紧框架域混合正则化模型在图像恢复中的应用

目的 有界变差函数容易造成恢复图像纹理信息丢失,并产生虚假边缘,为克服此缺点,在紧框架域,提出一种保护图像纹理信息,抑制虚假边缘产生的混合正则化模型,并推导出交替方向迭代乘子算法。方法 首先,在紧框架域,对系统和泊松噪声模糊的图像,用Kullback-Leibler函数作为拟合项,用有界变差函数半范数和L₁范数组成混合正则项,二者加权组成能量泛函正则化模型。其次,分析混合正则化模型解的存在性和唯一性。再次,通过引入辅助变量,利用交替方向迭代乘子算法,将混合正则化模型最小化问题分解为4个容易处理的子问题。最后,子问题交替迭代形成有效的优化算法。结果 紧框架域混合正则化模型有效地克服有界变差函数容易导致纹理信息丢失、产生虚假边缘的不足。相对经典算法,本文算法提高峰值信噪比大约0.10.7 dB。结论 与其他图像恢复正则化模型相比,本文算法有利于保护图像的纹理,抑制虚假边缘,取得较高的峰值信噪比和结构相似测度,适用于恢复系统和泊松噪声模糊的图像。     

改进的正则化模型在图像恢复中的应用

目的 由拟合项与正则项组成的海森矩阵,如果不具有特殊结构,其逆矩阵计算比较困难,为克服此缺点,提出一种海森矩阵可分块对角化的牛顿投影迭代算法。方法 首先,用L₂范数描述拟合项,用自变量是有界变差函数的复合函数刻画正则项,建立能量泛函正则化模型。其次,引入势函数,将正则化模型转化为增广能量泛函。再次,构造预条件矩阵,使得海森矩阵可分块对角化。最后,为防止牛顿投影迭代算法收敛到局部最优解,采用回溯线性搜索算法和改进的Barzilai-Borwein步长更新准则使得算法全局收敛。结果 针对图像去模糊正则化模型容易使边缘平滑和产生阶梯效应“两难”问题,提出一种新的正则化模型和牛顿投影迭代算法。仿真结果表明,“两难”问题通过本文算法得到了很好的解决。结论 与其他正则化图像去模糊模型相比,本文算法明显改善图像的质量,如有效地保护图像的边缘,抑制阶梯效应,相对偏差和误差较小,较高的峰值信噪比和结构相似测度。     

强边缘导向的盲去模糊算法

目的 在图像的获取过程中,成像设备与拍摄场景发生了相对位移,导致获取的实际图像存在信息丢失、模糊退化的现象,这极大地影响了图像的质量和人们的视觉体验,也影响了图像的后续处理。盲去卷积旨在从观测图像中估计模糊核并获得清晰图像,为此提出了一种基于强边缘的运动图像盲去模糊算法。方法 结合图像梯度稀疏性,采用自适应l₀范数约束待估计图像梯度的强边缘;针对模糊核稀疏性和连续性,以l₀-l₂范数分别约束模糊核的像素和梯度,同时把模糊核归一化先验作为正则项引入模型中,以强边缘指导模糊核估计。在去模糊阶段,结合全变分与超拉普拉斯正则化方法的优点,将两种方法复原的图像取平均,以减轻复原图像中的振铃效应,同时保留更多的图像细节。结果 为了检验本文算法的有效性,对Levin测试集和实际拍摄的模糊图像分别进行仿真,并同现有算法进行比较。Levin测试集上的实验结果表明,提出的盲反卷积成功率为100%且在对比算法中具有最高PSNR;实际彩色图像的盲反卷积实验表明,相比于其他算法,本文算法获得的模糊核具有更准确的支撑和较少的噪点,获得的清晰图像具有较优的视觉效果。结论 该方法从定量和定性比较上都体现了较好的去运动模糊能力,可适用于遥感、医学等领域。     

