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Regularization Parameter Selection for Nonlinear Iterative Image Restoration and MRI Reconstruction Using GCV and SURE-Based Methods

雅可比矩阵与行列式 正规化(语言学) 迭代重建 算法 数学 迭代法 图像复原 数学优化 非线性系统 反问题 图像处理 计算机科学 图像(数学) 人工智能 应用数学 量子力学 物理 数学分析
作者
S. Ramani,Zhihao Liu,Jeffrey M. Rosen,Jon‐Fredrik Nielsen,Jeffrey A. Fessler
出处
期刊:IEEE transactions on image processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (8): 3659-3672 被引量:227
标识
DOI:10.1109/tip.2012.2195015
摘要

Regularized iterative reconstruction algorithms for imaging inverse problems require selection of appropriate regularization parameter values. We focus on the challenging problem of tuning regularization parameters for nonlinear algorithms for the case of additive (possibly complex) Gaussian noise. Generalized cross-validation (GCV) and (weighted) mean-squared error (MSE) approaches (based on Steinfs Unbiased Risk Estimate. SURE) need the Jacobian matrix of the nonlinear reconstruction operator (representative of the iterative algorithm) with respect to the data. We derive the desired Jacobian matrix for two types of nonlinear iterative algorithms: a fast variant of the standard iterative reweighted least-squares method and the contemporary split-Bregman algorithm, both of which can accommodate a wide variety of analysis- and synthesis-type regularizers. The proposed approach iteratively computes two weighted SURE-type measures: Predicted-SURE and Projected-SURE (that require knowledge of noise variance Ð2), and GCV (that does not need Ð2) for these algorithms. We apply the methods to image restoration and to magnetic resonance image (MRI) reconstruction using total variation (TV) and an analysis-type .1-regularization. We demonstrate through simulations and experiments with real data that minimizing Predicted-SURE and Projected-SURE consistently lead to near-MSE-optimal reconstructions. We also observed that minimizing GCV yields reconstruction results that are near-MSE-optimal for image restoration and slightly suboptimal for MRI. Theoretical derivations in this work related to Jacobian matrix evaluations can be extended, in principle, to other types of regularizers and reconstruction algorithms.
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