×

滑动Frank-Wolfe算法及其在超分辨率显微镜中的应用。 (英文) Zbl 1434.65082号

总结:本文展示了滑动Frank-Wolfe算法的理论和数值性能,它是一种解决BLASSO稀疏尖峰超分辨率问题的新型优化算法。BLASSO是一种连续的(即非网格或无网格)对应于众所周知的稀疏正则化方法(也称为LASSO或基追踪)。我们的算法是经典Frank Wolfe(也称为条件梯度)的变体,它遵循了将凸优化更新(对应于添加新的尖峰)与非凸优化步骤(对应于移动尖峰)交错的最新趋势。我们的主要理论结果是,在轻度非简并假设下,该算法以有限步数终止。然后,我们将此方法应用于单分子荧光成像模式的几个实例,其中某些方法严重依赖于拉普拉斯变换的反演。我们的第二个理论贡献是证明了BLASSO在正尖峰情况下反演1D拉普拉斯变换的精确支持恢复特性。在数值方面,我们对滑动Frank-Wolfe在单分子荧光成像的不同实例化中的实际性能进行了广泛研究,包括卷积和非卷积(类Laplace)算子。这表明了该方法相对于替代稀疏恢复技术的通用性和优越性。

MSC公司:

65K10码 数值优化和变分技术
65兰特 积分变换的数值方法
94甲12 信号理论(表征、重建、滤波等)
94A08型 信息与通信理论中的图像处理(压缩、重建等)
90C25型 凸面编程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Axelrod D 1981全内反射荧光照明的细胞基质触点J.Cell Biol.89 141-5·doi:10.1083/jcb.89.1.141
[2] Axelrod D 2008全内反射荧光显微镜方法细胞生物学89 169-221·doi:10.1016/S0091-679X(08)00607-9
[3] Azaís J M、de Castro Y和Gamboa F 2015从不准确采样中检测峰值。计算。哈蒙。分析38 177-95·Zbl 1308.94046号 ·doi:10.1016/j.acha.2014.03.004
[4] Beck A和Teboulle M 2009线性反问题的快速迭代收缩阈值算法SIAM J.Imaging Sci.2 183-202·Zbl 1175.94009号 ·doi:10.1137/080716542
[5] Betzig E、Patterson G H、Sougrat R、Lindwasser O W、Olenych S、Bonifacino J S、Davidson M W、Lippincott-Schwartz J和Hess H F 2006纳米分辨率细胞内荧光蛋白成像科学313 1642-5·doi:10.1126/science.1127344
[6] Bhaskar B N、Tang G和Recht B 2013原子范数去噪及其在线谱估计中的应用IEEE Trans。信号处理61 5987-99·Zbl 1394.94079号 ·doi:10.1109/TSP.2013.2273443
[7] Blumensath T和Davies M E 2008稀疏近似的迭代阈值法J.Fourier Ana。申请号:1629-54·Zbl 1175.94060号 ·doi:10.1007/s00041-008-9035-z
[8] Blumensath T和Davies M E 2009压缩感知应用的迭代硬阈值。计算。哈蒙。分析27 265-74·Zbl 1174.94008号 ·doi:10.1016/j.acha.2009.04.002
[9] Boulanger J、Gueudry C、Münch D、Cinquin B、Paul-Gilloteaux P、Bardin S、Guérin C、Senger F、Blanchoin L和Salamero J 2014通过入射角扫描和方位角平均的快速高分辨率三维全内反射荧光显微镜。美国国家科学院。科学.11 17164-9·文件编号:10.1073/pnas.1414106111
[10] Boyd N,Schiebinger G和Recht B 2017稀疏反问题的交替下降条件梯度法SIAM J.Optim.27 616-39·Zbl 1365.90195号 ·数字对象标识代码:10.1137/15M1035793
[11] Boyd S和Vandenberghe L 2004凸优化(剑桥:剑桥大学出版社)·Zbl 1058.90049号 ·doi:10.1017/CBO9780511804441
[12] Bredies K和Pikkarainen H K 2013测度空间中的逆问题ESAIM控制优化。计算变量19 190-218·Zbl 1266.65083号 ·doi:10.1051/cocv/2011205
[13] Cadzow J A 1988信号增强-复合属性映射算法IEEE Trans。阿库斯特。语音信号处理36 49-62·Zbl 0649.93059号 ·doi:10.1109/29.1488
[14] Candès E J和Fernandez-Granda C 2013噪声数据的超分辨率J.Fourier Ana。申请19 1229-54·Zbl 1312.94015号 ·doi:10.1007/s00041-013-9292-3
[15] Candès E J和Fernandez-Granda C 2014迈向超分辨率Commun的数学理论。纯应用程序。数学67 906-56·Zbl 1350.94011号 ·doi:10.1002/第21455页
[16] Catala P、Duval V和PeyréG 2017非网格稀疏反褶积的低阶方法(见SIAM J.Imaging Sci.)
