正则化图像复原中的自适应方法分析与实现

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文星体和遥感图像在成像过程中受大气湍流引起畸变造成模糊；2）外界环境极度恶劣，造成成像设备感光元件性能受影响引入噪声干扰，如热噪声，光噪声等；3）成像时缺少光线造成图像曝光不足，造成图像失真影响图像质量；4）采集图像过程中，设备受限或操作不当造成失焦引起图像模糊；5）成像设备和成像场景之间相对运动，造成图像运动模糊；6）成像设备本身质量所限，造成采集的图像失真，模糊和噪声干扰等，不能达到质量要求。图像复原的发展已经有几十年的历史，在使用数字图像之后，对于清晰图像的追求使人们很早就发现了对图像复原技术进行研究的重要性。被上述各种因素降质的图像严重影响到其在现实科

2、研和生产中的实用性，因此需要保证得到清晰的图像。最直观的方法是引入更好更完善的设备，提高采集图像的技能，改善图像采集的环境等等，然后重新采集某个场景的图像。然而，受经费影响往往难以支付昂贵的设备费用，而额外的功能操作和设备的复杂性通常难以被人接受甚至无法被实现的，同时每个人采集图像技能的培养更是需要很长时间，并且图像采集的外界环境往往不能人为控制，最重要的是大部分情况下我们需要的场景不具有再现的可能性或者重现代价很高。20世纪进行的很多空间探索活动中，美国和前苏联投入巨资建造的飞船和卫星获得了很多关于地球和其他天体的图像，然而由于当时技术局限导致采集设备性能有限造成内部性能限制，及飞船在

3、太空航行不稳造成成像设备抖动，大气扰动造成畸变，曝光不足等外部成像环境限制，还有数据从太空传回地面造成信息损失，这几个方面共同作用带来的不利影响导致图像被降质，而在当时的技术背景下这些降质图像不能被有效观察，造成图像科学价值和经济价值的严重损失。比如，20世纪60年代美国建造的水手四号飞船耗巨资8230万美元，飞船在距火星一万公里的高空掠过，获得第一批火星表面照片21幅，用了4天时间从太空发回地面，传输每个比特平均价值大约为1000万美元，任何因素导致的图像降质，都将造成让人痛惜的损失，而这些图像的重现代价更是巨大。因此，人们研究是否有一种手段能够弥补各种因素造成的图像降质，并且其实现的

4、代价也能被接受，在图像质量和实现代价之间进行折中。图像复原的研究成为一条很好的解决这些问题的途径，是一种作用显著而成本代价却很低的策略。在20世纪后期许多成就[23]的重大科技成果中，图像复原技术是其中很重的一笔，在多处对宇宙空间的探索和天文科学的研究中都用到了图像复原技术。在1987年调查肯尼迪总统被刺案件中，也使用了图像复原技术，对现场拍摄的图片进行复原，为案件调查提供了技术支持。通过这几十年的不断发展，图像复原技术已成为热门的研究方向之一，在实2哈尔滨工业大学工程硕士学位论文际科研、生产生活中的使用范围不断扩展。比如在空间探索上，随着我国航天技术发展步伐的稳健前行，图像复原技术为保

5、证采集到的空间和天文照片的清晰提供了一种很好的技术手段；在医疗应用上，图像复原技术为获取高质量的医学相关的图像提供一个备选方案；在军事和国家安全上，图像复原技术为检测目标提供了辅助作用；在交通安全上，图像复原技术为识别违规人员和车辆提供了有效功能。同时，数字图像处理其他领域的课题，如特征提取，图像分割，目标识别，图像数据分析等也常常使用图像复原进行预处理，将复原结果作为后续研究的基[28][29]础。另外，近年来一些新的图像处理的研究方向，如压缩感知和稀疏编码等领域，和图像复原技术处理的问题很相近。因此，对图像复原技术的研究能给其他学科提供一些有利的借鉴思想，促进其他领域的发展。图像复原

6、技术的重要性已经促使该课题成为图像处理领域的一个热点，大量的科学团队从不同角度分析图像复原问题，结合不同理论提出图像复原问题解决方案，使用不同的技术手段提高图像复原效果，共同为促进图像处理技术的发展做出巨大的努力。1.2课题研究的目的和意义图像复原的建模和求解过程一般可以概括为三个步骤。首先，了解成像系统的特性，分析成像过程中图像将引入退化的特性，从而建立起原始图像与观测图像可能的对应关系；然后，对原始图像的特性进行描述，该特性能对清晰图像和降质图像进行很好的区分，并将图像复原问题公式化为最优化问题；最后，通过数值方法求解优化问题。图像复原的过程是对降质的一个逆过程，如果原始图像到观测图

7、像的映射是一一对应的，那么求逆过程可以得到一个准确的原始图像解。上个世纪60年代，[24,30]图像复原的发展处于起步阶段。这个时期经典的逆滤波、Wiener滤波和最小二乘法本质上便是假定原始图像到观测图像的映射是一一对应的，将图像降质简单视为原始图像和降质滤波器做卷积的过程。这些算法通过简单求逆，以期求得准确的原始图像，事实上在无噪声或噪声水平很低的条件下这些算法的确能相当有效地得到复原结果。然而这类简单求逆的算法对噪声很敏感，会