In many real-world inverse problems, only incomplete measurement data are available for training which can pose a problem for learning a reconstruction function. Indeed, unsupervised learning using a fixed incomplete measurement process is impossible in general, as there is no information in the nullspace of the measurement operator. This limitation can be overcome by using measurements from multiple operators. While this idea has been successfully applied in various applications, a precise characterization of the conditions for learning is still lacking. In this paper, we fill this gap by presenting necessary and sufficient conditions for learning the underlying signal model needed for reconstruction which indicate the interplay between the number of distinct measurement operators, the number of measurements per operator, the dimension of the model and the dimension of the signals. Furthermore, we propose a novel and conceptually simple unsupervised learning loss which only requires access to incomplete measurement data and achieves a performance on par with supervised learning when the sufficient condition is verified. We validate our theoretical bounds and demonstrate the advantages of the proposed unsupervised loss compared to previous methods via a series of experiments on various imaging inverse problems, such as accelerated magnetic resonance imaging, compressed sensing and image inpainting.


翻译:在许多现实世界反向问题中,只有不完整的测量数据可用于培训,而培训对学习重建功能造成问题。事实上,使用固定的不完整测量过程进行未经监督的学习,一般来说是不可能的,因为测量操作者的空隙中没有任何信息。这一限制可以通过使用多个操作者的测量方法加以克服。虽然这一想法在各种应用中已经成功地应用,但对学习条件的精确描述仍然缺乏。在本文件中,我们填补了这一差距,为学习重建所需的基本信号模型提供了必要和充分的条件,这些模型表明不同测量操作者的数量、每个操作者测量的数量、模型的尺寸和信号的维度之间的相互作用。此外,我们提出了一个新颖和概念上简单的未经监督的学习损失,只需要在核实充分条件时获得不完整的测量数据,并在有监督的学习基础上取得绩效。我们验证了我们的理论界限,并通过对各种反成像问题进行的一系列实验,例如加速磁共振成像、压缩感像和图像成像成像等,表明拟议的未经监督的损失与以前的方法相比的好处。

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