一种基于分析稀疏表示的图像重建算法

TV-Wavelet-L1（TVWL1）模型因包含全变分（Total-variation,TV）和小波正则化约束,具有较强的图像重建能力。而传统求解TVWL1模型的算法往往忽略了综合/分析稀疏表示方法的方式。本文提出了一个新的求解TVWL1模型的图像重建算法,该算法把图像重建问题分解为几个子问题并交替求解,利用分析稀疏表示特性构建子问题的求解算法。实验结果表明,与已有算法相比,本文提出的算法可以提高重建图像主客观质量。     

自适应加权全变分的低剂量CT统计迭代算法

针对低剂量计算机断层扫描（LDCT）重建图像时出现条形伪影和脉冲噪声的现象,提出一种自适应加权全变分的LDCT统计迭代重建算法。该算法克服了传统全变分（TV）算法在去除条形伪影的同时引入阶梯效应的缺点,把基于加权方差的加权因子与TV模型相结合提出自适应加权全变分模型,然后再把新模型应用到惩罚加权最小二乘（PWLS）重建算法中,这样就可以对图像的不同区域进行不同强度的去噪,从而取得噪声抑制和边缘保持的良好效果。采用Shepp-Logan模型和数字骨盆体模来验证算法的有效性,实验结果表明,所提算法的归一化均方距离和归一化平均绝对距离均比滤波反投影（FBP）、PWLS、惩罚加权最小二乘的中值先验（PWLS-MP）以及惩罚加权最小二乘的全变分（PWLS-TV）算法的值小,且可分别获得40.91 dB和42.25 dB的峰值信噪比。实验结果表明,该算法重建出的图像在有效去除条形伪影的同时对图像的边缘和细节起到很好的保护作用。     

基于交叠组合稀疏高阶全变分的图像复原

针对传统全变分进行扩展,提出了一种高阶全变分结合交叠组合稀疏的新算法,将像素级别梯度信息推广为高阶交叠组合稀疏梯度信息,更好地抑制了因全变分产生的阶梯效应并保存了图像边缘等细节信息。为了解决提出的图像复原新算法的优化问题,采用交替方向乘子算法（ADMM）来交替求解优化问题。将提出的新算法与其他几种相关算法相比,并用峰值信噪比（PSNR）和结构相似性（SSIM）两个评价指标来评价图像复原后的质量,从而论证了新算法的优越性。     

自适应步长非局部全变分约束迭代图像重建算法

针对计算机断层成像（CT）系统中,全变分（TV）迭代约束模型易于产生阶梯效应以及不能很好地保存图像中精细结构的问题,提出一种自适应步长的非局部全变分（NLTV）约束迭代重建算法。考虑到NLTV模型能较好保存和恢复图像细节以及纹理的特点,首先将CT模型当成在满足投影数据的保真项的解集中寻找满足特定正则项即NLTV最小化的解约束优化模型;然后,使用代数重建（ART）算法和分离布雷格曼（SB）来确保重建结果满足数据保真项和正则化项的约束;最后,以自适应最速下降-投影到凸集（ASD-POCS）算法作为基础迭代框架来重建图像。实验结果表明,在不含噪声的稀疏重建条件下,提出的算法使用30个角度的投影数据已经可以重建出理想的结果。在含噪稀疏数据重建实验中,该算法在30次迭代时已得到接近最终收敛的结果,且均方根误差（RMSE）是ASD-POCS算法的2.5倍。该重建算法能在稀疏投影数据下重建出精确的结果图像,同时改善了TV迭代模型的细节重建能力,且对噪声有一定的抑制作用。     

基于双树复小波的图像修复

小波变换技术已被广泛应用于图像修复领域,但其在图像修复过程中出现的边缘部分模糊或不连接的情况成为了一个难点。针对此问题,提出了基于双树复小波变换的图像修复算法。该算法使用双树复小波变换对破损图像进行多尺度和多方向的分解,对各个高频方向子带使用全变分(Total Variation,TV)模型进行快速修复,各个低频分量使用改进了的曲率驱动扩散(Curvature-Driven-Diffusions,CCD)模型进行迭代修复,最后通过小波逆变换得到最终的修复图像。实验结果表明,该方法很好地推广了双树复小波变换在图像修复领域中的应用,并且在图像纹理的修复以及在结构部分的填充都有较好的效果。     