能量泛函正则化模型在图像恢复中的应用分析

目的 能量泛函正则化模型是图像恢复研究的热点。为使更多工程领域的研究者对正则化技术进行探索和应用,推动不适定问题的研究,对能量泛函正则化模型的进展进行了分析。方法 首先建立图像整体坐标与局部坐标的关系,分析图像恢复正则化模型的基本原理,给出并证明正则化模型各向同性与各向异性扩散定理。然后结合函数空间、图像分解和紧框架,评述能量泛函正则化模型国内外发展现状,并对正则化模型解的适定性进行分析。结果 推导出图像恢复正则化模型扩散基本原理,给出正则化模型通用表达式,讨论正则化模型存在的问题及未来的发展方向。结论 正则化技术在解决图像恢复、修复等反问题起着重要作用。目前,国内外学者对该问题的研究取得了一些成果,但许多理论问题有待进一步研究。     

分块策略实现图像椒盐噪声密度估计

目的 椒盐噪声是造成图像污染的常见因素之一,椒盐噪声密度的估计对椒盐去噪过程中滤波窗口大小的选择具有指导作用。为此提出了一种基于分块策略的椒盐噪声密度估计算法。方法 首先对图像按行列等分后形成多个图像子块,统计每个子块中灰度为0或255的像素点个数并排序,然后根据排序后个数差分值函数特征对子块进行筛选,最后将所有候选子块噪声密度估计值的中值作为对整幅图像噪声密度的估计。结果 为验证算法的有效性,选取了两组不同类型的图像进行仿真,与现有椒盐噪声密度估计算法对比噪声密度估计结果。仿真实验结果表明,当图像自身包含较多灰度为0或255的像素点时,本文算法的噪声密度估计精度优于现有各种算法,标准差比现有算法小近一个数量级。当图像自身不包含灰度为0或255的像素点时,本文算法也能达到现有算法中最优的估计效果。结论 本文算法不仅能准确估计不同强度下的噪声密度,而且适用于自身包含灰度为0或255的像素点多的椒盐噪声图像。     

一种基于全变分技术和Lp伪范数的椒盐噪声去除方法

针对传统各向同性全变分（Isotropy total variation，ITV）去噪算法容易导致图像边缘模糊、不易保持图像细节信息等问题，提出一种基于L _p 伪范数和各向同性全变分的图像去噪方法。该方法将L _p 伪范数代替ITV模型中的L ₁范数，利用交替方向乘子算法（Alternating direction method of multipliers, ADMM）将能量泛函拆解成若干个子问题，并将差分算子视为卷积算子；然后引入卷积定理和快速傅里叶变换(Fast Fourier transform, FFT)提高算法运算效率；最后通过Matlab进行仿真实验，运用图像质量的客观和主观评价方法进行评价分析。结果表明，本文方法能够较好地保留图像的边缘特性，有效提升去噪效果。     

混合特性正则化约束的运动模糊盲复原

目的 为了提高运动模糊图像盲复原清晰度,提出一种混合特性正则化约束的运动模糊盲复原算法。方法 首先利用基于局部加权全变差的结构提取算法提取显著边缘,降低了噪声对边缘提取的影响。然后改进模糊核模型的平滑与保真正则项,在保证精确估计的同时,增强了模糊核的抗噪性能。最后改进梯度拟合策略,并加入保边正则项,使图像梯度更加符合重尾分布特性,且保证了边缘细节。结果 本文通过两组实验验证改进模型与所提算法的优越性。实验1以模拟运动模糊图像作为实验对象,通过对比分析5种组合步骤算法的复原效果,验证了本文改进模糊核模型与改进复原图像模型的鲁棒性较强。实验结果表明,本文改进模型复原图像的边缘细节更加清晰自然,评价指标明显提升。实验2以小型无人机真实运动模糊图像为实验对象,通过与传统算法进行对比,对比分析了所提算法的鲁棒性与实用性。实验结果表明,本文算法复原图像的标准差提升约11.4%,平均梯度提升约30.1%,信息熵提升约2.2%,且具有较好的主观视觉效果。结论 针对运动模糊图像盲复原,通过理论分析和实验验证,说明了本文改进模型的优越性,所提算法的复原效果较好。     

