OpenCV图像处理篇之图像平滑

图像平滑算法

图像平滑与图像模糊是同一概念,主要用于图像的去噪。平滑要使用滤波器,为不改变图像的相位信息,一般使用线性滤波器,其统一形式如下:

其中h称为滤波器的核函数,说白了就是权值。不同的核函数代表不同的滤波器,有不同的用途。

在图像处理中,常见的滤波器包括:

  1. 归一化滤波器(Homogeneous blur)

    也是均值滤波器,用输出像素点核窗口内的像素均值代替输出点像素值。

  2. 高斯滤波器(Guassian blur)

    是实际中最常用的滤波器,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。高斯核相当于对输出像素的邻域赋予不同的权值,输出像素点所在位置的权值最大(对应高斯函数的均值位置)。二维高斯函数为,

  1. 中值滤波器(median blur)

    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。对椒盐噪声最有效的滤波器,去除跳变点非常有效。

  2. 双边滤波器(Bilatrial blur)

    为避免滤波器平滑图像去噪的同时使边缘也模糊,这种情况下使用双边滤波器。关于双边滤波器的解释参见http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/CVonline/LOCAL_COPIES/MANDUCHI1/Bilateral_Filtering.html

下面的程序将先给标准Lena图像添加椒盐噪声,分别使用4种不同的滤波器进行平滑操作,请注意观察不同滤波器对椒盐噪声的去噪效果!

程序分析及结果

/*
 * FileName : image_smoothing.cpp
 * Author   : xiahouzuoxin @163.com
 * Version  : v1.0
 * Date     : Wed 17 Sep 2014 08:30:25 PM CST
 * Brief    : 
 * 
 * Copyright (C) MICL,USTB
 */
#include "cv.h"
#include "imgproc/imgproc.hpp"
#include "highgui/highgui.hpp"

using namespace std;
using namespace cv;

const int MAX_KERNEL_LENGTH = 10;

const char *wn_name = "Smoothing";

static void salt(Mat &I, int n);
static void disp_caption(const char *wn_name, Mat src, const char *caption);
static void disp_image(const char *wn_name, Mat I);

/*
 * @brief   
 * @inputs  
 * @outputs 
 * @retval  
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc<2) {
        cout<<"Usage: ./image_smoothing [file name]"<return -1;
    }

    Mat I = imread(argv[1], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
    salt(I, 6000);
    imshow(wn_name, I);
    waitKey(0);

    Mat dst;  // Result

    /* Homogeneous blur */
    disp_caption(wn_name, I, "Homogeneous blur");
    for (int i=1; i2) {
        blur(I, dst, Size(i, i), Point(-1,-1));
        disp_image(wn_name, dst);
    }

    /* Guassian blur */
    disp_caption(wn_name, I, "Gaussian blur");
    for (int i=1; i2) {
        GaussianBlur(I, dst, Size(i, i), 0, 0);
        disp_image(wn_name, dst);
    }

    /* Median blur */
    disp_caption(wn_name, I, "Median blur");
    for (int i=1; i2) {
        medianBlur(I, dst, i);
        disp_image(wn_name, dst);
    }

    /* Bilatrial blur */
    disp_caption(wn_name, I, "Bilatrial blur");
    for (int i=1; i2) {
        bilateralFilter(I, dst, i, i*2, i/2);
        disp_image(wn_name, dst);
    }
    waitKey(0);

    return 0;
}


/*
 * @brief   显示提示文字(滤波方法)
 * @inputs  
 * @outputs 
 * @retval  
 */
static void disp_caption(const char *wn_name, Mat src, const char *caption)
{
    Mat 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(wn_name, dst);
    waitKey(0);
}



/*
 * @brief   显示图像
 * @inputs  
 * @outputs 
 * @retval  
 */
static void disp_image(const char *wn_name, Mat I)
{
    imshow(wn_name, I);
    waitKey(1000);
}


/*
 * @brief   添加椒盐噪声
 * @inputs  
 * @outputs 
 * @retval  
 */
static void salt(Mat &I, int n=3000)
{
    for (int k=0; kint i = rand() % I.cols;
        int j = rand() % I.rows;

        if (I.channels()) {
            I.at(j,i) = 255;
        } else {
            I.at(j,i)[0] = 255;
            I.at(j,i)[1] = 255;
            I.at(j,i)[2] = 255;
        }
    }
}

上面程序的逻辑非常清晰:

  1. 读入灰度图,并添加椒盐噪声(6000个噪声点):

    Mat I = imread(argv[1], CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
    salt(I, 6000);

  2. disp_captiondisp_image函数分别是用于显示提示文字和平滑过程中的变化图像的,平滑过程中图像的变化如下图:

    注意观察上面的图,中值滤波(Median Blur)对椒盐噪声的效果最好!

  3. 四种滤波方法分别使用到4个OpenCV函数,这些函数的声明都在imgproc.hpp中,这些函数的前2个参数都是原图像和滤波后图像。

    归一化滤波器blur的第3个参数为滤波核窗口的大小,Size(i,i)表示ixi大小的窗口。

    高斯滤波器GaussianBlur第3个参数也是滤波核窗口的大小,第4、第5个参数分辨表示x方向和y方向的δ。

    中值滤波器medianBlur第3个参数是滤波器的长度,该滤波器的窗口为正方形。

    双边滤波器的函数原型如下:

    //! smooths the image using bilateral filter
    CV_EXPORTS_W void bilateralFilter( InputArray src, OutputArray dst, int d,
                                 double sigmaColor, double sigmaSpace,
                                 int borderType=BORDER_DEFAULT );
  4. 本程序使用的Makefile文件为:

     TARG=image_smoothing
     SRC=image_smoothing.cpp
     LIB=-L/usr/local/lib/
     INC=-I/usr/local/include/opencv/ -I/usr/local/include/opencv2
     CFLAGS=
    
     $(TARG):$(SRC)
         g++ -g -o $@ ${CFLAGS} $(LIB) $(INC) \
             -lopencv_core -lopencv_highgui -lopencv_imgproc \
             $^
    
     .PHONY:clean
    
     clean:
         -rm $(TARG) tags -f

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