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2024年4月24日发(作者:excel公式怎么下拉)

Microcomputer

Applications

Vol.

37,

No.

4,2021

基金项目

微型电$%用2021

年第

37

)

4

文章编号

:

1007-757X(2021)04-0061-05

基于视觉传达效果的图像压缩感知重建算法研究

沈凤仙

(三江

学院计算机科学与工程学院

江苏南京

210000

)

摘要

针对传统的图像压缩感知重建算法的视觉传达效果不好

成像质量低

0

4,

将图像分块理论

D

入压缩感知图像重

结合曲波变换具有适合表达边缘细节信息和曲线信息的优

4,

利用曲波变换对

MRI

图像进行稀疏表示

形成一种基于视

觉传达效果的

MRI

图像压缩感知图像重构算法

#

选择信噪比

相对

"

误差和匹配度为评价

m

通过无噪图像

加噪图像

不同采样频率对重构图像质量影响进行

3

组实验

#

实验结果表明

图像重构时

在信噪比

相对

"

误差和匹配度

3

个评价

m

标上

,提出的算法

GPBDCT

均优于

SIDCT

PBDCT

同时GPBDCT

具有很强的抵抗噪声的能力

在保持图像细节和边缘方

面效果很好

#

关键词

小波

变换

曲波变换

感知

化参数

样频

信噪

中图分类号

TN911.73

文献标志码

A

Study

on

Image

Compression

Perceptual

Reconstruction

Algorithm

Based

on

Visual

Communication

Effect

SHEN

Fengxian

(School

of

Computer

Science

and

Engineering,

Sanjiang

University,

Nanjing

210000,

China)

Abstract

:

Aiming

at

the

shortcomings

of

traditional

image

compression

perceptual

reconstruction

algorithm,

such

as

bad

visual

communicatione

f

ectandlowimagequality

thetheoryofimageblockisappliedintothereconstructionofcompressedpercep-

ualimagesTCombiningtheadvantagesofcurvelettransform

whichissuitableforexpressingedgedetailsandcurveinforma-

ion

the

MRIimagesarerepresentedsparinglybycurvelettransformTAn

MRIimagereconstructionalgorithmbasedonvisual

,

,

,

communication

effect

is

proposed.

The

signal-to-noise

ratio

,

relative

error

and

matching

degree

are

selected

as

the

evaluation

indexes.

The

results

of

three

groups

of

experiments

show

that

the

quality

of

reconstructed

images

is

affected

by

noise-free

ima

­

ges

,

noisy

images

and

different

sampling

frequencies

and

PBDCT

is

superior

to

SIDCT

and

PBDCT

in

SNR

,

relative

error

and

matching

degree.

PBDCT

has

strong

ability

to

resist

noise

and

is

good

at

preserving

image

details

and

edges.

Key

words

:

wavelet

transform

curvelet

transform

compression

perception

regularization

parameter

sampling

frequ­

ency

%

SNR

0

引言

为解决

MRI

图像欠采样易产生阶梯状伪影的问题,

Knoll

等人⑷提出一种基于高阶总变分法的图像重构伪影去

磁共振成像

(

Magnetic

Resonance

Imaging,

MRI)

技术能

够提供活体组织的细节图像,

同时具有对人体无辐射性伤害

除法

实验结果表明

可以有效地抑制阶梯状伪影

Qu

等人⑸提出一种联合稀疏变换的

MRI

图像重构算

等优点

因此被广泛地应用于人脑

胸部

心脏以及人体其他

部位结构的成像

。但是

MRI

成像技术存在成像速度慢

的缺

,这样会导致心脏成像

腹部成像和功能成像中产生伪影

,

达到

MRI

图像伪影的去除,

实现图像重构质量的提高

Islam

等人⑹结合小波域和高斯模型

提出一种基于小

波域的高斯混合尺度模型的

MRI

图像欠采样重构算法

另外

由于过长的采样时间会造成患者心理的不适感

为了

提高

MRI

数据采样速度和成像速度

Cawley

Wajer

等人

采用部分傅里叶变换和非笛卡尔采样实现

#

空间数据的欠

但是会引入部分图像伪影

压缩感知

(Compressed

Sens

­

ing,

CS)

最早由

Donoho

)1

Cande

2

等人提出

其打破了传

验结果表明

该方法同传统方法相比较可以提高信噪比

0.

