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《华中科技大学》 2009年
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图像复原—模型、贝叶斯推理及迭代算法研究

鲁晓磊  
【摘要】: 由于大气干扰、相对运动、散焦、成像设备本身的物理局限性和噪声等诸多因素存在,导致获取的图像不可避免的会质量下降。而在许多应用领域,又需要高清晰、高质量的图像,因此,研究图像复原具有重要的意义。图像复原的目的是对退化图像进行处理,恢复出原始图像。它是图像处理、模式识别和机器视觉的基础,因而受到广泛研究,在天文学、遥感、医疗图像和军事等领域获得广泛应用。 本文以图像复原为主要研究问题,包括图像建模、图像估计的贝叶斯准则及快速迭代图像复原算法。首先研究了图像小波域建模和空域Markov随机场建模,提出了基于最大后验估计和变分贝叶斯原理的图像复原方法。然后探讨了图像复原的迭代算法,并给出了多步迭代算法的快速收敛性结论。最后,将提出的图像模型和推理方法推广到多帧图像的超分辨率复原问题,并给出了结论和展望。主要研究内容包括以下几个方面: 介绍了图像复原的基本理论和方法。给出了成像系统的基本退化模型及点扩展函数的常用表达式,并探讨了图像空域Markov随机场模型和图像多尺度变换域模型的研究现状。回顾了几种经典图像复原方法,对图像复原的贝叶斯方法进行了重点讨论,同时还给出了图像质量评价的几个客观准则和主观准则。 对小波域图像复原方法进行了深入研究。探讨了图像小波系数的基本统计特征和几个典型的小波域图像统计模型。提出了一种图像小波系数的两层局部模型,该模型假设图像小波系数服从零均值的局部高斯分布,且局部高斯方差通过贝叶斯方法估计出来。并提出了以此模型作为图像先验分布函数的小波域图像复原算法。 图像复原常用的最大后验估计本质上属于点估计范畴,且不能对模型参数进行有效估计,针对这种不足,本文提出了一种基于小波域变分贝叶斯理论的联合图像复原和模型参数估计方法。变分贝叶斯方法是用原始图像的后验密度函数的中值作为复原图像,因此,能够克服MAP估计复原图像的不足,取得复原图像效果也优于用最大后验估计方法复原的图像。 系统论述了空域Markov随机场基本理论。提出了一种基于局部两层Markov随机场模型和期望最大算法的图像复原算法,该图像复原方法可以认为是一种经验贝叶斯估计方法,首先通过积分将超参数向量消除掉,然后再用最大化算法估计未知的原始图像。同上章探讨的小波域图像复原方法相比,该方法复原图像质量略差,但计算复杂度优于小波方法。同时,提出了一种基于最大后验估计的盲图像复原方法,该方法用不同模型刻画原始图像和模糊点扩展函数的分布情况,并采用交替最小化算法联合估计原始图像和点扩展函数,最终得到复原的图像和点扩展函数。 目前常用的低阶Markov随机场模型不能很好的刻画图像高阶统计特征,且模型参数也是通过经验方式确定。针对这些不足,提出一种新的机器学习方法一评分匹配法,从训练图像数据中学习得到一组高阶Markov随机场模型参数。为了验证通过学习得到的Markov随机场模型的能力,将学习得到的模型通过贝叶斯规则应用于图像去噪。实验结果表明:不管是根据峰值信噪比的大小还是根据主观视觉,都能取得优秀的去噪效果,从而表明该学习方法的有效性。 介绍了常用于图像复原的几个迭代算法,主要有交替最小化迭代算法、极小优化迭代算法和期望最大迭代算法。由于这些迭代算法当且迭代解仅与前一步迭代解有关,通称单步迭代复原算法。以总变分图像复原和小波域图像复原为例,用单步迭代算法进行复原,发现算法收敛速度很慢。为此,提出了基于多步迭代的图像复原算法,由于多步迭代算法的当且迭代解依赖于前面更多方向,收敛速度较快。同时,通过经验方式确定权参数向量,每次迭代无需增加额外计算负担,相比单步迭代算法,提出的多步迭代算法复原图像能极大节约计算时间。 将文中提出的图像模型和推理算法推广到多帧图像的超分辨率复原。给出了一种基于小波域变分贝叶斯理论的超分辨率图像复原方法,通过变分贝叶斯方法,可以联合估计高分辨率图像、模型参数和运动参数。同时,提出了一种基于Gauss-Newton算法的同时图像配准和超分辨率算法,该算法将未知高分辨率图像和运动参数向量看为一个整体,采用Gauss-Newton算法同时进行估计。这种算法的优势在于对于初始运动参数的设置不敏感,在复原高分辨率图像同时,也能估计出高精度的运动参数。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP391.41

