CN112560243B - 一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法,其特征在于,包括如下步骤:1)基于频域临界采样图滤波器组的完全重构;2)图信号频域近似表示的问题归结;3)截断雅可比算法近似求解特征矩阵;4)并行截断雅可比算法近似求解特征矩阵。这种方法在满足完全重构的条件下能降低频域临界采样图滤波器组的计算复杂度,在频域临界采样图滤波器组中使用近似特征矩阵依然能够取得良好的去噪性能。
Description
技术领域
本发明涉及图信号处理技术领域,具体是一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法。
背景技术
社交网络,传感器网络以及脑神经网络等高维不规则数据可以建模为图信号。与定义在规则的时间域与空间域的传统离散信号不同,图信号通常定义在不规则的非欧几里得域。传统的信号处理方法已然不适用于图信号,如何处理这类高维不规则数据已经成为一个亟待解决的问题,为此,研究人员提出了图信号处理框架,该框架将传统信号处理方法与图论相结合,为处理这类高维不规则数据提供了强有力的工具,其中,由传统滤波器组延伸而来的图滤波器组因其稀疏特性和多分辨分析能力而受到了广大研究人员的青睐。
目前,图滤波器组的设计方法主要包括顶点域采样图滤波器组和频域采样图滤波器组。Narang提出了完全重构的两通道顶点域临界采样图滤波器组,该滤波器组满足正交特性,但是并不满足紧支撑性;Narang和ortega提出了双正交图小波滤波器组,该滤波组既满足完全重构特性又满足紧支撑性,但是,上述两种顶点域采样滤波器组本质上仅适用于二分图,对于非二分图则需要进行近似处理;Ekambaram提出的样条图小波滤波器组满足完全重构特性与图不变性,其对所有拓扑结构的图信号都适用,然而,这几类顶点域采样图滤波器组还存在其他局限性:首先,需要选择合适的采样集才能确保其完全重构;其次,其完全重构的采样集并不唯一,不同的采样集会影响图滤波器组的整体性能;Sakiyama提出了两通道频域临界采样图滤波器组,该频域采样图滤波器组克服了顶点域采样图滤波器的缺点,其完全重构的采样集是唯一的,并且对于任意拓扑结构的图信号都满足完全重构特性,但是,由于频域采样图滤波器组的采样操作在频域上进行,需要借助特征分解来获取图模型的特征向量矩阵,这导致了该图滤波器组的计算复杂度过高。
发明内容
本发明的是针对现有技术的不足,而提供一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法。这种方法在满足完全重构的条件下能降低频域临界采样图滤波器组的计算复杂度,在频域临界采样图滤波器组中使用近似特征矩阵依然能够取得良好的去噪性能。
实现本发明目的的技术方案是:
一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法,包括如下步骤:
1)基于截断雅可比算法的改进频域临界采样图滤波器组的完全重构:两通道临界采样图滤波器组包括分析滤波器组和综合滤波器组,分析滤波器组将输入信号分解成具有不同频域成分的子带信号,综合滤波器组将处理后的子带信号进行重构,分析滤波器组的第k个滤波器的频率响应为Hk(Λ),综合滤波器组第k个滤波器的频率响应为Gk(Λ),两通道频域临界采样图滤波器组的输入输出关系为公式(1):
其中f为输入信号,为输出信号,为频域上采样矩阵,为频域下采样矩阵,U0为图信号特征矩阵,H0(λi),H1(λi)为分析滤波器组的频率响应,G0(λi)、G1(λi)为综合滤波器组的频率响应,T为传递函数,依据输入输出关系,当子带滤波器的频率响应满足公式(2):
传递函数T=c2I,此时滤波器组满足完全重构条件,
对于正交设计,滤波器组如公式(3):
其余滤波器H1(λi)、G0(λi)和G1(λi)都可以由H0(λi)求得,即:H1(λi)=H0(λN-i-1),G0(λi)=H0(λi),G1(λi)=H1(λi),同时,为了确保图滤波器组的完全重构特性,H0(λi)需满足公式(4):
其中,H0(λi)为分析滤波器组的频率响应,H0(λN-i-1)为对称频率的频率响应,
对于双正交设计高通滤波器则由低通滤波器定义,即如公式(5):
