自适应残差图像的分数阶全变分去噪算法

目的 全变分（TV）去噪模型具有较好的去噪效果,但对于图像的弱边缘和纹理细节的保持不够理想。自适应分数阶全变分（AFTV）模型根据图像局部信息,区分图像的纹理区域和非纹理区域,自适应计算投影算法中的软阈值,可较好地保持图像的弱边缘和纹理细节,但该方法当噪声增大时“阶梯”效应比较明显,弱边缘和纹理细节保持效果不够理想。针对该问题,提出一种改进的分数阶全变分去噪算法。方法 该算法在计算残差图像时,用分数阶全变分模型替代整数一阶全变分模型,并根据较精确的残差图像的局部方差区分图像纹理区域和平坦区域,使保真项参数的自适应选取更加合理,提高了算法的去噪性能。结果 针对3种不同类型的噪声图像,将本文模型与TV模型和AFTV模型进行对比实验,并采用峰值信噪比（PSNR）和结构相似性（SSIM）评定去噪效果和纹理保持能力。对于高斯噪声图像,本文算法在PSNR方面比TV模型和AFTV模型分别可平均提高2.72 dB和1.38 dB,SSIM分别可平均提高0.047和0.020。对于椒盐噪声图像,本文算法结合中值滤波算法在PSNR和SSIM方面比传统中值滤波算法分别可平均提高1.308 dB和0.011。对于泊松噪声图像,本文算法在PSNR、SSIM方面与AFTV较接近,比TV分别可提高1.59 dB和0.005。结论 通过对添加不同类型的噪声图像进行实验,结果表明提出的算法在去噪性能上与TV和AFTV相比均有较大提高,尤其对于噪声较大的图像效果更为显著,在去噪效率上与AFTV的时间复杂度相当,时耗接近略有降低。且本文算法普适性较好,能有效去除多种典型类型的噪声。     

结合分数阶微分和Canny算子的边缘检测

目的 传统的边缘检测算法对于具有分形结构等复杂纹理的图像和弱边缘图像检测精度较低。方法 针对该问题,将Grünwald-Letnikov（G-L）分数阶微分引入到Canny算子中,设计了一种新的基于G-L定义的分数阶微分掩模,在分数阶阶次的选取上更灵活（阶次可取正数和负数）,分析了分数阶微分掩模中的参数与边缘检测精度之间的关系,并引用了3种评价指标来评定算法的性能。结果 将G-L分数阶梯度代替Canny中传统的梯度算子,不但可以增强图像的细节信息,而且可以增强灰度均匀和弱纹理区域的梯度信息,从而提高了边缘检测的精度和稳定性;设计了一种新的基于G-L定义的分数阶微分掩模,该掩模在分数阶阶次的选取上更灵活,具有差分方向可调性,其应用范围更广;并通过实验给出了边缘检测精度与模板参数之间的关系,从而为最佳模板参数的选取提供了依据。用综合图像和真实图像进行了实验,并与传统的5种边缘检测算子和3种基于分数阶微分的边缘检测算法进行比较,从检测精度,检测效率和抗噪性能3方面验证本文算法性能,大量的实验结果表明,本文算法在检测精度,检测效率和抗躁性能方面都有较大的提升。结论 理论分析和实验结果均表明,该算法可用于检测图像中的纹理细节和弱边缘,且检测精度和稳定性都有明显的提高,本文算法是Canny算法应用的一个重要延伸。     

