通常，层析成像是一个不适合的反问题。通常，从断层扫描测量中获得了拟距对象的单个正则图像估计。但是，可能有多个与相同的测量数据一致的对象。生成此类替代解决方案的能力很重要，因为它可以实现成像系统的新评估。原则上，这可以通过后采样方法来实现。近年来，已经采用了深层神经网络进行后验采样，结果令人鼓舞。但是，此类方法尚未用于大规模断层成像应用。另一方面，经验抽样方法在大规模成像系统上可能是可行的，并且可以对实际应用实现不确定性量化。经验抽样涉及在随机优化框架内求解正规化的逆问题，以获得替代数据一致的解决方案。在这项工作中，提出了一种新的经验抽样方法，该方法计算了与同一获得的测量数据一致的层析成像逆问题的多个解决方案。该方法通过在基于样式的生成对抗网络（stylegan）的潜在空间中反复解决优化问题的运行，并受到通过潜在空间探索（PULSE）方法的照片启发，该方法是为超分辨率任务开发而成的。通过涉及两种程式化的层析成像模式的数值研究来证明和分析所提出的方法。这些研究确定了该方法执行有效的经验抽样和不确定性定量的能力。

近年来，深度学习在图像重建方面取得了显着的经验成功。这已经促进了对关键用例中数据驱动方法的正确性和可靠性的精确表征的持续追求，例如在医学成像中。尽管基于深度学习的方法具有出色的性能和功效，但对其稳定性或缺乏稳定性的关注以及严重的实际含义。近年来，已经取得了重大进展，以揭示数据驱动的图像恢复方法的内部运作，从而挑战了其广泛认为的黑盒本质。在本文中，我们将为数据驱动的图像重建指定相关的融合概念，该概念将构成具有数学上严格重建保证的学习方法调查的基础。强调的一个例子是ICNN的作用，提供了将深度学习的力量与经典凸正则化理论相结合的可能性，用于设计被证明是融合的方法。这篇调查文章旨在通过提供对数据驱动的图像重建方法以及从业人员的理解，旨在通过提供可访问的融合概念的描述，并通过将一些现有的经验实践放在可靠的数学上，来推进我们对数据驱动图像重建方法的理解以及从业人员的了解。基础。

逆问题本质上是普遍存在的，几乎在科学和工程的几乎所有领域都出现，从地球物理学和气候科学到天体物理学和生物力学。解决反问题的核心挑战之一是解决他们的不良天性。贝叶斯推论提供了一种原则性的方法来克服这一方法，通过将逆问题提出为统计框架。但是，当推断具有大幅度的离散表示的字段（所谓的“维度的诅咒”）和/或仅以先前获取的解决方案的形式可用时。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，可以使用深层生成模型进行有效，准确的贝叶斯反转。具体而言，我们证明了如何使用生成对抗网络（GAN）在贝叶斯更新中学到的近似分布，并在GAN的低维度潜在空间中重新解决所得的推断问题，从而有效地解决了大规模的解决方案。贝叶斯逆问题。我们的统计框架保留了潜在的物理学，并且被证明可以通过可靠的不确定性估计得出准确的结果，即使没有有关基础噪声模型的信息，这对于许多现有方法来说都是一个重大挑战。我们证明了提出方法对各种反问题的有效性，包括合成和实验观察到的数据。

The primary aim of single-image super-resolution is to construct a high-resolution (HR) image from a corresponding low-resolution (LR) input. In previous approaches, which have generally been supervised, the training objective typically measures a pixel-wise average distance between the super-resolved (SR) and HR images. Optimizing such metrics often leads to blurring, especially in high variance (detailed) regions. We propose an alternative formulation of the super-resolution problem based on creating realistic SR images that downscale correctly. We present a novel super-resolution algorithm addressing this problem, PULSE (Photo Upsampling via Latent Space Exploration), which generates high-resolution, realistic images at resolutions previously unseen in the literature. It accomplishes this in an entirely self-supervised fashion and is not confined to a specific degradation operator used during training, unlike previous methods (which require training on databases of LR-HR image pairs for supervised learning). Instead of starting with the LR image and slowly adding detail, PULSE traverses the high-resolution natural image manifold, searching for images that downscale to the original LR image. This is formalized through the "downscaling loss," which guides exploration through the latent space of a generative model. By leveraging properties of high-dimensional Gaussians, we restrict the search space to guarantee that our outputs are realistic. PULSE thereby generates super-resolved images that both are realistic and downscale correctly. We show extensive experimental results demonstrating the efficacy of our approach in the domain of face super-resolution (also known as face hallucination). We also present a discussion of the limitations and biases of the method as currently implemented with an accompanying model card with relevant metrics. Our method outperforms state-of-the-art methods in perceptual quality at higher resolutions and scale factors than previously pos-sible.

