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2015年  第41卷  第2期

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2015, 41(2).
综述与评论
图像去雾的最新研究进展
吴迪, 朱青松
2015, 41(2): 221-239. doi: 10.16383/j.aas.2015.c131137
摘要:
随着计算机视觉系统的发展及其在军事、交通以及安全监控等领域的发展, 图像去雾已成为计算机视觉的重要研究方向. 在雾、霾之类的恶劣天气下采集的图像会由于大气散射的作用而被严重降质, 使图像颜色偏灰白色, 对比度降低, 物体特征难以辨认, 不仅使视觉效果变差, 图像观赏性降低, 还会影响图像后期的处理, 更会影响各类依赖于光学成像仪器的系统工作, 如卫星遥感系统、航拍系统、室外监控和目标识别系统等. 因此, 需要图像去雾技术来增强或修复, 以改善视觉效果和方便后期处理. 本文归纳总结了两大类图像去雾方法:基于图像增强和基于物理模型的方法, 深入探讨了其中的典型算法和研究成果, 并对这些算法的测试结果进行了定性和定量的分析比较, 最后总结了图像去雾技术目前的研究状况和未来的发展方向.
字典学习模型、算法及其应用研究进展
练秋生, 石保顺, 陈书贞
2015, 41(2): 240-260. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140252
摘要:
稀疏表示模型常利用训练样本学习过完备字典, 旨在获得信号的冗余稀疏表示. 设计简单、高效、通用性强的字典学习算法是目前的主要研究方向之一, 也是信息领域的研究热点. 基于综合稀疏模型的字典学习方法已经广泛应用于图像分类、图像去噪、图像超分辨率和压缩成像等领域. 近些年来, 解析稀疏模型、盲字典模型和信息复杂度模型等新模型的出现丰富了字典学习理论, 使得更广泛类型的信号能够被简单性描述. 本文详细介绍了综合字典、解析字典、盲字典和基于信息复杂度字典学习的基本模型及其算法, 阐述了字典学习的典型应用, 指出了字典学习的进一步研究方向.
论文与报告
基于非局部相似模型的压缩感知图像恢复算法
沈燕飞, 李锦涛, 朱珍民, 张勇东, 代锋
2015, 41(2): 261-272. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140210
摘要:
针对压缩感知(Compressed sensing, CS)图像恢复问题, 提出了一种基于非局部相似模型的压缩感知恢复算法, 该算法将传统意义上二维图像块的稀疏性扩展到相似图像块组在三维空间上的稀疏性, 在提高图像表示稀疏度的同时进一步提高了压缩感知图像恢复效率, 恢复图像在纹理和结构保持方面都得到了很大的提升. 在该算法模型求解过程中, 使用增广拉格朗日方法将受限优化问题转换为非受限优化问题, 为减少计算复杂度, 还使用了基于泰勒展开的线性化技术来加速算法求解. 实验结果表明, 该算法的图像恢复性能优于目前主流的压缩感知图像恢复算法.
基于近邻协同的高光谱图像谱-空联合分类
倪鼎, 马洪兵
2015, 41(2): 273-284. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140043
摘要:
遥感高光谱成像能够获得丰富的地物光谱信息, 为高精度的地物分析提供了可能. 针对高光谱图像分类中通常面临的数据维数高、标记样本少、计算量大等问题, 提出了一种简单有效的谱--空联合分类方法. 利用高光谱图像丰富的光谱信息和地物分布的空间平滑特性, 该算法首先对光谱数据进行特征提取和空间滤波, 然后利用本文提出的基于近邻协同的支持向量机(Neighborhood collaborative support vector machine, NC-SVM)进行分类. 近邻协同进一步利用地物分布的空间平滑特性, 通过联合空间近邻的判决信息进行中心像素的类别判定, 有效减小了只有少量训练样本下的错分概率. 实验表明, 相比已有的相关方法, 该算法在不明显增加计算量的情况下可获得更高的分类正确率, 能够实现少量训练样本下高光谱图像的快速高精度分类.
基于图像配准的栅格地图拼接方法
祝继华, 周颐, 王晓春, 邗汶锌, 马亮
2015, 41(2): 285-294. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140055
摘要:
栅格地图拼接是多移动机器人协同创建环境地图中的一项关键技术. 本文提出一种图像配准意义下的栅格地图拼接方法. 该方法将栅格地图拼接问题视为图像配准问题, 建立相应的目标函数, 并给出局部收敛的迭代最近点算法求解该目标函数. 为获得最优的拼接结果, 该方法从待拼接的地图中提取局部不变特征, 并借助随机抽样一致性算法分析初始拼接参数, 以作为迭代最近点算法的初值. 最后, 提出了拼接参数已知时的栅格地图融合规则. 实验结果表明, 该方法能可靠地实现栅格地图拼接, 且具有精度高和速度快的优点.
