توصيفگر ها :
كاهش نويز تصوير , ميدان مميزي , كمينهسازي نرمهستهاي وززندار , تقريب ماتريس رتبه پايين , نويز سفيد گاوسي افزودهشده
چكيده فارسي :
بازيابي تصوير همچنان يك مشكل اصلي در پردازش تصوير است. هدف، كاهش نوفه يا نويز در عين حفظ يكپارچگي
ساختاري و محتواي تصوير اصلي است. نويز موجود در تصاوير عموماً به دو دسته اصلي تقسيم مي شود: جمعي و ضربي.
هر دو نوع اغلب مي توانند به طور مؤثر در سناريوهاي عملي به عنوان نويز سفيد گاوسي جمعي (AWGN (مدل سازي
شوند. در اين پايان نامه، چندين روش حذف نويز براي تصاوير طبيعي بررسي شده است. تصاوير طبيعي معمولا حاوي
الگوها و ساختارهايي هستند كه در ناحيه هاي مختلف تكرار مي شوند. اين ويژگي كه به عنوان خود‐تشابهي غيرموضعي
شناخته مي شود، امكان شناسايي تكه هاي مشابه را حتي در ناحيه هايي دور از تصوير فراهم مي كند. براي هر تكه، تكه هاي
مشابه را مي توان پيدا كرد و به بردارهاي ستوني تبديل كرد تا ماتريسي از تكه هاي مشابه تشكيل شود كه ستون هاي آن درجه
بالايي از شباهت را نشان مي دهند. رتبه يك ماتريس به عنوان تعداد بردارهاي مستقل خطي موجود در آن تعريف مي شود.
هنگامي كه ستون ها يا رديف هاي يك ماتريس مشابه هستند يا مي توانند به صورت تركيب هاي خطي از يكديگر بيان شوند،
به صورت خطي وابسته در نظر گرفته مي شوند كه به كاهش رتبه ماتريس منجر مي شود. بنابراين، به دليل همبستگي قوي
بين تكه هاي مشابه، ماتريس حاصل معمولا رتبه پاييني دارد. با انگيزه اين ويژگي، روش كمينه سازي نرم هسته اي وزن دار
(WNNM (را بررسي مي كنيم. در مدل ،WNNM فرآيند حذف نويز به عنوان يك مسئله بهينه سازي فرموله شده است
كه در آن هدف، كمينه سازي نرم هسته اي وزن دار يك ماتريس است. نرم هسته اي، كه به عنوان مجموع مقادير تكين
يك ماتريس تعريف مي شود، به عنوان يك آزادسازي محدب از رتبه ماتريس عمل مي كند. برخلاف رويكردهاي مرسوم،
WNNM به هر مقدار تكين وزن متمايزي اختصاص مي دهد و مقادير تكين كوچكتر، جريمه سنگين تري مي شوند. اين
استراتژي وزن دهي اجازه مي دهد تا اجزاي اصلي ماتريس بهتر حفظ شوند در حالي كه نويز به طور مؤثرتري سركوب مي شود.
با اين حال، شباهت تكه هاي تصوير غيرموضعي تحت تأثير سطح نويز و وجود ساختارهاي نامنظم قرار مي گيرد. با افزايش
سطح نويز يا زماني كه ساختارهاي نامنظم بيشتري وجود دارند، شباهت اساسي بين تكه ها كاهش مي يابد كه به كاهش
عملكرد رويكرد WNNM منجر مي شود. اين محدوديت ها ما را بر آن داشت تا از يك قيد مكاني سراسري استفاده كنيم.
براي پرداختن به اين چالش ها، مدل ميدان مميزي (FoE (را بررسي مي كنيم. FoE يك مدل ميدان تصادفي ماركوف
(MRF (مرتبه بالا است كه ساختارهاي غني تر را در تصاوير طبيعي ثبت مي كند. اين مدل از فيلترهاي آموزش ديده بر
روي تصاوير طبيعي استفاده مي كند و يك چارچوب مبتني بر انرژي را براي حفظ بافت ها و لبه هاي دقيق تعريف مي كند.
