西蒙·塞泽尔 图像处理中的算子分裂、Bregman方法和帧收缩。 (英语) 兹比尔1235.68314 国际期刊计算。视觉。 92,第3期,265-280(2011). 摘要:我们研究了图像处理中常用变分方法算法的基本结构。这里,我们将重点介绍基于统一方法的算子分裂和Bregman方法,该方法通过不动点迭代和平均算子实现。特别是,最近提出的交替分裂Bregman方法可以从不同的角度解释为Bregman、增广拉格朗日和Douglas-Rachford分裂算法,这是一种经典的算子分裂方法。我们还研究了该方法与前向背向分裂方法在应用于两种常用的图像去噪模型时的相似性,这两种模型分别采用Besov-形式和全变分正则化项。在第一种情况下,我们证明了对于基于Parseval框架的离散化,梯度下降重投影和交替分裂Bregman算法是等价的,并且是一种框架收缩方法。对于全变分正则化子,我们还将其与多步方法进行了数值比较。 引用于60文件 MSC公司: 68平方英寸10 图像处理的计算方法 94A08型 信息与通信理论中的图像处理(压缩、重建等) 关键词:Douglas-Rachford分裂;前后向分裂;Bregman方法;增广拉格朗日方法;交替分裂Bregman算法;图像去噪 软件:RecPF公司 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{S.Setzer},国际计算杂志。视觉。92,第3号,265--280(2011;Zbl 1235.68314) 全文: 内政部 参考文献: [1] Aubin,J.P.和;Frankowska,H.(2009)。集值分析。波士顿:Birkhäuser·Zbl 1168.49014号 [2] Aujol,J.F.(2009)。基于全变分的图像恢复的一些一阶算法。数学成像与视觉杂志,34(3),307–327·Zbl 1287.94012号 ·doi:10.1007/s10851-009-0149-y [3] Barzilai,J.和;Borwein,J.M.(1988)。两点步长梯度法。IMA数值分析杂志,8141-148·Zbl 0638.65055号 ·doi:10.1093/imanum/8.1.141 [4] Bauschke,H.H.和;Borwein,J.M.(1996)。关于解决凸可行性问题的投影算法。SIAM评论,38(3),367–426·Zbl 0865.47039号 ·doi:10.1137/S0036144593251710 [5] Bechler,P.、DeVore,R.、Kamont,A.、Petrova,G.和;Wojtaszczyk,P.(2006)。贪婪的小波投影有界于BV。美国数学学会学报,359(2),619-635·Zbl 1134.42022号 ·doi:10.1090/S0002-9947-06-03903-1 [6] A.贝克;Teboulle,M.(2009年a)。线性反问题的快速迭代收缩阈值算法。SIAM成像科学杂志,2(1),183-202·兹比尔1175.94009 ·doi:10.1137/080716542 [7] A.贝克;Teboulle,M.(2009年b)。约束全变差图像去噪和去模糊的快速梯度算法。IEEE图像处理汇刊,18(11),2419-2434·Zbl 1371.94049号 ·doi:10.1109/TIP.2009.2028250 [8] Bioucas-Dias,J.和;Figueiredo,M.(2009年)。使用split-Bregman算法对斑点图像进行全变分恢复。《图像处理国际会议论文集》,ICIP 2009,埃及开罗(第3717–3720页)。纽约:IEEE。 [9] Bonnans,J.F.和;夏皮罗(2000)。Springer运筹学系列:第7卷。优化问题的摄动分析。柏林:斯普林格·Zbl 0966.49001号 [10] Borwein,J.M.和;朱庆杰(2005)。变分分析技术。纽约:斯普林格·兹比尔1076.49001 [11] Borwein,J.M.和;朱庆杰(2006)。凸分析中的变分方法。《全局优化杂志》,35(2),197-213·Zbl 1103.49005号 ·doi:10.1007/s10898-005-3835-3 [12] 布雷格曼,L.M.(1967年)。寻找凸集合公共点的松弛方法及其在凸规划问题求解中的应用。