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图像处理中拉普拉斯矩阵的稀疏化处理

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厂 研究与开 DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2018.09.003 图像处理中拉普拉斯矩阵的稀疏化处理串 田俊杰 ,赵祖烨 ,张军飞 (1.华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室,湖北武汉2.广州中望龙腾软件股份有限公司,广东广州 510000) 430074; 摘要:图像处理领域中有许多解决方案都使用离散泊松方程来求解,这涉及到大型拉普拉斯矩阵的求逆,直接求解时间消耗较 大。提出一种分层稀疏化算法,通过剔除拉普拉斯矩阵邻接三角形中的最小边,补偿其他两条相邻边,并在子系统上不断迭代 这个过程,通过减小拉普拉斯矩阵的条件数来减少时间消耗。以图像处理中保边滤波算法过程中的拉普拉斯矩阵求逆为例进行 稀疏化算法研究,通过比较稀疏化处理前后在拉普拉斯矩阵迭代求逆过程中的条件数,验证了该算法的有效性。通过收集500 张图案,建立不同大小图案的样本库,利用样本库统计稀疏化处理前后拉普拉斯矩阵求逆所需时间。统计数据证明该算法可将 大型拉普拉斯矩阵的求逆的时间消耗减少60%,且随矩阵规模变大,加速效果增强。 关键词:图像处理;离散泊松方程;拉普拉斯矩阵;分层迭代;稀疏化 中图分类号:TP751 文献标识码:A 文章编号:1009—9492(2018)O9—0009—03 Fast Method for Extracting the Main Structure 0f Textile Patterns TIAN Jun-jie ,ZHAO Zu—ye ,ZHANG Jun—fei (1.State Key Laboratory of Materials Processing and Die&Mould Technology.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.ZWCAD Software Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China) Abstract:Many solutions in the ielfd of image processing are solved using the discrete Poisson equation,which involves the inversion of large Laplacian matices,irt consumes a lot of time to solve directly.A hierarchical thinning algorithm was proposed.By eliminating the weakest edge of Laplacian adjoining tirangles,compensating the other two adjacent edges and iterating the process on the subsystems, the number of conditions of the Laplacian matrix was reduced to reduce the time consumption.Taking the Laplacian matix inverrsion in preserving edge filtering algorithm in image processing as an example,the thinning algorithm was studied.By comparing the number of conditions in iterative inversion of Laplaeian matix befrore and after thinning,the effectiveness of the algorithm was verified..1000 samples were collected,and a sample library of different size patterns was established.The sample library was used to calculate the time required for Laplace matix irnversion before and after sparse processing.The statistics show that this algorithm can reduce the time consumption of large Laplacian inversions by 60%,and the acceleration effect increases with the increase of matix sirze. Key words:image processing;discrete poisson equation;laplace matix;lrayered iteration;thinning 0引言 图像处理和计算机图形学中有大量问题可以使用离散 泊松方程来求解。