结合分数阶微分和图像局部信息的CV模型

目的 由于CV模型仅利用了图像的全局信息,其对灰度不均匀图像的分割效果不理想,同时在分割弱边缘和弱纹理图像时,优化易陷入局部最优从而导致分割效率低下,且对初始位置的选择较为敏感。针对这些问题,提出一种结合分数阶微分和图像局部信息的CV模型。方法 首先将分数阶梯度信息融入图像的局部信息中,用来替代CV模型的整数阶全局信息,并建立自适应计算分数阶最佳阶次的数学模型,然后在模型中加入符号距离的约束项。结果 一方面,用局部信息代替全局信息,可以在一定程度上解决CV模型对灰度不均匀图像分割效果不理想的问题。另一方面,将Grünwald-Letnikov分数阶梯度信息融合到局部信息中,当分数阶阶次0 < α < 1时,增加了图像灰度不均匀、弱边缘、弱纹理区域的梯度信息,从而增加了演化驱动力避免演化曲线陷入局部最优,有效地解决了图像因灰度变化不大导致演化曲线驱动力小的问题,在一定程度上解决了模型对初始轮廓位置选择和对噪声敏感的问题。同时为了解决人工选取最佳分数阶阶次费时费力的问题,根据图像的梯度模值和信息熵建立计算分数阶最佳阶次的数学模型,将此自适应分数阶模型应用到算法之中,以自适应确定最佳分数阶阶次。此外,为了避免模型的重新初始化,在模型中加入符号距离的约束项,从而提高了曲线的演化效率。结论 理论分析和实验结果均表明,该算法能够较好地分割灰度不均匀、弱边缘和弱纹理区域的图像,并能根据图像特征自适应确定最佳分数阶阶次,提高了分割精度和分割效率,且对初始轮廓位置选择及噪声均具有一定的鲁棒性。     

稳定场图像重建中的传递函数研究

目的 针对2维图像重建（或修复）的准确性和效率问题,以传递函数为核心并提出相关重建算法。方法 在图像局部纹理稳定场模型的基础上,针对每一个缺损像素点,考虑其周围已知区域的像素点都对它进行能量传递,且在重建过程中首先将能量传递到最近邻域内,由此构造传递函数并引入标量场的二阶泰勒展开来完成,最终依据最近邻域内的能量值,以插值完成重建。结果 采用重新构造的传递函数并结合不同的插值方法分别对缺损的几何图形、灰度图像及彩色图像进行重建,结果与图像场方向导数的局部区域重建算法、典型的CDD（curvature driven diffusion）、BSCB（Bertalmio Sapiro Caselles Ballester）、TV（total variation）重建算法相比,重建准确率分别提高了6%、10%、15%、13%,峰值信噪比（PSNR）分别提高了2 dB、1 dB、3 dB、2.5 dB,并且图像缺损边缘及纹理细节的重建更加清晰。结论 对2维图像重建的传递函数的研究及所提出的相关重建算法,对于不同类型图像不同程度的缺损,以保持较好的整体视觉效果和重建效率为前提,较大地提高了重建准确性和PSNR,尤其在图像缺损区域边缘及纹理细节的重建上表现出色。     

小波变换与纹理合成相结合的图像修复

目的 为了克服传统的图像修复算法在结构和纹理边界的错误修复,利用小波变换域的系数特征,探讨了一种基于小波变换与纹理合成相结合的修复算法。方法 算法先利用小波变换将待修复图像分解成具有不同分辨率的低频子图和高频子图,然后根据不同子图各自的特征分别进行修复。对代表图像结构信息的低频子图,采用FMM(fast marching method)算法进行修复;对代表图像纹理信息的高频子图,根据各子图中小波系数的特征,利用纹理合成方法进行修复。结果 分层、分类修复方法对边缘破损具有良好的修复效果,其峰值信噪比相比于传统算法提高了1~2 dB。结论 与相关算法相比,本文算法的综合修复能力较好,可以有效修复具有较强边缘和丰富纹理的破损图像,尤其对破损自然图像的修复,修复后图像质量得到较大提升,修复效果更符合人眼视觉效应。     

分数阶微分的婴幼儿脑MR图像增强算法

目的 由于传统的分数阶微分算法本质是提高相邻像素点的灰度差,达到增强对比度的作用,但是同时会放大和产生噪声,这容易使婴幼儿脑MR图像的增强效果有限或过增强。为了解决上述问题,提出一种融合非局部均值信息的自适应分数阶微分的婴幼儿脑MR图像增强算法。方法 用平均梯度和大津算法自适应确定分数阶阶数,融合纹理粗糙度确定初始的分数阶阶数。为了进一步抵制噪声等干扰,利用更大邻域的纹理信息,融入非局部思想确定分数阶微分的阶数。最后用最终的分数阶阶数对图像进行滤波,得到最终的增强图像。结果 实验通过信息熵、平均梯度和空间频率指标统计结果证明本文算法具有优越的图像增强性能。信息熵指标能够高出对比算法0.2%~12%,平均梯度指标能够高出对比算法5%~59%,空间频率指标能够高出对比算法6%~59%。结论 本文算法可以在增强纹理细节及抑制分数阶微分引入噪声方面都取得较好的效果。本文算法也适用于普通的模糊图像,具有良好的应用背景。     

