TECNICHE DI REGOLARIZZAZIONE IN ELABORAZIONE
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- Gabriella Berardi
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1 TECNICHE DI REGOLARIZZAZIONE IN ELABORAZIONE DI IMMAGINI Ivan Gerace, Francesca Martinelli e Patrizia Pucci Università degli Studi di Perugia Giornate di Algebra Lineare e Applicazioni 2009 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
2 PROBLEMA CONTINUO y(t, z) = Ω ζ(t, ξ, z, η)x(ξ, η) dη dξ (t, z) Ω Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
3 PROBLEMA CONTINUO y(t, z) = x intensità luminosa del piano oggetto Ω y livello di grigio dell immagine riprodotta ζ funzione di dispersione puntuale Ω ζ(t, ξ, z, η)x(ξ, η) dη dξ (t, z) Ω Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
4 PROBLEMA CONTINUO y(t, z) = x intensità luminosa del piano oggetto Ω y livello di grigio dell immagine riprodotta ζ funzione di dispersione puntuale Ω ζ(t, ξ, z, η)x(ξ, η) dη dξ (t, z) Ω ỹ(t, z) = y(t, z) + n(t, z) (t, z) Ω n rumore bianco, Gaussiano, con media nulla e varianza nota Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
5 PROBLEMA CONTINUO y = Ax, x X y Y X, Y spazi di Hilbert A : X Y operatore lineare Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
6 MAL POSIZIONE DEL PROBLEMA Un problema si dice ben posto nel senso di Hadamard se la soluzione esiste Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
7 MAL POSIZIONE DEL PROBLEMA Un problema si dice ben posto nel senso di Hadamard se la soluzione esiste la soluzione è unica Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
8 MAL POSIZIONE DEL PROBLEMA Un problema si dice ben posto nel senso di Hadamard se la soluzione esiste la soluzione è unica la soluzione dipende con continuità dai dati Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
9 REGOLARIZZAZIONE DEL PROBLEMA TH DI PICARD I) Sia A operatore compatto Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
10 REGOLARIZZAZIONE DEL PROBLEMA TH DI PICARD I) Sia A operatore compatto II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
11 REGOLARIZZAZIONE DEL PROBLEMA TH DI PICARD I) Sia A operatore compatto II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A III) y A(X), con A(X) chiusura di A(X) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
12 REGOLARIZZAZIONE DEL PROBLEMA TH DI PICARD I) Sia A operatore compatto II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A III) y A(X), con A(X) chiusura di A(X) 1 IV) (y, ψ ν ) 2 converge µ 2 ν=1 ν Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
13 REGOLARIZZAZIONE DEL PROBLEMA TH DI PICARD I) Sia A operatore compatto II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A III) y A(X), con A(X) chiusura di A(X) 1 IV) (y, ψ ν ) 2 converge µ 2 ν=1 ν Allora x = ν=1 1 µ ν (y, ψ ν )ϕ ν Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
14 METODI DI REGOLARIZZAZIONE Hanno il compito di fornire una approssimazione stabile della soluzione di un problema mal posto. Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
15 METODI DI REGOLARIZZAZIONE Hanno il compito di fornire una approssimazione stabile della soluzione di un problema mal posto. DEFINIZIONE Operatori di regolarizzazione R λ 2 : Y X t.c. lim R λ λ 2 2 = A 1 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
16 METODI DI REGOLARIZZAZIONE Hanno il compito di fornire una approssimazione stabile della soluzione di un problema mal posto. DEFINIZIONE Operatori di regolarizzazione R λ 2 : Y X t.c. lim R λ λ 2 2 = A 1 0 λ parametro di regolarizzazione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
17 METODI DI REGOLARIZZAZIONE CARATTERIZZAZIONE OPERATORI DI REGOLARIZZAZIONE I) A operatore lineare, compatto, iniettivo Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
18 METODI DI REGOLARIZZAZIONE CARATTERIZZAZIONE OPERATORI DI REGOLARIZZAZIONE I) A operatore lineare, compatto, iniettivo II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
19 METODI DI REGOLARIZZAZIONE CARATTERIZZAZIONE OPERATORI DI REGOLARIZZAZIONE I) A operatore lineare, compatto, iniettivo II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A III) q: (0, ) (0, A ] R n funzione limitata t.c. - Per ogni λ 2 esiste una costante positiva c(λ 2 ) tale che q(λ 2, µ) c(λ 2 )µ, µ (0, A ), - Per ogni 0 < µ A si ha che lim q(λ 2, µ) = 1. λ 2 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
