基于低秩表示动态更新投影的在线运动目标检测

视频图像中运动目标检测是机器视觉领域的重要研究内容,旨在将序列图像中的背景和前景进行有效分离。在研究几种典型运动目标检测算法的基础上,提出了一种基于低秩表示动态更新投影的在线运动目标检测算法。采用低秩表示方法对若干连续视频帧进行低秩分解,并将分解所获得的低秩部分对应的左奇异值矩阵的正交补引为投影矩阵;再构建投影模型,拟合出数据的稀疏前景;最后采用视频分段分析法则对投影矩阵进行动态更新,从而保证所分离的背景以及前景的有效性。在Curtain等多个视频数据库上与其他算法进行了对比实验,实验结果表明所提算法具有很好的检测效果,对复杂的运动前景和动态背景的处理表现出很强的鲁棒性。     

压缩感知观测信号的低秩稀疏分解

低秩稀疏分解是可应用于视频监控的一种视频分析方法,与满足Nyquist定理的采样信号相比,压缩感知观测信号的低秩稀疏分解难度更大。借鉴在低秩稀疏分解时将信号投影到其低秩部分的正交空间方法,提出先压缩观测再投影与先投影再压缩观测两种不同的压缩观测与投影方法,推导出每种方法的投影与压缩观测合并算子,分别对稀疏前景与低秩背景进行压缩感知重构,实现时变稀疏信号压缩观测的低秩稀疏分解。由于背景的缓慢变化会使低秩矩阵的正交空间发生改变,应用结构相似度来判断相邻帧低秩矩阵的变化情况,并估计该正交空间是否需要更新。实验结果表明,与SpaRcs方法相比,该方法能够在较低的压缩采样率下实现更精确的信号低秩背景与稀疏前景的直接分离重构,每帧图像压缩感知重构结果的峰值信噪比最多能够提高2 dB左右。     

基于帧间相似性约束鲁棒主成分分析模型的运动目标检测

针对鲁棒主成分分析模型RPCA(robust principle component analysis)未能有效地利用相邻两帧具有相似性这一特性,提出基于帧间相似性约束鲁棒主成分分析模型的运动目标检测算法。考虑到时间序列数据中相邻数据之间的相似性特性,在原始的RPCA模型基础上,引入帧间相似性约束条件,通过求解新的RPCA模型可以得到平滑的低秩数据矩阵和稀疏误差矩阵,有效保留了原有序列数据中的相似性结构。将该模型用于运动目标检测,观测图像序列分解成低秩背景矩阵和稀疏运动目标矩阵,对分解出的运动目标进行二值化,并对检测出的运动目标图像进行定性分析和采用Similarity与F-measure评判标准进行定量分析。通过实验结果分析,该算法能够有效地对运动目标进行检测,提高运动目标的检测率。     

低秩稀疏分解及其在视频和图像处理中的应用

低秩稀疏分解（Low Rank and Sparse Decomposition,LRSD）是一种被广泛应用于计算机视觉等领域的数据表示技术,通过将已知矩阵分解为低秩成分和稀疏成分,实现视频前背景分离、图像去噪等的实际应用。分析了这一技术的研究现状,针对11种经典低秩稀疏分解方法,给出了各种方法的模型及算法的优缺点。将各种算法应用于视频前背景分离和图像去噪实验中,视频前背景分离的实验结果包括使用各种算法提取的不同视频的前景效果图、视频前背景分离的F-measure值和运行时间,图像去噪实验结果展示了各种算法对不同图像的去噪效果图、PSNR值和FSIM值,从视觉效果和定量评价两个角度验证了各种算法在视频前背景分离和图像去噪这两个实际应用中的优缺点。     

牛顿-软阈值迭代鲁棒主成分分析算法

针对鲁棒主成分分析（RPCA）问题,为了降低RPCA算法的时间复杂度,提出了牛顿-软阈值迭代（NSTI）算法。首先,使用低秩矩阵的Frobenius范数与稀疏矩阵的l₁-范数的和来构造NSTI算法的模型;其次,同时使用两种不同的优化方式求解模型的不同部分,即用牛顿法快速计算出低秩矩阵,用软阈值迭代算法快速计算出稀疏矩阵,交替使用这两种方法计算出原数据的低秩矩阵和稀疏矩阵的分解;最后,得到原始数据的低秩特征。在数据规模为5 000×5 000,低秩矩阵的秩为20的情况下,NSTI算法和梯度下降（GD）算法、低秩矩阵拟合（LMaFit）算法相比,时间效率分别提高了24.6%、45.5%。对180帧的视频前景背景进行分离,NSTI耗时3.63 s,时间效率比GD算法、LMaFit算法分别高78.7%、82.1%。图像降噪实验中,NSTI算法耗时0.244 s,所得到的降噪后的图像与原始图像的残差为0.381 3,与GD算法、LMaFit算法相比,时间效率和精确度分别提高了64.3%和45.3%。实验结果证明,NSTI算法能够有效解决RPCA问题并提升RPCA算法的时间效率。     

