【OpenCV学习】之图像平滑处理

目标

本教程教您怎样使用各种线性滤波器对图像进行平滑处理，相关OpenCV函数如下:

1. blur
2. GaussianBlur
3. medianBlur
4. bilateralFilter

原理

• 平滑 也称 模糊, 是一项简单且使用频率很高的图像处理方法。
• 平滑处理的用途有很多， 但是在本教程中我们仅仅关注它减少噪声的功用 (其他用途在以后的教程中会接触到)。
• 平滑处理时需要用到一个 滤波器 。 最常用的滤波器是 线性 滤波器，线性滤波处理的输出像素值 (i.e. ) 是输入像素值 (i.e. )的加权和 :              称为 核, 它仅仅是一个加权系数。

不妨把 滤波器 想象成一个包含加权系数的窗口，当使用这个滤波器平滑处理图像时，就把这个窗口滑过图像。

• 滤波器的种类有很多， 这里仅仅提及最常用的:

归一化块滤波器 (Normalized Box Filter)

• 最简单的滤波器， 输出像素值是核窗口内像素值的 均值 ( 所有像素加权系数相等)
• 核如下:

                                          

高斯滤波器 (Gaussian Filter)

• 最有用的滤波器 (尽管不是最快的)。 高斯滤波是将输入数组的每一个像素点与 高斯内核 卷积将卷积和当作输出像素值。
• 还记得1维高斯函数的样子吗?

                                                               

假设图像是1维的,那么观察上图，不难发现中间像素的加权系数是最大的， 周边像素的加权系数随着它们远离中间像素的距离增大而逐渐减小。

Note:

 2维高斯函数可以表达为 :   

其中  为均值 (峰值对应位置)，  代表标准差 (变量  和 变量  各有一个均值，也各有一个标准差)

 

中值滤波器 (Median Filter)

中值滤波将图像的每个像素用邻域 (以当前像素为中心的正方形区域)像素的 中值 代替 。

双边滤波 (Bilateral Filter)

• 目前我们了解的滤波器都是为了 平滑 图像， 问题是有些时候这些滤波器不仅仅削弱了噪声， 连带着把边缘也给磨掉了。 为避免这样的情形 (至少在一定程度上 ), 我们可以使用双边滤波。
• 类似于高斯滤波器，双边滤波器也给每一个邻域像素分配一个加权系数。 这些加权系数包含两个部分, 第一部分加权方式与高斯滤波一样，第二部分的权重则取决于该邻域像素与当前像素的灰度差值。
• 详细的解释可以查看 链接

源码

• 本程序做什么?

  • 装载一张图像
  • 使用4种不同滤波器 (见原理部分) 并显示平滑图像

• 代码一瞥:

  #include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
  #include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
  
  using namespace std;
  using namespace cv;
  
  /// 全局变量
  int DELAY_CAPTION = 1500;
  int DELAY_BLUR = 100;
  int MAX_KERNEL_LENGTH = 31;
  
  Mat src; Mat dst;
  char window_name[] = "Filter Demo 1";
  
  /// 函数申明
  int display_caption( char* caption );
  int display_dst( int delay );
  
  /**
   *  main 函数
   */
   int main( int argc, char** argv )
   {
     namedWindow( window_name, CV_WINDOW_AUTOSIZE );
  
     /// 载入原图像
     src = imread( "../images/lena.jpg", 1 );
  
     if( display_caption( "Original Image" ) != 0 ) { return 0; }
  
     dst = src.clone();
     if( display_dst( DELAY_CAPTION ) != 0 ) { return 0; }
  
     /// 使用 均值平滑
     if( display_caption( "Homogeneous Blur" ) != 0 ) { return 0; }
  
     for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
         { blur( src, dst, Size( i, i ), Point(-1,-1) );
           if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  
      /// 使用高斯平滑
      if( display_caption( "Gaussian Blur" ) != 0 ) { return 0; }
  
      for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
          { GaussianBlur( src, dst, Size( i, i ), 0, 0 );
            if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  
       /// 使用中值平滑
       if( display_caption( "Median Blur" ) != 0 ) { return 0; }
  
       for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
           { medianBlur ( src, dst, i );
             if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  
       /// 使用双边平滑
       if( display_caption( "Bilateral Blur" ) != 0 ) { return 0; }
  
       for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
           { bilateralFilter ( src, dst, i, i*2, i/2 );
             if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  
       /// 等待用户输入
       display_caption( "End: Press a key!" );
  
       waitKey(0);
       return 0;
   }
  
   int display_caption( char* caption )
   {
     dst = Mat::zeros( src.size(), src.type() );
     putText( dst, caption,
              Point( src.cols/4, src.rows/2),
              CV_FONT_HERSHEY_COMPLEX, 1, Scalar(255, 255, 255) );
  
     imshow( window_name, dst );
     int c = waitKey( DELAY_CAPTION );
     if( c >= 0 ) { return -1; }
     return 0;
    }
  
    int display_dst( int delay )
    {
      imshow( window_name, dst );
      int c = waitKey ( delay );
      if( c >= 0 ) { return -1; }
      return 0;
    }

   

  解释

• 下面看一看有关平滑的OpenCV函数，其余部分大家已经很熟了。

• 归一化块滤波器:

  OpenCV函数 blur 执行了归一化块平滑操作。

  for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
      { blur( src, dst, Size( i, i ), Point(-1,-1) );
        if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  

  我们输入4个实参 (详细的解释请参考 Reference):

  • src: 输入图像
  • dst: 输出图像
  • Size( w,h ): 定义内核大小( w 像素宽度， h 像素高度)
  • Point(-1, -1): 指定锚点位置(被平滑点)， 如果是负值，取核的中心为锚点。

• 高斯滤波器:

  OpenCV函数GaussianBlur执行高斯平滑 :

  for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
      { GaussianBlur( src, dst, Size( i, i ), 0, 0 );
        if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  

• 中值滤波器:

  OpenCV函数medianBlur执行中值滤波操作:

  for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
      { medianBlur ( src, dst, i );
        if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  

  我们用了3个参数:

  • src: 输入图像
  • dst: 输出图像, 必须与 src 相同类型
  • i: 内核大小 (只需一个值，因为我们使用正方形窗口)，必须为奇数。

• 双边滤波器

  OpenCV函数bilateralFilter执行双边滤波操作:

  for ( int i = 1; i < MAX_KERNEL_LENGTH; i = i + 2 )
      { bilateralFilter ( src, dst, i, i*2, i/2 );
        if( display_dst( DELAY_BLUR ) != 0 ) { return 0; } }
  

  我们使用了5个参数:

  • src: 输入图像
  • dst: 输出图像
  • d: 像素的邻域直径
  • : 颜色空间的标准方差
  • : 座标空间的标准方差(像素单位)

结果

• 程序显示了原始图像( lena.jpg) 和使用4种滤波器之后的效果图。

• 这里显示的是使用 中值滤波 之后的效果图: