Structure-aware image denoising, super-resolution, and enhancement methods

Denoising, super-resolution and structure enhancement are classical image processing applications. The motive behind their existence is to aid our visual analysis of raw digital images. Despite tremendous progress in these fields, certain difficult problems are still open to research. For example, denoising and super-resolution techniques which possess all the following properties, are very scarce: They must preserve critical structures like corners, should be robust to the type of noise distribution, avoid undesirable artefacts, and also be fast. The area of structure enhancement also has an unresolved issue: Very little efforts have been put into designing models that can tackle anisotropic deformations in the image acquisition process. In this thesis, we design novel methods in the form of partial differential equations, patch-based approaches and variational models to overcome the aforementioned obstacles. In most cases, our methods outperform the existing approaches in both quality and speed, despite being applicable to a broader range of practical situations.Entrauschen, Superresolution und Strukturverbesserung sind klassische Anwendungen der Bildverarbeitung. Ihre Existenz bedingt sich in dem Bestreben, die visuelle Begutachtung digitaler Bildrohdaten zu unterstützen. Trotz erheblicher Fortschritte in diesen Feldern bedürfen bestimmte schwierige Probleme noch weiterer Forschung. So sind beispielsweise Entrauschungsund Superresolutionsverfahren, welche alle der folgenden Eingenschaften besitzen, sehr selten: die Erhaltung wichtiger Strukturen wie Ecken, Robustheit bezüglich der Rauschverteilung, Vermeidung unerwünschter Artefakte und niedrige Laufzeit. Auch im Gebiet der Strukturverbesserung liegt ein ungelöstes Problem vor: Bisher wurde nur sehr wenig Forschungsaufwand in die Entwicklung von Modellen investieret, welche anisotrope Deformationen in bildgebenden Verfahren bewältigen können. In dieser Arbeit entwerfen wir neue Methoden in Form von partiellen Differentialgleichungen, patch-basierten Ansätzen und Variationsmodellen um die oben erwähnten Hindernisse zu überwinden. In den meisten Fällen übertreffen unsere Methoden nicht nur qualitativ die bisher verwendeten Ansätze, sondern lösen die gestellten Aufgaben auch schneller. Zudem decken wir mit unseren Modellen einen breiteren Bereich praktischer Fragestellungen ab