[17] Chen S S、Donoho D L和Saunders M A 1998通过基追踪进行原子分解SIAM J.Sci。计算20 33-61·兹比尔0919.94002 ·doi:10.1137/S1064827596304010
[18] 组合P L和Wajs V R 2005通过近端前向-后向分裂多尺度模型进行信号恢复。模拟1168-200·Zbl 1179.94031号 ·数字对象标识代码:10.1137/050626090
[19] Condat L和Hirabayashi A 2015 Cadzow降噪升级:从噪声线性测量中恢复Dirac脉冲的新投影方法Sampl。理论信号图像处理.14 17-47·Zbl 1346.94023号
[20] Da Costa M F和Dai W 2018通过凸规划实现光谱分辨率极限的严格转换IEEE信息理论国际研讨会(ISIT)901-5·doi:10.10109/ISIT.2018.8437490
[21] Daubechies I,Defrise M和De Mol C 2004具有稀疏约束Commun的线性反问题的迭代阈值算法。纯应用程序。数学57 1413-57·Zbl 1077.65055号 ·doi:10.1002/cpa.20042
[22] de Castro Y和Gamboa F 2012使用Beurling最小外推J.Math精确重建。分析。申请395 336-54·Zbl 1302.94019号 ·doi:10.1016/j.jmaa.2012.05.011
[23] De Castro Y、Gamboa F、Henrion D和Lasserre J B 2017高维半代数域超分辨率精确解IEEE Trans。通知。理论63 621-30·Zbl 1359.94030号 ·doi:10.10109/TIT.2016.2619368
[24] Hauer J F、Demeure C J和Scharf L L 1990电力系统响应信号Prony分析的初步结果IEEE Trans。电力系统5 80-9·数字对象标识代码:10.1109/59.49090
[25] Demanet L和Nguyen N 2015通过稀疏性实现超分辨率的可恢复极限(arXiv:1502.01385)
[26] Demyanov V F和Rubinov A M 1970优化问题中的近似方法第32卷(阿姆斯特丹:Elsevier)·Zbl 0217.46203号
[27] Den Dekker A和Van Den Bos A 1997年决议:调查J.Opt。美国社会学协会14 547-57·doi:10.1364/JOSAA.14.000547
[28] Denoyelle Q、Duval V和PeyréG 2017支持正测量值稀疏超分辨率恢复J.Fourier Anal。申请23 1153-94·Zbl 1417.65223号 ·数字对象标识代码:10.1007/s00041-016-9502-x
[29] Donoho D L 1992通过稀疏约束超分辨率SIAM J.Math。分析23 1309-31·Zbl 0769.42007 ·doi:10.1137/0523074
[30] Donoho D L和Johnstone I M 1995通过小波收缩适应未知平滑度J.Am.Stat.Assoc.90 1200-24·Zbl 0869.62024号 ·网址:10.1080/01621459.1995.10476626
[31] Dos Santos M C、Déturche R、Vézy C和Jaffiol R 2016可变角度全内反射荧光显微镜生物物理显示的细胞地形图。京111 1316-27·doi:10.1016/j.bpj.2016.06.043
[32] Duval V 2019超分辨率Inf推断中非简并源条件的表征:J.IMA(https://doi.org/10.1093/imaiai/iaz002) ·Zbl 1470.94039号
[33] Duval V和PeyréG 2015发现稀疏峰值反褶积的精确支持恢复。计算。数学.15 1315-55·兹比尔1327.65104 ·doi:10.1007/s10208-014-9228-6
[34] Duval V和PeyréG 2017薄网格上稀疏尖峰超分辨率I:拉索反向问题33 055008·Zbl 1373.65039号 ·doi:10.1088/1361-6420/aa5e12
