[發明專利]基于幾何結構特征和自相似性的圖像壓縮感知重構方法

有效

• 申請號: 201410376417.8
• 申請日: 2014-08-01
• 公開（公告）號: CN104112286B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 林樂平;歐陽寧;莫建文;袁華;張彤;首照宇;陳利霞
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06T9/00
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司45112
• 代理人: 巢雄輝

技術領域

本發明屬于圖像處理技術領域，具體是一種基于幾何結構特征和自相似性的圖像壓縮感知重構方法。

背景技術

圖像的壓縮感知重構技術研究從圖像的壓縮觀測中重構出高質量圖像。這種技術為圖像獲取和處理技術提供了全新的思路和處理方法，是當前最為引人關注的新興技術和研究領域之一。該技術的研究主要包括三個方面：壓縮觀測技術、圖像的稀疏表示和壓縮感知重構技術。

壓縮觀測技術研究用盡量少的壓縮觀測數據獲得重構圖像信號所需的全部信息。對于自然圖像可以采用分塊壓縮觀測技術。該技術將圖像分成大小相等的不重疊的圖像塊，每個圖像塊用相同的一個高斯隨機觀測矩陣進行觀測，從而獲得圖像的分塊壓縮觀測，即一組圖像塊的觀測向量的集合。圖像的稀疏表示可以通過構造過完備字典獲得。

在“Compressed sensing by collaborative reconstruction on overcomplete dictionary,Signal Processing,2014,vol:103,92–102.”一文中提出了一種圖像的壓縮感知重構方法。該方法在重構每個圖像塊時，利用一組與其具有相似性的圖像塊，以減少單個圖像塊重構時的不確定性，從而提高圖像的重構質量。該方法存在的不足是，僅考慮了圖像塊之間的相似性，忽略了圖像塊自身的結構特征，所有圖像塊均采用同一種重構方式，運行速度慢。

發明內容

本發明為克服上述已有方法的不足，綜合利用圖像塊的幾何結構特征和圖像塊之間的相似性，提出一種基于幾何結構特征和自相似性的圖像壓縮感知重構方法，以提升圖像的重構效果。

本發明提供的基于幾何結構特征和自相似性的圖像壓縮感知重構方法，包括圖像壓縮觀測、圖像的稀疏表示和壓縮感知重構，且利用圖像塊之間的相似性重構每個圖像塊，其創新之處在于：還包括結合幾何結構特征進行壓縮感知重構，步驟包括：

步驟1：估計每個圖像塊的幾何結構特征，判定它的結構類型為光滑圖像塊、單方向圖像塊或隨機圖像塊；

步驟2：為每個圖像塊進行非局部相似匹配，找到一組與其具有相同結構類型的相似圖像塊，即它的非局部相似塊；

步驟3：根據每個圖像塊的結構類型指定它的稀疏字典或重構方式，分別將各個圖像塊和它的非局部相似塊的壓縮觀測向量共同作為優化目標，利用同步正交匹配追蹤算法重構該圖像塊：

步驟4：為每個圖像塊進行非局部和局部相似匹配，找到一組它的局部相似塊；

步驟5：每個圖像塊以及它的非局部相似塊和局部相似塊已經獲得的一組重構估計值組成該圖像塊的初始解集，分別優化初始解集里的每個解，并從優化后獲得的候選解集中選擇最優者作為圖像塊的最終重構估計值；

步驟6：將圖像塊按順序拼接起來，得到重構圖像。

具體地在步驟1，計算各個圖像塊的壓縮觀測向量的方差，設定平滑閾值為所有方差的平均值的0.4倍，將壓縮觀測向量的方差小于平滑閾值的圖像塊判定為光滑圖像塊，其他圖像塊判定為非光滑圖像塊；

對非光滑圖像塊再進行如下判定：將事先得到的過完備字典D中具有相同方向參數的字典原子組成一個方向字典，共得到36個方向字典：D₁,D₂,…,D₃₆；對一個非光滑圖像塊，以圖像塊的壓縮觀測向量為重構目標，分別以D₁,D₂,…,D₃₆為稀疏字典，設定稀疏度為10，利用正交匹配追蹤算法進行重構，得到36個重構殘差值：R₁,R₂,…,R₃₆；找到其中的最小值R_j，如果R_(j+1)％N和R_(j-1)％N均大于1.2R_j，那么認為該圖像塊的方向與方向字典D_j的方向一致，并將該非光滑圖像塊判定為單方向圖像塊，否則，將該非光滑圖像塊判定為隨機圖像塊；其中％是取余數操作。

進一步在步驟2，對每個圖像塊，找出與其具有相同類型的其他圖像塊，分別計算該圖像塊的壓縮觀測向量與這些圖像塊的壓縮觀測向量之間的歐式距離，將前n₁個較小的歐式距離對應的圖像塊作為該圖像塊的非局部相似塊。其中n₁取值為2～5。

進一步在步驟3，包括：