牛顿-软阈值迭代鲁棒主成分分析算法

针对鲁棒主成分分析（RPCA）问题，为了降低RPCA算法的时间复杂度，提出了牛顿-软阈值迭代（NSTI）算法。首先，使用低秩矩阵的Frobenius范数与稀疏矩阵的l₁-范数的和来构造NSTI算法的模型；其次，同时使用两种不同的优化方式求解模型的不同部分，即用牛顿法快速计算出低秩矩阵，用软阈值迭代算法快速计算出稀疏矩阵，交替使用这两种方法计算出原数据的低秩矩阵和稀疏矩阵的分解；最后，得到原始数据的低秩特征。在数据规模为5 000×5 000，低秩矩阵的秩为20的情况下，NSTI算法和梯度下降（GD）算法、低秩矩阵拟合（LMaFit）算法相比，时间效率分别提高了24.6%、45.5%。对180帧的视频前景背景进行分离，NSTI耗时3.63 s，时间效率比GD算法、LMaFit算法分别高78.7%、82.1%。图像降噪实验中，NSTI算法耗时0.244 s，所得到的降噪后的图像与原始图像的残差为0.381 3，与GD算法、LMaFit算法相比，时间效率和精确度分别提高了64.3%和45.3%。实验结果证明，NSTI算法能够有效解决RPCA问题并提升RPCA算法的时间效率。     

基于交替方向低秩模型的运动目标检测算法

不同于传统运动目标检测算法,引入背景低秩和前景稀疏性,提出基于交替方向低秩模型的运动目标检测算法。首先在鲁棒主成分分析法建模的基础上添加背景噪声模型,在低秩背景模型中引入全变差范数并结合核范数进行约束。考虑视频矩阵前景图像的稀疏性,接着利用马尔可夫随机场和图建立前景模型。然后采用交替方向法实现函数的优化求解。最后对算法结构进行改进,实现视频运动目标的在线检测。通过对两种数据集进行实验结果分析,与其他算法对比,该算法在满足在线的基础上具有很好的检测效果,特别是在动态背景及复杂前景上具有很强的鲁棒性。     

基于RPCA的皮革图像缺陷检测

提出了一种皮革视觉缺陷检测算法.通过分析皮革图像的低秩特征,将皮革图像缺陷检测问题转变为从低秩背景图像中分离稀疏矩阵图像.首先采用Gaussian高通滤波器对图像进行了预处理,然后利用鲁棒性主成成分分析(RPCA)对图像进行低秩稀疏分解,并采用效率较高的非精确增广拉格朗日乘子法(IALM)求解.对分解后的稀疏图像进行了后处理,最终在二值图像中获得缺陷的形状和位置.该算法的效率及准确率已经在实验中进行了验证,并与现有算法进行了比较.实验表明,该算法可以用来检测各种不同种类和大小的缺陷,检测准确率高且能够提供完整的缺陷掩模.     

多特征稳健主成分分析的视频运动目标分割

提出一种多特征稳健主成分分析(MFRPCA)算法,该算法融合多种视觉特征进行视频运动目标分割,分割的目的即将运动目标从静止信息中提取出来,分割的主要过程是将多特征视频矩阵分解为低秩矩阵和稀疏矩阵.矩阵分解过程是求解一个带受限条件的核范数与L2,1范数组合的最小化问题,此最小化问题可以通过增广拉格朗日乘子法(ALM)有效求解.与其他算法相比,本文算法融合了图像的颜色、边缘和纹理特征等多个特征,通过对变化检测基准数据集进行检测,本文算法获得的查全率为0.486 0和F度量为0.559 7,实验结果表明,本文算法的稳健性和可靠性均优于其他算法.     

基于稀疏与低秩的核磁共振图像重构算法

已有的基于压缩感知的核磁共振图像重构算法仅利用了数据的稀疏性或矩阵的低秩性,并没有充分利用图像数据的相关性先验知识.针对这一问题,提出了一种新型的应用于二维核磁共振图像重建的算法模型.与传统的单一利用原始数据的稀疏性或矩阵低秩性进行重建的方法不同,该方法同时利用了图像数据的稀疏性与矩阵的低秩性.矩阵低秩部分使用应用赤池信息量准则的奇异值分解阈值方法,数据稀疏部分使用全变分作为稀疏变换基.实验结果表明,该方法在相同的采样率下与应用赤池信息量准则的奇异值分解阈值方法、全变分方法和奇异值分解阈值方法相比大大提升了重建图像的质量.