最近，由于高性能，深度学习方法已成为生物学图像重建和增强问题的主要研究前沿，以及其超快速推理时间。但是，由于获得监督学习的匹配参考数据的难度，对不需要配对的参考数据的无监督学习方法越来越兴趣。特别是，已成功用于各种生物成像应用的自我监督的学习和生成模型。在本文中，我们概述了在古典逆问题的背景下的连贯性观点，并讨论其对生物成像的应用，包括电子，荧光和去卷积显微镜，光学衍射断层扫描和功能性神经影像。

机器学习模型通常培训端到端和监督设置，使用配对（输入，输出）数据。示例包括最近的超分辨率方法，用于在（低分辨率，高分辨率）图像上培训。然而，这些端到端的方法每当输入中存在分布偏移时需要重新训练（例如，夜间图像VS日光）或相关的潜在变量（例如，相机模糊或手动运动）。在这项工作中，我们利用最先进的（SOTA）生成模型（这里是Stylegan2）来构建强大的图像前提，这使得贝叶斯定理应用于许多下游重建任务。我们的方法是通过生成模型（BRGM）的贝叶斯重建，使用单个预先训练的发生器模型来解决不同的图像恢复任务，即超级分辨率和绘画，通过与不同的前向腐败模型相结合。我们将发电机模型的重量保持固定，并通过估计产生重建图像的输入潜在的跳过载体来重建图像来估计图像。我们进一步使用变分推理来近似潜伏向量的后部分布，我们对多种解决方案进行采样。我们在三个大型和多样化的数据集中展示了BRGM：（i）来自Flick的60,000个图像面向高质量的数据集（II）来自MIMIC III的高质量数据集（II）240,000胸X射线，（III）的组合收集5脑MRI数据集，具有7,329个扫描。在所有三个数据集和没有任何DataSet特定的HyperParameter调整，我们的简单方法会在超级分辨率和绘画上对当前的特定任务最先进的方法产生性能竞争力，同时更加稳定，而不需要任何培训。我们的源代码和预先训练的型号可在线获取：https://razvanmarinescu.github.io/brgm/。

远期操作员的计算成本和选择适当的先前分布的计算成本挑战了贝叶斯对高维逆问题的推断。摊销的变异推理解决了这些挑战，在这些挑战中，训练神经网络以近似于现有模型和数据对的后验分布。如果以前看不见的数据和正态分布的潜在样品作为输入，则预处理的深神经网络（在我们的情况下是有条件的正常化流量）几乎没有成本的后验样品。然而，这种方法的准确性取决于高保真训练数据的可用性，由于地球的异质结构，由于地球物理逆问题很少存在。此外，准确的摊销变异推断需要从训练数据分布中汲取观察到的数据。因此，我们建议通过基于物理学的校正对有条件的归一化流量分布来提高摊销变异推断的弹性。为了实现这一目标，我们不是标准的高斯潜在分布，我们通过具有未知平均值和对角线协方差的高斯分布来对潜在分布进行参数化。然后，通过最小化校正后分布和真实后验分布之间的kullback-leibler差异来估算这些未知数量。尽管通用和适用于其他反问题，但通过地震成像示例，我们表明我们的校正步骤可提高摊销变异推理的鲁棒性，以相对于源实验数量的变化，噪声方差以及先前分布的变化。这种方法提供了伪像有限的地震图像，并评估其不确定性，其成本大致与五个反度迁移相同。