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 朱莉;短毫米波近程主被动阵列探测及成像技术研究[D];南京理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 齐苗伟;频域与小波域相结合的图像复原研究[D];西安电子科技大学;2011年
2 卢在盛;单幅图像运动模糊参数判定与去模糊研究[D];广西大学;2011年
3 汪方毅;剪切波变换域图像压缩传感重构及应用[D];江西科技师范大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 焦李成,谭山;图像的多尺度几何分析:回顾和展望[J];电子学报;2003年S1期
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3 张航,罗大庸;一种改进的全变差盲图像复原方法[J];电子学报;2005年07期
4 戴维;于盛林;孙栓;;基于Contourlet变换自适应阈值的图像去噪算法[J];电子学报;2007年10期
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10 肖志云,文伟,彭思龙;小波域HMT模型参数的快速估计及其在图像降噪中的应用[J];计算机应用;2004年12期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 李小牛;周鸣争;黄伟;;基于多小波去噪的NAS-RIF图像盲复原算法[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2007年04期
3 王宜静;华守亮;;正态总体方差的贝叶斯区间估计[J];安阳工学院学报;2011年06期
4 张伟;李夕兵;宫凤强;;基于专家信息融合法的岩土参数概率分布推断[J];地下空间与工程学报;2005年06期
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7 孟飞飞;商书元;;基于盲解卷积算法的纤维模糊图像复原[J];北京服装学院学报(自然科学版);2011年03期
8 王玮;王军波;黄景德;;一个可靠性二次抽样方案的分析及改进[J];兵工学报;2006年02期
9 杜慧茜;郭林楠;梅文博;任彦芳;;基于B样条函数的偏微分方程图像去噪[J];兵工学报;2008年08期
10 宋义刚;肖亮;韦志辉;黄丽丽;;光学遥感图像变量分裂迭代快速复原算法[J];兵工学报;2012年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 马超锋;李晓;成国文;赫建明;;大跨度公路隧道围岩动态分级的Bayes优化[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
2 李晋武;张娟;邹丽晖;;含运动物体的运动场景模糊图像恢复方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
3 袁兴起;韩键美;;一种基于Matlab的图像滤波算法的设计与实现[A];2011中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2011年
4 贺向东;张义民;闻邦椿;;多失效模式贝叶斯结构系统可靠性鲁棒设计[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
5 李晓燕;叶龙;王京玲;;基于马尔可夫随机场的纹理合成[A];图像图形技术与应用进展——第三届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2008年
6 张娜;潘振宽;魏伟波;;分段光滑图像分割的Split-Bregman方法[A];图像图形技术研究与应用(2010)[C];2010年
7 张楠;潘振宽;魏伟波;李媛媛;徐凯;;小位移变分光流计算的分裂方法[A];图像图形技术研究与应用(2010)[C];2010年
8 周临川;赵辉;王帅;;基于WBCT变换的图像压缩算法研究与改进[A];中国电子学会第十七届信息论学术年会论文集[C];2010年
9 程兵;王莹;郑南宁;;一种用于图像分割的分层随机场模型[A];信号与信息处理技术——第一届信号与信息处理联合学术会议论文集[C];2002年