H1(λi)=G0(λN-i-1),G1(λi)=H0(λN-i-1) (5),
其中,H1(λi),H0(λN-i-1)为分析滤波器组的频率响应,G1(λi)、G0(λN-i-1)为综合滤波器组的频率响应,而G0(λi)、H0(λi)则可以通过频谱分解获得,双正交频域采样图滤波器组的完全重构条件为公式(6):
G0(λi)H0(λi)+H0(λN-i-1)G0(λN-i-1)=c2 (6),
公式(6)中的G0(λi)、H0(λi)、H0(λN-i-1)、G0(λN-i-1)为公式(5)中的频率响应;
其中,L代表图拉普拉斯矩阵,是稀疏的正交矩阵,是对角矩阵,表示对角矩阵集,表示稀疏正交矩阵集,相对复杂度是特征矩阵U的非零元素个数与近似特征矩阵中的稀疏正交因子Sj的非零元素个数之和的比率,即如公式(8):
其中,||U||0表示矩阵U的0范数,Sj表示稀疏的正交矩阵;
3)截断雅可比算法近似求解特征矩阵:若将稀疏正交矩阵Sj约束在Givens旋转矩阵集中,并预先设定稀疏正交矩阵Sj的个数J,即可得到截断雅可比算法,n维向量的Givens旋转固定其中n-2个坐标,其余2个坐标则旋转一定的角度,n维Givens旋转矩阵表示为如公式(9)所示:
其中,Gp,q,θ表示Givens旋转矩阵,p,q是旋转坐标,θ∈[0,2π]是旋转角,c=cos(θ),s=sin(θ),Givens旋转矩阵由p,q,θ三个参数所决定,截断雅可比算法每一步迭代都旨在寻找一个Givens旋转矩阵使得代价函数下降最快,即如公式(10)所示:
其中,S表示稀疏的正交矩阵,表示矩阵A的非对角线元素的平方和,公式(10)的解属于Givens旋转矩阵,Givens旋转矩阵的旋转坐标p,q对应于矩阵Lj绝对值最大的元素所在的行和列,旋转角截断雅可比算法如表1所示:
表1
4)并行截断雅可比算法近似求解特征矩阵:在每一步的迭代过程中,截断雅可比算法只做了1次Givens旋转,而并行截断雅可比算法则可做n/2次Givens旋转,因此,对于需要进行J次Givens旋转的近似过程,并行截断雅可比算法只需要选择K=[2J/n]个旋转因子,其中每个旋转因子Sk都是由n/2个不相交Givens旋转所组成的矩阵,其数学表示为如公式(11)所示:
其中,P表示转置矩阵,表示旋转矩阵,与截断雅可比算法类似,并行截断雅可比算法也是通过寻找矩阵Lk中绝对值最大的元素来确定Givens旋转,不同的是,所选出的n/2个元素必须保证两两之间不处在同一行与同一列,并行截断雅可比如表2所示:
表2
针对频域临界采样图滤波器组中所存在的问题,本技术方案采用截断雅可比算法来近似求解拉普拉斯矩阵的特征矩阵,截断雅可比算法是一种贪婪算法,每一步迭代所求得的稀疏正交矩阵都属于Givens旋转矩阵,将每一步迭代求得的Givens旋转矩阵相乘即可得到近似特征矩阵,从而近似求出图信号的频域表示。
这种方法在满足完全重构的条件下能降低频域临界采样图滤波器组的计算复杂度,在频域临界采样图滤波器组中使用近似特征矩阵依然能够取得良好的去噪性能。
附图说明
图1为实施例中两通道频域临界采样图滤波器组的示意图;
图2为实施例中Random sensor,Swiss roll,Community三种不同拓扑结构的图信号;
图3为实施例中图像的8邻域图表示的示意图;
图4为实施例方法和现有方法1、现有方法2、现有方法3在噪声环境下的去噪前后的对比图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的阐述,但不是对本发明的限定。
实施例:
一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法,包括如下步骤:
1)基于截断雅可比算法的改进频域临界采样图滤波器组的完全重构:如图1所示,两通道临界采样图滤波器组包括分析滤波器组和综合滤波器组,分析滤波器组将输入信号分解成具有不同频域成分的子带信号,综合滤波器组将处理后的子带信号进行重构,分析滤波器组的第k个滤波器的频率响应为Hk(Λ),综合滤波器组第k个滤波器的频率响应为Gk(Λ),两通道频域临界采样图滤波器组的输入输出关系为公式(1):
