A Theoretically Guaranteed Quaternion Weighted Schatten p-norm Minimization Method for Color Image Restoration

Inspired by the fact that the matrix formulated by nonlocal similar patches in a natural image is of low rank, the rank approximation issue have been extensively investigated over the past decades, among which weighted nuclear norm minimization (WNNM) and weighted Schatten $p$-norm minimization (WSNM) are two prevailing methods have shown great superiority in various image restoration (IR) problems. Due to the physical characteristic of color images, color image restoration (CIR) is often a much more difficult task than its grayscale image counterpart. However, when applied to CIR, the traditional WNNM/WSNM method only processes three color channels individually and fails to consider their cross-channel correlations. Very recently, a quaternion-based WNNM approach (QWNNM) has been developed to mitigate this issue, which is capable of representing the color image as a whole in the quaternion domain and preserving the inherent correlation among the three color channels. Despite its empirical success, unfortunately, the convergence behavior of QWNNM has not been strictly studied yet. In this paper, on the one side, we extend the WSNM into quaternion domain and correspondingly propose a novel quaternion-based WSNM model (QWSNM) for tackling the CIR problems. Extensive experiments on two representative CIR tasks, including color image denoising and deblurring, demonstrate that the proposed QWSNM method performs favorably against many state-of-the-art alternatives, in both quantitative and qualitative evaluations. On the other side, more importantly, we preliminarily provide a theoretical convergence analysis, that is, by modifying the quaternion alternating direction method of multipliers (QADMM) through a simple continuation strategy, we theoretically prove that both the solution sequences generated by the QWNNM and QWSNM have fixed-point convergence guarantees.Comment: 46 pages, 10 figures; references adde

Interpretable Hyperspectral AI: When Non-Convex Modeling meets Hyperspectral Remote Sensing

Hyperspectral imaging, also known as image spectrometry, is a landmark technique in geoscience and remote sensing (RS). In the past decade, enormous efforts have been made to process and analyze these hyperspectral (HS) products mainly by means of seasoned experts. However, with the ever-growing volume of data, the bulk of costs in manpower and material resources poses new challenges on reducing the burden of manual labor and improving efficiency. For this reason, it is, therefore, urgent to develop more intelligent and automatic approaches for various HS RS applications. Machine learning (ML) tools with convex optimization have successfully undertaken the tasks of numerous artificial intelligence (AI)-related applications. However, their ability in handling complex practical problems remains limited, particularly for HS data, due to the effects of various spectral variabilities in the process of HS imaging and the complexity and redundancy of higher dimensional HS signals. Compared to the convex models, non-convex modeling, which is capable of characterizing more complex real scenes and providing the model interpretability technically and theoretically, has been proven to be a feasible solution to reduce the gap between challenging HS vision tasks and currently advanced intelligent data processing models

Hyperspectral Image Denoising With Group Sparse and Low-Rank Tensor Decomposition

Hyperspectral image (HSI) is usually corrupted by various types of noise, including Gaussian noise, impulse noise, stripes, deadlines, and so on. Recently, sparse and low-rank matrix decomposition (SLRMD) has demonstrated to be an effective tool in HSI denoising. However, the matrix-based SLRMD technique cannot fully take the advantage of spatial and spectral information in a 3-D HSI data. In this paper, a novel group sparse and low-rank tensor decomposition (GSLRTD) method is proposed to remove different kinds of noise in HSI, while still well preserving spectral and spatial characteristics. Since a clean 3-D HSI data can be regarded as a 3-D tensor, the proposed GSLRTD method formulates a HSI recovery problem into a sparse and low-rank tensor decomposition framework. Specifically, the HSI is first divided into a set of overlapping 3-D tensor cubes, which are then clustered into groups by K-means algorithm. Then, each group contains similar tensor cubes, which can be constructed as a new tensor by unfolding these similar tensors into a set of matrices and stacking them. Finally, the SLRTD model is introduced to generate noisefree estimation for each group tensor. By aggregating all reconstructed group tensors, we can reconstruct a denoised HSI. Experiments on both simulated and real HSI data sets demonstrate the effectiveness of the proposed method.This paper was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant 61301255, Grant 61771192, and Grant 61471167, in part by the National Natural Science Fund of China for Distinguished Young Scholars under Grant 61325007, in part by the National Natural Science Fund of China for International Cooperation and Exchanges under Grant 61520106001, and in part by the Science and Technology Plan Project Fund of Hunan Province under Grant 2015WK3001 and Grant 2017RS3024.Peer Reviewe

Advances in Image Processing, Analysis and Recognition Technology

For many decades, researchers have been trying to make computers’ analysis of images as effective as the system of human vision is. For this purpose, many algorithms and systems have previously been created. The whole process covers various stages, including image processing, representation and recognition. The results of this work can be applied to many computer-assisted areas of everyday life. They improve particular activities and provide handy tools, which are sometimes only for entertainment, but quite often, they significantly increase our safety. In fact, the practical implementation of image processing algorithms is particularly wide. Moreover, the rapid growth of computational complexity and computer efficiency has allowed for the development of more sophisticated and effective algorithms and tools. Although significant progress has been made so far, many issues still remain, resulting in the need for the development of novel approaches

Détection de changement par fusion d'images de télédétection de résolutions et modalités différentes