20 METODI DI REGOLARIZZAZIONE CARATTERIZZAZIONE OPERATORI DI REGOLARIZZAZIONE I) A operatore lineare, compatto, iniettivo II) {µ ν, ϕ ν, ψ ν } decomposizione ai valori singolari di A III) q: (0, ) (0, A ] R n funzione limitata t.c. - Per ogni λ 2 esiste una costante positiva c(λ 2 ) tale che q(λ 2, µ) c(λ 2 )µ, µ (0, A ), - Per ogni 0 < µ A si ha che lim q(λ 2, µ) = 1. λ 2 0 Allora 1 R λ 2y = q(λ 2, µ ν ) (y, ψ ν ) ϕ ν µ ν ν=1 è una soluzione regolarizzata Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
21 REGOLARIZZAZIONE DI TIKHONOV q(λ 2, µ) = µ 2 (λ 2 + µ 2 ) R λ 2 = (λ 2 I + A A) 1 A Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
22 REGOLARIZZAZIONE DI TIKHONOV q(λ 2, µ) = µ 2 (λ 2 + µ 2 ) R λ 2 = (λ 2 I + A A) 1 A La soluzione regolarizzata di Tikhonov equivale a determinare il minimo della funzione energia E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
23 REGOLARIZZAZIONE DI TIKHONOV q(λ 2, µ) = µ 2 (λ 2 + µ 2 ) R λ 2 = (λ 2 I + A A) 1 A La soluzione regolarizzata di Tikhonov equivale a determinare il minimo della funzione energia E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x) T(x, y) = Ax y 2 termine di consistenza ai dati Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
24 REGOLARIZZAZIONE DI TIKHONOV q(λ 2, µ) = µ 2 (λ 2 + µ 2 ) R λ 2 = (λ 2 I + A A) 1 A La soluzione regolarizzata di Tikhonov equivale a determinare il minimo della funzione energia E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x) T(x, y) = Ax y 2 termine di consistenza ai dati S(x) = O(x) 2 termine di regolarizzazione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
25 REGOLARIZZAZIONE DI TIKHONOV q(λ 2, µ) = µ 2 (λ 2 + µ 2 ) R λ 2 = (λ 2 I + A A) 1 A La soluzione regolarizzata di Tikhonov equivale a determinare il minimo della funzione energia E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x) T(x, y) = Ax y 2 termine di consistenza ai dati S(x) = O(x) 2 termine di regolarizzazione O(x) operatore che rispecchia le proprietà a priori della soluzione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
26 REGOLARIZZAZIONE DI TIKHONOV q(λ 2, µ) = µ 2 (λ 2 + µ 2 ) R λ 2 = (λ 2 I + A A) 1 A La soluzione regolarizzata di Tikhonov equivale a determinare il minimo della funzione energia E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x) T(x, y) = Ax y 2 termine di consistenza ai dati S(x) = O(x) 2 termine di regolarizzazione O(x) operatore che rispecchia le proprietà a priori della soluzione λ parametro di regolarizzazione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
27 PROBLEMA DISCRETO y = Ax + n Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
28 PROBLEMA DISCRETO y = Ax + n x R nm immagine originale y R nm immagine osservata n R nm rumore bianco, Gaussiano con media zero e varianza σ 2 nota A R nm R nm Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
29 PROBLEMA DISCRETO SOLUZIONE REGOLARIZZATA x = arg min E(x) x E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x), Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
30 PROBLEMA DISCRETO SOLUZIONE REGOLARIZZATA x = arg min E(x) x E(x) = T(x, y) + λ 2 S(x), T(x, y) = y Ax 2 termine di consistenza con i dati S(x) = O(x) 2 termine di regolarizzazione O operatore legato alle proprietà note a priori della soluzione λ 2 parametro di regolarizzazione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
31 VINCOLO DI SMOOTHNESS Se si impone un vincolo di smoothness sulla soluzione: S(x) = c C k (D k cx) 2 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
32 VINCOLO DI SMOOTHNESS Se si impone un vincolo di smoothness sulla soluzione: S(x) = c C k (D k cx) 2 c è una clique di ordine k Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
33 VINCOLO DI SMOOTHNESS Se si impone un vincolo di smoothness sulla soluzione: S(x) = c C k (D k cx) 2 c è una clique di ordine k D k c è la derivata finita di ordine k associato alla clique c Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