基于分数的扩散模型为使用数据分布的梯度建模图像提供了一种强大的方法。利用学到的分数函数为先验，在这里，我们引入了一种从条件分布中进行测量的方法，以便可以轻松地用于求解成像中的反问题，尤其是用于加速MRI。简而言之，我们通过denoising得分匹配来训练连续的时间依赖分数函数。然后，在推论阶段，我们在数值SDE求解器和数据一致性投影步骤之间进行迭代以实现重建。我们的模型仅需要用于训练的幅度图像，但能够重建复杂值数据，甚至扩展到并行成像。所提出的方法是不可知论到子采样模式，可以与任何采样方案一起使用。同样，由于其生成性质，我们的方法可以量化不确定性，这是标准回归设置不可能的。最重要的是，我们的方法还具有非常强大的性能，甚至击败了经过全面监督训练的模型。通过广泛的实验，我们在质量和实用性方面验证了我们方法的优势。

物理驱动的深度学习方法已成为计算磁共振成像（MRI）问题的强大工具，将重建性能推向新限制。本文概述了将物理信息纳入基于学习的MRI重建中的最新发展。我们考虑了用于计算MRI的线性和非线性正向模型的逆问题，并回顾了解决这些方法的经典方法。然后，我们专注于物理驱动的深度学习方法，涵盖了物理驱动的损失功能，插件方法，生成模型和展开的网络。我们重点介绍了特定于领域的挑战，例如神经网络的实现和复杂值的构建基块，以及具有线性和非线性正向模型的MRI转换应用。最后，我们讨论常见问题和开放挑战，并与物理驱动的学习与医学成像管道中的其他下游任务相结合时，与物理驱动的学习的重要性联系在一起。

深度展开是一种基于深度学习的图像重建方法，它弥合了基于模型和纯粹的基于深度学习的图像重建方法之间的差距。尽管深层展开的方法实现了成像问题的最新性能，并允许将观察模型纳入重建过程，但它们没有提供有关重建图像的任何不确定性信息，这严重限制了他们在实践中的使用，尤其是用于安全 - 关键成像应用。在本文中，我们提出了一个基于学习的图像重建框架，该框架将观察模型纳入重建任务中，并能够基于深层展开和贝叶斯神经网络来量化认知和核心不确定性。我们证明了所提出的框架在磁共振成像和计算机断层扫描重建问题上的不确定性表征能力。我们研究了拟议框架提供的认知和态度不确定性信息的特征，以激发未来的研究利用不确定性信息来开发更准确，健壮，可信赖，不确定性，基于学习的图像重建和成像问题的分析方法。我们表明，所提出的框架可以提供不确定性信息，同时与最新的深层展开方法实现可比的重建性能。

我们建议使用贝叶斯推理和深度神经网络的技术，将地震成像中的不确定性转化为图像上执行的任务的不确定性，例如地平线跟踪。地震成像是由于带宽和孔径限制，这是一个不良的逆问题，由于噪声和线性化误差的存在而受到阻碍。但是，许多正规化方法，例如变形域的稀疏性促进，已设计为处理这些错误的不利影响，但是，这些方法具有偏向解决方案的风险，并且不提供有关图像空间中不确定性的信息以及如何提供信息。不确定性会影响图像上的某些任务。提出了一种系统的方法，以将由于数据中的噪声引起的不确定性转化为图像中自动跟踪视野的置信区间。不确定性的特征是卷积神经网络（CNN）并评估这些不确定性，样品是从CNN权重的后验分布中得出的，用于参数化图像。与传统先验相比，文献中认为，这些CNN引入了灵活的感应偏见，这非常适合各种问题。随机梯度Langevin动力学的方法用于从后验分布中采样。该方法旨在处理大规模的贝叶斯推理问题，即具有地震成像中的计算昂贵的远期操作员。除了提供强大的替代方案外，最大的后验估计值容易过度拟合外，访问这些样品还可以使我们能够在数据中的噪声中转换图像中的不确定性，以便在跟踪的视野上不确定性。例如，它承认图像上的重点标准偏差和自动跟踪视野的置信区间的估计值。

与CNN的分类，分割或对象检测相比，生成网络的目标和方法根本不同。最初，它们不是作为图像分析工具，而是生成自然看起来的图像。已经提出了对抗性训练范式来稳定生成方法，并已被证明是非常成功的 - 尽管绝不是第一次尝试。本章对生成对抗网络（GAN）的动机进行了基本介绍，并通​​过抽象基本任务和工作机制并得出了早期实用方法的困难来追溯其成功的道路。将显示进行更稳定的训练方法，也将显示出不良收敛及其原因的典型迹象。尽管本章侧重于用于图像生成和图像分析的gan，但对抗性训练范式本身并非特定于图像，并且在图像分析中也概括了任务。在将GAN与最近进入场景的进一步生成建模方法进行对比之前，将闻名图像语义分割和异常检测的架构示例。这将允许对限制的上下文化观点，但也可以对gans有好处。