基于分层弹性运动分析的非刚体跟踪方法
吕峰, 邸慧军, 陆耀, 徐光祐
2015, 41(2): 295-303. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140375
摘要:
采用时--空分层的弹性运动跟踪策略, 提出了一种分析长时运动稳定结构与短时运动局部变化的非刚体运动跟踪方法. 首先, 基于序贯形状聚类的分段弹性运动跟踪模型, 将整段图像序列分割成若干子段, 并利用弹性运动分析方法得到子段内各帧边缘点的对应关系和各类的平均形状, 获取短时局部运动变化细节. 然后, 通过基于贝叶斯网的整体搜索算法寻找时序上相邻聚类平均形状之间的对应关系, 进而得到整段运动的公共形状, 用于表示长时运动稳定结构. 通过计算公共形状与各类平均形状之间的变形关系, 可以建立各聚类平均形状之间的对应关系, 实现分段运动的连接. 本方法的特点是不依赖先验模型、 通用性好、 目标的描述能力强. 实验表明, 本方法与现有不依赖模型的方法相比,具有更好的长时稳定性和更高的跟踪精确度.
基于多聚焦图像深度信息提取的背景虚化显示
肖进胜, 杜康华, 涂超平, 岳显昌
2015, 41(2): 304-311. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140059
摘要:
针对普通相机无法拍摄出符合视觉美感的背景虚化图像问题, 提出一种基于多聚焦图像深度信息提取的背景虚化算法. 首先, 根据图像的光学成像原理,对多聚焦图像进行热扩散方程的数学建模, 对图像中的每个点自适应的初始化一个深度值; 其次, 根据图像每个点的热扩散系数对初始图像进行前向扩散, 用数值方法来解此偏微分方程, 通过正则化得到修正后的图像深度信息; 最后, 对图像深度信息进行分层, 利用多尺度高斯滤波对不同深度层的图像进行虚化处理. 本算法能够有效地提取出图像的深度信息, 并且获得的背景虚化效果也能够较好地符合光学原理.
带边界条件约束的非相干字典学习方法及其稀疏表示
汤红忠, 张小刚, 陈华, 程炜, 唐美玲
2015, 41(2): 312-319. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140183
摘要:
从字典的相干性边界条件出发, 提出一种基于极分解的非相干字典学习方法(Polar decomposition based incoherent dictionary learning, PDIDL), 该方法将字典以Frobenius范数逼近由矩阵极分解获取的紧框架, 同时采用最小化所有原子对的内积平方和作为约束, 以降低字典的相干性, 并保持更新前后字典结构的整体相似特性. 采用最速梯度下降法和子空间旋转实现非相干字典的学习和优化. 最后将该方法应用于合成数据与实际语音数据的稀疏表示. 实验结果表明, 本文方法学习的字典能逼近等角紧框架(Equiangular tight-frame, ETF), 实现最大化稀疏编码, 在降低字典相干性的同时具有较低的稀疏表示误差.
Sobolev 广义度量下的各向异性扩散模型
刘孝艳, 冯象初, 赵晨萍
2015, 41(2): 320-329. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140564
摘要:
给出了Sobolev空间的一种广义度量, 在该度量下提出了一个新的各向异性增强、扩散方程. 广义度量中的变系数, 较好地控制了方程的扩散行为, 使得新模型不仅能有效增强图像的细节特征, 而且能在噪声去除和边缘保护之间取得较好的平衡, 同时给出了相应的隐式离散算法. 仿真实验结果表明, 新模型和算法是行之有效的.
基于轨迹特征及动态邻近性的轨迹匿名方法研究
王超, 杨静, 张健沛
2015, 41(2): 330-341. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140139
摘要:
移动社会网络的兴起以及移动智能终端的发展产生了大量的时空轨迹数据,发布并分析这样的时空数据有助于改善智能交通,研究商圈的动态变化等.然而,如果攻击者能够识别出轨迹对应的用户身份,将会严重威胁到用户的隐私信息.现有的轨迹匿名算法在度量相似性时仅考虑轨迹在采样点位置的邻近性,忽略轨迹位置的动态邻近性,因此产生的匿名轨迹集合可用性相对较低.针对这一问题,本文提出了邻域扭曲密度和邻域相似性的概念,充分考虑轨迹位置的动态邻近性,并分别提出了基于邻域相似性和邻域扭曲密度的轨迹匿名算法;前者仅考虑了轨迹位置的动态邻近性,后者不仅能衡量轨迹位置的动态邻近性,而且在聚类过程中通过最小化邻域扭曲密度来减少匿名集合的信息损失.最后,在合成轨迹数据集和真实轨迹数据集上的实验结果表明,本文提出的算法具有更高的数据可用性.