其中f为输入信号,为输出信号,为频域上采样矩阵,为频域下采样矩阵,U0为图信号特征矩阵,H0(λi),H1(λi)为分析滤波器组的频率响应,G0(λi)、G1(λi)为综合滤波器组的频率响应,T为传递函数,依据输入输出关系,当子带滤波器的频率响应满足公式(2):
传递函数T=c2I,此时滤波器组满足完全重构条件,
对于正交设计,滤波器组如公式(3):
其余滤波器H1(λi)、G0(λi)和G1(λi)都可以由H0(λi)求得,即:H1(λi)=H0(λN-i-1),G0(λi)=H0(λi),G1(λi)=H1(λi),同时,为了确保图滤波器组的完全重构特性,H0(λi)需满足公式(4):
其中,H0(λi)为分析滤波器组的频率响应,H0(λN-i-1)为对称频率的频率响应,
对于双正交设计高通滤波器则由低通滤波器定义,即如公式(5):
H1(λi)=G0(λN-i-1),G1(λi)=H0(λN-i-1) (5),
其中,H1(λi),H0(λN-i-1)为分析滤波器组的频率响应,G1(λi)、G0(λN-i-1)为综合滤波器组的频率响应,而G0(λi)、H0(λi)则可以通过频谱分解获得,双正交频域采样图滤波器组的完全重构条件为公式(6):
G0(λi)H0(λi)+H0(λN-i-1)G0(λN-i-1)=c2 (6),
公式(6)中的G0(λi)、H0(λi)、H0(λN-i-1)、G0(λN-i-1)为公式(5)中的频率响应;
其中,L代表图拉普拉斯矩阵,是稀疏的正交矩阵,是对角矩阵,表示对角矩阵集,表示稀疏正交矩阵集,相对复杂度是特征矩阵U的非零元素个数与近似特征矩阵中的稀疏正交因子Sj的非零元素个数之和的比率,即如公式(8):
其中,||U||0表示矩阵U的0范数,Sj表示稀疏的正交矩阵;
3)截断雅可比算法近似求解特征矩阵:若将稀疏正交矩阵Sj约束在Givens旋转矩阵集中,并预先设定稀疏正交矩阵Sj的个数J,即可得到截断雅可比算法,n维向量的Givens旋转固定其中n-2个坐标,其余2个坐标则旋转一定的角度,n维Givens旋转矩阵表示为如公式(9)所示:
其中,Gp,q,θ表示Givens旋转矩阵,p,q是旋转坐标,θ∈[0,2π]是旋转角,c=cos(θ),s=sin(θ),Givens旋转矩阵由p,q,θ三个参数所决定。截断雅可比算法每一步迭代都旨在寻找一个Givens旋转矩阵使得代价函数下降最快,即如公式(10)所示:
其中,S表示稀疏的正交矩阵,表示矩阵A的非对角线元素的平方和,公式(10)的解属于Givens旋转矩阵,Givens旋转矩阵的旋转坐标p,q对应于矩阵Lj绝对值最大的元素所在的行和列,旋转角截断雅可比算法如表1所示:
表1
4)并行截断雅可比算法近似求解特征矩阵:在每一步的迭代过程中,截断雅可比算法只做了1次Givens旋转,而并行截断雅可比算法则可做n/2次Givens旋转,因此,对于需要进行J次Givens旋转的近似过程,并行截断雅可比算法只需要选择K=[2J/n]个旋转因子,其中每个旋转因子Sk都是由n/2个不相交Givens旋转所组成的矩阵,其数学表示为如公式(11)所示:
其中,P表示转置矩阵,表示旋转矩阵,与截断雅可比算法类似,并行截断雅可比算法也是通过寻找矩阵Lk中绝对值最大的元素来确定Givens旋转,不同的是,所选出的n/2个元素必须保证两两之间不处在同一行与同一列,并行截断雅可比如表2所示:
表2
仿真实验1:本次仿真使用改进后的频域采样图滤波器组对如图2所示三种不同拓扑结构的含噪图信号进行去噪,图信号的节点数为128,所添加的噪声是均值为0,标准差为σ(10、15、20、25、30)的加性高斯噪声,具体使用的算法有截断雅可比算法和并行截断雅可比算法,Givens旋转矩阵的旋转次数分别为nlogn、2nlogn,由仿真实验结果得知,基于截断雅可比算法的改进频域临界采样图滤波器组的去噪性能要优于顶点域采样图滤波器组,并且随着Givens旋转次数的不断增加,取得的去噪效果不断向精准分解的频域采样图滤波器组的去噪性能接近,本例权衡了计算复杂度与去噪性能。
仿真实验2:本次仿真实验评估基于截断雅可比算法的改进频域采样图滤波器组对于图像的去噪性能,图像采用如图3所示的8邻域的图表示法,添加的噪声均值为0,标准差为σ(10、15、20、25、30)的加性高斯噪声,不同算法去噪前后的效果图如图4所示,直观上看,本例方法对于图像的去噪效果要优于顶点域采样图滤波器组的去噪效果,并且在计算复杂度较低的情况下,仍然能取得良好的去噪效果。