二阶变分图像恢复模型的重启动快速ADMM方法

目的 基于二阶导数的图像恢复变分模型可以同时保持图像边缘与光滑特征,但其规则项的非线性、非光滑性,甚至非凸性制约着其快速算法的设计。针对总拉普拉斯(total Laplacian,TL)与欧拉弹性能(Euler’s elastica,EE)两种图像恢复变分模型,在设计快速交替方向乘子法(fast alternating direction methods of multipliers,fast ADMM)的基础上引入重启动策略,以有效消除解的振荡,从而大幅提高该类模型计算效率,并为其他相近模型的快速算法设计提供借鉴。方法 基于原始ADMM方法设计反映能量泛函变化的残差公式,在设计的快速ADMM方法中根据残差的变化重新设置快速算法的相关参数,以避免计算过程中的能量振荡,达到算法加速目的。结果 通过大量实验发现,采用原始ADMM、快速ADMM和重启动快速ADMM算法恢复图像的峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)基本一致,但计算效率有不同程度的提高。与原始ADMM算法相比,在消除高斯白噪声和椒盐噪声中,对TL模型,其快速ADMM算法分别提高6%50%和13%240%;重启动快速ADMM算法提高100%433%和100%466%;对EE模型,其快速ADMM算法分别提高14%54%和10%83%;重启动快速ADMM算法分别提高100%900%和66%800%。此外,对于不同的惩罚参数组合,相同模型的快速ADMM算法的计算效率基本相同。结论 对于两种典型的二阶变分图像恢复模型,本文提出的快速重启动ADMM算法比原始ADMM算法及快速ADMM算法在计算效率方面有较大提高,计算效率对不同惩罚参数组合具有鲁棒性。本文设计的算法对于含其他形式二阶导数规则项的变分图像分析模型的重启动快速算法的设计可提供有益借鉴。     

利用稳健非负矩阵分解实现无监督高光谱解混

目的 基于非负矩阵分解的高光谱图像无监督解混算法普遍存在着目标函数对噪声敏感、在低信噪比条件下端元提取和丰度估计性能不佳的缺点。因此,提出一种基于稳健非负矩阵分解的高光谱图像混合像元分解算法。方法 首先在传统基于非负矩阵分解的解混算法基础上,对目标函数加以改进,用更加稳健的L₁范数作为重建误差项,提高算法对噪声的适应能力,得到新的无监督解混目标函数。针对新目标函数的非凸特性,利用梯度下降法对端元矩阵和丰度矩阵交替迭代求解,进而完成优化求解,得到端元和丰度估计值。结果 分别利用模拟和真实高光谱数据,对算法性能进行定性和定量分析。在模拟数据集中,将本文算法与具有代表性的5种无监督解混算法进行比较,相比于对比算法中最优者,本文算法在典型信噪比20 dB下,光谱角距离（spectral angle distance,SAD）增大了10.5%,信号重构误差（signal to reconstruction error,SRE）减小了9.3%;在真实数据集中,利用光谱库中的地物光谱特征验证本文算法端元提取质量,并利用真实地物分布定性分析丰度估计结果。结论 提出的基于稳健非负矩阵分解的高光谱无监督解混算法,在低信噪比条件下,能够获得较好的端元提取和丰度估计精度,解混效果更好。     

