This paper studies a new and highly efficient Markov chain Monte Carlo (MCMC) methodology to perform Bayesian inference in low-photon imaging problems, with particular attention to situations involving observation noise processes that deviate significantly from Gaussian noise, such as binomial, geometric and low-intensity Poisson noise. These problems are challenging for many reasons. From an inferential viewpoint, low-photon numbers lead to severe identifiability issues, poor stability and high uncertainty about the solution. Moreover, low-photon models often exhibit poor regularity properties that make efficient Bayesian computation difficult; e.g., hard non-negativity constraints, non-smooth priors, and log-likelihood terms with exploding gradients. More precisely, the lack of suitable regularity properties hinders the use of state-of-the-art Monte Carlo methods based on numerical approximations of the Langevin stochastic differential equation (SDE), as both the SDE and its numerical approximations behave poorly. We address this difficulty by proposing an MCMC methodology based on a reflected and regularised Langevin SDE, which is shown to be well-posed and exponentially ergodic under mild and easily verifiable conditions. This then allows us to derive four reflected proximal Langevin MCMC algorithms to perform Bayesian computation in low-photon imaging problems. The proposed approach is demonstrated with a range of experiments related to image deblurring, denoising, and inpainting under binomial, geometric and Poisson noise.


翻译:本文研究一种高效的新马可夫链Monte Carlo(MCMC)方法,对低磷成像问题进行巴伊西亚测算,尤其关注与高斯噪音有显著差异的观测噪音过程,例如二氧化、几何和低密度Poisson噪音。由于多种原因,这些问题具有挑战性。从推断观点看,低粒子数量会导致严重的可辨识问题、不稳定和解决方案的高度不确定性。此外,低粒子模型往往显示常规性特征差,使得高效贝伊西亚计算困难;例如,硬非惯性非惯性限制、非显性前科和与爆炸梯度相异的日志学条件。更确切地说,缺乏适当的常规性特征妨碍了使用基于兰埃文分量差方数值近的蒙特卡洛(SDE)状态方法,因为SDE及其数值比值的近似性差性表现不善。我们通过基于反映和可核实的低度市价计算方法提出MC模型方法来解决这一困难。

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