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改进全变分的图像去噪

何坤 郑秀清 琚生根 张永来

何坤, 郑秀清, 琚生根, 张永来. 改进全变分的图像去噪[J]. 电子科技大学学报, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
引用本文: 何坤, 郑秀清, 琚生根, 张永来. 改进全变分的图像去噪[J]. 电子科技大学学报, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
HE Kun, ZHENG Xiu-qing, JU Sheng-gen, ZHANG Yong-lai. Image Denoising on Improved Total Variation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
Citation: HE Kun, ZHENG Xiu-qing, JU Sheng-gen, ZHANG Yong-lai. Image Denoising on Improved Total Variation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026

改进全变分的图像去噪

doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
基金项目: 

四川省科技支撑计划 2013SZ0157

详细信息
    作者简介:

    何坤(1972-),男,博士,副教授,主要从事图像处理、模式识别等方面的研究

  • 中图分类号: TP394.1

Image Denoising on Improved Total Variation

  • 摘要: 为了弥补各向同性扩散去噪的非保边性、异性扩散的耗时性,分析了各向同性和异性扩散的机理,根据噪声对像素变化的影响,设计了新的扩散函数,理论上分析了该函数的扩散性能:对平滑区各向同性扩散,边缘区实现各向异性扩散。在传统全变分去噪的基础上,提出了改进全变分的图像去噪模型,运用固定点代算法设计了相应的离散迭代函数。实验结果表明,该算法在图像平滑区进行各向同性扩散,继承了各向同性的优点,降低了传统全变分的运行时间;在边缘区实现了各向异性扩散保护了图像边缘,提高了图像的峰值信噪比和视觉效果。
  • 图  1  不同扩散函数

    图  2  不同区域的扩散系数

    图  3  不同阈值T的去噪结果

    图  4  不同λ的去噪结果

    图  5  迭代次数与PSNR之间的关系

    图  6  不同算法比较

    表  1  不同去噪算法的质量评价

    原始图像含噪图像 PSNR SSIM本文算法 PSNR SSIM传统TV PSNR SSIM高斯平滑 PSNR SSIM
    Lena17.20.8127.90.9227.10.9119.70.83
    15.10.7426.40.8325.60.8417.20.79
    13.30.6225.30.7424.40.7214.50.70
    11.90.7621.10.8720.80.8413.30.78
    peppers10.40.6219.90.8019.50.7812.20.69
    9.10.5818.70.7818.10.7211.20.63
    11.40.5520.10.7319.70.6914. 30.58
    baboon10.50.4918.40.6218. 10.5711.40.51
    8.20.4215.10.5614.80.5110.30.45
    下载: 导出CSV

    表  2  不同去噪算法的CPU时间 单位:s

    原始图像含噪图像PSNR本文算法传统TV高斯平滑
    Lena17.21.5312.80.025
    15.11.6513.40.025
    13.31.7314.60.025
    11.92.0515.20.042
    peppers10.42.2115.70.042
    9.12.4716.80.042
    11.42.8119.20.051
    10.53.0619.90.051
    8.24.4821.30.051
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-07-16
  • 修回日期:  2016-01-19
  • 刊出日期:  2016-05-01

改进全变分的图像去噪

doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
    基金项目:

    四川省科技支撑计划 2013SZ0157

    作者简介:

    何坤(1972-),男,博士,副教授,主要从事图像处理、模式识别等方面的研究

  • 中图分类号: TP394.1

摘要: 为了弥补各向同性扩散去噪的非保边性、异性扩散的耗时性,分析了各向同性和异性扩散的机理,根据噪声对像素变化的影响,设计了新的扩散函数,理论上分析了该函数的扩散性能:对平滑区各向同性扩散,边缘区实现各向异性扩散。在传统全变分去噪的基础上,提出了改进全变分的图像去噪模型,运用固定点代算法设计了相应的离散迭代函数。实验结果表明,该算法在图像平滑区进行各向同性扩散,继承了各向同性的优点,降低了传统全变分的运行时间;在边缘区实现了各向异性扩散保护了图像边缘,提高了图像的峰值信噪比和视觉效果。

