图像盲恢复的算法研究

论文关键词: 图像盲恢复 现状前景

论文摘要: 当点扩展函数未知或不确知的情况下, 从观察到的退化图像中恢复原始图像的过程称为图像盲复原。近年来, 图像盲复原算法得到了广泛的研究。本文在介绍了盲图像恢复算法的现状的基础上进一步研究其的发展方向。

一、引言

图像恢复是图像处理中的一大领域,有着广泛的应用,正成为当前研究的热点。图像恢复的主要目的是使退化图像经过一定的加工处理,去掉退化因素,以最大的保真度恢复成原来的图像。传统的图像恢复假设图像的降质模型是己知的。而许多情况下,图像的降质模型未知或具有较少的先验知识,必须进行所谓的盲恢复。其重要性和艰巨性而成为一个研究热点。目前所能获取的观测图像是真实图像经过观测系统成像的结果。由于观测系统本身物理特性的限制,同时受观测环境的影响,观测图像和真实图像之间不可避免地存在着偏差和失真,称观测系统对真实图像产生了降质。图像恢复的目的就是根据降质的观测图像分析和计算得出真实图像。

二、图像盲恢复算法的现状

总体来说, 图像盲复原方法主要分为以下两类: 一是首先利用真实图像的特别特征估计PSF,然后借助估计得到的PSF,采用经典的图像复原方法进行图像的复原。这类方法将PSF的估计与图像的复原过程分为2个不同的过程,因而具有较少计算量的特点;二是PSF辨识和真实图像估计相结合,同时辨识PSF和真实图像。这类算法较为复杂,计算量较大。另外,对于点扩展函数也考虑了空间变化的复杂情况。针对目前的盲复原算法的现状,根据退化模型的特点, 重新将算法分为空间不变的单通道盲复原算法、空间不变多通道盲复原算法和空间变化图像盲复原算法3类。

(一)单通道空间不变图像盲复原算法

在这类算法中, 最为常用的是参数法和迭代法。

1)参数法。所谓参数法, 即模型参数法, 就是将PSF和真实图像用某一类模型加以描述, 但模型的参数需要进行辨识。在参数法中, 典型的有先验模糊辨识法和ARMA 参数估计法, 前者先辨识PSF的模型参数,后辨识真实图像, 属于第1 种类型的图像盲复原算法, 因而计算量较小;后者同时辨识PSF和真实图像模型参数, 属于第2种类型图像盲复原算法。

2)迭代法。所谓的迭代法, 不是通过建立模型而是通过算法的迭代过程, 加上有关真实图像和PSF的约束来同时辨识PSF和真实图像的方法。迭代法是单通道

图像盲复原算法中应用最广泛的一类算法, 它不需建立模型, 也不要求PSF 为最小相位系统, 因而跟实际更为接近。在这类算法中, 迭代盲复原算法(IBD), 基于非负性和决策域的递归逆滤波器算法(NAR2R IF) ,基于高阶统计特性的最小

熵算法等最为典型。

(二)多通道二维图像盲复原

多通道二维图像盲复原, 这类方法将数字通讯领域应用的一维多通道盲原分离算法扩展到二维情况并用于图像的盲恢复。这类算法中有两种代数方法, 一种是先辨识模糊函数, 再采用常规的恢复算法进行复原;另一种是直接对逆滤波器进行估计。此类算法的优点在于不需对初始图像进行估计, 也不存在稳定性和收敛性问题,对图像以及模糊函数的约束是松弛的,算法具有一般性。但是第1种算法要求采用复原算法具有收敛性;第2种算法对噪声敏感。

(三)空间改变的图像盲复原方法

在许多实际的应用中, 模糊往往是空间变化的,但由于处理工作的难度, 目前的研究较少,基本有相关转换恢复和直接法两类。

相关转换恢复的基本思想是区域分割, 即将整幅图像分为若干局部区域, 然后假设在各个局部区域模糊是空间不变的, 利用空间不变的图像复原有关算法进行复原。这类方法都是基于窗口的模糊辨识技术, 图像的估计取决于窗口的大小, 由于模糊参数是连续变化的, 在范围较大时空间不变的假设是不成立的, 因而模糊的估计精度较差, 而且这种方法只能针对部分空间变化的模糊进行处理, 缺乏通用性; 其次在区域的边上存在振铃现象。

直接法的基本思想是直接对图像进行处理。如采用简化的二维递推卡尔曼滤波器进行图像模型和模糊模型的直接转换方法, 其缺点是只能针对有限的模型, 而且模型数增加, 计算量会显着增大;采用共轭梯度迭代算法, 但只见到一个31×31 的文本图像处理的结果报道,对于大图像处理效果尚需进一步的研究;将空间变化图像系统建立成马尔苛夫随机模型,对复原过程,采用模拟退火算法进行最大后验估计的方法,这种方法避免了图像的窗口化, 并能克服模糊参数不连续性造成的影响,但这种方法只能局限于将模糊过程建立成单参数的马尔苛夫随机模型的情况,而且计算量也较大。

三、图像盲恢复的应用前景

(1)现有算法的改进以及新的算法研究。现有各种算法还存在许多不足,有必要对算法进一步改进。如IBD算法中, 如何选择初始条件才能保证算法的收敛;如何选择算法终止条件才能保证恢复的质量; 如何选择滤波器中的噪声参数才能减少噪声的影响。又如NAR2R IF算法中, 如何进一步解决噪声敏感问题,支持域的确定以及如何将算法扩展到非均匀背景的情况等。提出新的算法更好地解决图像盲复原问题, 也是今后研究的热点。

(2)基于非线性退化模型的图像盲复原算法。在实际应用中,严格来讲,所有的退化模型都是非线性的。对模型采用线性化的方法进行近似处理,虽然算法简单,但对非线性严重的情况处理效果并不理想。基于多项式以及神经网络两种参数模型处理非线性信号盲分离算法,算法扩展到二维图像情况需要进一步研究。研究基于非线性退化模型的图像盲复原算法也是下一步研究方向之一。

(3)去噪处理算法研究。加性噪声的存在,使图像的复原问题变成了一个病态问题,而且由于一般假设只知道噪声的统计特性,因此要从退化图像中完全去除噪声是不可能的。另外,由于噪声的存在,恢复的效果并不理想,结合降噪的图像盲恢复的算法研究有很现实的意义,这方面也进行了部分工作。为克服噪声的影响,一般采用先进行降噪,后进行复原;二是将降噪和复原同时进行这两类方法。目前,大多数算法中将噪声描述成高斯噪声进行研究, 在实际应用时有较大局限性。对于非高斯情况的研究采用基于噪声的高阶统计特性的去噪算法研究也是很重要的研究方向,也可采用其他类型的方法进行降噪,利用自组织映射的非线性独立组件分析方法进行图像降噪处理算法。

(4)实时处理算法。算法的的复杂性是制约算法应用的一个重要方面。可采用正则化的离散周期Radon变换的方法将二维的卷积转化为一维进行处理,以提高算法的速度;也可采用神经网络的实时处理算法。算法的实时性是算法实际应用的先决条件。

(5)应用研究。算法的应用是推动算法研究的动力。虽然图像盲复原算法在天文学、医学、遥感等方面获得了较大的应用, 但将算法应用到一般的工业图像实时检测、机器视觉、网络环境下的图像传输恢复、刑事侦破等方面还有大量的工作要做。

参考文献:

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