5

dB,

效果较好

目前

稀疏变换和表示在

MRI

图像重建处理中发挥着

要作用

曲波变换作为图像稀疏变换的

要方式已被广泛

地应用于图像处理

但是

传统的曲波变换只能提取有限的

统采样理论对采样频率的限制

可以采集数据且可以压缩采

集的数据

能够降低数据采样量

节约数据的存储空间以及计

方向性信息

且变换基也是预先设定的

因此无法完全抑制

图像的噪声和保留图像的边缘信息

针对传统曲波变换存

算时间

CS

最先由

Lustig

3

*

引入

MRI

图像的采集和重建

#

空间随机欠采样产生的伪影视为噪声的角度出发

通过最小

范数的非线性重建实现

MRI

图像中伪影的去除

基金项目

江苏省自然科学基金项目

(

17NJ076

)

在的缺点

将图像分块理论引入压缩感知图像重建

结合曲

波变换具有适合表达边缘细节信息和曲线信息的优点

利用

作者简介

沈凤仙

(

1984-

),

硕士

讲师

研究方向

计算机应用

图形图像处理

61

Microcomputer

Applications

Vol.

37,

No.

4,2021

基金项目

微型电脳%用

2021

年第

37

)第

4

MRI

图像进行稀疏表示

提出一种基于图像分

MRI

图像压

感知图像重构算法

从而实

式中

范数

|

a

11

表示向量

$

中所有元素的绝对值之和

o

方向优化算法被广泛

应用于

MRI

图像重建

,其可以

MRI

图像

信息的保留

将式

(

1)

的最优化

17

如式

(

2

)

11

1

1

压缩感知

MRI

(

Compressed

Sensing

MRI,

CS-MRI)

min

y

F

v

x

2

+

||

式中表

(2)

主要实现图像

!

傅里叶

重构的

MRI

图像

ye

c

M

Do

等人

7

如研究发

边缘和轮廓的能力

使得重

算子

F

e

!

MRI

图像仍然存在伪影

k

2

图像块的方向性曲波变换的

CS-MRI

现象

针对

无法

最优

表示

表达边

细节信息和

线信息

)

-12

*

采用

MRI

图像

13

-

16

,

如式

(

1

)

像重建

2.

1

图像块方向性曲波变换

(

Graph

Patch-based

Directional

MRI

图像稀疏重建实质上是求解

范数最优化的问

Curvelet

Transform,GPBDCT

)

MRI图像分块结果

如图

1

重排图像像素成

min

a

1

1

s.

t

.

y

&

0F

(1)

;

爭以沁

曲一波一变?^^

保留最大曲波系数

曲波系数卜

................

―:

选择误差最小的方向

-------

…也缶蠢素一成仁可鯉变一换疤祠

为一个几何方向

(a)

分块结果

(b)

算法

框架

1

分块结果和算法

框架

0

T

表示图像

!

的二维正向曲波变换,

R

j

表示将图像

!

系数

0

!

分成块的算子

0

=

只护!

#

=1,2,

J

),

实现图

像的分块操作

,候选方向集为

0

=31

0

,•••!>

d

4

对于

的几何方向

那么曲

子带系

(3)

T

!

&

arg

min

||

B

w

x

1

0

+

2

|

y

F

u

!

1

2

式中

J

u

(6)

算子

y

表示

k

h

的几何

||

B

/

!

110

表示图像约束项;

||

y

F

u

!

|2

方向能通过

S

个曲波系数的最

)

8

*,

如式

(

3

)

B

/

!

|

|

|

y

F

!

|2

为了方便求解和计算

将辅助变量

$

g

0

T

P(0,

d

R

2.

3

算法流程

/

,

?

=

arg

min

|

c

,

j

d

3

0

,

d

,

S

)

0

=

(0

,

>)

R0

T

!

|2

式中

1

示第

的第

d

Radon

曲波变换的正变换

,

,

>

,

7

入式

(6)

则有式

(

7

)

min

&

(

(

$

1

1

1

+

2

$

1

T

P

(

0

}

,

d

)Rj!

11

2

)

+

2

y

S

)

表示曲波系数

0

T

p

(

0

,

>

)R0!

最大的

S

个系数

0

,

>

方向

P0,

d

)表

方向

jd

平行

F

U

!

2

(

7

)

在求

j

&

1

(

7

$

新排列

的像素

图像

!

的图像块方向性

程中

随着

B

的增大

B

值的解作

系数

s

如式

(

4

)

2

下的初始解

2

(

7)通

$

1

1

T

P(w

1

)

R

1

-

=

0

T

P(®)R

j

0

T

X

=

B

/

!

(4)

(1)

固定

计算每一个

$

J,

如式

(8

)

min

1

1

$j

11

1

+

2

1

1

$j

1

P

(

j,

d

)Rj!