34 VINCOLO DI SMOOTHNESS Se si impone un vincolo di smoothness sulla soluzione: S(x) = c C k (D k cx) 2 c è una clique di ordine k D k c è la derivata finita di ordine k associato alla clique c C k è l insieme di tutte le clique di ordine k dell immagine Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
35 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ pixel
36 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ pixel elementi di linea orizzontali
37 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ pixel elementi di linea orizzontali elementi di linea verticali Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
38 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ S(x, b) = c C k [(D k cx) 2 b c + β(b c )] Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
39 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ S(x, b) = c C k [(D k cx) 2 b c + β(b c )] b c B è la variabile di linea corrispondente alla clique c, Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
40 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ S(x, b) = c C k [(D k cx) 2 b c + β(b c )] b c B è la variabile di linea corrispondente alla clique c, β : C k R è una funzione decrescente Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
41 PRESERVAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ S(x, b) = c C k [(D k cx) 2 b c + β(b c )] b c B è la variabile di linea corrispondente alla clique c, β : C k R è una funzione decrescente b è il vettore degli elementi di linea Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
42 FUNZIONE ENERGIA: ESPRESSIONE GENERALE 3 E(x, b) = T(x, y) + λ 2 i S (i) (x, b (i) ), i=1 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
43 FUNZIONE ENERGIA: ESPRESSIONE GENERALE 3 E(x, b) = T(x, y) + λ 2 i S (i) (x, b (i) ), 3 b = (b (1), b (2), b (3) ) B = R t, t = C (i), b (i) R C(i) i=1 i=1 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
44 FUNZIONE ENERGIA: ESPRESSIONE GENERALE E(x, b) = T(x, y) + 3 λ 2 i S (i) (x, b (i) ), i=1 b = (b (1), b (2), b (3) ) B = R t, t = S (i) (x, b) = c C (i) 3 C (i), b (i) R C(i) i=1 [ ] (D i c(x)) 2 b (i) c + β (i) (b (i) c ) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
45 FUNZIONE ENERGIA: ESPRESSIONE GENERALE E(x, b) = T(x, y) + 3 λ 2 i S (i) (x, b (i) ), i=1 b = (b (1), b (2), b (3) ) B = R t, t = S (i) (x, b) = c C (i) 3 C (i), b (i) R C(i) i=1 [ ] (D i c(x)) 2 b (i) c + β (i) (b (i) c ) CASO BOOLEANO b (i) c B = {0, 1} Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
46 MINIMIZZAZIONE DELLA FUNZIONE ENERGIA b (x) = arg min E(x, b), b B x = arg min E(x, b (x)), x DEFINIZIONE Si definisce energia duale [Geman, Reynolds,1992] E d (x ) = inf E(x, b), b B C k Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
47 ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
48 ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + S (i) d (x) = c C (i) g (i) 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) ( (D i c x ) 2 ) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
49 ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + S (i) d (x) = c C (i) g (i) g (i) (t) = inf b (i) c {b (i) R 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) ( (D i c x ) 2 ) c t 2 + β (i) (b (i) c )} Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
50 ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + S (i) d (x) = c C (i) g (i) g (i) (t) = inf b (i) c {b (i) R 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) ( (D i c x ) 2 ) c t 2 + β (i) (b (i) c )} g (i) funzioni di interazione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
51 CASO BOOLEANO Se b B = {0, 1} e β(b) = κ 2 (1 b) { g(t) = inf{t 2, κ 2 t } = 2, se t < κ κ 2, altrimenti. κ soglia di discontinuità Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
52 CORRISPONDENZA TRA β E g g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
53 CORRISPONDENZA TRA β E g β t.c. β : R R g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
54 CORRISPONDENZA TRA β E g β t.c. β : R R g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
55 CORRISPONDENZA TRA β E g β t.c. β : R R g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente β è convessa Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