[35] Duval V和PeyréG 2017薄网格上稀疏尖峰超分辨率II:连续基追踪逆问题33 095008·Zbl 1392.35332号 ·doi:10.1088/1361-6420/aa7fce
[36] Efron B、Hastie T、Johnstone I和Tibshirani R 2004最小角度回归Ann.Stat.32 407-99(作者进行了讨论和反驳)·Zbl 1091.62054号 ·doi:10.1214/009053604000000067
[37] Eftekhari A和Thompson A 2018过去和现在之间的桥梁:交换和条件梯度方法是等效的(arXiv:1804.10243)
[38] Eftekhari A和Wakin M B 2015贪婪是超级:超分辨率的快速算法(arXiv:1511.03385)
[39] El Ghaoui L、Viallon V和Rabbani T 2012稀疏监督学习Pac中的安全特征消除。J.Optim.第8号,667-98页·Zbl 1259.65010号
[40] Fernandez-Granda C 2013支持超分辨率程序中的检测。第十届国际抽样理论与应用大会第145-8页
[41] Fernandez-Granda C 2016通过凸规划Inf.Inference5 251-303超分辨率点源·Zbl 1386.94027号 ·doi:10.1093/imaiai/iaw005
[42] Figueiredo MA T和Nowak R D 2003基于小波的图像恢复的EM算法IEEE Trans。图像处理12 906-16·Zbl 1279.94015号 ·doi:10.1109/TIP.2003.814255
[43] Flinth A和Weiss P 2018无限维全变分正则化问题的精确解Inf.推断:J.IMA(https://doi.org/10.1093/imaiai/iay016) ·Zbl 1470.49065号
[44] Frank M和Wolfe P 1956二次规划Nav的算法。Res.Logist公司。问题3 95-110·doi:10.1002/nav.3800030109
[45] Gustafsson M G L 2000使用结构照明显微镜将横向分辨率极限提高2倍J.Microsc.198 82-7·网址:10.1046/j.1365-2818.2000.00710.x
[46] Harchaoui Z、Juditsky A和Nemirovski A 2015规范化光滑凸优化数学的条件梯度算法。计划152 75-112·Zbl 1336.90069号 ·doi:10.1007/s10107-014-0778-9
[47] Hell S W和Wichmann J 1994通过受激发射打破衍射分辨率极限:刺激发射-完全荧光显微镜Opt。信函19 780-2·doi:10.1364/OL.19.000780
[48] Henriques R、Lelek M、Fornasiero E F、Valtorta F、Zimmer C和Mhlanga M M 2010 Quickpalm:imagej Nat.Methods7 339中的三维实时光激活纳米图像处理·doi:10.1038/nmeth0510-339
[49] Herzet C、Drémeau A和Soussen C 2016通过利用相干和衰变IEEE Trans,放宽了OMP/OLS的恢复条件。信息理论62 459-70·Zbl 1359.94100号 ·doi:10.1109/TIT.2015.2490660
[50] Hess S、Girirajan T P K和Mason M 2007《荧光光激活定位显微镜生物物理超高分辨率成像》。期刊91 4258-72·doi:10.1529/biophysj.106.091116
[51] Hua Y和Sarkar T K 1990估计噪声IEEE Trans中指数阻尼/无阻尼正弦参数的矩阵束方法。阿库斯特。语音信号处理38 814-24·Zbl 0706.62094号 ·数字对象标识代码:10.1109/29.56027
[52] Huang B,Wang W,Bates M和Zhuang X 2008随机光学重建显微镜三维超分辨率成像科学319 810-3·doi:10.1126/科学.1153529
[53] Huang H和Makur A 2011基于回溯的匹配追踪方法,用于稀疏信号重构IEEE信号处理。信函18 391-4·doi:10.1109/LSP.2011.2147313
