[pt] A captura de cenas de cobertura da Terra com sensores óticos de satélite é frequentemente limitada pela presença de nuvens que corrompem as imagens coletadas. Entre os métodos para recuperar imagens óticas de satélite corrompidas por nuvens, várias abordagens de tradução de imagemimagem usando Redes Adversárias Generativas (GANs) têm surgido com bons resultados, conseguindo criar imagens óticas realistas a partir de imagens de Radar de Abertura Sintética (SAR). Os métodos baseados em GANs condicionais (cGAN) propostos até agora para a síntese de imagens SAR-óticas tendem a produzir imagens ruidosas e com pouca nitidez. Neste trabalho, propomos a atrous-cGAN, uma nova arquitetura que melhora a transformação de imagem SAR em ótica. As redes propostas para o gerador e discriminador contam com convolusões dilatadas (atrous) e incorporam o módulo Pirâmide Espacial Atrous Pooling (ASPP) para realçar detalhes finos na imagem ótica gerada, explorando o contexto espacial em várias escalas. Este trabalho apresenta experimentos realizados para avaliar o desempenho da atrous-cGAN na síntese de imagens Landsat a partir de dados Sentinel-1A, usando quatro bases de dados públicas. A análise experimental indicou que a atrous-cGAN supera o modelo clássico pix2pix como uma ferramenta de aprendizado de atributos para segmentação semântica. A proposta também gera imagens com maior qualidade visual, e em geral com maior semelhança com a verdadeira imagem ótica. / [en] The capture of land cover scenes with optical satellite sensors is often constrained by the presence of clouds that corrupt the collected images. Among the methods for recovering satellite optical images corrupted by clouds, several image to image translation approaches using Generative Adversarial Networks (GANs) have emerged with profitable results, managing to create realistic optical images from Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Conditional GAN (cGAN) based methods proposed so far for SAR-to-optical image synthesis tend to produce noisy and unsharp optical outcomes. In this work, we propose the atrous-cGAN, a novel cGAN architecture that improves the SAR-to-optical image translation. The proposed generator and discriminator networks rely on atrous convolutions and incorporate the Atrous Spatial Pyramid Pooling (ASPP) module to enhance fine details in the generated optical image by exploiting spatial context at multiple scales. This work reports experiments carried out to assess the performance of atrouscGAN for the synthesis of Landsat images from Sentinel-1A data based on four public datasets. The experimental analysis indicated that the atrouscGAN overcomes the classical pix2pix model as a feature learning tool for semantic segmentation. The proposal also generates higher visual quality images, in general with higher similarity with the true optical image.

[pt] Esta dissertação propõe a Rede Generativa Adversarial por Convolução Rápida de Fourier (FCGAN). Essa abordagem inovadora utiliza convoluções no domínio da frequência para permitir que a rede opere com um campo receptivo de abrangência global. Devido aos seus campos receptivos pequenos, GANs baseadas em convoluções tradicionais enfrentam dificuldades para capturar padrões estruturais e geométricos. Nosso método utiliza Convoluções Rápidas de Fourier (FFCs), que usam Transformadas de Fourier para operar no domínio espectral, afetando globalmente os canais da imagem. Assim, a FCGAN é capaz de gerar imagens considerando informações de todas as localizações dos mapas de entrada. Essa nova característica da rede pode levar a um desempenho errático e instável. Mostramos que a utilização de normalização espectral e injeções de ruído estabilizam o treinamento adversarial. O uso de convoluções espectrais em redes convolucionais tem sido explorado para tarefas como inpainting e super-resolução de imagens. Este trabalho foca no seu potencial para geração de imagens. Nossos experimentos também sustentam a afirmação que features de Fourier são substitutos de baixo custo operacional para camadas de self-attention, permitindo que a rede aprenda informações globais desde camadas iniciais. Apresentamos resultados qualitativos e quantitativos para demonstrar que a FCGAN proposta obtém resultados comparáveis a abordagens estado-da-arte com profundidade e número de parâmetros semelhantes, alcançando um FID de 18,98 no CIFAR-10 e 38,71 no STL-10 - uma redução de 4,98 e 1,40, respectivamente. Além disso, em maiores dimensões de imagens, o uso de FFCs em vez de self-attention permite batch-sizes com até o dobro do tamanho, e iterações até 26 por cento mais rápidas. / [en] This thesis proposes the Fast Fourier Convolution Generative Adversarial Network (FCGAN). This novel approach employs convolutions in the frequency domain to enable the network to operate with a channel-wide receptive field. Due to small receptive fields, traditional convolution-based GANs struggle to capture structural and geometric patterns. Our method uses Fast Fourier Convolutions (FFCs), which use Fourier Transforms to operate in the spectral domain, affecting the feature input globally. Thus, FCGAN can generate images considering information from all feature locations. This new hallmark of the network can lead to erratic and unstable performance. We show that employing spectral normalization and noise injections stabilizes adversarial training. The use of spectral convolutions in convolutional networks has been explored for tasks such as image inpainting and super-resolution. This work focuses on its potential for image generation. Our experiments further support the claim that Fourier features are lightweight replacements for self-attention, allowing the network to learn global information from early layers. We present qualitative and quantitative results to demonstrate that the proposed FCGAN achieves results comparable to state-of-the-art approaches of similar depth and parameter count, reaching an FID of 18.98 on CIFAR-10 and 38.71 on STL-10 - a reduction of 4.98 and 1.40, respectively. Moreover, in larger image dimensions, using FFCs instead of self-attention allows for batch sizes up to twice as large and iterations up to 26 percent faster.