生成对抗网络（GAN）具有许多潜在的医学成像应用，包括数据扩展，域适应和模型解释。由于图形处理单元（GPU）的记忆力有限，因此在低分辨率的医学图像上对当前的3D GAN模型进行了训练，因此这些模型要么无法扩展到高分辨率，要么容易出现斑驳的人工制品。在这项工作中，我们提出了一种新颖的端到端GAN体系结构，可以生成高分辨率3D图像。我们通过使用训练和推理之间的不同配置来实现这一目标。在训练过程中，我们采用了层次结构，该结构同时生成图像的低分辨率版本和高分辨率图像的随机选择子量。层次设计具有两个优点：首先，对高分辨率图像训练的记忆需求在子量之间摊销。此外，将高分辨率子体积固定在单个低分辨率图像上可确保子量化之间的解剖一致性。在推断期间，我们的模型可以直接生成完整的高分辨率图像。我们还将具有类似层次结构的编码器纳入模型中，以从图像中提取特征。 3D胸CT和脑MRI的实验表明，我们的方法在图像生成中的表现优于最新技术。我们还证明了所提出的模型在数据增强和临床相关特征提取中的临床应用。

基于深度学习的图像重建方法在许多成像方式中表现出令人印象深刻的经验表现。这些方法通常需要大量的高质量配对训练数据，这在医学成像中通常不可用。为了解决这个问题，我们为贝叶斯框架内的学习重建提供了一种新颖的无监督知识转移范式。提出的方法分为两个阶段学习重建网络。第一阶段训练一个重建网络，其中包括一组有序对，包括椭圆的地面真相图像和相应的模拟测量数据。第二阶段微调在没有监督的情况下将经过验证的网络用于更现实的测量数据。通过构造，该框架能够通过重建图像传递预测性不确定性信息。我们在低剂量和稀疏视图计算机断层扫描上提出了广泛的实验结果，表明该方法与几种最先进的监督和无监督的重建技术具有竞争力。此外，对于与培训数据不同的测试数据，与仅在合成数据集中训练的学习方法相比，所提出的框架不仅在视觉上可以显着提高重建质量，而且在PSNR和SSIM方面也可以显着提高重建质量。

我们考虑了使用显微镜或X射线散射技术产生的图像数据自组装的模型的贝叶斯校准。为了说明BCP平衡结构中的随机远程疾病，我们引入了辅助变量以表示这种不确定性。然而，这些变量导致了高维图像数据的综合可能性，通常可以评估。我们使用基于测量运输的可能性方法以及图像数据的摘要统计数据来解决这一具有挑战性的贝叶斯推理问题。我们还表明，可以计算出有关模型参数的数据中的预期信息收益（EIG），而无需额外的成本。最后，我们介绍了基于二嵌段共聚物薄膜自组装和自上而下显微镜表征的ohta-kawasaki模型的数值案例研究。为了进行校准，我们介绍了一些基于域的能量和傅立叶的摘要统计数据，并使用EIG量化了它们的信息性。我们证明了拟议方法研究数据损坏和实验设计对校准结果的影响的力量。

我们在凸优化和深度学习的界面上引入了一类新的迭代图像重建算法，以启发凸出和深度学习。该方法包括通过训练深神网络（DNN）作为Denoiser学习先前的图像模型，并将其替换为优化算法的手工近端正则操作员。拟议的airi（``````````````'''''）框架，用于成像复杂的强度结构，并从可见性数据中扩散和微弱的发射，继承了优化的鲁棒性和解释性，以及网络的学习能力和速度。我们的方法取决于三个步骤。首先，我们从光强度图像设计了一个低动态范围训练数据库。其次，我们以从数据的信噪比推断出的噪声水平来训练DNN Denoiser。我们使用训练损失提高了术语，可确保算法收敛，并通过指示进行即时数据库动态范围增强。第三，我们将学习的DeNoiser插入前向后的优化算法中，从而产生了一个简单的迭代结构，该结构与梯度下降的数据输入步骤交替出现Denoising步骤。我们已经验证了SARA家族的清洁，优化算法的AIRI，并经过DNN训练，可以直接从可见性数据中重建图像。仿真结果表明，AIRI与SARA及其基于前卫的版本USARA具有竞争力，同时提供了显着的加速。干净保持更快，但质量较低。端到端DNN提供了进一步的加速，但质量远低于AIRI。