苏联计算数学和数学物理,7(3),200-217·Zbl 0186.23807号 ·doi:10.1016/0041-5553(67)90040-7 [13] 布劳德,F.E.,&;Petryshyn,W.V.(1966年)。Banach空间中非线性函数方程的迭代解法。美国数学学会公报,72571–575·Zbl 0138.08202号 ·doi:10.1090/S0002-9904-1966-11544-6 [14] Buades,A.,Coll,B.和;Morel,J.M.(2008)。非局部图像和电影去噪。国际计算机视觉杂志,76(2),123–139·Zbl 05322199号 ·doi:10.1007/s11263-007-0052-1 [15] Byrne,C.(2004)。信号处理和图像重建中一些迭代算法的统一处理。反问题,20,103–120·Zbl 1051.65067号 ·doi:10.1088/0266-5611/20/1/006 [16] Cai,J.F.、Chan,R.H.和;沈政(2008)。一种基于帧的图像修复算法。应用和计算谐波分析,24,131–149·Zbl 1135.68056号 ·doi:10.1016/j.acha.2007.10.002 [17] Cai,J.F.、Osher,S.和;沈政(2009)。分割Bregman方法和基于帧的图像恢复(技术报告)。加州大学洛杉矶分校计算与应用数学·Zbl 1189.94014号 [18] Censor,Y.,&;Lent,A.(1981年)。区间凸规划的一种迭代行操作方法。优化理论与应用杂志,34(3),321-353·Zbl 0431.49042号 ·doi:10.1007/BF00934676 [19] Censor,Y.,&;Zenios,S.A.(1992年)。具有D函数的近似最小化算法。优化理论与应用杂志,73(3),451-464·Zbl 0794.90058号 ·doi:10.1007/BF00940051 [20] Censor,Y.,&;泽尼奥斯,S.A.(1997)。并行优化:理论、算法和应用。纽约:牛津大学出版社·兹比尔0945.90064 [21] Chambolle,A.(2004)。全变差最小化算法及其应用。数学成像与视觉杂志,20(1-2),89-97·Zbl 1366.94048号 ·doi:10.1023/B:JMIV.0000011320.81911.38 [22] Chambolle,A.(2005)。总变异最小化和一类二元MRF模型。在A.Rangarajan、B.C.Vemuri和;A.L.Yuille(编辑),计算机科学讲稿:第3757卷。计算机视觉和模式识别中的能量最小化方法,EMMCVPR(第136-152页)。柏林:斯普林格。 [23] Chan,R.H.,Setzer,S.和;Steidl,G.(2008)。通过灵活的Haar-wavelet收缩进行内画。SIAM成像科学杂志,1273-293·Zbl 1187.68649号 ·doi:10.1137/070711499 [24] Cohen,A.、DeVore,R.、Petrushev,P.和;Xu,H.(1999)。非线性逼近与空间BV(\(mathbb{R}\)2)。《美国数学杂志》,121587-628·Zbl 0931.41019号 ·doi:10.1353/ajm.1999.016 [25] Combettes,P.L.(2004)。通过非扩张平均算子的合成求解单调包含。优化,53(5-6),475-504·Zbl 1153.47305号 ·doi:10.1080/02331930412331327157 [26] Combettes,P.L.和;Pesquet,J.C.(2007)。非光滑凸变分信号恢复的Douglas-Rachford分裂方法。IEEE信号处理选定主题杂志,1(4),564-574·doi:10.1109/JSTSP.2007.910264 [27] Combettes,P.L.和;Wajs,V.R.(2005)。通过近端前向背向分裂恢复信号。多尺度建模与;模拟,41168–1200·Zbl 1179.94031号 ·doi:10.1137/050626090 [28] Daubechies,I.、Han,B.、Ron,A.和;沈政(2003)。框架:基于MRA的小波框架构造。