去除阶梯效应的[TV+H1+H0]变分分解模型

针对基于全变分（Total Variation,TV）极小的变分分解中,结构分量中容易出现阶梯现象而降低图像视觉效果的缺点,提出了一个去除阶梯效应的[TV+H1+H0]变分分解模型。新模型分别采用TV刻画结构分量的分片常值,采用[H1]半范数刻画分片光滑,则图像结构被看成是TV分量与[H1]分量之和。由于新的结构中包含了分片光滑的[H1]分量,所以可以一定程度去除阶梯现象。理论证明了模型的解的非平凡性,并且采用交替迭代算法对模型进行了数值求解。实验中以噪声人造图像和自然图像为实验对象,将分解模型应用到图像去噪,相对于经典的ROF模型和PVD模型,新模型取得了明显的优势。     

基于Bregman迭代的CT图像重建算法

针对大规模集成电路领域CT重建图像的特点,提出TV约束条件下采用l1范数作正则项的重建模型,并给出了基于Bregman迭代的模型求解算法.算法分为两步: 1)采用Bregman迭代求解图像的l1范数作为正则项,误差的加权l2范数作为保真项的约束极值问题;2) 采用TV约束对1)中得到的重建图像进行修正.算法对TV约束条件下采用l1作正则项的重建模型分开求解,降低了算法的复杂度,加快了收敛速度.算法在稀疏投影数据下可以快速重建CT图像且质量较好.本文采用经典的Shepp-Logan图像进行仿真实验并对实际得到的电路板投影数据进行重建,结果表明该算法可满足重建质量要求且重建速度有较大提升.     

结合网函数插值与TV模型的图像修复算法

TV（Total Variation）模型用于图像修复时没有考虑缺损区域的方向信息,并且存在收敛速度缓慢以及修复质量较低等问题.针对图像上方向特征明显的条状缺损区域,提出带方向的TV图像修复算法（ADTV）.该算法分别针对4种方向（0度、45度、90度、135度）对TV算法离散格式进行改进,并引入方向判断,将缺损区域归类到此4种方向进行修复.实验结果表明,该算法充分利用了条状缺损区域的方向信息,有效提高了图像修复质量.为提高修复效率,将网函数插值分别与TV算法、ADTV算法相结合提出Net-TV算法、Net-ADTV算法.实验结果表明,结合算法不但有效减少了迭代次数,降低了时间成本,加快了收敛速度,而且提高了图像修复效果.     

面向全变分图像复原的增广拉格朗日方法综述

图像复原旨在根据退化图像重建高品质原始图像,其复原的质量和速度问题一直都是图像处理领域研究的重要方向。由于其图像边缘保持特性,全变分（TV）最小化模型在图像复原领域取得了很大的成功。然而,全变分图像复原是一个典型的非光滑优化问题,需要发展相应的快速优化算法,而增广拉格朗日方法（ALM）则是近年来发展起来的一类代表性方法。结合相关进展,综述了全变分图像复原模型,变量分裂（VS）法和典型ALM算法,并通过实验从CPU运行时间、峰值信噪比（PSNR）和品质评价等方面分析了不同的变量分裂和ALM方法对图像复原性能的影响。     

图像修补的优化变换方法

采用整体变分(TV)模型修补图像,提出一种图像修补的优化变换方法.引入一个辅助变量,利用优化变换,将TV模型中单变量函数的优化问题转化为等效双变量函数的优化问题,并利用交替迭代最小化算法和Chambolle's投影算法求解模型.实验结果表明,与采用梯度下降法的TV模型算法相比,该方法的图像修补效率和修补效果较优.     

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。     

A fast implementation algorithm of TV inpainting model based on operator splitting method

In this paper, we propose a fast algorithm to solve the well known total variation (TV) inpainting model. Classically, the Euler-Lagrange equation deduced from TV inpainting model is solved by the gradient descent method and discretized by an explicit scheme, which produces a slow inpainting process. Sometimes an implicit scheme is also used to tackle the problem. Although the implicit scheme is several times faster than the explicit one, it is still too slow in many practical applications. In this paper, we propose to use an operator splitting method by adding new variables in the Euler-Lagrange equation of TV inpainting model such that the equation is split into a few very simple subproblems. Then we solve these subproblems by an alternate iteration. Numerically, the proposed algorithm is very easy to implement. In the numerical experiments, we mainly compare our algorithm with the existing implicit TV inpainting algorithms. It is shown that our algorithm is about ten to twenty times faster than the implicit TV inpainting algorithms with similar inpainting quality. The comparison of our algorithm with harmonic inpainting algorithm also shows some advantages and disadvantages of the TV inpainting model.     