با اين حال، به دليل ماهيت موضعي آن، مدل هاي FoE از افزونگي هاي غيرموضعي استفاده نمي كنند، كه اثربخشي آنها
را در داده هاي بسيار نويزي محدود مي كند. براي غلبه بر اين كاستي هاي فردي، اين پايان نامه يك چارچوب نويززدايي
جديد به نام RFoE) ميدان مميزي منظم شده) ارائه مي دهد كه يك تقريب رتبه پايين غيرموضعي را با يك پيش فرض
FoE سراسري و يك عبارت وفاداري داده تركيب مي كند. ساختار رتبه پايين با استفاده از يك نرم هسته اي وزن دار اعمال
مي شود، در حالي كه پيش فرض FoE اطلاعات ساختاري مرتبه بالاتر را ثبت مي كند. مسئله بهينه سازي حاصل با استفاده
از يك استراتژي كمينه سازي جهت متناوب با تقسيم نيمه درجه دوم حل مي شود. در نهايت، آزمايش هاي گسترده روي
تصاوير معيار با سطوح مختلف AWGN نشان مي دهد كه مدل RFoE بررسي شده از نظر PSNR، SSIM و MAE از
روش هاي نويززدايي سنتي مانند NLM، D3BM و KSVD بهتر عمل مي كند. علاوه بر اين، تحليل همگرايي عددي،
كاربردپذيري و كارايي محاسباتي مدل را تأييد مي كند.
چكيده انگليسي :
Image restoration remains a core problem in image processing. The objective is to reduce noise while preserving
the structural integrity and content of the original image. Noise encountered in images generally falls into two main
categories: additive and multiplicative. Both types can often be effectively modeled in practical scenarios as additive
white Gaussian noise (AWGN). In this thesis, several denoising methods for natural images are investigated. Natural
images typically contain patterns and structures that are repeated across different regions. This characteristic, known
as non-local self-similarity, enables the identification of similar patches even in spatially distant areas of the image.
For each patch, similar patches can be found and converted into column vectors to form a matrix of similar patches,
whose columns exhibit a high degree of similarity. The rank of a matrix is defined as the number of linearly indepen-
dent vectors it contains. When the columns or rows of a matrix are similar or can be expressed as linear combinations
of one another, they are considered linearly dependent, leading to a reduction in the matrix rank. Therefore, due to
the strong correlation among similar patches, the resulting matrix is typically of low rank. Motivated by this property,
we investigated the Weighted Nuclear Norm Minimization (WNNM) method. In the WNNM model, the denoising
process is formulated as an optimization problem, where the objective is to minimize the weighted nuclear norm of a
matrix. The nuclear norm, defined as the sum of the singular values of a matrix, serves as a convex relaxation of the
matrix rank. Unlike conventional approaches, WNNM assigns a distinct weight to each singular value, with smaller
singular values being penalized more heavily. This weighting strategy allows the principal components of the matrix
to be better preserved while noise is more effectively suppressed. However, the similarity of nonlocal image patches
is influenced by both the noise level and the presence of irregular structures. As the noise level increases or when
more irregular structures are present, the underlying similarity between patches decreases, which leads to a reduction
in the performance of the WNNM approach. These limitations prompted us to use a global spatial constraint. To
address these challenges, we explore the Fields of Experts (FoE) model. FoE is a high-order Markov Random Field
(MRF) model that captures richer structures in natural images. It utilizes filters trained on natural images and defines
an energy-based framework to retain detailed textures and edges. However, due to its local nature, FoE models do
not exploit nonlocal redundancies, which limits their effectiveness in highly noisy data. To overcome these indi-
vidual shortcomings, this thesis presents a novel denoising framework named RFoE (Regularized Field of Experts),
which combines a nonlocal low-rank approximation with a global FoE prior and a data fidelity term. The low-rank
structure is enforced using a weighted nuclear norm, while the FoE prior captures higher-order structural information.
The resulting optimization problem is solved using an alternating direction minimization strategy with half-quadratic
splitting. Finally, extensive experiments on benchmark images with varying levels of AWGN demonstrate that the ex-
amined RFoE model outperforms traditional denoising methods such as NLM, BM3D and KSVD in terms of PSNR,
SSIM, and MAE. Additionally, numerical convergence analysis confirms the model’s computational applicability
and efficiency.