应用和计算谐波分析,14,1–46·Zbl 1035.42031号 ·doi:10.1016/S1063-5203(02)00511-0 [29] DeVore,R.A.,&;Lucier B.J.(1992)。用于接近最佳图像处理的快速小波技术。IEEE MILCOM’92 conf.rec.(第3卷,第1129-1135页)。圣地亚哥:IEEE出版社。 [30] Dong,B.和;沈政(2007)。伪样条线、小波和框架。应用和计算谐波分析,22,78–104·Zbl 1282.42035号 ·doi:10.1016/j.acha.2006.04.008 [31] Douglas,J.和;Rachford,H.H.(1956年)。关于两个和三个空间变量中热传导问题的数值解。美国数学学会学报,82(2),421-439·Zbl 0070.35401号 ·doi:10.1090/S0002-9947-1956-0084194-4 [32] Eckstein,J.(1989)。单调算子的分裂方法及其在并行优化中的应用。麻省理工学院博士论文。 [33] Eckstein,J.(1993)。使用Bregman函数的非线性近点算法,以及凸规划的应用。运筹学数学,18(1),202-226·Zbl 0807.47036号 ·doi:10.1287/门。2002年18月18日 [34] Eckstein,J.,&;Bertsekas,D.P.(1992年)。关于最大单调算子的Douglas–Rachford分裂方法和近点算法。数学规划,55293–318·Zbl 0765.90073号 ·doi:10.1007/BF01581204 [35] Ekeland,I.和;Temam,R.(1976年)。凸分析和变分问题。阿姆斯特丹:荷兰北部·Zbl 0322.90046号 [36] Esser,E.(2009)。基于拉格朗日的交替方向方法和连接在分离Bregman中的应用(技术报告)。加州大学洛杉矶分校计算与应用数学。 [37] Esser,E.,Zhang,X.,&;Chan,T.F.(2009)。电视最小化的一类一阶原对偶算法的一般框架(技术报告)。加州大学洛杉矶分校计算与应用数学。 [38] Figueiredo,M.和;Bioucas-Dias,J.(2009)。使用可变分裂和增广拉格朗日优化对泊松图像进行反褶积。在IEEE统计信号处理研讨会上。加的夫。 [39] Frick,K.(2008年)。增广拉格朗日方法和相关的演化方程。博士论文。 [40] Gabay,D.(1983年)。乘数法在变分不等式中的应用。M.Fortin和;R.Glowinski(编辑),《数学及其应用研究》:第15卷。增广拉格朗日方法:边界值问题数值解的应用(第299-331页)。阿姆斯特丹:荷兰北部。第九章。 [41] 加贝·D·;Mercier,B.(1976年)。通过有限元近似求解非线性变分问题的对偶算法。计算机和;数学与应用,2,17-40·Zbl 0352.65034号 ·doi:10.1016/0898-1221(76)90003-1 [42] Gilboa,G.和;Osher,S.(2008)。具有图像处理应用程序的非本地运算符。多尺度建模与;模拟,7(3),1005–1028·Zbl 1181.35006号 ·doi:10.1137/070698592 [43] Gilboa,G.、Darbon,J.、Osher,S.和;Chan,T.F.(2006)。图像正则化的非局部凸泛函(加州大学洛杉矶分校CAM报告06-57)。 [44] Glowinski,R.和;Marroco,A.(1975年)。“近似方法”最终确定了“秩序”和“解决方案”,“非直线狄里克雷特问题”的性质。《法国自动化评论》,Informatique,Recherche Opérationnelle Analyse Numérique,9(2),41-76·Zbl 0368.65053号 [45] Goldstein,T.和;Osher,S.(2009年)。L1正则化问题的分裂Bregman方法。SIAM成像科学杂志,2(2),323–343·Zbl 1177.65088号 ·doi:10.1137/080725891 [46] Goldstein,T.、Bresson,X.和;Osher,S.(2009年)。分裂Bregman方法的几何应用:分割和曲面重建(技术报告)。