[54] Huang J、Sun M、Gumpper K、Chi Y和Ma J 2015三维多焦点散光和基于压缩感知(3d macs)的超分辨率重建Biomed。选择。快递6 902-17·doi:10.1364/BOE.6.000902
[55] Huang J、Sun M、Ma J和Chi Y 2017高密度三维单分子显微镜超分辨率图像重建IEEE Trans。计算。图像3 763-73·doi:10.1109/TCI.2017.2699425
[56] Jacques L和De Vleeschouwer C 2008匹配追踪参数化的几何研究IEEE Trans。信号处理56 2835-48·Zbl 1390.94227号 ·doi:10.1109/TSP.2008.917379
[57] Jaggi M 2013重访frank-wolfe:无投影稀疏凸优化ICML(1)pp 427-35
[58] Juette M、Gould T J、Lessard M、Mlodzianoski M、Nagpure B S、Thomas Bennett B、Hess S和Bewersdorf J 2008厚样品的三维亚100 nm分辨率荧光显微镜自然方法·doi:10.1038/neth.1211
[59] Kailath T 1990 ESPRIT—通过旋转不变性技术估计信号参数Opt。工程29 296·Zbl 0701.93090号 ·数字对象标识代码:10.1117/12.55606
[60] Kirshner H、Vonesch C和Unser M 2013定位显微镜能从近似理论中获益吗?IEEE第十届国际研讨会。生物医学成像pp 588-91
[61] Lasserre J B 2000/01多项式全局优化和矩问题SIAM J.Optim.11 796-817·Zbl 1010.90061号 ·doi:10.1137/S1052623400366802
[62] Lasserre J B 2010矩、正多项式及其应用(帝国理工学院出版社优化系列第1卷)(伦敦:帝国理工大学出版社)第xxii页·Zbl 1211.90007号
[63] Levitin ES和Polyak B T 1966约束最小化方法Zh。维奇尔。材料材料图6 787-823·Zbl 0184.38902号 ·doi:10.1016/0041-5553(66)90114-5
[64] Liang J、Fadili J和PeyréG 2017前向支持型方法的活动识别和局部线性收敛SIAM J.Optim.27 408-37·Zbl 1357.49064号 ·doi:10.1137/16M106340X
[65] 廖伟(Liao W)和范江(Fannijiang),2016年单快照谱估计MUSIC:稳定性和超分辨率应用。计算。哈蒙。分析40 33-67·Zbl 1416.94028号 ·doi:10.1016/j.acha.2014.12.003
[66] Mallat S和Zhang Z 1994使用时频字典IEEE Trans进行匹配追踪。信号处理41 3397-415·Zbl 0842.94004号 ·数字对象标识代码:10.1109/78.258082
[67] Massias M、Gramfort A和Salmon J 2017从安全筛选规则到快速套索型解算器的工作集(arXiv:1703.07285)
[68] Morgenshtern V I和Candès E J 2016阳性源的超分辨率:离散设置SIAM J.Imaging Sci.9 412-44·Zbl 1352.49041号 ·doi:10.137/15M1016552
[69] Poon C和PeyréG 2019多维稀疏超分辨率SIAM J.Math。分析51 1-44·Zbl 1456.94009号 ·doi:10.1137/17M1147822
[70] Rama Prasanna Pavani S、Thompson M A、Biteen J S、Lord S、Liu N、Twieg R、Piestun R和Moerner W 2009使用双螺旋点扩散函数Proc进行超出衍射极限的三维单分子荧光成像。美国国家科学院。科学。美国106 2995-9·doi:10.1073/pnas.0900245106
[71] Reemtsen R和Rückmann J 1998半无限编程第25卷(纽约:Springer)·doi:10.1007/978-1-4757-2868-27
