Fundamental Limits in Multi-Image Alignment

成对比较 图像(数学) 估计员 水准点(测量) 计算机科学 信噪比(成像) 算法 图像配准 噪音(视频) 极限(数学) 人工智能 数学 数学优化 模式识别(心理学) 统计 数学分析 大地测量学 地理
作者
Cecilia Aguerrebere,Mauricio Delbracio,Alberto Bartesaghi,Guillermo Sapiro
出处
期刊:IEEE Transactions on Signal Processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:64 (21): 5707-5722 被引量:60
标识
DOI:10.1109/tsp.2016.2600517
摘要

The performance of multi-image alignment, bringing different images into one coordinate system, is critical in many applications with varied signal-to-noise ratio (SNR) conditions. A great amount of effort is being invested into developing methods to solve this problem. Several important questions thus arise, including: Which are the fundamental limits in multi-image alignment performance? Does having access to more images improve the alignment? Theoretical bounds provide a fundamental benchmark to compare methods and can help establish whether improvements can be made. In this work, we tackle the problem of finding the performance limits in image registration when multiple shifted and noisy observations are available. We derive and analyze the Cram\'er-Rao and Ziv-Zakai lower bounds under different statistical models for the underlying image. The accuracy of the derived bounds is experimentally assessed through a comparison to the maximum likelihood estimator. We show the existence of different behavior zones depending on the difficulty level of the problem, given by the SNR conditions of the input images. We find that increasing the number of images is only useful below a certain SNR threshold, above which the pairwise MLE estimation proves to be optimal. The analysis we present here brings further insight into the fundamental limitations of the multi-image alignment problem.
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