基于分数阶微积分的噪声检测和图像去噪

目的 提出一种利用分数阶微分梯度检测图像中的噪声点,并用于改进基于分数阶积分的图像去噪算法性能的算法。方法 该算法首先使用不同方向的分数阶微分梯度模板与含噪声图像进行卷积,计算出图像在不同方向上的分数阶微分梯度,依据预先设定的阈值获得不同方向的分数阶微分梯度检测图,将在所有选定方向上梯度都发生跳变的像素点判定为噪声点;然后只对被检测出的噪声点,在8个方向上进行分数阶积分运算完成去噪处理。结果 通过在人工图像中分别添加高斯噪声和椒盐噪声以及在自然图像中分别添加高斯噪声和椒盐噪声的去噪对比实验得出相同结论,即只对图像中检测出的噪声点使用分数阶积分运算进行去噪有更好的去噪性能,获得了更好的视觉效果和更高的峰值信噪比。结论 实验结果表明,基于分数阶微分梯度的噪声检测算法对解决图像去噪和保留图像纹理细节之间的矛盾有所帮助。随着对基于分数阶微分梯度噪声检测方法研究的深入,对图像中噪声检测的准确度会进一步提高,这将提供一种用于改进目前去噪算法性能的研究方向。     

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。     

自适应多尺度分块压缩感知算法

目的 基于小波域的多尺度分块压缩感知重构算法忽略了高频信号在重构过程中的作用,丢失了大量的边缘与细节信息。针对上述问题,提出一种自适应多尺度分块压缩感知算法,不仅合理利用低频信息还充分利用图像的高频信息,在图像细节复杂度提高的情况下保证图像重构质量的提高。方法 首先进行3层小波变换,得到一个低频信号和9个高频信号,分别进行小波逆变换后分成大小相同互不重叠的块,对低频部分采用2维邻块边缘自适应加权滤波的方法进行处理,对高频部分采用纹理自适应分块采样,最后利用平滑投影Landweber（SPL）算法对其进行重构。结果 与已有的分块压缩感知算法、基于边缘和方向的分块压缩感知算法和基于纹理和方向的分块压缩感知算法相比,本文算法在不同的采样率下,性能均有所提升,代表细节信息的高频信号得到充分重建,改进的算法所得到的重建图像具有较高的分辨率,尤其对细节较为丰富的图像进行重建后具有较高的峰值信噪比;2维邻块边缘自适应加权滤波有效的去除了重建图像的块效应,且重建时间平均减少了0.3 s。结论 将三层小波变换后的高频分量作为纹理部分,利用自适应多尺度分块重建出图像的轮廓与边缘;将低频分量直接视为平坦部分,邻块边缘自适应加权滤波重建出图像细节,不仅充分利用了图像的高低频信息,还减少了平坦块检测过程,使得重建时间有效缩短。经实验验证,本文算法重建图像质量较好,尤其是对复杂图像明显消除了块效应,边缘和纹理细节较清晰。因此主要适用于纹理细节较复杂的人脸图像、建筑图像和遥感图像等。     