11

2

a

j

2

(8)

L

$

j

_1

TP

(

WJ

)R

j

_

式中

$

通过软阀值计算获得

u

=

s

(

(

rp

(

0

))

!

2

)

~1

T

P(/

1

)

R

1

-

式中

B

=

(2)

固定全部

$

厂如式

(

9

)

0

T

P(®)R

j

0

t

其逆变换

如式

(

15

)

m

i

n

&

(

2

1

$

7

1

P

(

J

j}

R

j

X

11

2

)

+

2

y

F

!

1

2

(9)

"

(

9)

可以通过正则化方程进行求解

如式

(

10

)

_1

T

P(zv

J

)Rj

_

!

&

BS

式中

表示每个像素的重叠系数

2.

2

基于

PBDCT

CS-MRI

像重建

(5)

2

&

R

T

P

t

(

0

7

)#

t

P

(

0

)

+

)F

U

F

u

)

&

j

&

1

J

2

j

&

1

R

j

P

T

(

0

j

$

j

+

)F

y

(10

)

由于

1

=

(

0

,P

(

0

)

=

6

,

(10)

可以简化

如式

(11)

j

CS-MRI

图像重建过程中

通过约束变换系数的

-

数,使得其最小化

-

0

范数则能用较少的测量值实现图像

B

&

0R

J

R0

!

+

)F

U

y

&

2

$

+

F

U

y

(11

)

j

&

1

重建

通过约束

-

0

MRI

图像重建

!

(

6

)

62

式中

@

&

&

R

j

P

T

(

&

3

表示对角矩阵;

Microcomputer

Applications

Vol.

37,

No.

4,2021

基金项目

微型电$%用2021

年第

37

)

4

的元素对应像素在图像中的位置

元素的值表示像素

Noise

Ration,

SNR

)

&

相对

l

2

误差

(Relative

L2

norm

error

,

RLNE

)和

&

=

cl

1

像素重

是一样的

=

个指

评价

MRI

图像重建质量。

假设

I

N

分别表示图像的宽度和高度汀

6

分别表示原始图像和

重构图像

二维图像的信噪比

SNR

相对

l

误差

(Relative

L2

norm

error,RLNE

)

和匹配度

y

,

如式

(

13

)

(

15

)

(12

)

MRI

图像系数重建结果

如式

(

12

)

其算法流程

!

21

+

6

)

1

(

2

a

*

J

U

"

)

255

X

255

7

MX

N

(

13

)

(1

)

初始化参数

输入采集图像

"

输入几何方向

U

=

{0

i

,0

2

,

0

,

}

设定重叠因子

O

正则化参数

A

=

10

8

,

内部循环误差限

4

=5X10

3

,

初始化变量

=

F

U

",!

last

=

!

,

2

=2

6

,

$

=

0

(2

)

2

8

2

6

,固定

计算每一个

$

:

,

更新

@

2

RLNE

6

,

11

y

p

T

ne

II

6

6

11

2

FR

(

14

)

(

15

)

2

||

6

||

2

2

+

6

2

11

实验中

采用笛卡尔采样模板实现

#

空间数据欠采

,如

&

D

:

=

t

:

-

1

;

2

所示

+

XI

)

1

(

@

+

F

U

"

);

(3

)

求解式

(

12

),

获得

!

=

⑷若

||

$

!

||

=

11

!

l*

t—

!

||

>

4

,

返回步骤

(2

),

步骤

(

5)

(5

)

2

82

6

2

92

2

,

返回步骤

(

2

)

(a

)

35%

数据欠采

(6)

否则

算法终止

输出结果

3

实验与结果分析

(b)

全采样图像

(c)

补零

#

空间采

图像

2

所有

#

空间数据均由

SIMENS

3T

成像仪采集得到,成像参

TR/TE=6

100/99

ms,

层厚为

3

mm,

视野为

220

"

220

mm

3.1

评价

m

为了验证

MRI

图像重建的效果

选择信噪比

(Signal

验图像

如图

3

(

a

)

(

b

)

(

c

)

(

d

)

()

f

3

(g)

(h)

为评估本文算法的有效性

以图

3(a)-

3(h)

为研究对

其中

3(a)-

3(d)

为笛卡尔坐

样图像

因为笛卡

GPBDCT

块方向性曲波变换(

Patch-based

Directional

Curvelet

Transform

,

PBDCT

)

和平移不变离散余弦变换

样被广泛地应用于工程实践和科学研究

具有很好

(Shift-invariant

Discrete

Cosine

Transform,

SIDCT

)

重构结

3(e)-

3(h)

2

图像

,

4

(a)

原始图像

(b

)

SIDCT

(c

)

PBDCT

(d)

GPBDCT

4

表示不同方法

MRI

图像重构结果对比图

4(b

)

和图

4(f)

分别表示

SIDCT

结合

l

范数的

MRI

图像重构结

63

Microcomputer

Applications

Vol.

