图像处理中卷积的作用

\quad 图像处理之中,有很多算法是基于卷积的:图像滤波、边缘提取都是对整幅图像做了一个卷积。由于图像是离散的,所以实际上是图像矩阵和一个卷积模板做了卷积操作。通常滤波的卷积模板权值和为1(因为滤波其实是在取均值),边缘提取的模板权值和为0(因为是在做差分)。

\quad 为什么会用到卷积呢?因为在这里用卷积,会具有空不变性,或者说,具有一种空间上的平移不变性。假设原图像为 f ( i , j ) f(i,j) f(i,j),卷积模板是 S ( i , j ) S(i,j) S(i,j),以 O ( i , j ) O(i,j) O(i,j)表示 ( i , j ) (i,j) (i,j)的领域,卷积后的图像是 g ( i , j ) g(i,j) g(i,j):
g ( i , j ) = ∑ ∑ ( t , k ) ∈ O ( i , j ) f ( t , k ) S ( i − t , j − k ) g(i,j)={\sum\sum}_{(t,k)\in O(i,j)}f(t,k)S(i-t,j-k) g(i,j)=(t,k)O(i,j)f(t,k)S(it,jk) \quad 上面提到的空不变性是指:对于原图像中的每个像素点,都进行了同样的操作,都以同一个卷积模板套在这个像素点上,对其领域内所有像素点的灰度值进行加权求和。当中心像素点滑动,卷积模板也会跟着滑动,始终保证中心像素点在卷积模板的中心。

\quad 再说一些关于卷积的东西,上面的卷积具有空不变性,如果卷积是这个形式:
∫ t 0 t e f ( s ) g ( t − s ) d s \int_{t_0}^{t_e} f(s)g(t-s)ds t0tef(s)g(ts)ds其中的t代表时间,就表示这个形式的卷积具有时不变性,或者有一种时间上的平移不变性。对于函数f的所有点,它们在时间维度上受到了同样的操作。这一点很难表达,可以看这个链接中的例子:

【如何通俗易懂地解释卷积? - palet的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/22298352/answer/637156871】
\quad 这个回答中对于“卷积”一词的理解也非常有趣:“先卷再积”,实在生动形象。

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