结构化解析字典学习及其在压缩感知图像重构中的应用研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61803096
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0310.人工智能驱动的自动化
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Dictionary learning is to learn a dictionary adaptively from given signals, which has been widely used in signal reconstruction, representation, classification and so on. Dictionary learning based on the analysis model has the superior capability of representing the signal sparsely, therefore it could process the inverse problem well. Furthermore, analysis dictionary learning with the intrinsic structure can represent the intrinsic geometric structure of the data, which has been widely applied to medical image processing, pattern recognition and so on. However, analysis dictionary learning with the intrinsic structure faces some challenging issues: first, the analysis sparse coding is NP-hard problem; second, the analysis dictionary has the trivial solutions; third, it is difficult to capture the intrinsic structure of data for the analysis dictionary. To solve the above challenges, we plan to investigate a novel analysis dictionary learning algorithm keeping the intrinsic structure of data and its application to compressed sensing image reconstruction in this project. First, we will choose the nonlinear functions as sparsity measure, and impose an orthonormality constraint on the dictionary to avoid the trivial solutions. Second, we will employ the proximal operator and the manifold optimization based on Cayley transform, and propose the analysis dictionary learning algorithm which can keep the intrinsic structure of data. At last, the proposed algorithm will be applied to compressed sensing image reconstruction with the intrinsic structure.
字典学习通常是根据信号本身特点自适应训练字典,通过学习获得的字典能够与信号本身结构匹配,已被广泛应用于信号重构、表示及分类等方面。解析稀疏模型下的字典学习即解析字典学习具有丰富灵活的稀疏表示能力,在处理逆问题时具有更大优势。结构化解析字典具有对数据内在结构属性表达的能力,在医学成像、模式识别等方面具有重要应用价值。针对结构化解析字典学习中解析稀疏编码NP-hard问题、解析字典易出现平凡解及对数据内在几何结构表达能力不足等问题,本项目拟重点研究结构化解析字典学习及其在压缩感知图像重构中的应用。首先,选取非线性函数作为稀疏度量,对解析字典施加正交约束以消除平凡解,建立解析字典学习模型;其次,采用邻近算子技术和基于Cayley变换的流形优化方法,开发高效的结构化解析字典学习算法;最后,将所开发的结构化解析字典学习算法应用于需考虑数据内在结构特性的压缩感知图像重构。

结项摘要

结构化解析字典具有丰富灵活的稀疏表示能力,且具有对数据内在结构属性表达的能力,在处理逆问题例如医学成像等方面具有重要应用价值。然而结构化解析字典学习仍然存在解析稀疏编码NP-hard问题、解析字典易出现平凡解及对数据内在几何结构表达能力不足等问题。因此,本项目首先针对解析稀疏编码NP-hard问题,采用非线性稀疏函数作为稀疏正则项进行解析稀疏编码。为克服非线性函数的非凸性,采用凸差分方法将非线性稀疏正则子分解为两个凸函数的差分,进而优化其子问题,开发有效解析稀疏编码算法。其次,针对字典易出现平凡解且对数据内在几何结构表达能力不足的问题,本项目对解析字典施加正交约束,正交约束构成流形空间,从流形空间角度直接求解解析字典,同时满足正交约束,进而避免对求解后字典进行额外操作以消除平凡解。最后,本项目开发的非线性稀疏正则化的解析稀疏编码和基于流形优化的解析字典学习算法已应用于自然图像和MR图像去噪及融合,可获得比已有方法更高的峰值信噪比。三年来,申请人围绕着本项目的研究内容以第一作者及通讯作者在IEEE Trans.Cybernetics、 IEEE Trans.NNLS等国际权威期刊发表论文6篇和EI检索会议论文4篇,发明国家专利2件。课题组培养毕业研究生2名,在读硕士研究生4名。项目负责人及指导的学生多次参加国内国际相关会议,与国内同行紧密交流研讨,取得了一定的国际国内学术影响力。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(2)
Direct-Optimization-Based DC Dictionary Learning With the MCP Regularizer
使用 MCP 正则化器进行基于直接优化的 DC 字典学习
  • DOI:
    10.1109/tnnls.2021.3114400
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems
  • 影响因子:
    10.4
  • 作者:
    Zhenni Li;Zuyuang Yang;Haoli Zhao;Shengli Xie
  • 通讯作者:
    Shengli Xie
Sparse Representation Based on the Analysis Model With Optimization on the Stiefel Manifold
基于Stiefel流形优化分析模型的稀疏表示
  • DOI:
    10.1109/access.2018.2890299
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    IEEE Access
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Yujie Li;Shuxue Ding;Benying Tan;Haoli Zhao;Zhenni Li
  • 通讯作者:
    Zhenni Li
Overcomplete Transform Learning With the log Regularizer
使用对数正则化器进行过完备变换学习
  • DOI:
    10.1109/access.2018.2877763
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    IEEE Access
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhenni Li;Shengli Xie;Wuhui Chen;Zuyuan Yang
  • 通讯作者:
    Zuyuan Yang
A fast DC-based dictionary learning algorithm with the SCAD penalty
一种带有SCAD惩罚的基于DC的快速字典学习算法
  • DOI:
    10.1016/j.neucom.2020.12.003
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    Neurocomputing
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Zhenni Li;Chao Wan;Benying Tan;Zuyuan Yang;Shengli Xie
  • 通讯作者:
    Shengli Xie
Accelerated Log-Regularized Convolutional Transform Learning and its Convergence Guarantee
加速对数正则化卷积变换学习及其收敛保证
  • DOI:
    10.1109/tcyb.2021.3067352
  • 发表时间:
    2021-04-16
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON CYBERNETICS
  • 影响因子:
    11.8
  • 作者:
    Li,Zhenni;Zhao,Haoli;Xie,Shengli
  • 通讯作者:
    Xie,Shengli

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其他文献

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  • 通讯作者:
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    王准

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李珍妮的其他基金

基于深度字典学习的强化学习价值函数鲁棒估计研究
  • 批准号:
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    2022
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  • 项目类别:
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相似国自然基金

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  • 批准号:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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