本文首先提出了一种凸双翼优化范例，可以在现实世界场景中制定和优化流行的学习和视觉问题。与传统方法不同，直接基于给定的问题制定设计其迭代方案，我们将任务导向的能量引入我们的潜在约束，这集成了更丰富的任务信息。通过明确地重新表征可行性，我们建立了一种高效且灵活的算法框架，可以使用缩小解决方案空间和强大的辅助（基于任务的域知识和数据分布）来解决凸模型。理论上，我们提出了基于潜在可行性重新表征的数值策略的收敛分析。我们还在计算误差扰动下分析了理论会聚的稳定性。进行了广泛的数值实验，以验证我们的理论调查结果，并评估我们对不同应用方法的实际表现。

近年来，已经开发出各种基于梯度的方法来解决机器学习和计算机视觉地区的双层优化（BLO）问题。然而，这些现有方法的理论正确性和实际有效性总是依赖于某些限制性条件（例如，下层单身，LLS），这在现实世界中可能很难满足。此外，以前的文献仅证明了基于其特定的迭代策略的理论结果，因此缺乏一般的配方，以统一分析不同梯度的BLO的收敛行为。在这项工作中，我们从乐观的双级视点制定BLOS，并建立一个名为Bi-Level血液血统聚合（BDA）的新梯度的算法框架，以部分地解决上述问题。具体而言，BDA提供模块化结构，以分级地聚合上层和下层子问题以生成我们的双级迭代动态。从理论上讲，我们建立了一般会聚分析模板，并导出了一种新的证据方法，以研究基于梯度的BLO方法的基本理论特性。此外，这项工作系统地探讨了BDA在不同优化场景中的收敛行为，即，考虑从解决近似子问题返回的各种解决方案质量（即，全局/本地/静止解决方案）。广泛的实验证明了我们的理论结果，并展示了所提出的超参数优化和元学习任务算法的优越性。源代码可在https://github.com/vis-opt-group/bda中获得。

最近，优化衍生的学习（ODL）吸引了学习和视觉领域的关注，该学习和视觉领域从优化的角度设计了学习模型。但是，以前的ODL方法将训练和超训练程序视为两个分离的阶段，这意味着在训练过程中必须固定超训练变量，因此也不可能同时获得训练和超级培训的收敛性训练变量。在这项工作中，我们将基于定点迭代的广义Krasnoselkii-Mann（GKM）计划设计为我们的基本ODL模块，该模块将现有的ODL方法统一为特殊情况。在GKM方案下，构建了双级元优化（BMO）算法框架，以共同解决最佳训练和超训练变量。我们严格地证明了训练定点迭代的基本关节融合以及优化超训练的超训练的过程，无论是在近似质量方面还是在固定分析上。实验证明了BMO在稀疏编码和现实世界中的竞争性能的效率，例如图像反卷积和降雨的删除。

我们提出了一个基于一般学习的框架，用于解决非平滑和非凸图像重建问题。我们将正则函数建模为$ l_ {2,1} $ norm的组成，并将平滑但非convex功能映射参数化为深卷积神经网络。我们通过利用Nesterov的平滑技术和残留学习的概念来开发一种可证明的趋同的下降型算法来解决非平滑非概念最小化问题，并学习网络参数，以使算法的输出与培训数据中的参考匹配。我们的方法用途广泛，因为人们可以将各种现代网络结构用于正规化，而所得网络继承了算法的保证收敛性。我们还表明，所提出的网络是参数有效的，其性能与实践中各种图像重建问题中的最新方法相比有利。

基于梯度的高参数调整的优化方法可确保理论收敛到固定解决方案时，对于固定的上层变量值，双光线程序的下层级别强烈凸（LLSC）和平滑（LLS）。对于在许多机器学习算法中调整超参数引起的双重程序，不满足这种情况。在这项工作中，我们开发了一种基于不精确度（VF-IDCA）的基于依次收敛函数函数算法。我们表明，该算法从一系列的超级参数调整应用程序中实现了无LLSC和LLS假设的固定解决方案。我们的广泛实验证实了我们的理论发现，并表明，当应用于调子超参数时，提出的VF-IDCA会产生较高的性能。

