Décomposition d’image par modèles variationnels : débruitage et extraction de texture, Variational models for image decomposition : denoising and texture extraction

Loïc Piffet

Description

Sous la direction de Maïtine Bergounioux
Thèse soutenue le 23 novembre 2010: Orléans
Cette thèse est consacrée dans un premier temps à l’élaboration d’un modèle variationnel dedébruitage d’ordre deux, faisant intervenir l’espace BV 2 des fonctions à hessien borné. Nous nous inspirons ici directement du célèbre modèle de Rudin, Osher et Fatemi (ROF), remplaçant la minimisation de la variation totale de la fonction par la minimisation de la variation totale seconde, c’est à dire la variation totale de ses dérivées. Le but est ici d’obtenir un modèle aussi performant que le modèle ROF, permettant de plus de résoudre le problème de l’effet staircasing que celui-ci engendre. Le modèle que nous étudions ici semble efficace, entraînant toutefois l’apparition d’un léger effet de flou. C’est afin de réduire cet effet que nous introduisons finalement un modèle mixte, permettant d’obtenir des solutions à la fois non constantes par morceaux et sans effet de flou au niveau des détails. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au problème d’extraction de texture. Un modèle reconnu comme étant l’un des plus performants est le modèle T V -L1, qui consiste simplement à remplacer dans le modèle ROF la norme L2 du terme d’attache aux données par la norme L1. Nous proposons ici une méthode originale permettant de résoudre ce problème utilisant des méthodes de Lagrangien augmenté. Pour les mêmes raisons que dans le cas du débruitage, nous introduisons également le modèle T V 2-L1, consistant encore une fois à remplacer la variation totale par la variation totale seconde. Un modèle d’extraction de texture mixte est enfin très brièvement introduit. Ce manuscrit est ponctué d’un vaste chapitre dédié aux tests numériques.
-Espace des fonctions à variation bornée BV
-Espace des fonctions à hessien bornée BV2
-Modèle variationnel
-Variation totale seconde
-Anisotropie
This thesis is devoted in a first part to the elaboration of a second order variational modelfor image denoising, using the BV 2 space of bounded hessian functions. We here take a leaf out of the well known Rudin, Osher and Fatemi (ROF) model, where we replace the minimization of the total variation of the function with the minimization of the second order total variation of the function, that is to say the total variation of its partial derivatives. The goal is to get a competitive model with no staircasing effect that generates the ROF model anymore. The model we study seems to be efficient, but generates a blurry effect. In order to deal with it, we introduce a mixed model that permits to get solutions with no staircasing and without blurry effect on details. In a second part, we take an interset to the texture extraction problem. A model known as one of the most efficient is the T V -L1 model. It just consits in replacing the L2 norm of the fitting data term with the L1 norm.We propose here an original way to solve this problem by the use of augmented Lagrangian methods. For the same reason than for the denoising case, we also take an interest to the T V 2-L1 model, replacing again the total variation of the function by the second order total variation. A mixed model for texture extraction is finally briefly introduced. This manuscript ends with a huge chapter of numerical tests.
-Space of functions of bounded variation BV
-Space of bounded hessian functions
-Variationnal model
-Second order total variation
-Anisotropy
Source: http://www.theses.fr/2010ORLE2053/document

Sujets

• Anisotropie

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 96
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