English Abstract

何坤, 郑秀清, 琚生根, 张永来. 改进全变分的图像去噪[J]. 电子科技大学学报, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
引用本文: 何坤, 郑秀清, 琚生根, 张永来. 改进全变分的图像去噪[J]. 电子科技大学学报, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
HE Kun, ZHENG Xiu-qing, JU Sheng-gen, ZHANG Yong-lai. Image Denoising on Improved Total Variation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
Citation: HE Kun, ZHENG Xiu-qing, JU Sheng-gen, ZHANG Yong-lai. Image Denoising on Improved Total Variation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2016, 45(3): 463-468. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.026
  • 人眼对图像简化、提取其结构信息,实现对图像的认知和理解。但图像在获取、保存及传输过程中不可避免地受到噪声污染。噪声和结构信息均属于高频信息[1],降低了视觉对图像简化的质量,影响了其分析理解[2]。为了提高机器视觉对图像分析理解的准确性,需对图像进行保结构信息的去噪预处理[3]

    最简单的图像去噪处理是根据噪声和图像的主要内容属于不同频段,对图像进行滤波(如高斯平滑)处理。该类算法实质上是对图像中任意像素进行各向(切向和法向)同性扩散[4],切、法向等速扩散使得系统运行速度较快,对图像平滑区去噪效果较好[5],但法向扩散导致图像结构信息模糊[6]

    为了保护结构信息,传统全变分(TV)算法[7]从像素角度出发,分析了噪声对像素的影响——加速像素变化。根据此性质以像素变化的 align="rightl1-范数建立了图像去噪模型[8]。该算法是对任意像素仅沿切线方向扩散[9],保护了边缘信息,但平滑区的单向扩散使得系统运行效率较低[10]

    为了实现快速地图像保边去噪,本文分析了各向同性和异性扩散[11]的机理,将两种扩散方式有机结合,继承各自优点弥补其不足,从像素变化角度出发,以梯度为变量设计了新的扩散函数。理论上分析了该扩散函数的局部扩散性能:图像平滑区沿切、法线方向以不同的速度同时扩散,提高了该区域的平滑速度,弥补了传统TV单向扩散[12]的不足;图像边缘和纹理区域沿切线方向扩散保护了边缘。在此基础上,本文结合传统全变分图像去噪模型,提出了改进的全变分图像去噪:首先根据图像边缘形成的光学原理分析图像梯度;其次根据梯度幅度将图像分为平滑区和边缘纹理区,建立相应的偏微分方程;最后运用固定点迭代算法分析偏微分方程,设计了离散迭代函数。实验结果表明,本文扩散函数在图像边缘纹理区各向异性扩散,继承了传统全变分的优点,保护了边缘;在图像平滑区进行各向同性扩散,降低了系统运行时间,提高了图像峰值信噪比(PSNR)和视觉效果。

    • 从信号的频率来看,图像结构信息和高斯噪声表现为相同的特性——高频信号,但结构信息是分析理解图像的基层信息。为了抑制噪声提高分析理解的准确性,在图像去噪过程中应保护其结构信息。假设原始图像u(x, y)被零均值方差为σ2的高斯噪声n(x, y)污染的图像为:

      $${\bf{I}}(x,y) = {\bf{u}}(x,y) + {\bf{n}}(x,y)$$ (1)

      噪声分量n(x,y)加剧图像像素变化,使I(x,y)的整体梯度比原始图像大。因此,为了消除噪声保护结构信息,利用梯度幅度函数φ (∇u )[13]建立的目标函数为:

      $${\bf{u}} = \mathop {\arg \min }\limits_{\bf{u}} \;\int_\Omega {\phi (\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|)} + \frac{\lambda }{2}{({\bf{u}}(x,y) - {\bf{I}}(x,y))^2}{\text{d}}x{\text{d}}y$$ (2)

