吳昌健，王向陽（遼寧師范大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116000）

非下采樣剪切波域的臨近支持向量機去噪方法

吳昌健，王向陽
（遼寧師范大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116000）

非下采樣剪切波（nonsubsampled Shearlet）是一種優(yōu)秀的多尺度幾何分析工具，其不僅可以檢測到所有奇異點，而且能夠自適應(yīng)跟蹤奇異曲線方向?；诜窍虏蓸蛹羟胁ǎ岢隽艘环N使用帶有一致性的臨近支持向量機（a Proximal Classifier with Consistency，PCC）的圖像去噪算法。首先，應(yīng)用非下采樣剪切波把含噪圖像分解成不同尺度不同方向的子帶；其次，非下采樣剪切波系數(shù)通過PPC訓(xùn)練被分成兩類（無噪系數(shù)和噪聲系數(shù)）；最后應(yīng)用自適應(yīng)閾值對含噪系數(shù)進行去噪。仿真實驗結(jié)果表明，本文算法不僅擁有較強的抑制噪聲能力，而且具有較好的邊緣保護能力。

圖像去噪；非下采樣剪切波；帶有一致性的臨近支持向量機；自適應(yīng)閾值；邊緣保護

0 引言

圖像在獲取和傳輸?shù)倪^程中，經(jīng)常會受到各種噪聲的污染。噪聲的存在將大大降低原圖像的分辨率，從而嚴重影響后續(xù)的圖像處理，如圖像檢索、圖像分割等。因此，圖像去噪始終是圖像處理領(lǐng)域的研究熱點之一。

一般說來，傳統(tǒng)圖像去噪方法大致可以劃分為雙邊濾波、非局部均值、條件隨機場、各向異性擴散和統(tǒng)計模型方法等[1]。

雙邊濾波[2]不僅考慮空間位置上的距離關(guān)系，同時也考慮相鄰像素灰度值之間的距離關(guān)系，然而，它常常使圖像過于平滑；非局部均值法[3]利用圖像中具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來去除噪聲，可以得到較好的去噪效果，但它計算復(fù)雜度高；條件隨機場[4]建模比較靈活，且并不需要明確的先驗?zāi)Ｐ?。然而，在真實世界中，很難找到擁有全局最小值的能量函數(shù)；各向異性擴散法[5]，它能在保持邊緣的前提下平滑噪聲，獲得較好的去噪效果，但是該方法過于平滑圖像且邊界過于尖銳；統(tǒng)計模型法[6]中，圖像處理通?；诤唵蔚慕y(tǒng)計模型去刻畫圖像信息，這些信息往往是自然圖像的某些共同特征。統(tǒng)計模型的目的就是使用少量的參數(shù)捕獲這些典型的特征，并且將這些特征在圖像處理中作為先驗信息使用。

近些年來，應(yīng)用分類方法進行去噪越來越流行，PCC[7]是一種新型分類器，通過計算兩個距離（決策過程的測試點與超平面的距離和訓(xùn)練過程的測試點與超平面的距離）使得分類精度得到提高。本文以性能優(yōu)良的非下采樣Shearlet變換為基礎(chǔ)，結(jié)合先進的PCC分類工具，提出了基于PCC的非下采樣Shearle域圖像去噪算法。

1 PCC簡介

支持向量機（SVM）在樣本處理的過程中用于解決二次規(guī)劃的問題十分耗時。O.L.Mangasarian和E.W.Wild提出利用廣義特征值的臨近支持向量[8]，它通過求解一組非平行超平面，使得計算效率優(yōu)于SVM。Shao Yuanhai等人提出了帶有一致性的臨近支持向量機（a Proximal Classifier with Consistency，PCC）[7]，它通過計算兩個距離（決策過程的測試點與超平面的距離和訓(xùn)練過程的測試點與超平面的距離），在計算效率提高的同時，使得分類精度也得到了提高。