56 CORRISPONDENZA TRA β E g β t.c. β : R R g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente β è convessa se b 0, β(b) < + se e soltanto se b > 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
57 CORRISPONDENZA TRA β E g β t.c. β : R R g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente β è convessa se b 0, β(b) < + se e soltanto se b > 0 lim b + β(b) = 0, lim β(b) = β(0) > 0 b 0 + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
58 CORRISPONDENZA TRA β E g β t.c. β : R R g(t) = inf b c R {b ct 2 + β(b c )} β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente β è convessa se b 0, β(b) < + se e soltanto se b > 0 lim b + β(b) = 0, lim β(b) = β(0) > 0 b 0 + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
59 CORRISPONDENZA TRA β E g DEFINIZIONE [ROCKAFELLAR,1970] Sia f una funzione definita in R, la funzione è chiamata coniugata di f. f (y) = sup{xy f (x)} y R x R Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
60 CORRISPONDENZA TRA β E g DEFINIZIONE [ROCKAFELLAR,1970] Sia f una funzione definita in R, la funzione è chiamata coniugata di f. f (y) = sup{xy f (x)} y R x R PROPRIETÀ Sia f una funzione propria, chiusa e convessa in R. f è una funzione propria, chiusa e convessa e la coniugata f di f coincide con f. Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
61 CORRISPONDENZA TRA β E g β (t) = sup{bt β(b)} = inf { bt + β(b)} t R b R b R Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
62 CORRISPONDENZA TRA β E g β (t) = sup{bt β(b)} = inf { bt + β(b)} t R b R b R β è una funzione convessa semi continua inferiormente Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
63 CORRISPONDENZA TRA β E g β (t) = sup{bt β(b)} = inf { bt + β(b)} t R b R b R β è una funzione convessa semi continua inferiormente f (t) := β ( t) = inf {bt + β(b)} = inf {bt + β(b)} t R b R b R + 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
64 CORRISPONDENZA TRA β E g β (t) = sup{bt β(b)} = inf { bt + β(b)} t R b R b R β è una funzione convessa semi continua inferiormente f (t) := β ( t) = inf {bt + β(b)} = inf {bt + β(b)} t R b R b R + 0 f è una funzione concava semi continua superiormente Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
65 CORRISPONDENZA TRA β E g β (t) = sup{bt β(b)} = inf { bt + β(b)} t R b R b R β è una funzione convessa semi continua inferiormente f (t) := β ( t) = inf {bt + β(b)} = inf {bt + β(b)} t R b R b R + 0 f è una funzione concava semi continua superiormente g(t) = inf b R {bt2 + β(b)} f (t) = g( t), t 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
66 CORRISPONDENZA TRA β E g lim (bt + β(b)) = b + se t < 0 0 se t = 0 + se t > 0, Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
67 CORRISPONDENZA TRA β E g lim (bt + β(b)) = b + se t < 0 0 se t = 0 + se t > 0 f (t) = t < 0, Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
68 CORRISPONDENZA TRA β E g lim (bt + β(b)) = b + se t < 0 0 se t = 0 + se t > 0 f (t) = t < 0, { g( t), se t 0 f (t) =, altrimenti Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
69 CORRISPONDENZA TRA β E g lim (bt + β(b)) = b + se t < 0 0 se t = 0 + se t > 0 f (t) = t < 0, { g( t), se t 0 f (t) =, altrimenti f (0) = g(0) = 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
70 CORRISPONDENZA TRA β E g lim (bt + β(b)) = b + se t < 0 0 se t = 0 + se t > 0 f (t) = t < 0, { g( t), se t 0 f (t) =, altrimenti f (0) = g(0) = 0 concavità + semi continuità superiore di f f C(R + ) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
71 CORRISPONDENZA TRA β E g g è pari Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
72 CORRISPONDENZA TRA β E g g è pari g C(R) poichè lim f (t) = f (0) t 0 + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
73 CORRISPONDENZA TRA β E g g è pari g C(R) poichè lim f (t) = f (0) t 0 + f non decrescente in R g non decrescente in R + 0 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
74 CORRISPONDENZA TRA β E g g è pari g C(R) poichè lim f (t) = f (0) t 0 + f non decrescente in R g non decrescente in R + 0 β(0) > 0, f non decrescente 0 < β(0) = sup{ β (t)} = sup f (t) = lim f (t) + quindi g 0 t R t R t + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