插件播放（PNP）方法通过迭代近端算法解决了不良的逆问题，通过替换近端操作员通过denoisising操作来解决。当使用深层神经网络Denoisers应用时，这些方法显示出用于图像恢复问题的最先进的视觉性能。但是，他们的理论收敛分析仍然不完整。大多数现有的融合结果都考虑非现实的非专业转换器，或者将其分析限制为在逆问题中强烈凸出数据验证项。最近，提议将DeNoiser作为梯度下降步骤训练，以通过深神经网络参数为参数。使用这样的DeNoiser保证PNP版本的半季度分解（PNP-HQS）迭代算法的收敛性。在本文中，我们表明该梯度Denoiser实际上可以对应于另一个标量函数的近端操作员。鉴于这一新结果，我们利用了非convex设置中近端算法的收敛理论，以获得PNP-PGD（近端梯度下降）和PNP-ADMM（乘数的交替方向方法）的收敛结果。当建立在光滑的梯度Denoiser之上时，我们表明PNP-PGD和PNP-ADMM是显式功能的收敛性和目标固定点。这些收敛结果通过数值实验进行了脱毛，超分辨率和内化。

本文提出了一种针对分布式凸复合优化问题的新型双重不精确拆分算法（DISA），其中本地损耗函数由$ L $ -SMOOTH的项组成，可能是由线性操作员组成的非平滑项。我们证明，当原始和双重尺寸$ \ tau $，$ \ beta $满足$ 0 <\ tau <{2}/{l} $和$ 0 <\ tau \ beta <1 $时，我们证明了DISA是收敛的。与现有的原始双侧近端分裂算法（PD-PSA）相比，DISA克服了收敛步骤范围对线性操作员欧几里得范围的依赖性。这意味着当欧几里得规范大时，DISA允许更大的步骤尺寸，从而确保其快速收敛。此外，我们分别在一般凸度和度量次级性下分别建立了disa的均值和线性收敛速率。此外，还提供了DISA的近似迭代版本，并证明了该近似版本的全局收敛性和sublinear收敛速率。最后，数值实验不仅证实了理论分析，而且还表明，与现有的PD-PSA相比，DISA达到了显着的加速度。

现代统计应用常常涉及最小化可能是非流动和/或非凸起的目标函数。本文侧重于广泛的Bregman-替代算法框架，包括本地线性近似，镜像下降，迭代阈值，DC编程以及许多其他实例。通过广义BREGMAN功能的重新发出使我们能够构建合适的误差测量并在可能高维度下建立非凸起和非凸起和非球形目标的全球收敛速率。对于稀疏的学习问题，在一些规律性条件下，所获得的估算器作为代理人的固定点，尽管不一定是局部最小化者，但享受可明确的统计保障，并且可以证明迭代顺序在所需的情况下接近统计事实准确地快速。本文还研究了如何通过仔细控制步骤和放松参数来设计基于适应性的动力的加速度而不假设凸性或平滑度。

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。

Theoretical properties of bilevel problems are well studied when the lower-level problem is strongly convex. In this work, we focus on bilevel optimization problems without the strong-convexity assumption. In these cases, we first show that the common local optimality measures such as KKT condition or regularization can lead to undesired consequences. Then, we aim to identify the mildest conditions that make bilevel problems tractable. We identify two classes of growth conditions on the lower-level objective that leads to continuity. Under these assumptions, we show that the local optimality of the bilevel problem can be defined via the Goldstein stationarity condition of the hyper-objective. We then propose the Inexact Gradient-Free Method (IGFM) to solve the bilevel problem, using an approximate zeroth order oracle that is of independent interest. Our non-asymptotic analysis demonstrates that the proposed method can find a $(\delta, \varepsilon)$ Goldstein stationary point for bilevel problems with a zeroth order oracle complexity that is polynomial in $d, 1/\delta$ and $1/\varepsilon$.

二重优化发现在现代机器学习问题中发现了广泛的应用，例如超参数优化，神经体系结构搜索，元学习等。而具有独特的内部最小点（例如，内部功能是强烈凸的，都具有唯一的内在最小点）的理解，这是充分理解的，多个内部最小点的问题仍然是具有挑战性和开放的。为此问题设计的现有算法适用于限制情况，并且不能完全保证融合。在本文中，我们采用了双重优化的重新制定来限制优化，并通过原始的双二线优化（PDBO）算法解决了问题。 PDBO不仅解决了多个内部最小挑战，而且还具有完全一阶效率的情况，而无需涉及二阶Hessian和Jacobian计算，而不是大多数现有的基于梯度的二杆算法。我们进一步表征了PDBO的收敛速率，它是与多个内部最小值的双光线优化的第一个已知的非质合收敛保证。我们的实验证明了所提出的方法的预期性能。