PCC的目標是同時找到一個p+和p-，記作：p+：w+T+ b+=0和p-：w-T+b-=0。

首先定義正元素X+與正超平面l+的距離：

同理，正元素X+與負超平面l-的距離為負元素X-與負超平面l-的距離為負元素X-與正超平面l+的距離為

其中M=H+-vH-，N=H--vH+。這樣問題的最優(yōu)解可以轉(zhuǎn)化為求以下兩個最小值：

在獲得上面問題的結(jié)果u+=（w+，b+），u-=（w-，b-）后，就可以通過以下判別公式去判斷一個樣本x∈Rn屬于最近超平面所在的類：

2 非下采樣Shearlet變換簡介

圖像去噪時，邊緣和紋理等主要特征是需要保留下來的，Shearlet變換[9-10]是對紋理和邊緣具有很好表示能力的變換，它是Labate和Guo等人通過特殊的具有合成膨脹的仿射系統(tǒng)構(gòu)造的。其具有的合成膨脹仿射系統(tǒng)可以表示為：

ΨAB（ψ）={ψj，k，l（X）=|det A|j/2ψ（B1AjX-k）}（j，l∈Z，k∈Z2）（5）

如果ΨAB（ψ）是緊框架，即滿足Parseval框架，那么對任意f∈L2（R2）都有：

ΨAB（ψ）的元素其實是合成小波，Aj是與尺度變換相關(guān)聯(lián)的伸縮矩陣，Bl與剪切和旋轉(zhuǎn)等面積不變的幾何變換相關(guān)聯(lián)。當時，其形式就是Shearlet變換。本方案采用非下采樣Shearlet變換，它不僅具有Shearlet變換的優(yōu)點：臨界采樣、局域性、各向異性、多方向性等，而且增加了平移不變性，這使得它在圖像去噪領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。設(shè)參數(shù)scale=[s1s2…sL]，則可分解為L尺度，每個尺度分解為2si個方向。圖1為Zoneplate圖像在參數(shù)scale=[2 3]下的非下采樣Shearlet分解，第一尺度分解為8個方向，第二個尺度分解為4個方向。

圖1 Zoneplate圖像的非下采樣Shearlet分解

3 基于PCC的非下采樣Shearlet域去噪

其中u，v，e分別代表原始圖像非下采樣Shearlet系數(shù)、含噪圖像非下采樣Shearlet系數(shù)以及噪聲系數(shù)。問題就轉(zhuǎn)化成給定v估計u。去噪的步驟如下：

（1）對含噪圖像進行非下采樣Shearlet變換得到不同尺度不同方向的變換子帶。

（2）有意義系數(shù)的測量。自然圖像經(jīng)變換后的高頻子帶中大部分區(qū)域是由小系數(shù)組成的，且這些小系數(shù)被少量的大系數(shù)（邊緣和紋理）分隔開來，其中只有邊緣和紋理可以被人眼清晰地看見。所以在圖像去噪過程中，人們通常把高頻子帶中邊緣和紋理部分盡可能地保留下來，其他部分當成噪聲系數(shù)濾掉，進而獲得不含噪聲的圖像。邊緣和紋理這些需要保留下來的系數(shù)定義為

在非下采樣Shearlet域，有：“有意義系數(shù)”。

對變換后子帶中的每個系數(shù)，使用下面的規(guī)則[11]將它們標記為0和1：

其中tj為隨著分級不同而變化的閾值：

通過上述方法構(gòu)成了一幅“二元圖”（圖中只包含0和1）。數(shù)值為0的點和數(shù)值為1但孤立存在的點都認為是噪聲點，其他的點是否為噪聲點還需要進一步判斷。在文獻[12]中，只有系數(shù)為1的點連在一起的個數(shù)大于某一個值S時被認為是有意義系數(shù)即非噪聲點，而數(shù)值小于S的點則為噪聲點。在有意義系數(shù)最多的一條路徑上挑出Nk個點所對應(yīng)的非下采樣Shearlet系數(shù)組成特征向量在標記為0的系數(shù)中隨機選擇Nk個點對應(yīng)的非下采樣Shearlet系數(shù)組成特征向量Nk為最長連續(xù)路徑中點的總數(shù)。

（3）利用PCC對高頻子帶的系數(shù)進行分類。應(yīng)用步驟（2）中所生成的特征向量作為訓(xùn)練樣本Ωk={Fk1，F(xiàn)k2}（k=1，2，…，N），送入PCC中，將對應(yīng)的高頻子帶的所有非下采樣Shearlet系數(shù)分成噪聲系數(shù)和有意義系數(shù)。