10 江兴方;陶纯堪;;Retinex彩色图像增强理论及其研究进展[A];2004全国光学与光电子学学术研讨会、2005全国光学与光电子学学术研讨会、广西光学学会成立20周年年会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王咏胜;复数轮廓波变换的构造、扩展及其图像处理应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 苏日建;信息测量系统及其若干问题的研究[D];华中科技大学;2010年
3 韩守东;纹理建模与图切分优化方法研究[D];华中科技大学;2010年
4 朱清波;序列图像三维重建方法研究[D];华中科技大学;2010年
5 涂虬;智能视觉监视中目标检测与跟踪算法研究[D];华中科技大学;2010年
6 华岗;地震体数据可视化与分析研究[D];浙江大学;2011年
7 董芳芳;图像恢复与分割中的新模型及快速算法[D];浙江大学;2010年
8 刘建明;古代壁画图像保护与智能修复技术研究[D];浙江大学;2010年
9 鲁志波;医学图像增强与插值的算法研究[D];解放军信息工程大学;2007年
10 张健;动平衡测量的若干关键技术问题研究[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张庆伟;基于小波变换的阈值图像去噪方法[D];山东科技大学;2010年
2 韩宁;鲁棒性图像水印算法研究[D];辽宁师范大学;2010年
3 苏韩;逆威布尔分布的Bayes估计问题[D];广西师范学院;2010年
4 邓立凤;逆高斯分布参数的Bayes 估计研究[D];广西师范学院;2010年
5 韦师;几种分布参数的E-Bayes估计及其应用[D];广西师范学院;2010年
6 赵开伟;Contourlet变换在图像去噪中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 郭亮;基于Contourlet变换的多尺度图像分割算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 霍薪;基于双目立体视觉的三维场景重建研究[D];大连理工大学;2010年
9 孟梅;基于变分法和局部多项式近似的图像盲复原[D];大连理工大学;2010年
10 雷浩鹏;数字图像去噪算法研究及应用[D];长沙理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李伟;国外反恐科技现状及趋势研究[J];中国安防产品信息;2005年03期
2 肖泽龙;许建中;彭树生;牟善祥;;弹载双通道毫米波辐射计研究[J];兵工学报;2007年08期
3 王本庆;李兴国;;近程毫米波合成孔径辐射计成像系统分析[J];兵工学报;2009年03期
4 侯光明,王健,郭巧,闫绪娴;全国降雨率累积分布R_1(0.01)的研究[J];北京理工大学学报;2002年02期
5 王锋;黎胜;赵德有;;采用双互易边界元法进行三维声场特征值分析的近似函数研究[J];船舶力学;2009年01期
6 章屹,陆明泉,李国栋,冯振明,尹旭明;伪码测距中精确估计测距误差的一种解决方案[J];电讯技术;2005年01期
7 石星;;毫米波雷达的应用和发展[J];电讯技术;2006年01期
8 徐浩彭;张剑云;刘春生;;毫米波主/被动双模复合寻的制导技术[J];导弹与航天运载技术;2006年03期
9 朱志宇;张冰;王建华;;灰关联分析和证据理论在雷达辐射源识别中的应用及改进[J];电光与控制;2007年01期
10 王放;黎湘;;双/多基地合成孔径雷达研究进展[J];电光与控制;2010年04期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 易丽娅;图像复原的Bregman迭代正则化方法研究[D];华中科技大学;2011年
2 李应乐;电磁波在雨介质中的传输特性及其中椭球类目标的散射特性研究[D];西安电子科技大学;2005年
3 袁建华;超分辨率重建中若干问题的研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2006年
4 吴亚东;图像复原算法研究[D];电子科技大学;2006年
5 王燕;非合作目标精确定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
6 吴显金;自适应正则化图像复原方法研究[D];国防科学技术大学;2006年
7 杨国;3mm波段主被动复合探测技术研究[D];南京理工大学;2006年
