基于四元数的彩色视频去噪方法

Video denoising is one of the most fundamental research tasks in video processing and plays an important role in video applications. Traditional color video denoising techniques usually can be divided into two categories: grayscale video denoising based methods and color image filtering based approaches. However, both the two types of methods fail to consider the spectral relationship between color channels (note that color image vector filtering techniques also can not utilize the correlation of three color components). In addition, the two kinds of methods are not able to implement some basic color video image operations such as Fourier transforms of color video images. Quaternions can represent color images effectively, and some quaternion operations reflect the relationship between color channels to some extent. This project will utilize the theories and methods of quaternions to study color video denoising techniques. First, we will explore the methods of using quaternions to represent the correlation both in color channels and time domain, and the methods of color local orientation detection in 3D vector data fields and color motion estimation. We will also study the methods of estimating the types and parameter distributions of noise. Then, we will study color video denoising methods with edge and detail preservation characteristics in joint quaternion-spatiotemporal domain by combining color local orientation detection, color motion estimation and noise parameter estimation. The research of this project will present a set of novel and effective methods for color video denoising processing, and enrich the theories and methods of color video processing.

视频去噪具有重要的研究意义和广泛的应用价值。传统的彩色视频去噪方法基本上都是基于灰度视频去噪或彩色图像滤波技术的。这些方法都无法考虑颜色通道之间光谱联系(彩色图像矢量滤波技术也不能利用彩色像素3 个部件内部的相关性)，也无法在数学上表示和实现一些基本的视频图像运算(如彩色视频的Fourier 分析)。四元数能有效地表示彩色图像，四元数的一些运算在一定程度上能体现彩色通道的相关性。本课题将利用四元数的理论和方法，研究彩色视频的去噪方法。首先，研究彩色视频在颜色通道及时域上相关性的四元数表示、3D矢量数据场中局部朝向检测、彩色运动估计等的理论方法，并研究彩色视频中噪声的性质和分布。然后，在四元数时-空联合域，结合彩色局部朝向检测、彩色运动估计和噪声的参数分布，研究各种具有边缘细节保护特性的彩色视频去噪方法。本课题的研究，将为彩色视频去噪提供新的理论方法，并丰富彩色视频处理的理论和方法。

课题利用四元数的理论方法去研究彩色视频和图像的去噪方法，提出一系列创新性的理论和方法。主要成果包括：(1) 提出了基于四元数的彩色朝向的检测方法，填补了这一方面研究的空白（现有的彩色朝向检测的研究很少），丰富了彩色图像和视频处理的基础研究，并提出了基于局部彩色朝向的自适应滤波方法；(2) 提出了新的四元数颜色距离计算公式，为彩色图像处理增添了新的基础方法，同时将该成果应用到彩色视频和图像的滤波去噪中，取得了优秀的效果；(3) 结合四元数颜色距离，通过分析水平、垂直、双对角线方向上的噪声样本，提出了高效的基于方向样本的噪声检测方法，并提出了相应的滤波去噪方法；(4) 首次提出了基于超像素分割的彩色斑点噪声的去除方法。现有的滤波去噪技术很少有关于去除斑点状噪声的（噪声呈现为小块状），一般都是用于去除单像素的噪声。我们在研究中，首次提出了一个基于超像素分割的斑点噪声去除方法。该方法包含了2个新的方法：斑点噪声的检测和斑点噪声的去除；(5) 提出了一种新的彩色图像锐化方法，并提出了一个新的彩色矢量信号方差计算方法。目前的彩色锐化技术一般都是基于灰度图像处理的，即独立地锐化各个颜色通道或仅锐化亮度通道（色度通道保持不变），而我们提出的锐化方法在锐化亮度和色度通道的同时、优秀地保护图像的色度信息，从而丰富了彩色图像锐化的理论和方法；(6) 提出了一个基于四元数相似矩阵的彩色图像分割方法，完善了基于图割的彩色图像分割方法。