[72] Rockafellar R T 2015凸分析(新泽西州普林斯顿:普林斯顿大学出版社)
[73] Rudin W 1987 Real and Complex Analysis第三版(纽约:McGraw-Hill)·Zbl 0925.00005
[74] Rust M J,Bates M和Zhuang X 2006随机光学重建显微镜亚衍射极限成像(风暴)自然方法3 793-6·doi:10.1038/nmeth929
[75] Sage D、Kirshner H、Pengo T、Sturman N、Min J、Manley S和Unser M 2015单分子定位显微镜自然方法软件包的定量评估12 06·doi:10.1038/nmeth.3538
[76] Sage D 2019超分辨率搏击俱乐部:2D和3D单分子定位显微镜软件Nat.Methods16 387的评估·doi:10.1038/s41592-019-0364-4
[77] Schmidt R 1986多发射极位置和信号参数估计IEEE Trans。天线传播34 276-80·doi:10.1109/TAP.1986.1143830
[78] Soubies E、Schaub S、Radwanska A、Van Obberghen-Sirring E、Blanc-Féraud L和Aubert G 2016多角度tirf显微镜校准框架IEEE第13届国际交响乐会。生物医学成像pp 668-71
[79] Soussen C,Gribonval R,Idier J和Herzet C 2013正交匹配追踪和正交最小二乘的联合k步分析IEEE Trans。通知。神学59 3158-74·Zbl 1364.94160号 ·doi:10.1109/TIT.2013.2238606
[80] Soussen C、Idier J、Duan J和Brie D 2015基于同伦的算法0-正则最小二乘IEEE Trans。信号处理63 3301-16·Zbl 1394.94555号 ·doi:10.1109/TSP.2015.2421476
[81] Tang G 2015通过markov-bernstein型不等式实现原子分解的分辨率极限采样理论与应用国际会议(SampTA),第548-52页
[82] Tang G,Bhaskar B N和Recht B 2013连续字典上的稀疏恢复只是离散化Asilomar Conf.on Signals,Systems and Computers第1043-7页
[83] Tibshirani R 1996通过lasso J.R.Stat.Soc.B 58 267-88回归收缩和选择·Zbl 0850.62538号 ·doi:10.1111/j.2517-6161.1996.tb02080.x
[84] Toh K C和Yun S 2010核范数正则化线性最小二乘问题的加速近似梯度算法Pac。J.优化6 615-40·Zbl 1205.90218号
[85] Tropp J A和Gilbert A C 2007通过正交匹配追踪IEEE Trans从随机测量中恢复信号。Inf.Theory神学53 4655-66·Zbl 1288.94022号 ·doi:10.1109/TIT.2007.909108
[86] Tseng P 2001不可微极小化J.Optim块坐标下降法的收敛性。理论应用109 475-94·Zbl 1006.65062号 ·doi:10.1023/A:1017501703105
[87] Wu T T和Lange K 2008套索惩罚回归的坐标下降算法Ann.Appl。状态224-44·Zbl 1137.62045号 ·doi:10.1214/07-AOAS147
[88] Zhang B、Zerubia J和Olivo-Marin J C 2007荧光显微镜点扩散函数模型的高斯近似。选项46 1819-29·doi:10.1364/AO.46.001819
[89] Zheng C,Zhao G,Liu W,Chen Y,Zhang Z,Jin L,Xu Y,Kuang C和Liu X 2018通过极化多角度tirf Opt进行三维超分辨率活细胞成像。信函43 1423-6·doi:10.364/OL.43.001423
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。