´ ´UNIVERSITE D’ORLEANS
´ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES
´LABORATOIRE DE MATHEMATIQUES ET APPLICATIONS,
´ ´PHYSIQUE MATHEMATIQUE D’ORLEANS
`THESE pr´esent´ee par :
Lo¨ıc PIFFET
Soutenue le : 23 novembre 2010
pour obtenir le grade deDocteur de l’universit´e d’Orl´eans
´Discipline : MATHEMATIQUES
D´ecomposition d’image par mod`eles
variationnels -
D´ebruitage et extraction de texture.
`THESE dirig´ee par :
Ma¨ıtine BERGOUNIOUX Professeur, Universit´e d’Orl´eans
RAPPORTEURS :
Jean-Franc¸ois AUJOL Charg´e de recherche CNRS, LATP Aix-Marseille
Pierre MARECHAL Professeur, Universit´e Paul Sabatier
JURY :
Romain ABRAHAM Professeur, Universit´e d’Orl´eans
Jean-Franc¸ois AUJOL Charg´e de recherche CNRS, LATP Aix-Marseille
Ma¨ıtine BERGOUNIOUX Professeur, Universit´e d’Orl´eans
Anne-Marie JOLLY Professeur, Universit´e d’Orl´eans
Pierre MARECHAL Professeur, Universit´e Paul Sabatier
Simon MASNOU Professeur, Universit´e Lyon 1
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011´ ´UNIVERSITE D’ORLEANS
´ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES
´LABORATOIRE DE MATHEMATIQUES ET APPLICATIONS,
´ ´PHYSIQUE MATHEMATIQUE D’ORLEANS
`THESE pr´esent´ee par :
Lo¨ıc PIFFET
Soutenue le : 23 novembre 2010
pour obtenir le grade deDocteur de l’universit´e d’Orl´eans
´Discipline : MATHEMATIQUES
D´ecomposition d’image par mod`eles
variationnels -
D´ebruitage et extraction de texture.
`THESE dirig´ee par :
Ma¨ıtine BERGOUNIOUX Professeur, Universit´e d’Orl´eans
RAPPORTEURS :
Jean-Franc¸ois AUJOL Charg´e de recherche CNRS, LATP Aix-Marseille
Pierre MARECHAL Professeur, Universit´e Paul Sabatier
JURY :
Romain ABRAHAM Professeur, Universit´e d’Orl´eans
Jean-Franc¸ois AUJOL Charg´e de recherche CNRS, LATP Aix-Marseille
Ma¨ıtine BERGOUNIOUX Professeur, Universit´e d’Orl´eans
Anne-Marie JOLLY Professeur, Universit´e d’Orl´eans
Pierre MARECHAL Professeur, Universit´e Paul Sabatier
Simon MASNOU Professeur, Universit´e Lyon 1
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011Remerciements
Mes premiers remerciements sont adress´es a` ma directrice Ma¨ıtine Bergounioux, pour
avoir accept´e d’encadrer cette th`ese. Elle m’a permis de travailler dans des conditions
optimales en ´etant d’une extrˆeme disponibilit´e tout en me laissant une grande autono-
mie. Toutes les discussions que nous avons pu avoir ont toujours ´et´e tr`es enrichissantes,
que ce soit `a propos des math´ematiques ou non. J’esp`ere, dans l’avenir, avoir `a nouveau
l’occasion de travailler et apprendre a` ses coˆt´es, et ainsi profiter de son exp´erience et de
son incroyable intuition math´ematique. Je souhaite de plus la remercier sinc`erement de
m’avoir accord´e sa confiance. J’esp`ere en avoir ´et´e digne.
Jean-Franc¸ois Aujol et Pierre Mar´echal m’ont fait le grand honneurd’acc´epter la tˆache de
rapporteur.Jelesremerciepourleurrelectureminutieuseainsiquepourtousleurpr´ecieux
commentaires. Je remercie ´egalement Anne-Marie Jolly, Simon Masnou et Romain Abra-
ham de l’int´erˆet qu’ils ont port´e a` mon travail en acceptant d’ˆetre membres de mon jury
de th`ese.
J’ai eu la grande chance de pouvoir effectuer ma th`ese au MAPMO. Il r`egne dans ce labo-
ratoire une ambiance extraordinaire rendant les conditions de travail id´eales. Les th´esards
sont ´ecout´es et enti`erement int´egr´es a` la vie du labo. Ce fut un v´eritable plaisir de venir
au bureau durant ces trois ann´ees.
Je tiens particuli`erement `a remercier Franc¸ois James qui fut mon tuteur p´edagogique
dans le cadre de mon monitorat. Il m’a laiss´e une grande libert´e dans mes enseignements,
tout en ´etant tr`es disponible. J’ai toujours pu compter sur son soutient ainsi que sur son
aide.
J’aimerais aussi remercier Mounir Haddou pour sa disponibilit´e de tous les instants pour
r´epondre `a mes innombrables questions, pour sa bonne humeur et sa gentillesse. Merci a`
Emmanuel Tr´elat, qui m’a permis de me d´efouler les mercredi soirs au self, mˆeme si nous
n’avons pas toujours ´et´e tr`es assidus. Je me r´ejouis de pouvoir enseigner `a ses coˆt´es cette
ann´ee. Merci ´egalement `a mon ami Pierre qui me fait cracher mes poumons toutes les
