Wednesday, January 25, 2012

Compressed Sensing(压缩感知)用于图像的综述

CS最初由[1][2][3]提出。[1, 2]没有看,[3]中理论推导比较多。我建议读[4]作为入门。
最初的CS理论只提出了noiseless的情况下,可以accurately recover compressible signal,注意是需要compressible signal的,不过大多数信号的是compressible signal,所以适用面很广。
于是有人就会想在noisy的情况下,是否可以使用CS呢?
最初的研究是,Noisy measurements的恢复效果不是很好。所以Wisconsin的俩人J. Haupt和R. Nowak就对zero-mean additive noise的情况进行了研究,相关工作可以参看[5]。他们的结论当时是可以在这种加性噪声的情况下恢复原信号(否则就没法发paper了...)。
对之后CS方面的文献就不在这片文章里描述了。


接下来我想重点讲一下cs用于imaging的文献发展历程。
一般来说,研究都放在如何采样一个图像或者如何压缩一个图像。
对于2D的图像,由于维数较大,导致CS面临有以下几个问题:
1. 重建算法计算量大
2. 需要大量的存储空间来保存随机采样operator,即measurement matrix

05年的时候,在[6]中最初对2D图像信号进行了CS reconstruction并给出了其仿真结果,不过这篇文章只讨论了无噪的情况,而且没有给出有噪情况的分析。作者的主要方案是apply a partial random Fourier matrix in the wavelet domain。
06年[3]提出multiscale CS:different scales of wavelet coefficients are segregated and sampled with partial Fourier ensembles。
也是06年的时候,[9]就对CS是否能作为一种imaging method进行了检验,主要考虑有噪情况下是否能够有很好的性能,将其performance与标准的pixel-based采样方案进行比较。最终结论是:CS在以下情况下优于传统像素采样:

  • if the underlying image is highly compressible or
  • or if the SNR is sufficiently large
外[9]还比较全面的介绍了对piecewise constant这个类别的图像进行压缩传统的做法。并给出了相应的squared approximation error作为性能衡量标准。


07年L. Gan基于[6]的理论提出了block compressed sensing[7]。这篇文章是我认为很多后续对图像压缩的研究的基础,非常建议一读。


08年MSRA的一帮人提出了将图像的coefficients进行分解[8],对于dense的部分进行conventional encoding (变换编码),sparse的部分进行CS。


[7]和[8]都给出了PSNR效果,是很好的比照对象。


[14]是基于[6]的一个改进。除了算法部分,我推荐看一下Background这一部分,它比较完整的介绍了当前CS的一些算法。同时,这篇文章也对[6]进行了review,有助于理解[6]的算法。另外,这篇文章给出了不同CS算法下的PSNR,有比较系统的仿真结果,可供参考。


11年,[15]提出了基于[6]的另一种改进。作者对稀疏系数矩阵进行random permutation从而使稀疏度分布趋近一致,从而提高CS的性能。


08年T. Wan等人提出将cs应用于image fusion[10],09年A. Divekar也作了类似的研究[11]。image fusion就是将从不同sensor对同一个场景的图像结合起来一发现其中的信息。有兴趣的同学可以看看这两篇文章,这里不多做解释。


09年开始,研究者开始考虑colored image,从而将CS从2D image转到了3D。[12]的作者提出使用Bayer Filter以及Joint Sparsity Model来exploit不同色彩信道之间的相关性。结果显示这种方法比普通的对各个信道独立进行CS效果更好。


08年,CS界的一位牛人J. Romberg使用noiselet概念(类似wavelet),并且使用min TV而不是min l1进行图像重建[13]。TV中的梯度运算可以促进smoothing,更加适合images。这也是大多数CS imaging的恢复算法。但是Noiselet用于稀疏基在图像方面的后续研究我还没有看到,有可能是我遗漏了。


以上就是05年到11年大部分关于cs用于image方面的paper综述,希望有助于大家理解。
有错误之处欢迎指出。


[1] Roubust uncertainty principles: Exact Signal Reconstruction from Highly Incomplete Frequency Information
[2] Near optimal signal recovery from random projections: Universal Encoding Strategies?
[3] Compressed Sensing
[4] Introduction to compressed sampling
[5] Signal reconstruction from noisy random projections
[6] Practical Signal Recovery from Random Projections
[7] Block compressed sensing of natural images
[8] Image representation by compressed sensing
[9] Compressive Sampling VS. Conventional Imaging
[10]Compressive image fusion
[11]Image fusion by compressive sensing
[12]Compressive imaging of color images
[13]Imaging via Compressive Sampling
[14]Block compressed sensing of images using directional transforms
[15]Compressive Sampling with Coefficients Random Permutations for Image Compression

No comments:

Post a Comment