计算机视觉中的滤波

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在计算机视觉中，滤波（filtering）是指

Image filtering: compute function of local neighborhood at each position.

—— from CAP5415–Fall 2014-Lecture 2 (08/21/2014)–Filtering

In the broadest sense of the term "filtering", the value of the filtered image at a given location is a function of the values of the input image in a small neighborhood of the same location.

—— from Bilateral Filtering for Gray and Color Images

滤波本质上是一种特殊的函数，其作用在图像的每个位置，通过定义的计算方式得到输出，输出的值用于替换图像当前位置（滤波器中心）的值。

令滤波函数为\(g(x;\ w)\) ，其中\(x\)为图像的局部邻域，\(w\)为滤波器的权重，滤波器可以分成如下3类，

• 线性滤波器（Linear filter）：线性滤波的输出为输入的线性组合，即\(g = w \cdot x\)，线性滤波器最为常见；
• 非线性滤波器（Non-Linear Filter）：不满足上条性质的为非线性滤波，典型的非线性滤波如最大值/最小值/中值滤波、膨胀/腐蚀等；
• 自适应滤波器（Adaptive filter）：线性滤波中的\(w\)在滑动过程中固定不变（与图像内容独立无关），自适应滤波的\(w\)在滑动过程中会随着窗口内像素的性质和结构发生变化。直觉上，自适应滤波器在某些复杂情况下可能取得更好的效果，但相对线性滤波器，其计算代价更高也更难优化加速。

从滤波目的或者解决的问题上，也可分成3类：

• 图像处理：并不想从图像中提取信息，只想将图像转换成期望的样子；
• 特征提取：想从图像中提取到某些信息，比如梯度、二阶导、纹理等；
• 模式检测：想知道图像局部长什么样子，像哪种模式，比如模板匹配、稀疏表示等；

这两种分类方式并不是割裂的，而是互相交叉的，用于图像处理的滤波器也有线性、非线性、自适应之分。

Padding

滤波操作不可避免的一个问题是边界如何处理，当滤波器的中心压在图像边界处时，滤波器会有一部分落在图像外，但图像外并没有像素，该如何处理？通常需要对图像进行填充（padding），填充需要解决2个问题，填充的元素取什么值以及填充多少个元素。

对于延拓元素的取值，通常有4种方式，

• 常数填充（0填充）：填充的元素取相同的常数值
• 周期填充（circular）：认为图像的上下左右被与自身相同的图像包围着
• 复制填充（replicate）：复制图像边界的元素
• 对称填充（symmetric）：填充的元素与图像关于边界对称

4种填充方式依次如下图所示，

对于填充多少个元素，通常有3种方式，令滤波器的大小为$g\times g $ ，图像大小为\(f \times f\) ，

• full：边界分别填充\(g-1\)个元素，滤波结果为\((f+g-1)\times (f+g-1)\)，比原图大
• same：边界分别填充\((g-1)/2\)个元素，滤波结果为\(f\times f\)，与原图大小相同
• valid：边界不填充，滤波结果为\((f-g+1)\times (f-g+1)\)，比原图小

滤波杂谈

• 基本假设：局部相关性（远处无关）、局部相似（edge处不满足）、噪声随机

• 静止图像的去噪，若能获得图像序列，可以在时域上滤波（均值、中值等）；单张图像在空域上滤波。

• 椒盐噪声用中值滤波。椒盐噪声会随机地将像素置为黑或白，在实践中，会大幅改变像素值的噪声一般采用中值滤波都是有效的。

• 非椒盐噪声，均值为0的随机噪声（高斯噪声），可通过moving average滤波。

• 与图像内容耦合的噪声，可能需要依赖先验知识，采用合适的自适应滤波器，更多内容可以查看参考链接。

• 平滑相当于低通、锐化相当于高通、不同平滑半径的差相当于带通。

• 滤波的加速可以考虑：滤波器是否行列可分离、缓存不必要的重复计算、近似计算、SIMD等。

• 差分算子对噪声敏感，所以差分前通常要先平滑。

• 考虑到噪声，求梯度前通常要先（高斯）平滑再使用差分算子，sobel算子可以看成是DoG（Derivative of Gaussian）的近似，可以拆分成平滑和差分，如下所示，所以可以用sobel求梯度。
  \[ \mathbf{G}_{x}=\left[\begin{array}{l}{1} \\ {2} \\ {1}\end{array}\right] *\left(\left[\begin{array}{lll}{+1} & {0} & {-1}\end{array}\right] * \mathbf{A}\right) \quad \text { and } \quad \mathbf{G}_{y}=\left[\begin{array}{c}{+1} \\ {0} \\ {-1}\end{array}\right] *\left(\left[\begin{array}{lll}{1} & {2} & {1}\end{array}\right] * \mathbf{A}\right) \]

• 考虑到噪声，求二阶导前通常也要先（高斯）平滑再使用拉普拉斯算子，两者合在一起即LoG（Laplacian of Gaussian），即对高斯求二阶导再离散采样，通常可以用DoG（Difference of Gaussian）即两个不同size高斯核的差近似，详见Laplacian/Laplacian of Gaussian，其中Laplacian算子为
  \[ \nabla^{2} f=\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}} \]

• 模式检测需要根据期望探测的模式来定义filter，因为不同场景需要检测的模式不同，所以filter也多种多样。反映模式的filter可以根据领域知识来人工定义、可以通过SOM（Self Organizing Map）无监督生成、也可以像CNN那样通过数据驱动有监督学习得到。比如，模板匹配中的模板为filter，相似度函数为滤波的计算方法；稀疏表示中字典的每一列都是filter，像gabor小波字典，通过相关运算计算与每个filter的相似程度，从而知道每个图像局部“长什么样子”。

参考

• CAP5415–Fall 2014-Lecture 2 (08/21/2014)–Filtering
• Computer Vision: Filtering
• Adaptive Filtering (Image Processing)
• Adaptive Image Filters
• Image Kernels