In this thesis, we offer a thorough investigation of different regularisation terms used in variational imaging problems, together with detailed optimisation processes of these problems. We begin by studying smooth problems and partially non-smooth problems in the form of Tikhonov denoising and Total Variation (TV) denoising, respectively. For Tikhonov denoising, we study an accelerated gradient method with adaptive restart, which shows a very rapid convergence rate. However, it is not straightforward to apply this fast algorithm to TV denoising, due to the non-smoothness of its built-in regularisation. To tackle this issue, we propose to utilise duality to convert such a non-smooth problem into a smooth one so that the accelerated gradient method with restart applies naturally. However, we notice that both Tikhonov and TV regularisations have drawbacks, in the form of blurred image edges and staircase artefacts, respectively. To overcome these drawbacks, we propose a novel adaption to Total Generalised Variation (TGV) regularisation called Total Smooth Variation (TSV), which retains edges and meanwhile does not produce results which contain staircase artefacts. To optimise TSV effectively, we then propose the Accelerated Proximal Gradient Algorithm (APGA) which also utilises adaptive restart techniques. Compared to existing state-of-the-art regularisations (e.g. TV), TSV is shown to obtain more effective results on denoising problems as well as advanced imaging applications such as magnetic resonance imaging (MRI) reconstruction and optical flow. TSV removes the staircase artefacts observed when using TV regularisation, but has the added advantage over TGV that it can be efficiently optimised using gradient based methods with Nesterov acceleration and adaptive restart. Code is available at https://github.com/Jbartlett6/Accelerated-First-Order-Method-for-Variational-Imaging.


翻译:在此理论中, 我们提供对变异图像问题中使用的不同常规化术语的彻底调查, 以及这些问题的详细优化进程。 我们首先研究平滑问题和部分非悬浮问题, 分别表现为 Tikhoonov 拆卸和 Total Variation (TV) 淡化。 对于 Tikhonov 拆卸, 我们研究一种加速梯度方法, 恢复适应性重现, 显示一个非常快速的趋同率。 但是, 将这种快速算法应用到电视淡化中并不简单, 原因是其结构的常规化结果不显眼。 要解决这个问题, 我们建议使用双轨化的常规问题, 将这种非双轨化的问题转换为平滑的。 然而, 我们注意到, Tikhonov 和电视的常规化方法都有缺陷, 其形式是图像边缘和更清洁的工艺。 为了克服这些缺陷, 我们提议对总化( TGVVV) 常规化的结果进行新式的调整, 也就是, 将快速的变异性变现的变现, 将结果显示为同步性变现,, 将同步的变现的变变的变的变的变的变。

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