纹理信息的客观评价指标
1.4.1 通用图像质量指标(UIQI，Universal Image Quality Index)
通用图像质量指标用于衡量不同图像之间的总体结构相似性。融合图像与源图像之间的通用图像质量指标越大，融合图像与源图像的结构相似性越好，融合效果越好。图像X和图
像Y的通用图像质量指标定义为［5］:
式(13)中，μX和μY分别为X和Y的均值，σ2X和σ2Y分别为X和Y的方差，σXY为X和Y的协方差。
1.3.2 边缘互信息(EMI，Edge Mutual Information)边缘互信息用于衡量融合图像从可见光图像和SAR图像中获得的边缘信息的多少。边缘互信息越大，说明融合图像从源图像中获得的边缘信息越多，融合效果越好。边缘互信息定义为［7］:
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