CN113191958B - 一种基于鲁棒张量低秩表示的图像去噪方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域,尤其涉及一种基于鲁棒张量低秩表示的图像去噪方法。
背景技术
低秩表示(LRR)技术是将低秩结构矩阵分解为给定字典和低秩表示系数矩阵的乘积,在低秩表示系数矩阵上实现了归一化割(Ncut)等聚类方法来完成最终的聚类,因此,在LRR模型中,给定字典矩阵与低秩表示系数矩阵的乘积也可以看作是原始噪声数据的恢复结果。由于低秩约束可以有效地滤除噪声,同时获得具有低秩结构的干净数据,因此低秩约束有望应用于三维甚至更高维的张量。然而,对于张量,首先需要定义张量秩的概念,根据张量分解的不同类型,目前采用的张量秩大致可分为三类:
(1)基于candecop/PARAFAC(CP)分解的CP-rank被定义为k维张量的秩1分解的最小数目,通常是NP难问题;
(2)基于Tucker分解的Tucker秩是一个k维向量,其项是k个展开矩阵的秩;
(3)基于t-SVD分解的tubal秩。
其中基于t积和相关代数结构的t-SVD可以有效地描述张量空间信息,为张量低阶结构的测量提供了一个新的框架。基于t-SVD的LRTC方法可以分为两类,一种是使用张量核范数(TNN)在完成缺失项时保持张量的低秩结构;另一种是利用两个较小的张量因子的t乘积来描述低秩结构,同时恢复缺失项。现有方法在利用TNN保留低秩结构的同时补全了张量数据中的缺失项,但由于t-SVD是在每次迭代期间计算的,因此非常耗时,尤其是当张量较大时,耗时过多;此外,这些方法使用l1范数来测量噪声,其只适用于类拉普拉斯噪声。但实际上,同时考虑拉普拉斯噪声和高斯噪声比只考虑一种噪声来描述实际的噪声分布更为有效。在这种情况下,原始噪声数据通常被分解为三部分:低秩数据(低秩约束)、拉普拉斯噪声(损失为l1范数)和高斯噪声(损失为l2范数或Frobenius范数)。但现有方法需要事先将图像等多维样本转换为向量,然后将模型应用于由这些样本向量组成的矩阵上,由于这种变换破坏了多维样本的内部结构,失去了一些本质特征,导致算法的性能趋于下降。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足,本发明提供了一种基于鲁棒张量低秩表示的图像去噪方法,旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于鲁棒张量低秩表示的图像去噪方法,包括以下步骤:
(1)建立图像噪声的数学模型,所述数学模型的目标函数如下:
(2)优化数学模型,将所述目标函数的求解转换为下列等效问题的求解:
优选地,所述增强拉格朗日函数表示如下:
通过奇异值阈值SVT运算符解决,SVT运算符Sη定义为
优选地,更新ε的方法如下:
相比于现有技术的缺点和不足,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明针对张量数据聚类和张量数据恢复问题,提出了一种新的鲁棒张量低秩表示方法,将原始噪声张量分解为三部分:低秩结构的恢复数据张量、服从拉普拉斯分布的稀疏噪声张量和服从高斯分布的高斯噪声张量,同时考虑了拉普拉斯噪声和高斯噪声这两种噪声,可以有效地恢复干净的张量,获得更精确的低秩张量子空间结构。
(2)本发明采用去噪张量而不是原始数据张量来构造字典,此外,本发明可以直接在由样本组成的张量数据上实现,而二维数据如图像样本则不用预先转换为向量。通过对图像聚类和张量数据去噪的实验,与现有的方法进行了比较,验证了本发明在获取张量低秩子空间和恢复真实张量方面的良好性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于鲁棒张量低秩表示的图像去噪方法处理图像的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
1、增强张量低秩表示方法模型
由于张量低秩表示(TLRR)在图像聚类和恢复方面取得了优异的性能,因此,用l1范数来衡量损失。为了有效地获取人脸图像所处的本质子空间结构,使用拉普拉斯分布和高斯分布来表征噪声分布更为合适。
在张量低秩表示模型中,由于张量数据的横向切片是由多个样本组成的,因此本发明同时考虑了拉普拉斯噪声和高斯噪声,对于由多个样本组成的张量,张量l2,1范数可以更准确地揭示样本数据的本质张量子空间结构。另外,选取去噪后的张量代替原始数据张量,构造字典张量,得到有区别的低秩表示系数张量。因此,本发明得到的低秩表示系数张量能更准确地刻画数据间的低秩子空间结构,有助于提高聚类性能。
图像噪声数学模型的目标函数如下:
2、优化模型,为了方便地解决该问题,将式(1)转换为下列等效问题的求解:
3、利用相应的增强拉格朗日乘子法和拉格朗日函数,表示如下:
式(5)也可以用DFT变换成复数域,通过优化每个前沿片得到最优解,然后用逆DFT变换。
(4)更新ε:
更新后,我们检查最大更新差值小于预定阈值的停止准则,当所有变量更新差值小于预定阈值时,输出秩表示系数张量。
综上所述,本发明使用乘数交替方向法ADMM求解方程(3)的全过程由算法1给出:
本发明基于鲁棒张量低秩表示的图像去噪方法处理图像的效果图如图1所示,对于噪声比为20%的彩色图,低秩结构的干净数据张量随着迭代次数的增加而逐渐恢复,图1中第一幅图像是输入噪声图像,最后一幅图像是真实标签,左上角对应于恢复图像的PSNR值和迭代次数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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