Procedimientos para la detección automática de estructuras puntuales y orientadas en entornos ruidosos mediante combinación de las componentes resultantes de una descomposición multibanda.

El objeto de la presente invención es un procedimiento iterativo que resalta la presencia de estructuras regulares en entornos ruidosos, mediante la combinación adecuada de las componentes resultantes de cada iteración de una descomposición multibanda de la señal analizada. El carácter iterativo del proceso le proporciona una capacidad multiresolución, siendo válido para un amplio margen de dimensiones de las estructuras a detectar. De esta manera, en función del tipo de aplicación puede ajustarse el número de iteraciones más adecuado. Por otra parte, la combinación puede llevarse a cabo en una misma escala (combinación intraescalar) o entre diferentes escalas (combinación interescalar). El principio en el que se basa el procedimiento propuesto es fundamentalmente la baja correlación espacial del ruido entre las diferentes bandas frente a la alta correlación que presenta una estructura. Su presencia se pone de relieve precisamente con la combinación de componentes de la descomposición. Adicionalmente, en señales multidimensionales, la descomposición multibanda puede ser orientada, pudiéndose entonces extraer estructuras regulares alargadas o contornos

Procedimientos para la detección automática de estructuras puntuales y orientadas en entornos ruidosos mediante combinación de las componentes resultantes de una descomposición multibanda.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a nuevos procedimientos en procesado de señal que permiten resaltar la presencia de estructuras en un entorno ruidoso. Se entiende por entorno ruidoso como aquel en el que los valores de los píxeles no guardan aparente relación entre ellos, presentando así una baja correlación espacial. Estos valores impredecibles y, por consiguiente incontrolables, se superponen a la señal útil, contaminándola y dificultando su interpretación. La utilización de estos procedimientos puede resultar particularmente interesante, entre otros, de cara a la explotación de imágenes de radar en aplicaciones de teledetección (detección automática de barcos y vertidos en el mar a partir de imágenes satelitales, detección y monitorización de infraestructuras, extracción de la línea de costa y monitorización de su evolución temporal...) o en aplicaciones médicas en el análisis de mamografías, radiografías o ecografías, puesto que permite una extracción automática, simple y robusta de estructuras puntuales, lineales o contornos en entornos particularmente adversos.

Por una parte, en cuanto a la detección de estructuras puntuales, el objeto de la presente invención consiste en la combinación adecuada de las distintas componentes resultantes de la aplicación de una descomposición multibanda en una escala determinada. Esta combinación entre bandas de una misma escala se denomina en lo siguiente combinación intraescalar, Fig. 1.

Por otra parte, en cuanto a la detección de contornos o estructuras lineales, el objeto de la presente invención consiste en la combinación adecuada de las componentes paso-banda que comparten la misma orientación en distintas escalas. Esta combinación entre bandas a distinta escala se denomina en lo siguiente combinación interescalar, Fig. 2.

Adicionalmente, dichos procedimientos permiten, al ser iterativos, la extracción de estructuras a distintas escalas, esto es de distintas dimensiones. En función de la estructura de interés, puede ajustarse el número de escalas que intervienen en el algoritmo.

Estado de la técnica

En cuanto a la detección de estructuras puntuales, si a priori no se dispone de información sobre la presencia y características del objeto a detectar de forma automática, no pueden usarse métodos sofisticados de procesado de imagen como redes neuronales o análisis morfológico, entre otros. Por ello, el procedimiento habitual consiste esencialmente en la utilización de técnicas denominadas de tasa constante de falsas alarmas que pretenden la detección de elementos que, por su mayor intensidad, destacan sobre un fondo homogéneo. Así, siguiendo un determinado criterio (que asume homogeneidad de la imagen), se calcula un umbral que se aplica posteriormente a la zona analizada. La imagen resultante discrimina los píxeles cuya amplitud sea superior o inferior al valor del umbral. Si el fondo es homogéneo y existe un contraste suficiente entre éste y los elementos a detectar, estas técnicas aplicadas convenientemente proporcionan resultados válidos, pero si el fondo es heterogéneo o el contraste insuficiente, sube la tasa de error y dejan de ser aplicables. Opcionalmente, puede realizarse un filtrado previo al cálculo del umbral. Si bien el efecto del filtro puede resultar beneficioso en algunas ocasiones concretas, conlleva pérdida de resolución, disminución del contraste y puede dar lugar a la aparición de efectos nocivos asociados a la respuesta impulsional del filtro.

En cuanto a la detección de estructuras lineales o contornos, suelen usarse esencialmente filtros morfológicos poco versátiles y de gran carga computacional. Otra opción de mayor complejidad es el tratamiento de la imagen mediante el análisis de texturas que consiste en la determinación de momentos estadísticos hasta un orden determinado en una región localizada. No obstante, la existencia de heterogeneidades altera este método y, si el blanco a detectar consta de pocos píxeles, la segmentación mediante la extracción de características estadísticas deja de ser fiable pues carece de sentido.

Bibliografía

[1] Mallat, S., A wavelet tour of signal processing, Academic Press, 1999.

[2] Tello, M.; López-Martínez, C.; Mallorqui, J. A Novel Algorithm for Ship Detection in SAR Imagery Based on the Wavelet Transform, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE Volume 2, Issue 2, April 2005 Page(s):201 - 205.