加州大学洛杉矶分校计算与应用数学·Zbl 1203.65044号 [47] Hestenes,M.R.(1969年)。乘数法和梯度法。优化理论与应用杂志,4303–320·Zbl 0174.20705号 ·doi:10.1007/BF00927673 [48] Iusem,A.N.(1999)。凸优化的增广拉格朗日方法和近点方法。《运营调查》,第8、11–49页。 [49] Kindermann,S.、Osher,S.和;Jones,P.W.(2005)。用非局部泛函对图像进行去模糊和去噪。多尺度建模&;模拟,4(4),1091-1115·Zbl 1161.68827号 ·doi:10.1137/050622249 [50] Kiwiel,K.C.(1997年)。具有广义Bregman函数的近似最小化方法。SIAM控制与优化杂志,35(4),1142-1168·兹伯利0890.65061 ·doi:10.1137/S0363012995281742 [51] Krasnoselskii,M.A.(1955年)。关于连续逼近方法的两个观察结果。Uspekhi Matematicheskikh Nauk,10123-127(俄语)。 [52] Levenberg,K.(1944年)。用最小二乘法求解某些问题的方法。应用数学季刊,2164-168·Zbl 0063.03501号 [53] 狮子、P.L.和;Mercier,B.(1979年)。两个非线性算子之和的分裂算法。SIAM数值分析杂志,16(6),964–979·Zbl 0426.6500号 ·doi:10.1137/0716071 [54] Mann,W.R.(1953年)。迭代中的平均值方法。《美国数学学会学报》,16(4),506–510·Zbl 0050.11603号 ·doi:10.1090/S0002-9939-1953-0054846-3 [55] Marquardt,D.(1963年)。非线性参数的最小二乘估计算法。SIAM应用数学杂志,11431-441·Zbl 0112.10505号 ·数字对象标识代码:10.1137/011030 [56] Moreau,J.J.(1965年)。爱斯佩斯·希尔伯蒂安(hilbertien)的Proximitéet dualitédans un espace。法国数学学会公报,93,273–299·Zbl 0136.12101号 [57] P.ázek先生;Weickert,J.(2003)。旋转不变小波收缩。在B.Michaelis&;G.Krell(编辑),模式识别(第2781卷,第156-163页)。柏林:斯普林格·Zbl 1067.68758号 [58] Nesterov,Y.E.(1983年)。一种求解收敛速度为O(1/k2)的凸规划问题的方法。苏联数学多克拉迪,27(2),372–376·Zbl 0535.90071号 [59] Nesterov,Y.E.(2005)。非光滑函数的平滑最小化。数学编程,103127-152·Zbl 1079.90102号 ·doi:10.1007/s10107-004-0552-5 [60] Opial,Z.(1967年)。非扩张映射的连续逼近序列的弱收敛性。美国数学学会公报,73591-597·兹标0179.19902 ·doi:10.1090/S0002-9904-1967-11761-0 [61] Osher,S.、Burger,M.、Goldfarb,D.、Xu,J.和;Yin,W.(2005)。基于全变分的图像复原的迭代正则化方法。多尺度建模与;模拟,4460–489·1090.94003赞比亚比索 ·doi:10.1137/040605412 [62] Passty,G.B.(1979年)。Hilbert空间中单调算子和的遍历收敛到零。数学分析与应用杂志,72,383–390·Zbl 0428.47039号 ·doi:10.1016/0022-247X(79)90234-8 [63] 鲍威尔,M.J.D.(1969)。最小化问题中非线性约束的一种方法。伦敦:学术出版社·Zbl 0194.47701号 [64] Rockafellar,R.T.(1970)。凸分析。普林斯顿:普林斯顿大学出版社·Zbl 0193.18401号 [65] Rockafellar,R.T.(1976)。增广拉格朗日算法及其在凸规划中的应用。