      运用变分法得到式(2)的欧拉-拉格朗日方程:

      $$\lambda ({\bf{u}} - {\bf{I}}) - \nabla \cdot \phi (\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|) = 0$$ (3)

      式中,∇·φ (∇u )表示了函数φ (∇u )的扩散性能。以任意像素的梯度方向(法向η)及对应的垂直方向(切向ξ)建立局部坐标系,当扩散函数为 $\phi (\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|) = {\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|^2}$ 时,任意像素的切法向扩散速度相等(各向同性),等速扩散使得系统运行时间较少,对图像平滑区去噪效果较好,但法向扩散导致边缘和纹理区域模糊。为了保护结构信息,传统TV算法以函数 $\phi (\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|) = \left| {\nabla {\bf{u}}} \right|$ 对图像进行点扩散处理,该函数仅沿切线方向扩散(各向异性扩散),其扩散速度为 ${\rho _\xi } = {\left| {\nabla u} \right|^{ - 1}}$ ,但单向扩散使平滑区域运行效率较低。

      函数 $\phi (\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|) = {\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|^2}$ 随梯度幅度的变化速度为2丨∇u丨,本质上为各向同性扩散,扩散速度较快;φ (丨∇u丨 ) = 丨∇u丨 的变化速度恒为1,各向异性扩散,保护了图像结构信息。当图像梯度较小时,对应像素及其邻域表现为平滑区,函数φ (丨∇u丨 ) = 丨∇u2变化速度较小,其扩散速度相对于φ (丨∇u丨 ) = 丨∇u丨较快;图像梯度较大时,对应像素及其邻域表现为边缘和纹理区域,函数φ (丨∇u丨 ) = 丨∇u丨变化速度相对于φ (丨∇u丨 ) = 丨∇u2较慢,前者对该区域只沿切线方向扩散,保护了该区域的结构信息,同时表明了函数变化率越小保边性能越强。

      为了在去噪过程中保护结构信息提高运行效率,扩散函数应满足两个条件:1) 为了减少系统运行时间,平滑区应各向同性扩散,扩散函数的变化速度接近于φ (丨∇u丨 ) = 丨∇u2;2) 为了保护结构信息,边缘和纹理区域应各向异性处理。本文继承传统各向同性和异性扩散的优点,以梯度幅度为变量设计了新的扩散函数:

      $$\phi (\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|) = \frac{{\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|}}{{{\sigma ^2}}}\exp \left( { - \frac{{{{\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|}^2}}}{{2{\sigma ^2}}}} \right)$$ (4)

      不同扩散函数随梯度丨∇u丨 变化的曲线如图 1所示。

      图  1  不同扩散函数

      该函数在切、法向扩散速度分别为:

      $$\left\{ \begin{align} & {{\rho }_{\xi }}\text{ = }\left( \frac{1}{{{\sigma }^{2}}\left| \nabla \mathbf{u} \right|}-\frac{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}{{{\sigma }^{4}}} \right)\exp \left( -\frac{{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{2}}}{2{{\sigma }^{2}}} \right) \\ & {{\rho }_{\eta }}=\left( \frac{2}{{{\sigma }^{2}}\left| \nabla \mathbf{u} \right|}-\frac{3\left| \nabla \mathbf{u} \right|}{{{\sigma }^{4}}}+\frac{{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{3}}}{{{\sigma }^{6}}} \right)\exp \left( -\frac{{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{2}}}{2{{\sigma }^{2}}} \right) \\ \end{align} \right.$$ (5)

      切、法向扩散速度之比值k为:

      $$k = \frac{{{\rho _\xi }}}{{{\rho _\eta }}} = {\left[{2 - {{\left( {\frac{{\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|}}{\sigma }} \right)}^2}} \right]^{ - 1}}$$ (6)