75 CORRISPONDENZA TRA β E g g è pari g C(R) poichè lim f (t) = f (0) t 0 + f non decrescente in R g non decrescente in R + 0 β(0) > 0, f non decrescente 0 < β(0) = sup{ β (t)} = sup f (t) = t R t R f (t) lim = 0 t + t lim f (t) + quindi g 0 t + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
76 CORRISPONDENZA TRA β E g g è pari g C(R) poichè lim f (t) = f (0) t 0 + f non decrescente in R g non decrescente in R + 0 β(0) > 0, f non decrescente 0 < β(0) = sup{ β (t)} = sup f (t) = t R t R f (t) lim = 0 t + t OSSERVAZIONE Non è restrittivo scegliere β convessa lim f (t) + quindi g 0 t + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
77 CORRISPONDENZA TRA β E g TEOREMA [GERACE, M. E PUCCI] Sia β : R R tale che I) g(t) = inf b R {bt2 + β(b)} t R. II) β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente e convessa; III) se b 0, β(b) < + se e soltanto se b > 0; IV) lim b + β(b) = 0, lim β(b) = β(0) > 0. b 0 + Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
78 CORRISPONDENZA TRA β E g TEOREMA [GERACE, M. E PUCCI] Sia β : R R tale che I) g(t) = inf b R {bt2 + β(b)} t R. II) β 0, β(b) 0 b R, β è una funzione non crescente e convessa; III) se b 0, β(b) < + se e soltanto se b > 0; IV) lim β(b) = 0, lim β(b) = β(0) > 0. b + b 0 + Allora esiste g : R R tale che V) g(t) = inf b R {bt2 + β(b)} t R; VI) g(0) = 0, g 0, g è una funzione pari, continua non decrescente in R + 0 { ; g( t), se t 0 f (t) VII) la funzione f (t) = è concava e lim = 0., altrimenti t + t Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
79 TEOREMA DI DUALITÀ B, β? g B insieme dei valori di una variabile di linea β funzione peso delle variabili di linea nell energia primale g funzione di interazione nell energia duale Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
80 TEOREMA DI DUALITÀ Geman e Reynolds, 1992 Charbonnier, Blanc-Féraud, Aubert e Barlaud, 1997 Boccuto, Discepoli, Gerace, Pandolfi e Pucci, 2002 Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
81 TEOREMA [GERACE, M. E PUCCI] I) II) III) IV) V) VI) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
82 IMPLICAZIONE INVERSA ϑ(t) = f (t) t R Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
83 IMPLICAZIONE INVERSA ϑ(t) = f (t) t R β(b) := ϑ ( b) b R Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
84 IMPLICAZIONE INVERSA ϑ(t) = f (t) t R β(b) := ϑ ( b) b R β(b) = sup{ bt ϑ(t)} = sup{ bt + f (t)} = sup t R t R t R + 0 { bt + f (t)} b R Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
85 IMPLICAZIONE INVERSA ϑ(t) = f (t) t R β(b) := ϑ ( b) b R β(b) = sup{ bt ϑ(t)} = sup{ bt + f (t)} = sup t R t R t R + 0 { bt + f (t)} b R θ(t) = θ (t) t R f (t) = inf b R {bt + ϑ (b)} t R Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
86 g(t) Th Th Th Th GR CBAB BDGPP GM Variazione Totale t no no si si Bouman e Sauer t α, 1 α 2 no no no si Perona e Malik exp( t 2 ) + 1 si si si si t Geman e McClure 2 si si si si 1+t 2 Hebert e Leahy log(1 + t 2 ) no si si si Aubert et a 1 + t 2 1 no si si si Blake e Zissermann inf{t 2, κ 2 } si no si si Shulman e Hervé inf{t 2, 2κt κ 2 } no no si si Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
87 INIBIZIONE DI LINEE PARALLELE Immagine Osservata Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
88 INIBIZIONE DI LINEE PARALLELE Elementi di Linea Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
89 INTERAZIONI TRA LE VARIABILI DI LINEA 3 3 E(x, b) = T(x, y) + λ 2 i S (i) (x, b (i) ) + λ 2 i Q (i) (b) i=1 i=1 Q (i) (b) = c Γ ρ(b c, b c k ) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
90 INTERAZIONI TRA LE VARIABILI DI LINEA 3 3 E(x, b) = T(x, y) + λ 2 i S (i) (x, b (i) ) + λ 2 i Q (i) (b) i=1 i=1 Q (i) (b) = c Γ ρ(b c, b c k ) S (i) (x, b) = E(x, b) = T(x, y) + c C (i) 3 λ i 2 S (i) (x, b (i) ) i=1 [ ] (D i (x)) 2 b (i) c + β (i) (b (i) c ) + ρ(b (i) c, µ(d i c 1 (x))) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
91 INTERAZIONI TRA LE VARIABILI DI LINEA ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
92 INTERAZIONI TRA LE VARIABILI DI LINEA ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) S (i) d (x) = ψ (i) (( D i c x, D i )) c ix c C (i) ψ (i) (t 1, t 2 ) = inf b i c R {bi ct γ (i) (b i c, t 2 )} γ (i) (b, t) = β (i) (b) + ρ(b, µ(t)). Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
