超分辨率重建——先验信息,先验概率,后验概率,最大后验概率

超分辨率重建中,先验信息是指图像通常具有的特定特征或统计规律,如梯度分布。先验概率是基于已知事实计算的概率,如彩票中奖率。后验概率则是在已知部分信息情况下,对新情况发生的概率评估。本文探讨这些概念在图像处理中的应用。

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读超分辨率重建的文章,特别是一开始读一些基础的差值的方法的文章时,经常提到的一个概念就没有运用到图像的先验信息。


所谓的先验信息可以理解为在实验之前,已经得到的一些信息,即先验信息。对于图像,它可能存在着一些梯度方面的特征,符合某些统计规律,那么这些信息就可以用到实验中去。而这些我们已经知道的图像的一些特性就是图像的先验信息。


先验概率:基于某一事实得到的概率,比如昨天有500万人买彩票了,有10个人中了奖,那么10/500万就是昨天的彩票的中奖率。

然后后验概率,问,已经知道昨天的中奖率了,那么今天的中奖率是多少呢?那么这种事情B在事情A已经发生的情况下,发生的概率,就可以称为后验概率。

习惯性拿来度娘上的一个栗子:

假设一个学校里有60%男生和40%女生。女生穿裤子的人数和穿裙子的人数相等,所有男生穿裤子。一个人在远处随机看到了一个穿裤子的学生。那么这个学生是女生的概率是多少?
使用贝叶斯定理,事件A是看到女生,事件B是看到一个穿裤子的学生。我们所要计算的是P(A|B)。
P(A)是忽略其它因素,看到女生的概率,在这里是40%
### 传统超分辨率重建概述 #### 原理 传统超分辨率重建依赖于概率论和集合论,旨在通过低分辨率(LR)图像及其先验知识来构建高分辨率(HR)图像。具体来说,这类方会计算图像的局部或全局先验知识,以此为基础构造LR到HR之间的映射关系,并引入相应的约束条件以及正则化处理机制以确保最终得到高质量的结果[^2]。 对于频域内的超分辨重构而言,在傅里叶变换空间中操作可以有效地从多帧输入数据中提取并合成缺失的高频成分;然而这种方往往假设环境较为理想——即不存在显著程度上的运动模糊、扩散效应或其他形式干扰源的影响。一旦遇到复杂的现实场景,则可能难以维持预期性能水平。 相比之下,空域技术更贴近真实世界的应用需求。它能够较好地应对诸如光学/运动引起的失真等情况下的挑战,通过对这些影响成像质量的因素建模来进行补偿校正工作。常见的几种策略包括但不限于非均匀采样插值最大后验估计(MAP)框架下设计的各种方案、基于迭代反投影(IRP)过程的技术路线等。 #### 实现方 针对上述提到的不同类型的经典SR算,以下是部分具体的实现方式: - **频域方** 频域方主要采用傅立叶变换将原始信号转换至频率平面,之后再利用特定手段恢复出那些原本不可见但却有助于提升解析度的关键信息片段。尽管如此,由于其对实验设定的要求较高(比如要求目标物体保持静止),所以在实际部署过程中可能会受到一定局限性。 - **空域方** - *非均匀采样内插*: 这种简单的线性组合方式能够在一定程度上缓解因降质而造成的细节损失问题; - *最大后验概率(Maximum A Posteriori, MAP)*: 结合贝叶斯理论推导出来的统计学模型,MAP试图寻找最有可能产生观测结果的那个潜在状态分布作为输出; - *基于迭代反投影(Iterative Back Projection, IBP)*: 初始猜测后的逐步修正流程使得IBP可以在多次循环运算过后逼近理想的高清版本; - *凸集投影(Projected onto Convex Sets, POCS)*: 将待解决问题表述为多个闭半空间交集的形式,从而简化求解难度; - *混合算*: 综合运用多种思路的优势互补特性,力求获得更好的综合表现。 ```python import numpy as np from scipy.fftpack import fftshift, ifftshift, fftn, ifftn def frequency_domain_sr(lr_image_stack): """ 使用频域方进行简单超分辨率重建 参数: lr_image_stack (numpy.ndarray): 多张低分辨率图像组成的三维数组 返回: hr_image_estimation (numpy.ndarray): 超分辨率重建后的单幅高分辨率图像估算 """ # 对每一张低分辨率图片做快速傅里叶变换 transformed_images = [] for img in lr_image_stack: freq_img = fftshift(fftn(img)) transformed_images.append(freq_img) avg_freq_spectrum = sum(transformed_images)/len(transformed_images)
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