基于 MTF 和变分的全色与多光谱图像融合模型
周雨薇, 杨平吕, 陈强, 孙权森
2015, 41(2): 342-352. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140121
摘要:
Pan-sharpening将高分辨率图像全色(Panchromatic, Pan)波段的空间细节注入多光谱(Multispectral, MS)波段, 以生成同时具有高光谱和高空间分辨率的多光谱图像. 为改善融合效果, 需要考虑多光谱和全色波段的调制传输函数(Modulation transfer function, MTF). 本文提出了一个新的基于MTF和变分的Pan-sharpening模型. 该模型的能量泛函包括两项, 第1项为细节注入项, 基于高通滤波器从Pan波段中提取细节信息并注入融合图像;第2项为光谱保真项, 基于MTF设计多孔小波的低通滤波器以保持MS波段的多光谱信息. 在QuickBird、IKONOS和GeoEye数据集上的融合结果表明, 该模型可以生成同时具有高空间和高光谱质量的融合图像, 融合效果优于AWLP、IHS_BT、HPM-CC-PSF、NAWL、快速变分等算法.
航空交错 TDI 红外影像复原
陈王丽, 孙涛, 秦前清, 石强, 马国锐
2015, 41(2): 353-361. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140287
摘要:
针对航空交错延时积分(Time delay and integration, TDI)红外影像奇数行和偶数行之间灰度差异、错动以及影像降晰问题, 提出了一种交错TDI红外影像复原方法. 首先采用对影像灰度差异不敏感的基于相位相关 (Phase-only correlation, POC) 的位移估计方法估计奇数行影像和偶数行影像之间的亚像素精度位移场. 其次以奇数行影像为参考, 根据位移估计结果对偶数行影像做点对点灰度校正, 并对齐奇数行影像和灰度校正后的偶数行影像. 最后采用BTV (Bilateral total variation)正则化超分辨率重建方法反降晰, 得到复原影像. 实验结果表明复原影像中奇偶行的错动得到有效补偿, 地物的边缘和纹理结构更加清晰, 影像质量显著提高.
一种面向语义重叠社区发现的 Block 场取样算法
辛宇, 杨静, 谢志强
2015, 41(2): 362-375. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140136
摘要:
语义社会网络(Semantic social network, SSN)是一种包含信息节点及社会关系构成的新型复杂网络. 传统语义社会网络分析算法在进行社区挖掘时, 需要预先设定社区个数且无法发现重叠社区. 针对这一问题, 提出一种面向语义重叠社区发现的block场采样算法, 该算法首先以LDA (Latent dirichlet allocation)模型为语义分析模型, 建立了以取样节点为核心节点的block 场BAT (Block-author-topic)模型; 其次, 根据节点的语义分析结果, 建立可度量block区域的语义凝聚力方法, 实现了语义信息的可度量化; 最后, 以节点的语义凝聚力为输入, 改进了重叠社区发现的标签传播算法(Label propagation algorithm, LPA)及可评价语义社区的SQ度量模型, 并通过实验分析, 验证了本文算法及SQ 度量模型的有效性及可行性.
正交旋转不变 V 矩及其在图像重建中的应用
陈伟, 张晓婷
2015, 41(2): 376-385. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140347
摘要:
定义在单位圆盘上的正交旋转不变矩函数(如Zernike矩) 具有非常广泛的应用. 本文基于一类正交分段多项式函数系--V系统, 构造了一种新型的矩函数, 称之为正交旋转不变V矩(简称为V矩). 除了正交性、旋转不变性之外, 由于V系统具有次数低、表达式简单的优点, V矩能够避免传统矩函数中高阶多项式的计算, 从而能够保证数值稳定性, 降低计算复杂度. 实验结果表明, V矩比传统的正交旋转不变矩具有更好的图像重建与图像检索结果.
基于区域特征映射的模糊掌纹识别方法
魏伟波, 洪丹枫, 潘振宽, 吴鑫
2015, 41(2): 386-395. doi: 10.16383/j.aas.2015.c131189
摘要:
针对掌纹在非接触采集时易出现模糊现象从而导致系统识别性能降低的问题,建立了区域到点的特征映射模型,提出了一种基于区域特征映射(Region feature map, RFM)的模糊掌纹识别方法.首先根据图像的模糊原理,建立等价的模糊模型,获取模糊掌纹; 然后使用RFM对模糊掌纹进行操作,将高维的区域特征映射到低维的点特征; 最后,采用归一化相关性分类器对掌纹所属类别进行判定识别.使用模糊模型对PolyU掌纹库进行处理得到PolyU模糊掌纹库,并分别在PolyU掌纹库和PolyU模糊掌纹库上进行测试,识别结果较为稳定. 在模糊掌纹库上,本文算法的等错误率(Equal error rate, EER)最小可达0.9069%,优于传统算法,且进行一次识别的时间为33.95ms,得到的特征数据维数较小,降低了算法复杂度,表明了本文算法的有效性和实时性.