La détection de changements dans une scène est l’un des problèmes les plus complexes en télédétection. Il s’agit de détecter des modifications survenues dans une zone géographique donnée par comparaison d’images de cette zone acquises à différents instants. La comparaison est facilitée lorsque les images sont issues du même type de capteur c’est-à-dire correspondent à la même modalité (le plus souvent optique multi-bandes) et possèdent des résolutions spatiales et spectrales identiques. Les techniques de détection de changements non supervisées sont, pour la plupart, conçues spécifiquement pour ce scénario. Il est, dans ce cas, possible de comparer directement les images en calculant la différence de pixels homologues, c’est-à-dire correspondant au même emplacement au sol. Cependant, dans certains cas spécifiques tels que les situations d’urgence, les missions ponctuelles, la défense et la sécurité, il peut s’avérer nécessaire d’exploiter des images de modalités et de résolutions différentes. Cette hétérogénéité dans les images traitées introduit des problèmes supplémentaires pour la mise en œuvre de la détection de changements. Ces problèmes ne sont pas traités par la plupart des méthodes de l’état de l’art. Lorsque la modalité est identique mais les résolutions différentes, il est possible de se ramener au scénario favorable en appliquant des prétraitements tels que des opérations de rééchantillonnage destinées à atteindre les mêmes résolutions spatiales et spectrales. Néanmoins, ces prétraitements peuvent conduire à une perte d’informations pertinentes pour la détection de changements. En particulier, ils sont appliqués indépendamment sur les deux images et donc ne tiennent pas compte des relations fortes existant entre les deux images. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de détection de changements qui exploitent au mieux l’information contenue dans une paire d’images observées, sans condition sur leur modalité et leurs résolutions spatiale et spectrale. Les restrictions classiquement imposées dans l’état de l’art sont levées grâce à une approche utilisant la fusion des deux images observées. La première stratégie proposée s’applique au cas d’images de modalités identiques mais de résolutions différentes. Elle se décompose en trois étapes. La première étape consiste à fusionner les deux images observées ce qui conduit à une image de la scène à haute résolution portant l’information des changements éventuels. La deuxième étape réalise la prédiction de deux images non observées possédant des résolutions identiques à celles des images observées par dégradation spatiale et spectrale de l’image fusionnée. Enfin, la troisième étape consiste en une détection de changements classique entre images observées et prédites de mêmes résolutions. Une deuxième stratégie modélise les images observées comme des versions dégradées de deux images non observées caractérisées par des résolutions spectrales et spatiales identiques et élevées. Elle met en œuvre une étape de fusion robuste qui exploite un a priori de parcimonie des changements observés. Enfin, le principe de la fusion est étendu à des images de modalités différentes. Dans ce cas où les pixels ne sont pas directement comparables, car correspondant à des grandeurs physiques différentes, la comparaison est réalisée dans un domaine transformé. Les deux images sont représentées par des combinaisons linéaires parcimonieuses des éléments de deux dictionnaires couplés, appris à partir des données. La détection de changements est réalisée à partir de l’estimation d’un code couplé sous condition de parcimonie spatiale de la différence des codes estimés pour chaque image. L’expérimentation de ces différentes méthodes, conduite sur des changements simulés de manière réaliste ou sur des changements réels, démontre les avantages des méthodes développées et plus généralement de l’apport de la fusion pour la détection de changement

Analyse hiérarchique d'images multimodales

There is a growing interest in the development of adapted processing tools for multimodal images (several images acquired over the same scene with different characteristics). Allowing a more complete description of the scene, multimodal images are of interest in various image processing fields, but their optimal handling and exploitation raise several issues. This thesis extends hierarchical representations, a powerful tool for classical image analysis and processing, to multimodal images in order to better exploit the additional information brought by the multimodality and improve classical image processing techniques. %when applied to real applications. This thesis focuses on three different multimodalities frequently encountered in the remote sensing field. We first investigate the spectral-spatial information of hyperspectral images. Based on an adapted construction and processing of the hierarchical representation, we derive a segmentation which is optimal with respect to the spectral unmixing operation. We then focus on the temporal multimodality and sequences of hyperspectral images. Using the hierarchical representation of the frames in the sequence, we propose a new method to achieve object tracking and apply it to chemical gas plume tracking in thermal infrared hyperspectral video sequences. Finally, we study the sensorial multimodality, being images acquired with different sensors. Relying on the concept of braids of partitions, we propose a novel methodology of image segmentation, based on an energetic minimization framework.Il y a un intérêt grandissant pour le développement d’outils de traitements adaptés aux images multimodales (plusieurs images de la même scène acquises avec différentes caractéristiques). Permettant une représentation plus complète de la scène, ces images multimodales ont de l'intérêt dans plusieurs domaines du traitement d'images, mais les exploiter et les manipuler de manière optimale soulève plusieurs questions. Cette thèse étend les représentations hiérarchiques, outil puissant pour le traitement et l’analyse d’images classiques, aux images multimodales afin de mieux exploiter l’information additionnelle apportée par la multimodalité et améliorer les techniques classiques de traitement d’images. Cette thèse se concentre sur trois différentes multimodalités fréquemment rencontrées dans le domaine de la télédétection. Nous examinons premièrement l’information spectrale-spatiale des images hyperspectrales. Une construction et un traitement adaptés de la représentation hiérarchique nous permettent de produire une carte de segmentation de l'image optimale vis-à-vis de l'opération de démélange spectrale. Nous nous concentrons ensuite sur la multimodalité temporelle, traitant des séquences d’images hyperspectrales. En utilisant les représentations hiérarchiques des différentes images de la séquence, nous proposons une nouvelle méthode pour effectuer du suivi d’objet et l’appliquons au suivi de nuages de gaz chimique dans des séquences d’images hyperspectrales dans le domaine thermique infrarouge. Finalement, nous étudions la multimodalité sensorielle, c’est-à-dire les images acquises par différents capteurs. Nous appuyant sur le concept des tresses de partitions, nous proposons une nouvelle méthodologie de segmentation se basant sur un cadre de minimisation d’énergie