运筹学数学,1(2),97-116·Zbl 0402.90076号 ·doi:10.1287/门1.2.97 [66] Ron,A.和;沈政(1997)。L2((mathbb{R})d)中的仿射系统:分析算子的分析。功能分析杂志,148,408–447·Zbl 0891.42018号 ·doi:10.1006/jfan.1996.3079 [67] Rudin,L.I.,Osher,S.和;Fatemi,E.(1992年)。基于非线性全变分的噪声去除算法。物理D,60,259-268·Zbl 0780.49028号 ·doi:10.1016/0167-2789(92)90242-F [68] Schäfer,H.(1957)。使用sukzessiver近似法。德国数学研究所,59,131-140·Zbl 0077.11002号 [69] Setzer,S.(2009年a)。拆分Bregman算法、Douglas-Rachford拆分和帧收缩。A.Lie、M.Lysaker、K.Morken和;X.C.Tai(编辑),计算机科学讲义:第5567卷。第二届计算机视觉中尺度空间方法和变分方法国际会议,SSVM 2009,会议记录(第464-476页)。挪威沃斯,2009年6月1日至5日。柏林:斯普林格。 [70] Setzer,S.(2009年b)。图像处理中的分割方法。曼海姆大学博士论文。 [71] Setzer,S.、Steidl,G.和;Teuber,T.(2010)。通过分裂Bregman方法去模糊Poissonian图像。视觉传达与图像表征杂志,21(3),193-199·Zbl 05742901号 ·doi:10.1016/j.jvcir.2009.10.006 [72] Steidl,G.和;Teuber,T.(2010)。通过Douglas-Rachford分裂方法去除乘法噪声。国际数学成像与视觉杂志,36(2),168-184·Zbl 1287.94016号 ·文件编号:10.1007/s10851-009-0179-5 [73] Tai、X.C.和;Wu,C.(2009)。ROF模型的增广拉格朗日方法、对偶方法和分裂Bregman迭代。A.Lie、M.Lysaker、K.Morken和;X.C.Tai(编辑),计算机科学讲义:第5567卷。第二届计算机视觉中尺度空间方法和变分方法国际会议,SSVM 2009,会议记录(第502-513页)。挪威沃斯,2009年6月1日至5日。柏林:斯普林格·Zbl 1371.94362号 [74] 曾平(1991)。分裂算法在凸规划和变分不等式分解中的应用。SIAM控制与优化杂志,29,119–138·Zbl 0737.90048号 ·数字对象标识代码:10.1137/0329006 [75] Wang,Y.,Yang,J.,Yin,W.,&;张毅(2008)。一种新的全变分图像重建的交替最小化算法。SIAM成像科学杂志,1(3),248-272·Zbl 1187.68665号 ·doi:10.1137/080724265 [76] Weiss,P.、Blanc-Féraud,L.和;Aubert,G.(2009)。图像处理中在约束条件下最小化总变差的有效方案。SIAM科学计算杂志,31(3),2047-2080·Zbl 1191.94029号 ·doi:10.1137/070696143 [77] Welk,M.、Steidl,G.和;Weickert,J.(2008)。局部分析方案:扩散滤波和小波收缩之间的联系。应用和计算谐波分析,24195-224·Zbl 1161.68831号 ·doi:10.1016/j.aca.2007.05.004 [78] Yin,W.、Osher,S.、Goldfarb,D.和;Darbon,J.(2008)。用于1-最小化的Bregman迭代算法及其在压缩传感中的应用。SIAM成像科学杂志,1(1),143-168·Zbl 1203.90153号 ·doi:10.1137/070703983 [79] Zhu,M.(2008)。基于全变分的图像恢复的快速数值算法。美国洛杉矶加利福尼亚大学博士论文。 [80] Zhu,M.和;Chan,T.F.(2008)。一种用于全变差图像恢复的高效原始-双重混合梯度算法(技术报告)。加州大学洛杉矶分校计算与应用数学。 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。