Descripción de la invención

Al permitir una capacidad de enfoque ajustable, las herramientas de procesado multibanda son las más adecuadas para el tratamiento de procesos estocásticos no estacionarios y, por consiguiente, para la interpretación automática de imágenes con distintos tipos de heterogeneidades. Entre las distintas técnicas de procesado multibanda, destaca, por su versatilidad, la transformada wavelet que realiza sobre la escena analizada un filtrado selectivo y simultáneo en tiempo y frecuencia. Así, la transformada wavelet mide localmente el grado de irregularidad de una señal a distintas escalas [1]. La transformada wavelet es un caso particular de descomposición multibanda. Es fundamental señalar que el razonamiento expuesto es válido para cualquier otro tipo de descomposición mediante banco de filtros en la que se consiga decorrelar el ruido. No obstante, para mayor claridad y precisión en la exposición del procedimiento, se centrará la explicación al caso particular de la transformada wavelet, sin pérdida de generalidad.

En particular, la Overcomplete Wavelet Transform de una imagen o transformada wavelet redundante sin etapa de diezmado, denominada en lo siguiente OCWT, se obtiene aplicando filtros en las direcciones horizontal y vertical. A cada nivel, resultan tres imágenes: una aproximación paso-bajo de la imagen original y dos componentes paso-banda. Por una parte, una de estas componentes paso-banda resalta la existencia de discontinuidades verticales en la señal original y la otra horizontales. Por otra parte, al volver a aplicar el mismo proceso sobre la aproximación paso-bajo se obtiene una nueva representación de la imagen original a una escala mayor, pero conservándose en todo momento la resolución original.

Aunque este proceso decorrela en gran medida la señal original, las tres componentes resultantes de una iteración de la OCWT no están completamente incorreladas y presentan dependencias locales (dependencias intraescalares) debidas a la existencia de estructuras coherentes localizadas a través de su contorno mediante máximos en el dominio transformado. Asimismo, tampoco están completamente decorreladas las componentes paso-banda que representan una misma orientación pero a distinta escala (dependencias interescalares), exhibiendo dependencias locales debido a la presencia de fronteras que pueden llegar a ser muy substanciales y que se transmiten a través de las escalas [2].

Partiendo de la observación de estas correlaciones marginales intra e interescalares, se deducen los procedimientos aquí propuestos.

Por una parte, al multiplicar las componentes resultantes de una misma escala punto a punto, se resaltan las dependencias localizadas (al coincidir constructivamente los máximos de la frontera de las estructuras coherentes puntuales en las diferentes componentes), en detrimento de las zonas homogéneas y desestructuradas. Con esto, aumenta de forma muy considerable el contraste entre las estructuras puntuales y el entorno ruidoso, favoreciendo substancialmente las tasas de detección.

Por otra parte, de forma similar, al multiplicar las componentes pasobanda que representan una misma orientación a distinta escala, se resalta la presencia de fronteras en esta dirección. Al combinar entonces las resultantes de las distintas direcciones mediante una suma ponderada por ejemplo, se consigue destacar la presencia de estructuras lineales y contornos, manteniéndose en todo momento la resolución de la imagen original.

Como proceso final, se procede a una detección, tanto de estructuras puntuales o lineales, sobre la imagen resultado de la combinación de las diferentes componentes de una descomposición multibanda a una misma escala o a distintas escalas.

Los procedimientos descritos son sencillos y de bajo coste computacional. Debido a su...

1. Procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos mediante combinación de las componentes resultantes de una descomposición multibanda caracterizado por los siguientes pasos:

2. Según reivindicación 1, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación intraescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la suma de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición multibanda.

3. Según reivindicación 1, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación intraescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante el producto espacial de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición multibanda.

4. Según reivindicación 1, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación intraescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la correlación de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición multibanda.

5. Según reivindicación 1, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la descomposición multibanda se realiza mediante una descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

6. Según reivindicación 5, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación intraescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la suma de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

7. Según reivindicación 5, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación intraescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante el producto espacial de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

8. Según reivindicación 5, procedimiento para la detección automática de estructuras puntuales en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación intraescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la correlación de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

9. Procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos en una señal multidimensional mediante combinación de las componentes resultantes de una descomposición multibanda caracterizado por los siguientes pasos:

10. Según reivindicación 9, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación interescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la suma de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición multibanda.

11. Según reivindicación 9, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación interescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante el producto espacial de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición multibanda.

12. Según reivindicación 9, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación interescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la correlación de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición multibanda.

13. Según reivindicación 9, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que descomposición multibanda se realiza mediante una descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

14. Según reivindicación 13, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación interescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la suma de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

15. Según reivindicación 13, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación interescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante el producto espacial de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.

16. Según reivindicación 13, procedimiento para la detección automática de estructuras orientadas en entornos ruidosos caracterizado por el hecho que la combinación interescalar de las componentes frecuenciales especificada en el apartado b se realiza mediante la correlación de los coeficientes de las bandas frecuenciales resultantes de cada iteración de la descomposición wavelet, tanto en su versión diezmada como sin diezmar.