（4）應(yīng)用閾值函數(shù)進行去噪，傳統(tǒng)的閾值函數(shù)分為硬閾值方法和軟閾值方法。

硬閾值方法：可以很好地保留信號或者圖像的邊緣等局部特征，但重構(gòu)所得的信號或圖像可能會出現(xiàn)震蕩、偽吉布斯效應(yīng)等視覺失真現(xiàn)象。

軟閾值方法：估計出來的系數(shù)連續(xù)性好，去噪效果也平滑很多，但可能會導(dǎo)致邊緣模糊等失真現(xiàn)象，會給信號或圖像的重構(gòu)帶來不必要的誤差。

本文采用全新的閾值函數(shù)[13]：

經(jīng)過多級非下采樣剪切波變換后使得含噪圖像的各尺度、各子帶的能量分布不同。本文根據(jù)變換的特性及噪聲的分布特點，參照文獻[14]，選取了合適的自適應(yīng)閾值：

①帶噪聲圖像信號的方差可用下式估計：

其中，J表示尺度，K表示該尺度上的方向。

②可以得到原始圖像信號的標準差估計：

③計算每一級尺度參數(shù)：

其中，j=1，2，J；Lk表示k級子帶長度。

④得到自適應(yīng)于不同尺度、不同方向的閾值：

（5）通過上述步驟得到去噪后系數(shù)，對去噪后的系數(shù)進行非下采樣Shearlet逆變換，得到去噪圖像。

4 仿真實驗結(jié)果

為了檢驗算法的正確性和有效性，使用標準圖像Lena、Barbara疊加均值為零的高斯白噪聲進行實驗。實驗中與幾種經(jīng)典去噪算法進行了對比，結(jié)果如表1所示。圖2、圖3給出了Lena圖像的主觀視覺去噪結(jié)果，并對細節(jié)部分進行了局部放大。

表1 幾種去噪算法的去噪結(jié)果（db）

圖3 Lena去噪圖像局部圖

實驗結(jié)果表明，本方案不僅客觀指標（PSNR）比其他方法要好，而且主觀效果也比其他方法好，這說明本算法在去除噪聲的同時很好地保護了邊緣和紋理信息。

5 結(jié)論

圖像去噪在整個圖像處理過程中占有十分重要的地位。本文基于優(yōu)秀的多尺度幾何分析工具（非下采樣Shearlet變換）和分類精度更好的臨近支持向量機（PCC），采用自適應(yīng)閾值確定方法，提出了新的圖像去噪算法。實驗結(jié)果表明該方法能夠很好地對噪聲分布進行估計進而去除圖像中的高斯白噪聲，提取圖像的輪廓細節(jié)，改善圖像的視覺效果，能夠在提高去噪圖像的PSNR值的同時保護邊緣紋理信息。

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Image denoising method using PCC classification in nonsubsam p led Shearlet domain

Wu Changjian，Wang Xiangyang
（School of Computer and Information Technology，Liaoning Normal University，Dalian 116000，China）

Nonsubsampled Shearlet transform is a kind of excellent multiresolution analysis tool，and it can provide nearly optimal approximation for a piecewise smooth function.Based on nonsubsampled Shearlet transform，an image denoising method using Proximal Classifier with Consistency（PCC）is proposed.Firstly，the noisy image is decomposed into different subbands of frequency and orientation responses using the nonsubsampled Shearlet transform.Secondly，the nonsubsampled Shearlet transformdetail coefficients are divided into two classes（edge-related coefficients and noise-related ones）by PCC training model.Finally，the detail subbands of nonsubsampled Shearlet transform coefficients are denoised by using the adaptable Bayesian threshold.Extensive experimental results demonstrate that the proposed method can obtain better performances in terms of both subjective and objective evaluations than those state-of-the-art denoising techniques.Especially，the proposed method can preserve edges very well while removing noise.

image denoising；nonsubsampled Shearlet；PCC；adaptable threshold；edges preserving

TP301.6；TP391.9

A

1674-7720（2015）17-0046-03

吳昌健，王向陽.非下采樣剪切波域的臨近支持向量機去噪方法[J].微型機與應(yīng)用，2015，34（17）：46-48，51.

2015-04-13）

吳昌?。?989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像去噪。E-mail：632707999@qq.com。

王向陽（1965-），男，教授，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)信息安全、智能多媒體計算。