许多工程问题需要预测实现实现变异性或建模量的精致描述。在这种情况下，有必要采用未知高维空间的元素，其中可能具有数百万自由度。虽然存在能够具有具有已知形状的概率密度函数（PDF）的方法的方法，但是当分布未知时需要进行若干近似。在本文中，基础分布的采样方法以及底层分布的推动都是用一种称为生成对抗网络（GaN）的数据驱动方法，该方法列举了两个竞争的神经网络来生产可以有效地产生样本的网络从训练集分发。在实践中，通常需要从条件分布中绘制样品。当条件变量是连续的时，可以仅可用对应于调节变量的特定值的一个（如果有）数据点，这不足以估计条件分布。使用PDF的条件时刻的先验估计，处理此问题。这里比较两种方法，随机估计和外部神经网络，用于计算这些时刻;但是，可以使用任何优选的方法。在过滤的湍流流场的解构的情况下，证明了算法。结果表明，与最先进的方法相比，所提出的算法的所有版本有效地对目标条件分布进行了最小的影响，对样品的质量的影响最小。另外，该过程可以用作由连续变量的条件GaN（CGAN）产生的样本的分集的度量。

近年来，基于深度学习的平行成像（PI）取得了巨大进展，以加速磁共振成像（MRI）。然而，现有方法的性能和鲁棒性仍然可以是不受欢迎的。在这项工作中，我们建议通过柔性PI重建，创建的重量K-Space Genera-Tive模型（WKGM）来探索K空间域学习。具体而言，WKGM是一种通用的K空间域模型，在其中有效地纳入了K空间加权技术和高维空间增强设计，用于基于得分的Genererative模型训练，从而实现良好和强大的重建。此外，WKGM具有灵活性，因此可以与各种传统的K空间PI模型协同结合，从而产生基于学习的先验以产生高保真重建。在具有不同采样模式和交流电因子的数据集上进行实验性重新构建表明，WKGM可以通过先验良好的K-Space生成剂获得最新的重建结果。

Neural networks have recently allowed solving many ill-posed inverse problems with unprecedented performance. Physics informed approaches already progressively replace carefully hand-crafted reconstruction algorithms in real applications. However, these networks suffer from a major defect: when trained on a given forward operator, they do not generalize well to a different one. The aim of this paper is twofold. First, we show through various applications that training the network with a family of forward operators allows solving the adaptivity problem without compromising the reconstruction quality significantly. Second, we illustrate that this training procedure allows tackling challenging blind inverse problems. Our experiments include partial Fourier sampling problems arising in magnetic resonance imaging (MRI), computerized tomography (CT) and image deblurring.

光子计数CT（PCCT）通过更好的空间和能量分辨率提供了改进的诊断性能，但是开发可以处理这些大数据集的高质量图像重建方法是具有挑战性的。基于模型的解决方案结合了物理采集的模型，以重建更准确的图像，但取决于准确的前向操作员，并在寻找良好的正则化方面遇到困难。另一种方法是深度学习的重建，这在CT中表现出了巨大的希望。但是，完全数据驱动的解决方案通常需要大量的培训数据，并且缺乏解释性。为了结合两种方法的好处，同时最大程度地降低了各自的缺点，希望开发重建算法，以结合基于模型和数据驱动的方法。在这项工作中，我们基于展开/展开的迭代网络提出了一种新颖的深度学习解决方案，用于PCCT中的材料分解。我们评估了两种情况：一种学识渊博的后处理，隐含地利用了模型知识，以及一种学到的梯度，该梯度在体系结构中具有明确的基于模型的组件。借助我们提出的技术，我们解决了一个具有挑战性的PCCT模拟情况：低剂量，碘对比度和很小的训练样品支持的腹部成像中的三材料分解。在这种情况下，我们的方法的表现优于最大似然估计，一种变异方法以及一个完整的网络。