图像处理领域的研究包括Levin等“提出 法中不均匀拉普拉斯矩阵求逆的加速有指导意义[61。 许多图像处理算法实现过程中用到稀疏的不均匀拉普 拉斯矩阵,当图案像素行列数分别为M和Ⅳ时,保边滤波 和图像着色等算法中的拉普拉斯矩阵的大小为MN×MN。 算法求解过程需对拉普拉斯矩阵进行求逆,直接求逆的时 间复杂度为0((肼 ),在时间和内存上的消耗都是无法接 受的。对于大型稀疏矩阵线性系统可以利用迭代法来加快 求解,经典的迭代法有Jacobi迭代器方法,Gauss—Seidel 的图像着色,Lischinski等 1使用的色调调整,以及边缘保 留平滑 和Xu等[41提出的相对总变化量纹理剔除算法。泊 松方程方法虽然在质量和数学简洁性方面表现出色,但其 计算成本相当较大,需要求解非常大且不易求解的线性系 统。 Matirx iterative analysis讲述矩阵迭代器运算的基本原 理 ,Iterative methods for sparse linear systems讲述求解稀 疏线性系统的各种迭代器方法。对于常见图像处理领域算 迭代器方法,SOR迭代器方法等。本文作者主要应用不完 全Cholesky分解与预处理共轭梯度法 ,并将使用分层稀 疏化对迭代器进行处理以减少时间和内存消耗。 女国家863计划(编号:2015AA042505) 广东省重大科技专项(编号:2014B010130001) 收稿日期:2018一o3一l9 研 与开发 D Krishnan等 为在计算机图形领域的算法中经常出 现的离散泊松方程提出一个新的多级稀疏化方案。该方案 根据邻域内粗细变量的拓扑关系选择不同的稀疏方法,时 关于减少矩阵条件数的途径,D Krishnan等 提到一 种分层稀疏化方法,每层中都将节点划分为粗节点C和细 节点F,通过迭代过程分层稀疏化矩阵。矩阵L可以划分 间复杂度高,且在分层稀疏化处理过程中无法抑制条件数 的增长,本文作者采用一种更简单有效的稀疏化方法。 为细节点c之间连接L。 ,粗节点F之间连接 点C与粗节点F之间连接£ : = 、细节 1算法应用场景 Farbman等 1提出加权最小二乘滤波算法(WLS): F D Krishnan等 提出转化矩阵P: ( p--gy+ ∽( ) +n ( ):)) (1) 式中: 是输入图像,找出使式(1)有最小值的U即 0 I问题。 P = (10)  1… 是想要的输出图像;p是像素点的索引; OU和券是在像 素点P处的梯度;ax,p∽表示权重大小。 在 两边分别乘上得到原问题的一个更小规模的子 原理是输出图像和输入图像的每个像素值尽量接近, 且输出图像中的非边界区梯度尽量小。 式(1)可以转化为矩阵形式: 一根据粗细节点间的拓扑关系选择不同补偿方式稀疏化 矩阵,采用一种更简单有效的矩阵稀疏化方式。采取去除 g) r( 一 +A ,DTA D Ⅱ+I, A D (2) (3) 局部三角形中最弱连接,补偿给其他两条边的方式来稀疏 化矩阵以减少条件数,即将最弱边的权值加到相邻两边 上,作为对去除最弱边的补偿。 0 2 0 0 U+A )M=Lu:g 其中 为大型稀疏的拉普拉斯矩阵,稀疏矩阵求逆 一般采用迭代法,但迭代法直接求逆会消耗大量时间。 文献[4】在WLS的基础上提出一种相对总变化量算子 0 0 0 0 在保留图像边界的同时剔除纹理。纹理和主结构在相对总 变化量算子上展现出完全不同的属性,由此可以在加权最 小二乘法的过程中应用不同的权值对纹理和主结构进行不 同程度的惩罚。文献[4】主要的公式是: arg min 卅 ¨(器+ ) 经过推导得到矩阵形式: 一 (4) 0 (a)邻接矩阵图 0 0 ,)_r 一 ,)+A( w;c + W 'C c + c ) (5) … … (I+AL )· : , s L = 其中L也是一个大型稀疏的拉普拉斯矩阵。 2算法分析 采用一种分层稀疏化的方案减少矩阵求逆的时间消 耗。一个矩阵L关于向量 的能量函数由Rayleigh商定义: E = Lx)/(x ̄ (7) (b)局部惩罚示例 图1 邻接三角形稀疏补偿示意图 由于L的半正定型,能量值总是非负数。矩阵L的 特征向量对应的能量值是特征向量的对应的特征值,由 Lx=Ax得 数定义为: 删= = = ㈦ 分层稀疏化算法过程: (1)对矩阵£中所有节点间的三角形,应用稀疏化 和惩罚过程。得到结果矩阵 。 )/ )= A / =A对称正定矩阵的条件 (2)利用公式计算下一次迭代所需,根据公式和公式 求出 一L 作为矩阵£的一个子系统,成为下一 次迭代稀疏操作的输入L。 迭代法通过一次次迭代来逐步逼近离散泊松方程的真 (3)迭代过程的停止条件是矩阵L中节点之间的连接 数减少到规定值。由算法2的迭代过程可得到不同稀疏程 实解,而所需的迭代次数与矩阵的条件数相关。Jacobi和 Gauss—Seidel迭代法需0㈤次,共轭梯度法需要0(√ ) 度的矩阵P的一个集合IP,P P3 P P P^…Pn] 和最终的稀疏矩阵L~;由这两者可用Krishnan等 -中的算 次 。所以加快迭代求解的方式之一就是减小矩阵的条件数。 