Techniques de classification par deep learning et descripteurs pour l'imagerie radar

Deep learning and featured-based classification techniques for radar imagery

• Auteur / Autrice : Carole Belloni
• Direction : Jean-Marc Le Caillec, Alessio Balleri, Nabil Aouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Image, Vision
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lab-STICC_IMTA_CID_PRASYS - Département lmage et Traitement Information - Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Salah Bourennane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Le Caillec, Alessio Balleri, Nabil Aouf, Matthew Ritchie, Jean-Paul Haton, Thomas Merlet, Udo Uschkerat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthew Ritchie, Jean-Paul Haton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Apprentissage profond

Radar à antenne synthétique

Mots clés libres

RSO

RAC

Deep learning

Classification

Segmentation

Computer vision

SAR

ATR

Deep learning

Classification

Segmentation

Computer vision

Résumé

Une plateforme autonome en mouvement dotée d'un système radar peut générer des images Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO ou SAR). Ces images fournissent des informations stratégiques pour des applications civiles et militaires. Elles peuvent être acquises de jour commede nuit dans des conditions météorologiques variées. Des algorithmes visant à la Reconnaissance Automatique de Cible (RAC ou ATR) sont alors utiles pour assister voire automatiser la prise dedécision. En effet, l’interprétation de ces images peut être complexe, y compris pour un opérateur expérimenté. La classification d'images du domaine visible génère un intérêt important des chercheurs, en partie grâce à la profusion des données. Par conséquent, des méthodes robustes de classification par descripteurs et deep learning ont été développées pour les images visibles. A l’inverse, une problématique essentielle rencontrée lors du développement d'algorithmes pour la RAC RSO est la rareté des données accessibles au public. Une difficulté supplémentaire est la variabilité des phénomènes physiques lors de l’acquisition radar. Les méthodes de classification des images optiques pourraient être adaptées pour les images RSO. Une nouvelle base de données d'images RSO Inverse (RSOI ou ISAR) est proposée dans cette thèse. Elle contient des images d'entraînement et de test obtenues dans des configurations variées. Une technique visant à générer des images artificielles supplémentaires est aussi développée. L’objectif est d’améliorer l’efficacité de l’apprentissage des algorithmes de classification nécessitant de nombreuses images d'entraînement, tels que les réseaux de neurones. Cette technique consiste à simuler un bruit SAR réaliste sur les images initiales. Une segmentation basée sur des Modèles de Mélange de Gaussiennes (MMG ou GMM) est adaptée à des images RSO à polarisation simple. Des descripteurs conçus pour caractériser des images optiques sont utilisés dans le domaine RSO afin de classifier des cibles après segmentation et leurs performances respectives sont comparées. Une nouvelle architecture de réseau de neurones, appelée pose-informed, est développée. Elle prend en compte les effets de l’orientation de la cible sur son apparence dans les images RSO. Les résultats présentés montrent que cette architecture permet une amélioration significative de la classification par rapport à une architecture standard. Au-delà des performances, un enjeu cléréside dans l’explicativité des méthodes issues du deep learning. Un ensemble d’outils analytiques sont présentés afin faciliter la compréhension du processus de décision du réseau de neurones. Ils permettent, entre autres, l’identification des zones vues comme essentielles à la classification par le réseau de neurones.

Autonomous moving platforms carrying radar systems can synthesise long antenna apertures and generate Synthetic Aperture Radar (SAR) images. SAR images provide strategic information for military and civilian applications and they can be acquired day and night under a wide range of weather conditions. Because the interpretation of SAR images is a common challenge, Automatic Target Recognition (ATR) algorithms can help assist with decision-making when the operator is in the loop or when the platforms are fully autonomous. One of the main limitations of developing SAR ATR algorithms is the lack of suitable and publicly available data. Optical images classification, instead, has recently attracted significantly more research interest because of the number of potential applications and the profusion of data. As a result, robust feature-based and deep learning classification methods have been developed for optical imaging that could be applied to the SAR domain. In this thesis, a new Inverse SAR (ISAR) dataset consisting of test and training images acquired under a range of geometrical conditions is presented. In addition, a method is proposed to generate extra synthetic images, by simulating realistic SAR noise on the original images, and increase the training efficiency of classification algorithms that require a wealth of data, such as deep neural networks. A Gaussian Mixture Model (GMM) segmentation approach is adapted to segment single-polarised SAR images of targets. Features proposed to characterise optical images are transferred to the SAR domain to carry out target classification after segmentation and their respective performanceis compared. A new pose-informed deep learning network architecture, that takes into account the effects of target orientation on target appearance in a SAR image, is proposed. The results presented in this thesis show that the use of this architecture provides a significant performance improvement for almost all datasets used in this work over a baseline network. Understanding the decision-making process of deep networks is another key challenge of deep learning. To address this issue, a new set of analytical tools is proposed that enables the identification, amongst other things, of the location of the algorithm focus points that lead to high level classification performance.