A considerable amount of research in harmonic analysis has been devoted to non-linear estimators of signals contaminated by additive Gaussian noise. They are implemented by thresholding coefficients in a frame, which provide a sparse signal representation, or by minimising their $\ell^1$ norm. However, sparse estimators in frames are not sufficiently rich to adapt to complex signal regularities. For cartoon images whose edges are piecewise $\bf C^\alpha$ curves, wavelet, curvelet and Xlet frames are suboptimal if the Lipschitz exponent $\alpha \leq 2$ is an unknown parameter. Deep convolutional neural networks have recently obtained much better numerical results, which reach the minimax asymptotic bounds for all $\alpha$. Wavelet scattering coefficients have been introduced as simplified convolutional neural network models. They are computed by transforming the modulus of wavelet coefficients with a second wavelet transform. We introduce a denoising estimator by jointly minimising and maximising the $\ell^1$ norms of different subsets of scattering coefficients. We prove that these $\ell^1$ norms capture different types of geometric image regularity. Numerical experiments show that this denoising estimator reaches the minimax asymptotic bound for cartoon images for all Lipschitz exponents $\alpha \leq 2$. We state this numerical result as a mathematical conjecture. It provides a different harmonic analysis approach to suppress noise from signals, and to specify the geometric regularity of functions. It also opens a mathematical bridge between harmonic analysis and denoising estimators with deep convolutional network.


翻译:调和分析领域的大量研究致力于处理加性高斯噪声污染信号的非线性估计。这类方法通过阈值化框架系数(提供稀疏信号表示)或最小化其 $\ell^1$ 范数来实现。然而,框架中的稀疏估计器不足以适应复杂的信号规律性。对于边缘为分段 $\bf C^\alpha$ 曲线的卡通图像,若 Lipschitz 指数 $\alpha \leq 2$ 为未知参数,则小波、曲波及 Xlet 框架均非最优。深度卷积神经网络近期取得了显著更优的数值结果,达到了所有 $\alpha$ 对应的极小值渐近界。小波散射系数作为简化的卷积神经网络模型被提出,其通过对小波系数的模进行二次小波变换计算得到。本文提出一种去噪估计器,通过联合最小化与最大化不同散射系数子集的 $\ell^1$ 范数实现。我们证明这些 $\ell^1$ 范数能够捕捉不同类型的几何图像规律性。数值实验表明,该去噪估计器在所有 Lipschitz 指数 $\alpha \leq 2$ 的卡通图像上均达到极小值渐近界。我们将此数值结果表述为一个数学猜想。这为抑制信号噪声和刻画函数的几何规律性提供了一种新的调和分析途径,同时也在调和分析与深度卷积网络去噪估计器之间架起了数学桥梁。

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