      当 $\sigma {\text{ = }}\sqrt {\frac{{\text{1}}}{{\text{2}}}} \;\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|$ 时,k→∞,法向速度ρn=0,仅沿切向扩散,保护了结构信息;当 $\sigma = \sqrt {\frac{2}{3}} \left| {\nabla {\bf{u}}} \right|$ 时, $k = \frac{4}{3}$ 。切、法向速度均不为0,式(4)扩散函数在不同参数σ具有不同的扩散性能。

      为了继承各向同性和异性处理的优点,本文利用梯度幅度将图像分为平滑区和边缘纹理区,如果梯度小于阈值 $T$ 时,该像素位于平滑区应各向同性处理,此时 $\sigma = \sqrt {\tfrac{2}{3}} T$ ;当像素梯度大于阈值T时,该像素应各向异性处理,此时 $\sigma = \sqrt {\tfrac{1}{2}} T$ 。不同区域相应的欧拉方程为:

      $$\left\{ \begin{align} & \lambda (\mathbf{u}-\mathbf{I})=\nabla \cdot \left( \frac{6{{T}^{2}}-9{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{2}}}{4{{T}^{4}}\left| \nabla \mathbf{u} \right|}\exp \left( -\frac{3{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{2}}}{2{{T}^{2}}} \right)\cdot \nabla \mathbf{u} \right)\left| \nabla \mathbf{u} \right|T \\ & \lambda (\mathbf{u}-\mathbf{I})=\nabla \cdot \left( \frac{2{{T}^{2}}-4{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{2}}}{{{T}^{4}}\left| \nabla \mathbf{u} \right|}\exp \left( -\frac{2{{\left| \nabla \mathbf{u} \right|}^{2}}}{{{T}^{2}}} \right)\cdot \nabla \mathbf{u} \right)\left| \nabla \mathbf{u} \right|T \\ \end{align} \right.$$ (7)
    • 数字图像是二维离散的,设像素u(i,j)与其四邻域 ${\Lambda _0} = \left\{ {(i,j - 1),(i,j + 1),(i - 1,j),(i + 1,j)} \right\}$ 可拟合为函数,式(7)中的旋度可由差分表示。图像中存在像素变化缓慢的区域,该区域像素梯度趋于0。为了避免式(7)分母为零的现象,本文引入小的正参数ε,使用 ${\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|_\varepsilon } = \sqrt {{\varepsilon ^2} + {{\left| {\nabla {\bf{u}}} \right|}^2}} $ 表示丨∇u丨。运用固定点迭代算法得到式(7)的离散化表达式:

      $$\eqalign{ < \lambda [{\bf{I}}(i,j) - {\bf{u}}(i,j)] = \sum\limits_{p \in {\Lambda _0}} {{\omega _p}} [{\bf{u}}(i,j) - {\bf{u}}(p)] \cr < {\bf{u}}(i,j) = \frac{1}{{\lambda + \sum\limits_{p \in {\Lambda _0}} {{\omega _p}} }}\left( {\sum\limits_{p \in {\Lambda _0}} {{\omega _p}} {\bf{u}}(p) + \lambda {\bf{I}}(i,j)} \right) \cr} $$ (8)

      当像素u(i,j)位于平滑区域,本文假设其四邻域也位于平滑区域,其邻域的扩散权重为:

      $$\omega (p) = \frac{{6{T^2} - 9\left| {\nabla {{\bf{u}}_p}} \right|_\varepsilon ^2}}{{4{T^4}{{\left| {\nabla {{\bf{u}}_p}} \right|}_{_\varepsilon }}}}\exp \left( { - \frac{{3\left| {\nabla {{\bf{u}}_p}} \right|_\varepsilon ^2}}{{2{T^2}}}} \right)$$ (9)

