Connecting mathematical models for image processing and neural networks

This thesis deals with the connections between mathematical models for image processing and deep learning. While data-driven deep learning models such as neural networks are flexible and well performing, they are often used as a black box. This makes it hard to provide theoretical model guarantees and scientific insights. On the other hand, more traditional, model-driven approaches such as diffusion, wavelet shrinkage, and variational models offer a rich set of mathematical foundations. Our goal is to transfer these foundations to neural networks. To this end, we pursue three strategies. First, we design trainable variants of traditional models and reduce their parameter set after training to obtain transparent and adaptive models. Moreover, we investigate the architectural design of numerical solvers for partial differential equations and translate them into building blocks of popular neural network architectures. This yields criteria for stable networks and inspires novel design concepts. Lastly, we present novel hybrid models for inpainting that rely on our theoretical findings. These strategies provide three ways for combining the best of the two worlds of model- and data-driven approaches. Our work contributes to the overarching goal of closing the gap between these worlds that still exists in performance and understanding.Gegenstand dieser Arbeit sind die Zusammenhänge zwischen mathematischen Modellen zur Bildverarbeitung und Deep Learning. Während datengetriebene Modelle des Deep Learning wie z.B. neuronale Netze flexibel sind und gute Ergebnisse liefern, werden sie oft als Black Box eingesetzt. Das macht es schwierig, theoretische Modellgarantien zu liefern und wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Im Gegensatz dazu bieten traditionellere, modellgetriebene Ansätze wie Diffusion, Wavelet Shrinkage und Variationsansätze eine Fülle von mathematischen Grundlagen. Unser Ziel ist es, diese auf neuronale Netze zu übertragen. Zu diesem Zweck verfolgen wir drei Strategien. Zunächst entwerfen wir trainierbare Varianten von traditionellen Modellen und reduzieren ihren Parametersatz, um transparente und adaptive Modelle zu erhalten. Außerdem untersuchen wir die Architekturen von numerischen Lösern für partielle Differentialgleichungen und übersetzen sie in Bausteine von populären neuronalen Netzwerken. Daraus ergeben sich Kriterien für stabile Netzwerke und neue Designkonzepte. Schließlich präsentieren wir neuartige hybride Modelle für Inpainting, die auf unseren theoretischen Erkenntnissen beruhen. Diese Strategien bieten drei Möglichkeiten, das Beste aus den beiden Welten der modell- und datengetriebenen Ansätzen zu vereinen. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Lücke zwischen den zwei Welten zu schließen, die noch in Bezug auf Leistung und Modellverständnis besteht.ERC Advanced Grant INCOVI