Claims (1)
1.一种改进频域临界采样图滤波器组的设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)基于截断雅可比算法的改进频域临界采样图滤波器组的完全重构:两通道临界采样图滤波器组包括分析滤波器组和综合滤波器组,分析滤波器组将输入信号分解成具有不同频域成分的子带信号,综合滤波器组将处理后的子带信号进行重构,分析滤波器组的第k个滤波器的频率响应为Hk(Λ),综合滤波器组第k个滤波器的频率响应为Gk(Λ),两通道频域临界采样图滤波器组的输入输出关系为公式(1):
其中f为输入信号,为输出信号,为频域上采样矩阵,为频域下采样矩阵,U0为图信号特征矩阵,H0(λi),H1(λi)为分析滤波器组的频率响应,G0(λi)、G1(λi)为综合滤波器组的频率响应,T为传递函数,依据输入输出关系,当子带滤波器的频率响应满足公式(2):
传递函数T=c2I,此时滤波器组满足完全重构条件,
对于正交设计,滤波器组如公式(3):
其余滤波器H1(λi)、G0(λi)和G1(λi)都可以由H0(λi)求得,即:H1(λi)=H0(λN-i-1),G0(λi)=H0(λi),G1(λi)=H1(λi),同时,H0(λi)需满足公式(4):
其中,H0(λi)为分析滤波器组的频率响应,H0(λN-i-1)为对称频率的频率响应;
对于双正交设计高通滤波器则由低通滤波器定义,即如公式(5):
H1(λi)=G0(λN-i-1),G1(λi)=H0(λN-i-1) (5),
其中,H1(λi),H0(λN-i-1)为分析滤波器组的频率响应,G1(λi)、G0(λN-i-1)为综合滤波器组的频率响应,而G0(λi)、H0(λi)则可以通过频谱分解获得,双正交频域采样图滤波器组的完全重构条件为公式(6):
G0(λi)H0(λi)+H0(λN-i-1)G0(λN-i-1)=c2 (6),
公式(6)中的G0(λi)、H0(λi)、H0(λN-i-1)、G0(λN-i-1)为公式(5)中的频率响应;
其中,L代表图拉普拉斯矩阵,是稀疏的正交矩阵,是对角矩阵,表示对角矩阵集,表示稀疏正交矩阵集,相对复杂度是特征矩阵U的非零元素个数与近似特征矩阵中的稀疏正交因子Sj的非零元素个数之和的比率,即如公式(8):
其中,||U||0表示矩阵U的0范数,Sj表示稀疏的正交矩阵;
3)截断雅可比算法近似求解特征矩阵:若将稀疏正交矩阵Sj约束在Givens旋转矩阵集中,并预先设定稀疏正交矩阵Sj的个数J,即可得到截断雅可比算法,n维向量的Givens旋转固定其中n-2个坐标,其余2个坐标则旋转一定的角度,n维Givens旋转矩阵表示为如公式(9)所示:
其中,Gp,q,θ表示Givens旋转矩阵,p,q是旋转坐标,θ∈[0,2π]是旋转角,c=cos(θ),s=sin(θ),Givens旋转矩阵由p,q,θ三个参数所决定,截断雅可比算法每一步迭代都旨在寻找一个Givens旋转矩阵使得代价函数下降最快,即如公式(10)所示:
其中,S表示稀疏的正交矩阵,表示矩阵A的非对角线元素的平方和,公式(10)的解属于Givens旋转矩阵,Givens旋转矩阵的旋转坐标p,q对应于矩阵Lj绝对值最大的元素所在的行和列,旋转角截断雅可比算法如表1所示:
表1
4)并行截断雅可比算法近似求解特征矩阵:在每一步的迭代过程中,截断雅可比算法只做了1次Givens旋转,而并行截断雅可比算法则可做n/2次Givens旋转,因此,对于需要进行J次Givens旋转的近似过程,并行截断雅可比算法只需要选择K=[2J/n]个旋转因子,其中每个旋转因子Sk都是由n/2个不相交Givens旋转所组成的矩阵,其数学表示为如公式(11)所示:
其中,P表示转置矩阵,表示旋转矩阵,与截断雅可比算法类似,并行截断雅可比算法也是通过寻找矩阵Lk中绝对值最大的元素来确定Givens旋转,不同的是,所选出的n/2个元素必须保证两两之间不处在同一行与同一列,并行截断雅可比如表2所示:
表2
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