采用自适应梯度稀疏模型的图像去模糊算法

目的 图像的梯度分布被广泛应用在自然图像去模糊中,但研究结果显示先前的梯度参数估计方法不能很好地适应图像局部纹理变化。为此根据图像分块平稳的特点提出一种采用局部自适应梯度稀疏模型的图像去模糊模型。方法 该模型采用广义高斯分布（GGD）来描述图像不同区域的梯度分布,在最大后验概率框架下建立自适应梯度稀疏模型,然后采用变量分裂交替优化算法来求解模型中的最小化问题。在GGD参数估计中,先对模糊图像进行预处理,并将预处理后的图像分成纹理区和平滑区,仅对纹理区采用全局收敛算法进行GGD参数估计,而对平滑区设置固定参数值。结果 本文算法与近年来常用的去模糊去噪算法在不同类型的自然图像上进行了对比。实验结果表明,本文的参数估计法能精确地表达图像局部纹理变化,当在低噪声（加1%噪声）,分别加入模糊核1和2的条件下,经本文算法去除模糊和噪声后的图像相较对比算法能分别提高信噪比值0.042.96 dB和0.143.19 dB;在高噪声（加4%噪声）不同模糊核下,能分别提高0.194.50 dB和0.203.63 dB,同时本文算法相比2017年Pan等人提出的算法（加2%噪声）能提升0.150.36 dB。此外,本文算法在主观视觉上能获得更清晰的纹理和边缘结构信息。结论 本文算法在主客观评价上都表现出了良好的去模糊性能,可应用在自然图像和低照明图像等的去模糊领域。     

基于二阶广义全变差正则项的模糊图像恢复算法

针对图像去模糊问题, 采用二阶广义全变差作为修复图像的正则项构建恢复模型, 并针对重建模型的高阶与非光滑特性, 给出了基于分裂Bregman 迭代的快速算法. 实验结果表明, 该模型和数值算法能够较好地恢复被噪声和模糊污染的图像, 同时可以很好地保留图像的纹理和细节信息.     

基于稀疏正则化和变量分裂的图像去模糊

传统的图像去模糊方法易产生振铃和边缘模糊等“伪像”效应,针对这一问题,采用非光滑的正则项约束图像在稀疏字典下表示系数的稀疏性,并引入非负约束项,提出了图像的稀疏正则化去模糊模型。进一步,基于交替方向拉格朗日乘子算法,提出了求解该模型的多变量分裂迭代快速算法,将复杂问题求解转化为三个简单子问题的迭代求解,降低了模型求解的复杂性。实验结果表明,所提出的去模糊模型及其快速算法相对较好地保持了图像的结构特征和平滑性,并降低了计算复杂性。     

稀疏性正则化的图像泊松恢复模型及分裂Bregman迭代算法

生物医学、天文等成像系统通常会受到泊松噪声的干扰, 基于图像在过完备字典下的稀疏表示, 在贝叶斯最大后验概率估计框架下, 建立了针对泊松噪声的稀疏性正则化图像恢复凸变分模型, 采用负log的泊松似然函数作为数据保真项, 模型中非光滑的正则项约束图像表示系数的稀疏性, 并附加恢复图像的非负性约束. 进一步, 基于分裂Bregman方法, 提出了求解该模型的多步迭代快速算法, 通过引入辅助变量与Bregman距离, 可将原问题转化为两个简单子问题的迭代求解, 大幅度降低了计算复杂性. 实验结果验证了本文模型与数值算法的有效性.     

A fast higher degree total variation minimization method for image restoration

Based on the spectral decomposition theory, this paper presents a unified analysis of higher degree total variation (HDTV) model for image restoration. Under this framework, HDTV is reinterpreted as a family of weighted L₁–L₂ mixed norms of image derivatives. Due to the equivalent formulation of HDTV, we construct a modified functional for HDTV-based image restoration. Then, the minimization of the modified functional can be decoupled into two separate sub-problems, which correspond to the deblurring and denoising. Thus, we design a fast and efficient image restoration algorithm using an iterative Wiener deconvolution with fast projected gradient denoising (IWD-FPGD) scheme. Moreover, we show the convergence of the proposed IWD-FPGD algorithm for the special case of second-degree total variation. Finally, the systematic performance comparisons of the proposed IWD-FPGD algorithm demonstrate the effectiveness in terms of peak signal-to-noise ratio, structural similarity and convergence rate.     