8 钱嵩松;被动毫米波阵列探测成像的关键技术研究[D];南京理工大学;2006年
9 李鸣;毫米波频率步进雷达前端关键技术研究[D];南京理工大学;2007年
10 胡体玲;3mm波段高分辨力单脉冲雷达技术研究[D];南京理工大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 杨凡;压缩传感图像重建的研究[D];江西科技师范学院;2011年
2 陶洪;数字共焦显微技术及其图象复原算法研究[D];四川大学;2003年
3 杨彦;图像复原算法研究[D];四川大学;2004年
4 袁龙;被动毫米波成像探测技术研究[D];西南交通大学;2006年
5 尹雅磊;多通道SAR运动目标检测聚焦定位方法研究[D];西安电子科技大学;2007年
6 高睿;基于压缩传感的匹配追踪重建算法研究[D];北京交通大学;2009年
7 郝鹏鹏;基于压缩传感原理的图像重建方法研究[D];燕山大学;2009年
8 唐晓梅;Shearlet的快速实现及应用[D];吉林大学;2010年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 贺纪深;基于稀疏表示的图像复原算法研究[D];燕山大学;2012年
2 张敏;基于小波变换的数字图像去模糊[D];合肥工业大学;2012年
3 周丽娟;毫米波主被动阵列探测系统信号处理算法[D];南京理工大学;2013年
4 向腾勇;泡沫宽频干扰技术对坦克防护仿真模拟研究[D];南京理工大学;2012年
5 周游;毫米波主被动复合探测系统信号处理研究[D];南京理工大学;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 高鑫,刘来福;基于水平集曲率的图像滤噪与增强[J];北京师范大学学报(自然科学版);2001年01期
2 侯玉华,宋锦萍,周福娜,文成林,杨晓艺;基于小波域隐马尔科夫模型的文本图像子带分割方法[J];电子学报;2002年08期
3 焦李成,谭山;图像的多尺度几何分析:回顾和展望[J];电子学报;2003年S1期
4 刘芳,刘文学,焦李成;基于复小波邻域隐马尔科夫模型的图像去噪[J];电子学报;2005年07期
5 侯玉华,杨晓艺,宋锦萍,文成林;基于小波域多状态隐马尔科夫树模型多尺度文本图像分割[J];电子与信息学报;2002年12期
6 郭松涛,孙强,焦李成;基于改进小波域隐马尔可夫模型的遥感图像分割[J];电子与信息学报;2005年02期
7 焦李成,侯彪,刘芳;基函数网络逼近:进展与展望[J];工程数学学报;2002年01期
8 郦苏丹,张翠,王正志;基于小波域隐Markov模型的SAR图像滤波方法[J];国防科技大学学报;2002年06期
9 于亦凡,陈维真,黄海龙,刘智深;图像传输方法测量海水的点扩展函数[J];光学学报;2000年12期
10 李奇,冯华君,徐之海,边美娟,申溯,戴瑞春;数字图象清晰度评价函数研究[J];光子学报;2002年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王建卫;滤波器组设计与细分算法中的若干问题研究[D];浙江大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 杨晓艺;小波分析与隐马尔可夫模型在图像处理中的应用[D];河南大学;2003年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张鲁江,付忠良;退化模型未知的图像复原方法[J];计算机应用;2001年01期
2 刘琚,何振亚;利用SVD对带噪声的模糊图像进行盲复原[J];数据采集与处理;2002年01期
3 于大勇,袁祥岩,高万荣,陶纯堪;最大后验方法在图像复原中的应用[J];应用光学;2002年05期
4 和亚珺,郭平;Parzen窗估计法在图像复原中的应用探索[J];北京师范大学学报(自然科学版);2004年04期
5 汪雪林,赵书斌,彭思龙;基于小波域隐马尔可夫树模型的图像复原[J];计算机学报;2005年06期
6 付炜;刘志文;;高斯型点扩展函数估计及图像复原[J];计算机工程与应用;2007年36期
7 蒋伟;胡学刚;;一种基于偏微分方程的图像复原新模型[J];计算机工程与应用;2008年14期
8 吴淑艳;黄继风;闵瑞隽;;一种基于边界处理的图像复原方法[J];微计算机应用;2008年07期