[pt] Imagens óticas são frequentemente afetadas pela presença de nuvens. Com o objetivo de reduzir esses efeitos, diferentes técnicas de reconstrução foram propostas nos últimos anos. Uma alternativa comum é explorar dados de sensores ativos, como Radar de Abertura Sintética (SAR), dado que são pouco dependentes das condições atmosféricas e da iluminação solar. Por outro lado, as imagens SAR são mais difíceis de interpretar do que as imagens óticas, exigindo um tratamento específico. Recentemente, as Redes Adversárias Generativas Condicionais (cGANs - Conditional Generative Adversarial Networks) têm sido amplamente utilizadas para aprender funções de mapeamento que relaciona dados de diferentes domínios. Este trabalho, propõe um método baseado em cGANSs para sintetizar dados óticos a partir de dados de outras fontes, incluindo dados de múltiplos sensores, dados multitemporais e dados em múltiplas resoluções. A hipótese desse trabalho é que a qualidade das imagens geradas se beneficia do número de dados utilizados como variáveis condicionantes para a cGAN. A solução proposta foi avaliada em duas bases de dados. Foram utilizadas como variáveis condicionantes dados corregistrados SAR, de uma ou duas datas produzidos pelo sensor Sentinel 1, e dados óticos de sensores da série Sentinel 2 e LANDSAT, respectivamente. Os resultados coletados dos experimentos demonstraram que a solução proposta é capaz de sintetizar dados óticos realistas. A qualidade das imagens sintetizadas foi medida de duas formas: primeiramente, com base na acurácia da classificação das imagens geradas e, em segundo lugar, medindo-se a similaridade espectral das imagens sintetizadas com imagens de referência. Os experimentos confirmaram a hipótese de que o método proposto tende a produzir melhores resultados à medida que se exploram mais variáveis condicionantes para a cGAN. / [en] Optical images from Earth Observation are often affected by the presence of clouds. In order to reduce these effects, different reconstruction techniques have been proposed in recent years. A common alternative is to explore data from active sensors, such as Synthetic Aperture Radar (SAR), as they are nearly independent on atmospheric conditions and solar lighting. On the other hand, SAR images are more difficult to interpret than optical images, requiring specific treatment. Recently, conditional Generative Adversarial Networks (cGANs) have been widely used to learn mapping functions that relate data of different domains. This work proposes a method based on cGANs to synthesize optical data from data of other sources: data of multiple sensors, multitemporal data and data at multiple resolutions. The working hypothesis is that the quality of the generated images benefits from the number of data used as conditioning variables for cGAN. The proposed solution was evaluated in two databases. As conditioning data we used co-registered data from SAR at one or two dates produced by the Sentinel 1 sensor, and optical images produced by the Sentinel 2 and LANDSAT satellite series, respectively. The experimental results demonstrated that the proposed solution is able to synthesize realistic optical data. The quality of the synthesized images was measured in two ways: firstly, based on the classification accuracy of the generated images and, secondly, on the spectral similarity of the synthesized images with reference images. The experiments confirmed the hypothesis that the proposed method tends to produce better results as we explore more conditioning data for the cGANs.