复小波域最大后验概率图像复原

提出了一种双树复小波变换域最大后验概率图像复原方法。该方法通过在最大后验概率图像迭代复原过程中构建噪声残差,并采用双树复小波变换零均值高斯模型对参差进行降噪处理,从而避免了原泊松最大后验概率图像复原过程中噪声放大的问题,实现了迭代复原的正则化目的。对比实验结果表明,该图像复原方法能很好解决恢复迭代中噪声放大的问题,同时,在视觉效果、PSNR、ISNR等指标上均比Wiener、Pisson-MAP等算法好。     

混合全变差和低秩约束下的高光谱图像复原

目的 由于高光谱遥感数据携带丰富的光谱和空间信息,使其在许多领域得以广泛关注和应用。但是高光谱遥感数据在获取过程中受到各种因素的影响,存在多种不同程度的退化,进而影响到后续的处理和应用。因此,提出一种基于低秩矩阵近似和混合全变差正则化方法来复原退化的高光谱遥感数据。方法 首先分析高光谱遥感数据的两种低秩先验：光谱低秩先验和空间低秩先验;然后利用光谱低秩先验建立低秩矩阵近似表示模型,有效抑制稀疏噪声,例如脉冲噪声、条纹噪声、死线噪声等;再利用空间低秩先验建立混合全变差正则化模型,有效去除高密度噪声,例如强高斯噪声、泊松噪声等;最后结合两种模型的优势,建立基于低秩矩阵近似和混合全变差正则化模型。结果 利用多组高光谱遥感数据,和多种相关的高光谱复原方法进行对比仿真实验,表明新模型的结果在视觉质量有很大改进。与目前最新的复原模型相比,提出的模型的平均峰值信噪比能提高1.8 dB,而平均结构相似数值指标能提高0.05。结论 新模型充分利用高光谱遥感数据的空间和光谱低秩先验,针对含有高密度噪声和稀疏异常值的高光谱遥感数据,能够有效复原出高质量的高光谱遥感数据。     

改进的曲率滤波强噪声图像去噪方法

目的 医学影像获取和视频监控过程中会出现一些恶劣环境,导致图像有许多强噪声斑点,质量较差。在处理强噪声图像时,传统的基于变分模型的算法,因需要计算高阶偏微分方程,计算复杂且收敛较慢;而隐式使用图像曲率信息的曲率滤波模型,在处理强噪声图像时,又存在去噪不完全的缺陷。为了克服这些缺陷,在保持图像边缘和细节特征的同时去除图像的强噪声,实现快速去噪,提出了一种改进的曲率滤波算法。方法 本文算法在隐式计算曲率时,通过半窗三角切平面和最小三角切平面的组合,用投影算子代替传统曲率滤波的最小三角切平面投影算子,并根据强噪声图像存在强噪声斑点的特征,修正正则能量函数,增添局部方差的正则能量,使得正则项的约束更加合理,提高了算法的去噪性能,从而达到增强去噪能力和保护图像边缘与细节的目的。结果 针对多种不同强度的混合噪声图像对本文算法性能进行测试,并与传统的基于变分法的去噪算法（ROF）和曲率滤波去噪等算法进行去噪效果对比,同时使用峰值信噪比（PSNR）和结构相似性（SSIM）作为滤波算法性能的客观评价指标。本文算法在对强噪声图像去噪处理时,能够有效地保持图像的边缘和细节特征,具备较好的PSNR和SSIM,在PSNR上比ROF模型和曲率滤波算法分别平均提高1.67 dB和2.93 dB,SSIM分别平均提高0.29和0.26。由于采用了隐式计算图像曲率,算法的处理速度与曲率滤波算法相近。结论 根据强噪声图像噪声特征对曲率滤波算法进行优化,改进投影算子和能量函数正则项,使得曲率滤波算法能够更好地适用于强噪声图像,实验结果表明,该方法与传统的变分法相比,对强噪声图像去噪效果显著。