改进的TV模型图像修复算法

分析了基于整体变分(total variation,TV)模型的图像修复算法,TV模型修复算法只使用各向异性扩散,TV模型各向异性扩散仅向图像边缘方向扩散,容易在平滑区域引入阶梯效应.提出了一种改进的图像修复算法,该算法同时结合了各向同性和各向异性扩散,利用区域频率差异实现了在不同的区域使用不同的迭代方程,有效避免了原始算法引入的阶梯效应,同时在平滑区域提高了迭代效率.Matlab环境下的仿真结果表明,改进算法的修复效果和峰值信噪比的计算结果均明显优于原始算法.     

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。     

基于图的数字全变差模型及其带噪图像任意精度放大

分析了利用Sobolev空间Tikhonov正则化模型对带噪图像进行放大的不足，基于图像的修复模型，提出带噪图像放大的数字全变差模型．利用有向图构造出兼顾噪声去除和图像放大的数字TV滤波器，并利用该滤波器提出一种新颖的图像放大算法．作为算法对比，利用Sobolev空间Tikhonor正则化模型，提出相对应的数字Tikhonov放大算法．结果表明：数字TV放大算法明显优于数字Tikhonov放大算法，不仅较好地抑制了噪声的影响，而且使得任意精度放大的图像边缘清晰、过渡自然，特别适合于目标边缘明显的一类非纹理的医学图像的放大。     

基于总体变分修复模型的图像编码

依据总体变分（TV）模型修复图像的特征,提出了一种新型有效的图像编码方法。在图像的编码端,先提取图像的边缘信息,再利用数学形态学对图像中较大平滑区域进行形状滤波分割,要求压缩编码的区域仅是边缘扩展的邻域和分割出的目标区域,从而大大减少了需要编码的信息量。在图像的解码端,采用总体变分模型对编码后的图像进行修复解码。实验结果表明,在较少编码信息量的情况下,能得到很好的重建视觉效果。     

结合纹理结构的分数阶TV模型的图像修复

目的 TV（total variation）模型在图像修复时易导致图像中具有弱导数性质的纹理和边缘细节等信息变得模糊,为了克服该缺陷,分数阶微分被引入到TV模型中,但传统的分数阶TV模型对弱边缘和弱纹理等细节信息的保持仍不够理想,并且没有充分利用图像已知区域的先验信息,修复精度仍有待提高。方法 针对该问题,提出结合纹理结构信息和分数阶TV模型的图像修复算法。改进的模型在分数阶TV模型求解时,在梯度计算过程中增加了一个极小值,克服了正则项和数据项在零点处的不可微,从而增加了模型的稳定性。再则改进的模型根据图像已知区域的先验信息确定待修复区域的纹理方向,从而更好地保持了图像中的纹理细节和弱边缘信息。结果 将本文算法与3种修复效果较好的算法进行对比,采用客观评价指标：均方差（MSE）、峰值信噪比（PSNR）和差值图像进行评价,实验结果表明本文算法在不同的纹理图像修复中均取得较好的效果,如对标准图像库中的Barbara和Lena图像以及岩石图像进行修复后,与原始TV模型相比,它们的峰值信噪比分别提高5.94%、8.07%和3.85%,灰度均方差分别降低48.66%、65.89%和35%;与分数阶TV模型相比,它们的峰值信噪比分别提高4.17%、8.59%和1.81%,灰度均方差分别降低37.90%、68.00%和18.68%。结论 提出的模型相对于原始的TV模型和分数阶TV模型,均能有效地提高图像修复的精度,适合于包含较多弱纹理和弱边缘信息的图像修复,该模型是TV模型的重要延伸和推广。     

基于内容自适应的唐墓室壁画修复算法

为了解决基于样本图像修复算法时间复杂度高的缺点,结合唐墓室壁画的特点,提出了一种基于内容自适应的唐墓室壁画修复算法。该算法通过分析图像局部梯度变化将受损区域分为平坦区域和纹理区域,对于纹理区域采用改进的基于样本图像修复算法进行修复,而对平坦区域采用改进的基于快速行进算法（FMM）进行填充,最后提出自适应修补算法。实验结果表明,该算法在保证图像修复质量的同时提高了算法的效率。