      当像素u(i,j)位于边缘纹理区域,其四邻域也位于该区域,对应像素的扩散权重为:

      $$\omega (p) = \frac{{2{T^2} - 4\left| {\nabla {{\bf{u}}_p}} \right|_\varepsilon ^2}}{{{T^4}{{\left| {\nabla {{\bf{u}}_p}} \right|}_{_\varepsilon }}}}\exp \left( { - \frac{{2\left| {\nabla {{\bf{u}}_p}} \right|_\varepsilon ^2}}{{{T^2}}}} \right)$$ (10)

      不同区域的扩散系数如图 2所示。

      图  2  不同区域的扩散系数

      为了在图像去噪的过程中保护边缘纹理信息,式(8)运用了噪声图像信息。当位于平滑区,邻域像素梯度丨∇up丨较小,对应的扩散系数ω(p)远大于权重λ,去噪后u(i,j)主要由其邻域像素加权决定;若像素(i,j)位于边缘纹理处,对应的梯度丨∇up丨较大,相应的扩散系数ω(p)趋于0,去噪后u(i,j)主要由图像I(i,j)决定。

      为了得到式(2)的最优解,该文将式(8)进行迭代运算,第n步迭代表达式为:

      $${{\bf{u}}^n}(i,j) = \frac{{\sum\limits_{p \in {\Lambda _0}} {{\omega ^{n - 1}}(p)} {{\bf{u}}^{n - 1}}(p) + \lambda {\bf{I}}(i,j)}}{{\lambda + \sum\limits_{p \in {\Lambda _0}} {{\omega ^{n - 1}}(p)} }}$$ (11)

      噪声图像I(i,j)中包含了原始图像边缘纹理信息,每步迭代都运用了噪声图像的相关信息,使边缘纹理信息不会随着迭代次数增加而模糊。当满足下式停止迭代,有:

      $$\sum {\left| {{{\bf{u}}^n}(i,j) - {{\bf{u}}^{n - 1}}(i,j)} \right|} \leqslant 2\% \sum {{{\bf{u}}^n}(i,j)} $$ (12)
    • 为了快速地实现图像保边去噪,本文将各向同性和异性扩散有机结合,设计了新的图像保边去噪扩散函数。该扩散函数对图像平滑区沿切法向同时扩散,减少了该区域的运行时间;对边缘纹理区域法向扩散速度几乎为0,保护了图像的边缘纹理。根据图像边缘纹理形成的光学机理,边缘纹理区像素变化幅度比平滑区大,本文运用梯度固定阈值T法,将图像分为平滑和边缘纹理两个区域,如果阈值T取值较大,图像中像素变化较慢形成的弱边缘纹理误作为平滑区,去噪后图像的弱边缘纹理进行各向同性扩散,该信息保护较差;反之,将平滑区的噪声误判为边缘纹理,对该区域的噪声进行保护,残余噪声较大。

      对含有加性高斯噪声的peppers图像运用不同阈值的部分去噪结果如图 3所示。当阈值T=0.2时,去噪后图像的整体质量PSNR为15.13 dB,由于阈值较小,图像边缘纹理保护较好,但是图像平滑区的强噪声(幅度较大)被作为边缘纹理而得以保护,所以去噪后残余噪声较大;增大阈值使T=0.5,平滑区残余噪声较小,边缘纹理得以较好的保护,去噪后图像PSNR为21.3 dB;若继续增大阈值,导致将纹理作为平滑区进行各向同性扩散,导致纹理损失而过度平滑,甚至出现虚假边缘,去噪后PSNR下降,但保护图像强边缘。当T=1.1时,虽然图像中各个目标轮廓清晰(强边缘),但由于纹理损失较大,图像PSNR为12.91 dB。为了保护图像边缘纹理信息,同时残余噪声较小,本文阈值T取为0.5。