划痕图像的连分式插值修补算法

目的 图像修复在图像处理中起着举足轻重的地位,针对目前大部分图像修补算法在修复划痕时存在纹理修复不够突出的缺陷,提出了两种基于连分式插值的修补算法,可以较好保持图像纹理的特性。方法 该算法基于连分式插值理论,采用图像破损点周围像素信息来插值出破损点的像素值。根据插值函数和插值窗口的不同,提出了两种插值方法,即Thiele型修补算法与Newton-Thiele型修补算法,解决不同纹理类型图像的划痕修补问题,并对插值过程中出现的奇异点问题和平移问题提出了行之有效的解决办法。结果 对大量的划痕图像进行实验测试,并通过主观评价和客观评价进行评估。客观评价包括峰值信噪比（PSNR）和运行时间的比较。相对于目前流行的一些修补方法来说,本文算法有更好的视觉效果,更高的峰值信噪比和更短的运行时间,峰值信噪比为44.79 dB,运行时间为0.53 s。结论 Thiele型修补算法更加擅长处理纹理垂直于划痕的图像,而Newton-Thiele型修补算法适用于复杂纹理的图像。     

基于自适应分数阶的医学图像非刚性配准

现有的医学图像配准算法对于灰度均匀、弱边缘以及弱纹理图像易陷入局部最优从而导致配准精度低下、收敛速度缓慢. 分数阶主动Demons (Fractional active Demons, FAD)算法是解决该问题的有效方法, 并且适用于图像的非刚性配准. 但FAD中的最佳分数阶阶次是人工交互选取, 并且对整幅图像都是固定不变的. 为了解决该问题, 提出一种阶次自适应的主动Demons算法并将其应用到医学图像的非刚性配准中. 算法首先根据图像的局部特征建立分数阶阶次自适应的数学模型, 并逐像素计算最优阶次, 基于该阶次构造Riemann-Liouvill (R-L)分数阶微分动态模板; 然后将自适应R-L分数阶微分引入到Active Demons算法, 在一定程度上缓解了图像配准在弱边缘和弱纹理区域易陷入局部最优问题, 从而提高了配准精度. 通过在两个医学图像库上进行实验验证, 实验结果表明该方法可以处理灰度均匀、弱纹理和弱边缘的医学图像非刚性配准, 配准精度得到较大提升.     

采用TV及纹理合成技术的分层图像修复

整体变分（TV）模型在图像修复中能够保持图像的边缘且数值实现方便,但在图像修复中对于人类视觉连通性的处理还有所不足。根据图像遗失或者损坏的不同类型,针对TV、CDD模型在图像修复中存在的问题,提出了一种结合TV、CDD模型及基于块的纹理合成算法的分层图像修复算法。实验结果表明,这种分层修复的方法在图像的结构修复和纹理修复两方面实现了较好的统一,而且在较大区域图像修复上表现出良好的效果。     

基于图像分解的图像修复技术

针对整体变分(TV)图像修复模型缺点,提出基于图像分解的修复模型。采用图像分解技术,提取图像的结构信息和纹理信息。将图像结构部分用基于TV的改进模型进行修复,避免TV模型在平滑区域产生阶梯效应。在迭代过程中,对图像的特征点与非特征点分别考虑,确保在修复过程中特征点不被模糊化,图像纹理部分采用改进的基于样本修复技术。Matlab仿真实验结果表明,改进算法的修复效果和峰值信噪比计算结果优于原始算法。     

偏微分方程约束下基于动态大小模块的图像修复模型

提出一种保持图像线性特征和纹理信息、并能应用于存在较大规模缺失信息区域的图像修复模型.该模型根据图像局部纹理特征强度动态地选择匹配模块的大小,使用切向等照度线强度数据项约束修复顺序.几何特征作用下的切向等照度线偏微分方程在边缘宽度约束下扩散,具有很好的线性特征保持性能;它具有形态学不变性,可以真实地修复自然场景图像.根据基于模块的修复模型的特点,使用欧氏距离作为模块相似度测量函数.针对模型引起的模块接缝效应,使用散度约束下总体变分插值法对修复结果进行无接缝效应处理,使得最终结果平滑.理论和实验证明了该模型在图像修复中的有效性.     