我们提出了一个基于预测校正范式的统一框架，用于在原始和双空间中的预测校正范式。在此框架中，以固定的间隔进行了连续变化的优化问题，并且每个问题都通过原始或双重校正步骤近似解决。通过预测步骤的输出，该解决方案方法是温暖启动的，该步骤的输出可以使用过去的信息解决未来问题的近似。在不同的假设集中研究并比较了预测方法。该框架涵盖的算法的示例是梯度方法的时变版本，分裂方法和著名的乘数交替方向方法（ADMM）。

总变化（TV）正则化已经提高了用于图像处理任务的各种变分模型。我们提出了与电视正则化的早期文献中的倒扩散过程与电视正常化相结合，并表明所得到的增强电视最小化模型对于降低对比度的损失特别有效，这通常由使用电视正常化的模型遇到。我们从嘈杂的额相测量中建立了增强电视模型的稳定重建保证;考虑非自适应线性测量和可变密度采样的傅里叶测量。特别地，在一些较弱的受限制的等距特性条件下，增强的电视最小化模型被示出为比各种基于电视的模型具有更严格的重建误差界限，用于噪声水平很大并且测量量有限。增强电视模型的优点也通过初步实验进行了数值验证，通过一些合成，自然和医学图像的重建。

Convex function constrained optimization has received growing research interests lately. For a special convex problem which has strongly convex function constraints, we develop a new accelerated primal-dual first-order method that obtains an $\Ocal(1/\sqrt{\vep})$ complexity bound, improving the $\Ocal(1/{\vep})$ result for the state-of-the-art first-order methods. The key ingredient to our development is some novel techniques to progressively estimate the strong convexity of the Lagrangian function, which enables adaptive step-size selection and faster convergence performance. In addition, we show that the complexity is further improvable in terms of the dependence on some problem parameter, via a restart scheme that calls the accelerated method repeatedly. As an application, we consider sparsity-inducing constrained optimization which has a separable convex objective and a strongly convex loss constraint. In addition to achieving fast convergence, we show that the restarted method can effectively identify the sparsity pattern (active-set) of the optimal solution in finite steps. To the best of our knowledge, this is the first active-set identification result for sparsity-inducing constrained optimization.

Difference-of-Convex (DC) minimization, referring to the problem of minimizing the difference of two convex functions, has been found rich applications in statistical learning and studied extensively for decades. However, existing methods are primarily based on multi-stage convex relaxation, only leading to weak optimality of critical points. This paper proposes a coordinate descent method for minimizing a class of DC functions based on sequential nonconvex approximation. Our approach iteratively solves a nonconvex one-dimensional subproblem globally, and it is guaranteed to converge to a coordinate-wise stationary point. We prove that this new optimality condition is always stronger than the standard critical point condition and directional point condition under a mild \textit{locally bounded nonconvexity assumption}. For comparisons, we also include a naive variant of coordinate descent methods based on sequential convex approximation in our study. When the objective function satisfies a \textit{globally bounded nonconvexity assumption} and \textit{Luo-Tseng error bound assumption}, coordinate descent methods achieve \textit{Q-linear} convergence rate. Also, for many applications of interest, we show that the nonconvex one-dimensional subproblem can be computed exactly and efficiently using a breakpoint searching method. Finally, we have conducted extensive experiments on several statistical learning tasks to show the superiority of our approach. Keywords: Coordinate Descent, DC Minimization, DC Programming, Difference-of-Convex Programs, Nonconvex Optimization, Sparse Optimization, Binary Optimization.

在本文中，我们研究了一类二聚体优化问题，也称为简单的双重优化，在其中，我们将光滑的目标函数最小化，而不是另一个凸的约束优化问题的最佳解决方案集。已经开发了几种解决此类问题的迭代方法。 las，它们的收敛保证并不令人满意，因为它们要么渐近，要么渐近，要么是收敛速度缓慢且最佳的。为了解决这个问题，在本文中，我们介绍了Frank-Wolfe（FW）方法的概括，以解决考虑的问题。我们方法的主要思想是通过切割平面在局部近似低级问题的解决方案集，然后运行FW型更新以减少上层目标。当上层目标是凸面时，我们表明我们的方法需要$ {\ mathcal {o}}（\ max \ {1/\ epsilon_f，1/\ epsilon_g \}）$迭代才能找到$ \ \ \ \ \ \ epsilon_f $ - 最佳目标目标和$ \ epsilon_g $ - 最佳目标目标。此外，当高级目标是非convex时，我们的方法需要$ {\ MATHCAL {o}}（\ max \ {1/\ epsilon_f^2,1/（\ epsilon_f \ epsilon_g}）查找$（\ epsilon_f，\ epsilon_g）$ - 最佳解决方案。我们进一步证明了在“较低级别问题的老年人错误约束假设”下的更强的融合保证。据我们所知，我们的方法实现了所考虑的二聚体问题的最著名的迭代复杂性。我们还向数值实验提出了数值实验。与最先进的方法相比，展示了我们方法的出色性能。