      图  3  不同阈值T的去噪结果

      噪声图像包含了边缘纹理信息,为了保护图像边缘纹理,在扩散处理中依权重λ考虑噪声图像的相关信息。权重λ大小在一定程度上决定了边缘纹理的保护能力,当λ相对于邻域权重较小时,去噪后残余噪声较小,但边缘纹理模糊严重;反之,保边性较好,残余噪声较大。对含有高斯噪声的Lena图像运用不同λ处理的结果如图 4所示,当λ=0.1时,PSNR为19.14 dB,图像的强边缘保护较好,但纹理区存在一定程度的模糊,平滑区存在过度平滑,伪边缘严重;增大λ,平滑区的伪边缘减少,图像的整体质量提高;当λ=2.0时,PSNR为27.67 dB;如继续增大λ,图像边缘保护较好,但平滑区残余

      图  4  不同λ的去噪结果

      在处理器为Intel-Core i5CPU @3.40 GHz,RAM为4 GB,VC6.0的环境下,本文算法对图 3a的噪声图像迭代40次收敛,CPU的运行时间为1.52 s。其迭代次数与图像PSNR之间的关系如图 5a所示,前20次迭代图像的PSNR提高较快,将PSNR从12.03 dB提高到20.15 dB;随迭代次数增加,图像质量改善速度下降,后20次仅仅提高了1.15 dB。传统TV[14](λ=3.0)需迭代445次收敛,CPU的运行时间为12.8 s,其迭代次数与PSNR之间的关系如图 5b所示。

      图  5  迭代次数与PSNR之间的关系

      为了验证算法的有效性,对叠加不同高斯噪声的图像分别运用本文算法、高斯平滑(为了提高去噪效果,不同含噪图像高斯核参数σ不同:Lena图像σ=0.8;peppers图像σ=1.4;baboon图像σ=2.0)、和传统TV[14] (λ=3.0)进行去噪处理,其部分结果如图 6所示,去噪后图像的PSNR和SSIM[15]表 1所示。从PSNR的角度看,该算法比高斯平滑去噪效果好,比传统全变分去噪质量略高。从视觉效果上看,该算法的保边性与传统全变分相当,两者SSIM差异不大。不同算法CPU的运行时间如表 2所示。从表 2可见,高斯平滑的系统运行时间最少,该算法对平滑区域进行各向同性扩散,其运行时间比传统TV短。同时随着噪声图像的质量下降(PSNR变小),该算法的去噪时间变长。

      图  6  不同算法比较

      表 1  不同去噪算法的质量评价

      原始图像含噪图像 PSNR SSIM本文算法 PSNR SSIM传统TV PSNR SSIM高斯平滑 PSNR SSIM
      Lena17.20.8127.90.9227.10.9119.70.83
      15.10.7426.40.8325.60.8417.20.79
      13.30.6225.30.7424.40.7214.50.70
      11.90.7621.10.8720.80.8413.30.78
      peppers10.40.6219.90.8019.50.7812.20.69
      9.10.5818.70.7818.10.7211.20.63
      11.40.5520.10.7319.70.6914. 30.58
      baboon10.50.4918.40.6218. 10.5711.40.51
      8.20.4215.10.5614.80.5110.30.45

      表 2  不同去噪算法的CPU时间 单位:s

      原始图像含噪图像PSNR本文算法传统TV高斯平滑
      Lena17.21.5312.80.025
      15.11.6513.40.025
      13.31.7314.60.025
      11.92.0515.20.042
      peppers10.42.2115.70.042
      9.12.4716.80.042
      11.42.8119.20.051
      10.53.0619.90.051
      8.24.4821.30.051
    • 为了实现快速地保边去噪,本文将各向同性和异性扩散方式有机结合,从噪声对像素变化的影响出发设计了新的扩散函数,结合传统全变分图像去噪模型,提出了改进的全变分图像去噪。以梯度幅度将图像分为平滑区和边缘纹理区,对不同区域建立相应的偏微分方程,利用固定点迭代算法设计了相应的离散迭代函数。实验结果表明,该扩散函数在边缘纹理区各向同异扩散,保护了图像边缘;在平滑区各向同性扩散,降低了系统运行时间,弥补传统全变分去噪算法单向扩散的不足。

参考文献 (15)

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