划分特征子区域的图像修复算法

为了解决含有丰富纹理信息和复杂结构信息的大破损区域中的缺失信息修复的问题,提出了一种划分特征子区域的图像修复算法。首先,根据图像中包含的不同特征,运用特征公式进行特征提取,再通过统计特征值划分特征子区域,提高了图像修复的速度;其次,在原Criminisi算法的基础上改进了优先级的计算,通过增大结构项的影响,避免结构断裂的产生;然后,通过目标块和其最佳邻域相似块共同约束样本块的选取,确定最佳样本块集;最后,利用权值分配法合成最佳样本块。实验结果表明,所提算法相比原Criminisi算法,其峰值信噪比（PSNR）提升了2~3 dB,相比基于稀疏表示的块优先权值计算的算法,其修复效率有明显的提高。所提算法不但适用于一般小尺度的破损图像的修复,而且对于含有丰富纹理信息和复杂结构信息的大破损图像的修复效果也更佳,并且修复后的图像更加符合人们视觉上的连通性。     

融合边缘检测和自注意力的图像修复方法

针对修复后图像边界模糊、图像纹理不清晰、视觉效果差的问题,提出了一种融合边缘检测和自注意力机制的生成式对抗修复模型.通过边缘检测可提取出图像的轮廓信息,避免了修复后边界模糊的问题;利用自注意力机制能够捕获图像全局信息并生成图像精确细节的能力,设计出融合自注意力机制的纹理修复网络.该模型由边缘补全网络和纹理修复网络组成,首先,设计的边缘补全网络对受损图像的边缘进行补全,得到边缘补全图像;其次,利用纹理修复网络联合补全的边缘图像对缺失区域的纹理进行精确修复.在CelebA和Place2两个图像数据集上对本文所建模型进行了训练和测试.实验结果表明:本文所建模型与现有图像修复方法相比,大幅提高了图像修复的精确度,且生成的图像更加逼真.     

An approach for security of color image data in coordinate,geometric, and frequency domains

ABSTRACT

This article presents a novel cryptosystem for secure transmission of color images through a coordinate cryptosystem as well as a geometric cryptosystem with time domain and frequency domain. In this technique, we have designed image encryption and decryption by a proposed random matrix shift cipher (RMSC) associated with a discrete fractional Fourier transform (DFrFT). Our proposed random matrix shift cipher is a coordinate and geometric cryptosystem for security of color image data which is completely different from existing cryptosystems for security of any data. The combination of a random matrix shift cipher and discrete fractional Fourier transform provide a robust cryptosystem for color image data in the time domain as well as the frequency domain without loss of any information. Existing techniques provide single-layer protection of color image data, but the cryptosystem presented here gives multiple layers of protection. Computer simulation on a standard example (Lena and Barbara color images) and the result are support for the robustness and appropriateness of the proposed cryptosystem.     

结构先验指导的文本图像修复模型

目的 图像修复是根据图像中已知内容来自动恢复丢失内容的过程。目前基于深度学习的图像修复模型在自然图像和人脸图像修复上取得了一定效果，但是鲜有对文本图像修复的研究，其中保证结构连贯和纹理一致的方法也没有关注文字本身的修复。针对这一问题，提出了一种结构先验指导的文本图像修复模型。方法 首先以Transformer为基础，构建一个结构先验重建网络，捕捉全局依赖关系重建文本骨架和边缘结构先验图像，然后提出一种新的静态到动态残差模块（static-to-dynamic residual block，StDRB），将静态特征转换到动态文本图像序列特征，并将其融合到编码器—解码器结构的修复网络中，在结构先验指导和梯度先验损失等联合损失的监督下，使修复后的文本笔划连贯，内容真实自然，达到有利于下游文本检测和识别任务的目的。结果 实验在藏文和英文两种语言的合成数据集上，与4种图像修复模型进行了比较。结果表明，本文模型在主观视觉感受上达到了较好的效果，在藏文和英文数据集上的峰值信噪比和结构相似度分别达到了42.31 dB，98.10%和39.23 dB，98.55%，使用Tesseract OCR （optical character recognition）识别修复后藏文图像中的文字的准确率达到了62.83%，使用Tesseract OCR、CRNN （convolutional recurrent neural network）以及ASTER （attentional scene text recognizer）识别修复后英文图像中的文字的准确率分别达到了85.13%，86.04%和76.71%，均优于对比模型。结论 本文提出的文本图像修复模型借鉴了图像修复方法的思想，利用文本图像中文字本身的特性，取得了更加准确的文本图像修复结果。