semaines sur les terrains de badminton.
Je n’oublie pas mes amis Nicolas et Romain, qui ont toujours fait preuve d’une extraordi-
nairepatienceface`ameslacuneseninformatique,ainsiqueChristelle,Anne,Marie-France
i
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011Remerciements ii
et Marie Laurence pour leur gentillesse et leur efficacit´e.
Comment ne pas remercier mes coll`egues et amis th´esards. Nous avons pass´e ensemble
durant ces trois ann´ees de tr`es bons moments. Je tiens particuli`erement `a remercier Cris-
tiana, Chi, Guillaume, Roland, Pierre, Jradeh, Radouen, Bassirou et Sebastien pour leur
amiti´e.
Je profite de l’occasion pour adresser mes plus sinc`eres remerciements a` Karim Zayana
ainsi qu’`a Alain Chabas, tous deux professeurs de math´ematiques en CPGE. Ils m’ont
donn´e la chance de pouvoir effectuer des colles durant ces trois ann´ees. Ce fut pour moi
une exp´erience tr`es enrichissante.
C’est `a ma famille que je dois la possibilit´e d’´ecrire aujourd’hui ces quelques lignes. Mes
parents ont toujours fait en sorte que mes ´etudes soient mon unique pr´eocupation. Je
n’aurais jamais pu arriver ou` j’en suis sans le soutient inconditionnel qu’ils m’ont apport´e.
Merci a` Claire de me supporter.
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011iii Remerciements
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011Remerciements iv
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011Table des mati`eres
Introduction 1
2I Les espaces BV et BV 7
1 Th´eorie de la mesure : d´efinitions et r´esultats utiles . . . . . . . . . . . . . . 7
1,p 2,p2 Les espaces de Sobolev W et W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 D´efinitions et propri´et´es ´el´ementaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Approximation par des fonctions r´eguli`eres . . . . . . . . . . . . . . 11
3 L’espace BV des fonctions a` variation born´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
24 L’espace BV des fonctions a` hessienne born´ee . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1 D´efinitions et propri´et´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
24.2 Fonctions convexes et BV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3 R´esultats d’approximation et d’injection . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.1 Th´eor`emes d’injections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.2 Th´eor`eme d’approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
II Restauration d’images 29
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Le mod`ele de Rudin, Osher et Fatemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Pr´esentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Discr´etisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Algorithme de projection de Chambolle . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Effet “staircaising” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Mod`ele d’ordre deux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Mod`ele variationnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Le probl`eme discr´etis´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
δ3.3.1 Discr´etisation du probl`eme (P ) . . . . . . . . . . . . . . . 37
δ3.3.2 Calcul explicite de la solution du probl‘eme (P ) . . . . . 38
3.3.3 Cas ou` δ =0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Un algorithme de point fixe pour impl´ementer ∂J . . . . . . . . . . 402
3.5 R´esultats num´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Mod`ele mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
v
tel-00598289, version 2 - 28 Jun 2011Remerciements vi
4.2 Existence et unicit´e de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Discr´etisation du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4 R´esolution num´erique et algorithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 tests num´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
IIIExtraction de texture 49
1 Etat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.1 Mod`ele de Meyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.1.1 L’espace G des fonctions oscillantes . . . . . . . . . . . . . 49
1.1.2 Es