9 陈金林;李宁;;图像复原的一种改进算法[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2009年05期
10 刘莉;谭吉春;;分数域图像混合噪声盲复原方法[J];国防科技大学学报;2011年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 胡岸勇;柳重堪;苗俊刚;万国龙;;基于降晰矩阵分解与POCS的高斯降晰图像复原[A];全国第二届信号处理与应用学术会议专刊[C];2008年
2 范赐恩;邓德祥;;航空相机像移模糊图像复原方法的研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
3 陆世东;;维纳滤波图像复原算法研究[A];中国测绘学会2010年学术年会论文集[C];2010年
4 崔旭东;;闪光X光图像复原方法[A];中国工程物理研究院科技年报(2000)[C];2000年
5 张红英;彭启琮;;一种基于p-Laplace算子的图像修补方法[A];通信理论与信号处理新进展——2005年通信理论与信号处理年会论文集[C];2005年
6 廖翔;黎建彬;陈康;朱亚平;;监控录相图像复原技术的研究与应用[A];中国感光学会第六次全国感光(影像)科学大会暨第五届青年学术交流会论文摘要集[C];2001年
7 蔡念;金丰;阮恭勤;潘晴;许少秋;;基于AdaBoost算法的图像复原方法[A];第十五届全国图象图形学学术会议论文集[C];2010年
8 范永法;潘树国;;Wiener滤波复原技术在磁粉探伤中的应用[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年
9 曹毅;吕英华;;基于微遗传算法和正则化处理的模糊图像复原方法[A];全国第13届计算机辅助设计与图形学(CAD/CG)学术会议论文集[C];2004年
10 李勇;李平;文玉梅;;光电成像系统获取图像的多项式能量约束复原[A];中国仪器仪表学会第六届青年学术会议论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 王晶晶;“神笔”刑警定格嫌疑人[N];人民公安报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄捷;基于数值代数的图像复原问题研究[D];电子科技大学;2013年
2 赵雪青;降质图像复原方法研究[D];陕西师范大学;2013年
3 张欣;波前编码技术中的图像复原研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2010年
4 刘新武;基于偏微分方程的图像复原技术研究[D];湖南大学;2011年
5 赵熙乐;基于数值线性代数与稀疏优化的图像复原问题研究[D];电子科技大学;2012年
6 吕小光;结构矩阵计算及在数字图像复原中的应用[D];电子科技大学;2011年
7 徐大宏;基于正则化方法的图像复原算法研究[D];国防科学技术大学;2009年
8 陶小平;基于光学成像特性的高分辨图像复原技术研究[D];浙江大学;2010年
9 卢兆林;基于偏微分方程理论的图像复原技术研究[D];中国矿业大学;2012年
10 易丽娅;图像复原的Bregman迭代正则化方法研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王勇;单幅雾天降质图像复原方法研究[D];合肥工业大学;2010年
2 尤海英;条码识别中图像复原的研究[D];南京航空航天大学;2010年
3 刘丁峰;基于改进微粒群算法的图像复原方法研究[D];中南民族大学;2010年
4 高源;正则化最小二乘结合偏微分方程的图像复原技术研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
5 蒋毅;基于四阶偏微分方程的分裂Bregman图像复原方法[D];湖南大学;2010年
6 明文华;运动模糊图像复原算法研究[D];安徽大学;2004年
7 潘树国;磁粉探伤系统散焦图像复原暨DSP微裂纹图像识别系统的研究[D];河海大学;2004年
8 戢玲玲;基于PDE方法的图像复原算法研究[D];武汉科技大学;2010年
9 屈晓;基于数字技术条件下的东黑沟岩刻画图像复原研究[D];西北大学;2011年
10 曹毅;基于遗传算法的模糊图像复原方法研究[D];东北师范大学;2004年
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