93 INTERAZIONI TRA LE VARIABILI DI LINEA ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + 3 i=1 λ i 2 S (i) d (x) S (i) d (x) = ψ (i) (( D i c x, D i )) c ix c C (i) ψ (i) (t 1, t 2 ) = inf b i c R {bi ct γ (i) (b i c, t 2 )} γ (i) (b, t) = β (i) (b) + ρ(b, µ(t)). ψ (i) funzioni di interazione Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
94 CASO BOOLEANO b c B = {0, 1} β(b) = κ(1 b) ρ(b 1, b 2 ) = ε(1 b 1 )(1 b 2 ) t 1 2, t 1 < κ κ 2, t 1 κ, ψ(t 1, t 2 ) = t 2 1, t 1 < κ (κ ) 2, t 1 κ, κ soprasoglia di discontinuità t 2 < κ t 2 κ, Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
95 TEOREMA DI DUALITÀ B, β, ρ? ψ B insieme dei valori di una variabile di linea β funzione peso delle variabili di linea nell energia primale ρ funzione che rappresenta le interazioni tra le variabili di linea nell energia primale ψ funzione di interazione nell energia duale Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
96 TEOREMA DI DUALITÀ TEOREMA [GERACE, M. E PUCCI] Sia ψ : R R R tale che I) ψ(0, ) = 0, ψ(t 1, ) 0, ψ(t 1, ) è una funzione pari, continua non decrescente in R + 0 ; { ψ( t1, t II) la funzione φ(t 1, t 2 ) = 2 ), se t 1 0 è concava t, altrimenti 2 R. III) φ(, t 2 ) sia pari, continua e non decrescente in R + 0 ; Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
97 TEOREMA DI DUALITÀ TEOREMA [GERACE, M. E PUCCI] Sia ψ : R R R tale che I) ψ(0, ) = 0, ψ(t 1, ) 0, ψ(t 1, ) è una funzione pari, continua non decrescente in R + 0 ; { ψ( t1, t II) la funzione φ(t 1, t 2 ) = 2 ), se t 1 0 è concava t, altrimenti 2 R. III) φ(, t 2 ) sia pari, continua e non decrescente in R + 0 ; Sia γ : R R tale che IV) ψ(t 1, t 2 ) = inf b R {bt2 1 + γ(b, t 2 )} (t 1, t 2 ) R R. V) γ(b, ) 0, γ(b, ) 0 b R, β è non crescente e convessa; VI) se b 0, γ(b, ) < + se e soltanto se b > 0; VII) lim γ(b, ) = 0, lim γ(b, ) = γ(0, ) > 0. b + b 0 + VIII) γ(, t 2 ) è pari, continua e non decrescente in R + 0. Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
98 TEOREMA DI DUALITÀ TEOREMA [GERACE, M. E PUCCI] I) II) III) IV) V) VI) VII) VIII) Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
99 MINIMIZZAZIONE DELL ENERGIA DUALE ALGORITMO GNC (GRADUATED NON CONVEXITY) Si determina una famiglia {E (p) d } p di funzioni che approssimano E d, in modo tale che la prima sia convessa e l ultima coincida con E d. Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
100 MINIMIZZAZIONE DELL ENERGIA DUALE ALGORITMO GNC (GRADUATED NON CONVEXITY) Si determina una famiglia {E (p) d } p di funzioni che approssimano E d, in modo tale che la prima sia convessa e l ultima coincida con E d. RICHIESTA Ogni funzione approssimante E (p) d verifica le ipotesi del Teorema di Dualità Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
101 RESTAURO DI IMMAGINI SFUOCATE A effetto di sfocatura dell immagine y immagine osservata n rumore che corrompe l immagine x immagine originale y = Ax + n Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
102 RESTAURO DI IMMAGINI SFUOCATE A effetto di sfocatura dell immagine y immagine osservata n rumore che corrompe l immagine x immagine originale y = Ax + n Immagine originale Immagine osservata Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
103 ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + λ 2 S d (x) S d (x) = ψ (( D 1 cx, D 1 c 1x )) c C Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
104 ENERGIA DUALE E d (x) = T(x, y) + λ 2 S d (x) S d (x) = ψ (( D 1 cx, D 1 c 1x )) c C Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
105 ALGORITMO GNC Prima approssimazione convessa x !100!200!300!300!200! Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
106 RISULTATI SPERIMENTALI Immagine Osservata Immagine Stimata Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
107 RISULTATI SPERIMENTALI Immagine Osservata Immagine Stimata Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
108 RISULTATI SPERIMENTALI Immagine Osservata Immagine Stimata Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
109 Grazie Martinelli (Università degli Studi di Perugia) GALN / 39
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