37,

No.

4,2021

基金项目

微型电脳%用

2021

年第

37

)第

4

果和重构误差

;图

4(c)

和图

4(g)

分别表示

PBDCT

结合

由表

1

可知

GPBDCT

结合

范数进行图像重构

在信

MRI

图像重

和重构误差

4(d)

和图

4(h)

分别

MRI

图像

噪比

(

SNR

)

相对

误差

(

RLNE)

和匹配度(

三个评价指

标上

均优于

SIDCT

PBDCT,GPBDCT

结合

—范数的信

噪比比

SIDCT

PBDCT

分别提高了

2.

8

dB

1.

69

dB,

表示

GPBDCT

结合

范数的

MRI

图像重构结果和重构误

通过对

分析发现

GPBDCT

重构结果优于

SIDCT

PBDCT

。由

4(f

)

4(h)

MRI

图像重构误差可知

,提出的

GPBDCT

SIDCT

PBDCT

误差比

SIDCT

PBDCT

分别提高降低

0.

015

0. 001

9,

从而证明本文方法

GPBDCT

图像

和保持边缘细节方

优势

另外

由不同重

重构质

和保留

边缘

的优越性

方法的评价

标对

构图像

3

(

b

)

3(c

)

3

(

d

)

SNR

18.88

如表

1

RLNE

0.0976

3.

2

不同数据采样频

对图像

重构

质量的影响

1

不同重构方法的评价指标对比结果

0.9926

0.9916

0.9973

为了研究不

MRI

图像重构质量的影响,

&

通过对比不同采样频率下

GPBDCT

PBDCT

SIDCT

三种

方法的

MRI

图像的相对

误差

(

RLNE

)

其对比结果

5

19.99

0.0957

0.0826

21.68

(

b

$

(c)

0.45

Sampling

rate

Sampling

rate

(f)

(

e

$

(g)

(h)

5

不同重构方法下

RLNE

误差随采样频率的变化图

5

,

影响,

其评价指标为相对

—误差

(

RLNE

)

5

中的横坐标

采样

分别为

0.

15

0.

25

0.

35

0.

45

64

0.

55.0.

65.0.

75.0.

85

0.

95,

纵坐标为相对

误差

以图

5(a

)

为例

SIDCT

PBDCT

的相对

GPB-

DCT,

在采样频率为

0.

15

局部的相对

误差高达

Microcomputer

Applications

Vol.

37,

No.

4,2021

0.

101,

随着采样频率的增加

相对

l

误差也随之降低

,GPB-

基金项目

微型电$%用2021

年第

37

)

4

2006

1433-1452

DCT

法的相对

l

总体低于

SIDCT

PBDCT

的相对

l

%

3

]

Lustig

M

,

Do

no

ho

D

,

Pauly

J

M.

Sparse

MRI

The

applicationofcompressedsensingforrapid

MRima-

ging[J&.

Magnetic

Resonance

in

Medicine,

2007,

58

(

6

)

1182-1195

误差

°

5

中的

(

a

)

(h)

分别对应图

3

中的

(

a

)

(h

)

5

(b

)-(

h

)

表示不同测试图像的相对

l

通过图

5(b

)

(h)

可知

GPBDCT

方法在不

其图像重构结果

均优于

SIDCT

PBDCT

,

从而说明本文算法

和'

3.

3

抗噪能力分析

很强的稳

%

4

]

Candes

E

,

Romberg

J.

Sparsity

and

incoherence

in

compressive

sampling

[J]

.

Inverse

Problems

,

2007

,

23

(

3

)

969-985

%

5

]

Su

T

Y,

Wang

W,Lk

Z,

et

al

Rapid

Delaunay

trian-

gulationforrandomlydistributedpointclouddatau-

sing

adaptive

Hilbert

curve%].

Computers

&

Graph-

ics

!

2016

(

54

)

65-74

%

6

]

Gu

W

!

LvZ

!

Hao

M

Changedetection

methodfor

为了验证本文算法抵抗噪声的能力

分别对

MRI

图像

remotesensingimagesbasedonanimproved

Markov

randomfield

%

J

]

MultimediaToolsand

Applications

!

