基于全變差的超分辨率圖像重建

王艷琴，吳愛弟，王 靜

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)理學(xué)院，天津 300222）

超分辨率圖像重建技術(shù)是指利用已知的低分辨率圖像信息采用軟件方法來重建高分辨率的圖像。根據(jù)已知低分辨率的信息，圖像的重建方法可分為單幀圖像的重建和多幀圖像的重建。圖像重建的好壞在于在提高分辨率的同時能否有效地保持圖像的邊緣及重要的紋理信息。圖像超分辨率重建技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控、地震勘探、衛(wèi)星遙感遙測、醫(yī)學(xué)成像、圖像處理等領(lǐng)域中[1-4]。

在超分辨率圖像重建算法中，最常用的也是最容易實現(xiàn)的是基于插值的算法，如最近鄰域插值法、雙線性插值法、雙三次插值法等等。插值算法的優(yōu)點是簡單直觀，且計算復(fù)雜度較低，但是本質(zhì)上沒有增加圖像的信息，效果不是很理想。因此，經(jīng)常與其他方法結(jié)合使用，如與小波變換方法一起使用[4]。文獻[5]提出了一種基于小波變換的超分辨率圖像的重建方法，先對低分辨率圖像進行小波變換，然后在小波域上使用插值方法，再應(yīng)用小波逆變換得到重建的超分辨率圖像。

從數(shù)學(xué)角度理解，高分辨率數(shù)字圖像的重建問題是一個代數(shù)反問題，由于已知條件不足該問題是個病態(tài)問題，直接求解效果不好，習(xí)慣采用正則化優(yōu)化方法，將病態(tài)問題轉(zhuǎn)化為良態(tài)問題，然后再進行求解。最常用的正則化方法是Tikhonov正則化法，重建的超分辨率圖像的質(zhì)量取決于正則化算子的設(shè)計及正則化算子的選擇[6]。基于總變差的正則化函數(shù)可以很好地保持圖像的邊緣和細節(jié)信息[7-8]，較好地刻畫圖像空間，因此成為超分辨率圖像重建方面研究的熱點。本文根據(jù)低分辨率圖像生成的矩陣模型，首先應(yīng)用廣義逆矩陣?yán)碚?，得到高分辨率圖像所在的解空間，然后把最小總體變差作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用最速下降方法求解，得到重建的高分辨率圖像。

1 問題描述與數(shù)學(xué)建模

圖像分辨率變低的原因主要是由光的擴散導(dǎo)致的運動模糊及物體在運動過程中的幾何變形和受硬件條件的影響導(dǎo)致采樣不足。將圖像矩陣按列排列成一個向量，應(yīng)用矩陣變換來模擬圖像的生成過程，則被觀測到的低分辨率圖像可以用下列方程描述：

式中：y為已知的低分辨率圖像；x為待求的高分辨率圖像；F是幾何變換矩陣；H是運動模糊矩陣；D是采樣矩陣；n為隨機噪音，可以假定它為高斯噪聲。超高分辨率重建的目的是利用方程（1），從已知的低分辨率圖像y估計出未知的高分辨率圖像x。

一般地，方程（1）是病態(tài)的，故在求解方程（1）時，常做正則化處理，引入的正則化，約束求解空間，用于消除不適定性，將問題變?yōu)橐粋€最優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：第一項為數(shù)據(jù)保真項，表征了待估計圖像與真實高分辨率圖像之間的擬合程度；J（x）為正則化項，提供圖像先驗信息；λ為正則化參數(shù)，用于權(quán)衡兩項之間的比重。

2 基于全變差的重建方法

先不考慮噪聲影響，模型（1）可以寫為：

式中：y為低分辨率圖像；x為待求的高分辨率圖像；A=DHF為已知。根據(jù)廣義逆矩陣?yán)碚?，方程?）的通解為：

其中：z為任意向量。希望從這解集中找出所需的高分辨率圖像。

根據(jù)文獻[9]，可取A為一循環(huán)矩陣。由于式（2）中第一項已經(jīng)為0，因此只要優(yōu)化第二項即可。取z作為自變量，x由式（4）確定為z的函數(shù)，令

為圖像x的總體變差，將解集中總體變差最小的解作為理想高分辨率圖像。

對數(shù)字向量x，有

則▽x=Sx-x，將式（4）代入得

于是對一維的離散向量x，可取J（z）=‖▽x‖1，從而

算法1 優(yōu)化問題J（z）=min，利用最速下降法迭代求解，其步驟為：

任選初值z0，對n=1，2，…

① 計算x=A+y+（I-A+A）zn；

③ 計算zn+1=zn- α▽J（zn）；

如果對圖像x不寫成向量形式，用矩陣方式進行處理。對x行列向量進行模糊下采樣，則可以寫成形式AxB=y，根據(jù)廣義逆矩陣?yán)碚摚渫ń鉃椋?/p>

現(xiàn)選擇z使得圖像的總體有界變差J（z）=Tv（x）達最小，其對應(yīng)的x即為重建的高分辨率圖像。

引理1設(shè)f（x）=‖AxB‖1為矩陣函數(shù)，則

算法2 優(yōu)化問題J（z）=min，利用最速下降法迭代求解，其步驟如下：

任選初值z0，一般選取零作為初值。

對n=1，2，…

①計算x=A+yB++z-A+AzBB+；

③ 計算zn+1=zn- α▽J（zn）；

3 數(shù)值實驗

采用圖像的峰值信噪比（PSNR）作為重建圖像質(zhì)量的指標(biāo)。峰值信噪比越高，表示重建圖像的質(zhì)量越好。PSNR定義為：

式中：f（x，y）和f^（x，y）分別表示原始圖像和重建圖像；N1和N2為圖像的維數(shù)；MSE表示均方誤差值。

對一元函數(shù)

如圖1（a），用平均值濾波加下采樣生成低分辨率圖形；圖1（b），應(yīng)用算法1得到重建的高分辨率圖形；圖1（c），均方誤差為0.05。從圖1可以看出，其線性部分的高頻信息得到比較好的恢復(fù)，其周期部分也得到了不同程度的恢復(fù)。

圖1 算法1的實驗結(jié)果

對二維數(shù)字圖像，采用Lena圖像和Barbara作為測試圖像，大小為512×512，用平均值濾波加下采樣生成低分辨率圖像，對有噪聲的圖像先應(yīng)用小波閾值進行去噪處理[10]，然后應(yīng)用插值方法和本文方法算法2重建高分辨率圖像，其結(jié)果如圖2、圖3和表1所示。

圖2 重建圖像結(jié)果比較（無噪聲情形）

圖3 重建圖像結(jié)果比較（有噪聲情形）

表1 圖像重建的峰值信噪比

由于采用最小變差作為優(yōu)化目標(biāo)，得到的高分辨率圖像能較好地保留圖像的邊緣信息，重建的效果優(yōu)于插值方法。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用廣義逆矩陣和總體變差思想，提出一種基于廣義逆矩陣和變差的高分辨圖像重建算法。首先利用廣義逆矩陣?yán)碚摰玫礁叻直媛蕡D像所在的解空間，然后把總體變差作為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，采用最速下降算法進行求解，得到高分辨率圖像。數(shù)值實驗表明，該方法能較好地保留圖像的邊緣信息，重建圖像的效果優(yōu)于插值方法。

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