基于全变分的运动分割模型及分裂 Bregman 算法
王诗言, 于慧敏
2015, 41(2): 396-404. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140255
摘要:
提出了一种基于全变分的运动分割模型,可以适用于2D/3D视频.首先, 通过活动轮廓模型将分割与估计融合在同一能量函数中, 该模型能够同时进行分割曲面的演化和运动参数的估计. 其次,通过凸松弛方法将原始问题转化为等价的全变分模型, 克服了局部最小值问题.最后,采用分裂Bregman快速算法进行求解. 多组实验证明了本文方法对2D/3D视频的通用性和算法的高效性.
鲁棒的单类协同排序算法
李改, 李磊
2015, 41(2): 405-418. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140231
摘要:
单类协同过滤(One-class collaborative filtering, OCCF)问题是当前的一大研究热点.之前的研究所提出的算法对噪声数据很敏感,因为训练数据中的噪声数据将给训练过程带来巨大影响,从而导致算法的不准确性.文中引入了Sigmoid成对损失函数和Fidelity成对损失函数,这两个函数具有很好的灵活性,能够和当前最流行的基于矩阵分解(Matrix factorization, MF)的协同过滤算法和基于最近邻(K-nearest neighbor, KNN)的协同过滤算法很好地融合在一起,进而提出了两个鲁棒的单类协同排序算法,解决了之前此类算法对噪声数据的敏感性问题.基于Bootstrap抽样的随机梯度下降法用于优化学习过程.在包含有大量噪声数据点的实际数据集上实验验证,本文提出的算法在各个评价指标下均优于当前最新的单类协同排序算法.
彩色全息压缩重构
张成, 沈川, 程鸿, 章权兵, 陈岚, 韦穗
2015, 41(2): 419-428. doi: 10.16383/j.aas.2015.c131140
摘要:
压缩全息搭起Gabor全息和压缩感知(Compressed sensing, CS)理论之间的桥梁, 特别适合从单帧二维全息测量数据中重建三维对象, 是一种新兴的三维重建技术. 本文将压缩全息方法从单波长情形推广到多波长, 提出一种基于三维总变分稀疏模型的改进彩色全息压缩成像方法, 建立多波长情形下的压缩测量模型. 该方法利用对象的稀疏先验知识, 从单帧二维彩色全息图中重建多波长三维对象, 有效地实现孪生像的抑制和多层切片相互之间的散焦图像对重建质量的影响. 数值实验结果验证了本文提出方法的有效性.
基于 Nyström 低阶近似和谱特征的图像非刚性配准
张桂梅, 曹红洋, 储珺, 曾接贤
2015, 41(2): 429-438. doi: 10.16383/j.aas.2015.c140329
摘要:
图像非刚性配准在计算机视觉和医学图像有着重要的作用.然而存在的非刚性配准算法对严重扭曲变形的图像配准精度和效率都比较低.针对该问题,提出基于Nystrm低阶近似和谱特征的图像非刚性配准算法.算法首先提取像素的谱特征,并将谱特征与空间特征、灰度特征融合形成具有扭曲不变性的全局谱特征; 然后在微分同胚配准的框架内使用全局谱匹配,确保算法产生的变形场具有光滑性、可逆性、可微性,以提高配准的精度;其次采用Nystrm抽样方法,随机抽取拉普拉斯矩阵的行与列,低阶逼近该矩阵,降低高维矩阵谱分解的时间,从而提高配准的效率;最后提出基于小波分解的多分辨率图像配准方法,进一步提高配准的精度和效率.理论分析和实验结果均表明,该算法的配准精度和配准效率都有明显的提高.
短文
基于分块奇异值分解的两级图像去噪算法
刘涵, 梁莉莉, 黄令帅
2015, 41(2): 439-444. doi: 10.16383/j.aas.2015.c130909
摘要:
为了更有效地进行图像去噪, 提出了一种基于分块奇异值分解(Singular value decomposition, SVD) 的两级图像去噪方法, 该方法首先将含噪图像中具有相似结构的图像块组织成具有很强相关性的图像块组; 然后, 利用二维奇异值分解去除图像块组中每个相似块的内部相关性, 利用一维奇异值分解去除相似图像块组之间的冗余; 最后, 通过硬阈值方法收缩变换系数实现图像与噪声的有效分离. 为了进一步提高去噪效果, 对含噪图像再次进行上述操作. 不同的是, 在第二级去噪过程中,相似图像块组根据第一级估计出的图像计算获得且相似图像块间的相关性通过离散余弦变换去除. 仿真实验表明, 提出的两级图像去噪算法不仅可以较大程度地去除图像噪声, 还能有效保留图像细节, 取得了良好的去噪效果.