2017

76(17

)

17719-17734

%

7

]

ChenZ

W

!

Huang

W

!

LvZ

Towardsafacerecogni-

()

全采样

加噪图像

(

b

)

GPBDCT

()

PBDCT

(d

)

SIDCT

tion

methodbasedonuncorrelateddiscriminantsparse

preserving

projection%].

Multimedia

Tools

and

Ap-

plications

!

2017

76(17

)

17669-17683

6

不同方法噪声图像重构结果

不同重构方法的评价指标对比

如表

2

所示

°

%

8

&

2

不同重构方法的评价指标对比结果

重图像

5(b

)

冷飞

.

基于视觉传达效果的传统艺术图

像重建

方法

GPBDCT

PBDCT

SNR

RLNE

y

0

9376

0

9168

0

8988

方法研究%]

现代电子技术

,

2017,40(24

)=

118-120.

%

9

&余震

可留杰

吴婷.基于融合鲁棒特征与多维尺度

17

73

16

65

15

11

0

1033

0

1157

0

1435

变换的紧凑图像哈希算法

%]

包装工程

2019,40

5

(

c

)

5(d

)

(

1

)

186-195

SIDCT

[10

]

张正炎

屈小波

林雁勤

.

基于近似

l

范数最小

由表

2

可知

在信噪比

(

SNR

)

相对

l

误差

(

RLNE)

化的

NMR

波谱稀疏重建算法

%]

波谱学杂志

2013

,

30

(

4

):

528-540

(y)

三个评价指

有噪声

MRI

图像重构的信噪

GPBDCT

SIDCT

PBDCT

分别提高

2.

62

dB

1 08

dB,

相对

l

误差分别降低

0.

040

2

0.

012

4,

匹配度

%

1

]

李攀

黄黎青

宋允东

.

基于掩膜预处理的稀疏表示

和压缩感知

像重建

%]

电子测量技术

2015,38

(

8

)

79-81

分别提高

0.

020

8

0.

040

8,

从而证明本文算法

GPBDCT

很强的抗噪能力

效果较好

,

和保持边

[12

]

李然

干宗良

朱秀昌.

基于最佳线性估计的快速压

缩感知图像重建算法

%]

电子与信息学报

2012,34

(

12

):

3006-3012

细节方

4

总结

优势

°

[13

]

阳宁凯

戴国骏

周文晖

.

基于结构化随机矩阵

的分块压

感知光场重建

%]

杭州电子科技大学学

为提高

MRI

图像压

重构后的视

和图像重

建质量

将图像分块理论引入压缩感知图像重建

结合曲波

报(自然科学版),

2018

,

38(6)

28-34.

保持图像边缘

细节信息和

线信息的优点

利用

[14

]

程德强

邵丽蓉

李岩

.

多尺度分块的自适应采

样率压缩感知算法%]

激光与光电子学进展,

2019

,

波变换实现

MRI

图像的

MRI

图像重

表示

种基于图像分块

56(

3

)

031005

MRI

图像压

感知图像重构算法

°

GPBDCT

,从信噪比

相对

l

误差和匹配度三

[15

]

常凯

张海江

林叶

.

基于样条插值与曲波变换压缩

感知的井下微地震监测数据重建

%]

物探化探计算

评价可以看出

本文提出的

GPBDCT

方法均优于

SIDCT

技术,

2016

,

38

(

6

):

788-795

PBDCT

,

很强的

的能

,

图像

节和

[16

]

曹静杰,

王尚旭,

李文斌

.

基于一种三维低冗余曲波

变换和压缩感知理论的地震数据重建

%]

中国石油

(

),

2017

,

41

(

5

)

61-68

边缘

很好

°

参考文献

%

1

&

Do

no

ho

D

L.

Compressed

sensing%].

IEEE

Transac­

tions

on

Information

Theory,

2006,52(4)

1289-1306.

[17

]

张岩

任伟建

唐国维

.

基于曲波变换的地震数据压

缩感知重构算法

%]

吉林大学学报(信息科学版)

2015

,

33(

5

)

570-577

%

2

]

Candes

E.

Compressive

sampling

[

M

]/

/Proceedings

oftheInternationalCongressof

Mathematicians

Ma-

[18

]

刘伟

曹思远

崔震

.

基于压缩

感知和

TV

准则

约束

的地震资料去噪

[J

]

石油物探

2015

,

54

(2)

180-187

drid

,

August22-30

,

2006

Zuerich

,

Switzerland

Eu

­

ropean

Mathematical

Society

Publishing

House

,

65

(

20200831

)


本文标签: 图像 重构 变换