田俊杰 等:图像处理中拉普拉斯矩阵的稀疏化处理 研究与 法l卡勾成-个分 坝处 器F ), 求 线性 『I1f.』I J x)代特 ,减少办狂的条仆数以J J【l怏 Lx=/J 求解 表1 矩阵求逆平均时间比较 _rlll1.1 M川rix_I1Ⅵ l HP cIvP川 f、tinle"('Olllp[tl’isoll 3结果分析 3.1对条件数的影响 埘 2 J、训IJ rfi的纹理剔除箅法, 怖疏化处 的条什数, f,,J求逆[ilf 川 :迭代求逆过程 根据式(8)统汁 3 ,J:址处卿前和处理后达代过 I}t条 数的 化 …『kl『fI 息tIf以看…,稀疏化处 !可以减小条 什敬、 代过 n,JI 敛:I 4结束语 本文作 挑…-种刈夫’I9线 力 程的系数 处 的方法m补偿刽其他I从j边并 j 系统 分 颅处理器 进仃 迎.iz8 qj上邻域 『f】肜中权殴最小的边、将仪 迭代该过程的 ‘式构缱 大{l} 例验 ,陔算法埘罔像处理cl】心 川』一泛的}fl忪 ’ ̄7--k斛仃竹{Iv-' 的 速效果,【『.’以大大减 小系数砸阵的条件数,减少It, ̄fu j耗 参考文献: l1j Lenin A,I IS( hinski I),、、t iss、.Coloiization using Oll— timizalion f C . ACM SI( ( RAPH.ACM, 2004: 689-694. 12 j Lis(-hinski I)ani,l,'ai l)lll ̄|l1./t v_ Uyttendaele Malt, Pl a1.1ntei.;I【-tivP lIl(·al llliII.';lII1('nt of 1Oila J"V_:thies.J J. A(!nl Fl’tlnsa(-lions Oil(1raphi ̄·s. 2006. 25 (3): 646-653. 瀑。 芝导 3【I"al‘blllilll Z,F'atla]I{,l ·hinski I),et a1.Edge一 t 一 serving de!‘omposilions“)r muhi-scale tone alld delaiI 111 ̄-I— 兰 j茎兽 nipulaliol1 j.1 . ~(:M TI1tlllSa( lions 1)I1 Cra 2008,27(3):Il_1. H. = 14 J xu L, Yi:lll Q,Xia、, rI a1.Sti’uc-lure exit!l(·lion f_itlIii 0 驰l OO 1 5 0 200 250妯 5U 1 00 I 5O 201、 5n 3 00 迭代次数 怖l锍化Ijf『 :数变化 迭代次数 (h)侨疏化 条什数变化 texture via relalivr i‘J Val ialiota【J J.A(:in Tt'ansa(‘一 tions orl(;raphi(·s,2()12.3l(6):l39. [5]\"arga R S.Matrix itel,ativt an ̄dvsis『M 1.s(·itjl1( Pl’r s. 2006. 3 分J 稀疏化对 阵条什数的影uf 3_2对处理时间的影响 收集500张圳纠2昕示图片,从L{】提取…像素火小分 圳为64 x 64、256 x 256、1024 X l024的I纠窠.绀成测试 处删时 1的佯小14- CPt为i5—4460,3.2Gz 卡丧处理 器.软什运仃±1 境址matlab2015a以保边滤波fl<jf,q 求  I6 Saad Y 1…’alivr MPtlIods to'l Spal’se Linear S' ̄stenis  1M .S(·itm(·P lh,rss,2009. [7]K|-islulan I),Fatlal R,Szt liski R,el a1.Effic'ienl pit 一 conditioiing olr’lapla(’ian lll ̄Jll’i‘·es tor foilq.)uter gl’aphi ̄‘s _J J.ACM TrEllS,ill lio 11s…1( aphies,2013,32(4): 1—15. 晰过 为俐测酞分 怖疏化对 像处理)JfJ速效 (3)ifi,J求逆过 i 化处 达(Eikffl" ̄ ‘ 昕需时问 【!lJ 』 8 J Krishnan I),Szeliski R.Muhigri(1 and muhilex’el I)lHl【llI一 (1itionel s ffJ1’¨小 })lll ̄llion;A J 1)holography lJ j.ACM _riallS;_l(·tions Oll(;ra1) 【-H,201 I.30(6):1一10 比较 应川稀疏化处 fn』 刊}J怖疏 III 1 i} 5)-Je 怖疏化前后平均求解lI1f问的对比r J 以打 t,《1J于像索f lJ数的【司案,分层稀疏化算法埘求斛时 能』 卜的影响f『 ,随荷 案像素行列数增加.分 稀疏 化 法埘求斛tl、mJn0 2I}.ttl ̄J,越来越大 第一作者简介:…俊杰, ,l994年生,湖北天¨人,顸 {:研究,j 研究领域:机器 觉 l 业领域的嘘用 (编辑:阮 毅) [二] [二工二 

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