从低光场景捕获的图像经常遭受严重的降级，包括低可视性，颜色铸造和密集的声音等。这些因素不仅影响图像质量，还会降低下游低光视图（LLV）应用的性能。已经提出了各种深度学习方法来提高低光图像的视觉质量。然而，这些方法主要依赖于重要的建筑工程来获得适当的低光模型，并且经常遭受高计算负担。此外，扩展这些增强技术以处理其他LLV仍然具有挑战性。为了部分地解决上述问题，我们建立了与架构搜索（Ruas）的RetineX-Inspired展开，一般学习框架，这不仅可以解决低光增强任务，而且还具有处理其他更具挑战性下游视觉应用的灵活性。具体而言，我们首先与展开策略建立嵌套优化制定，探索一系列LLV任务的基础原则。此外，我们构建一个可差的策略，以协同搜索RuAs的特定场景和任务架构。最后但并非最不重要的是，我们展示了如何为低级和高级LLV应用程序应用RuAs（例如，增强，检测和分割）。广泛的实验验证了Ruas的灵活性，有效性和效率。

重建 /特征提取的联合问题是图像处理中的一项具有挑战性的任务。它包括以联合方式执行图像的恢复及其特征的提取。在这项工作中，我们首先提出了一个新颖的非平滑和非凸变性表述。为此，我们介绍了一种通用的高斯先验，其参数（包括其指数）是空间变化的。其次，我们设计了一种基于近端的交替优化算法，该算法有效利用了所提出的非convex目标函数的结构。我们还分析了该算法的收敛性。如在关节分割/脱张任务进行的数值实验中所示，该方法提供了高质量的结果。

通过结合使用卷积神经网（CNN）指定的物理测量模型和学习的图像验证者，对基于模型的架构（DMBA）的兴趣越来越大。例如，用于系统设计DMBA的著名框架包括插件培训（PNP），深度展开（DU）和深度平衡模型（DEQ）。尽管已广泛研究了DMBA的经验性能和理论特性，但当确切地知道所需的图像之前，该地区的现有工作主要集中在其性能上。这项工作通过在不匹配的CNN先验下向DMBA提供新的理论和数值见解来解决先前工作的差距。当训练和测试数据之间存在分布变化时，自然会出现不匹配的先验，例如，由于测试图像来自与用于训练CNN先验的图像不同的分布。当CNN事先用于推理是一些所需的统计估计器（MAP或MMSE）的近似值时，它们也会出现。我们的理论分析在一组明确指定的假设下，由于不匹配的CNN先验，在解决方案上提供了明显的误差界限。我们的数值结果比较了在现实分布变化和近似统计估计器下DMBA的经验性能。

Computational imaging has been revolutionized by compressed sensing algorithms, which offer guaranteed uniqueness, convergence, and stability properties. In recent years, model-based deep learning methods that combine imaging physics with learned regularization priors have been emerging as more powerful alternatives for image recovery. The main focus of this paper is to introduce a memory efficient model-based algorithm with similar theoretical guarantees as CS methods. The proposed iterative algorithm alternates between a gradient descent involving the score function and a conjugate gradient algorithm to encourage data consistency. The score function is modeled as a monotone convolutional neural network. Our analysis shows that the monotone constraint is necessary and sufficient to enforce the uniqueness of the fixed point in arbitrary inverse problems. In addition, it also guarantees the convergence to a fixed point, which is robust to input perturbations. Current algorithms including RED and MoDL are special cases of the proposed algorithm; the proposed theoretical tools enable the optimization of the framework for the deep equilibrium setting. The proposed deep equilibrium formulation is significantly more memory efficient than unrolled methods, which allows us to apply it to 3D or 2D+time problems that current unrolled algorithms cannot handle.