一、高斯模糊简介

通常,图像处理软件会提供"模糊"(blur)滤镜,使图片产生模糊的效果。

例如:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_算法

“模糊"的算法有很多种,其中有一种叫做"高斯模糊”(Gaussian Blur)。它将正态分布(又名"高斯分布")用于图像处理。

本文介绍"高斯模糊"的算法,你会看到这是一个非常简单易懂的算法。本质上,它是一种数据平滑技术(data smoothing),适用于多个场合,图像处理恰好提供了一个直观的应用实例。

二、高斯模糊的原理

所谓"模糊",可以理解成每一个像素都取周边像素的平均值。

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_opencv_02


如上图中,2是中间点,周边点都是1。

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_opencv_03

通过高斯模糊原理,“中间点"取"周围点"的平均值,就会变成1。在数值上,这是一种"平滑化”。在图形上,就相当于产生"模糊"效果,"中间点"失去细节

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_计算机视觉_04


上面分别是原图、模糊半径3像素、模糊半径10像素的效果。模糊半径越大,图像就越模糊。从数值角度看,就是数值越平滑。

接下来的问题就是,既然每个点都要取周边像素的平均值,那么应该如何分配权重呢?

如果使用简单平均,显然不是很合理,因为图像都是连续的,越靠近的点关系越密切,越远离的点关系越疏远。因此,加权平均更合理,距离越近的点权重越大,距离越远的点权重越小。

三、正态分布的权重

正态分布显然是一种可取的权重分配模式。

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_算法_05

在图形上,正态分布是一种钟形曲线,越接近中心,取值越大,越远离中心,取值越小

计算平均值的时候,我们只需要将"中心点"作为原点,其他点按照其在正态曲线上的位置,分配权重,就可以得到一个加权平均值。

四、高斯函数

上面的正态分布是一维的,图像都是二维的,所以我们需要二维的正态分布。

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_算法_06


正态分布的密度函数叫做"高斯函数"(Gaussian function)。它的一维形式是:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_opencv_07


其中,μ是x的均值,σ是x的方差。因为计算平均值的时候,中心点就是原点,所以μ等于0。

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_程序人生_08


根据一维高斯函数,可以推导得到二维高斯函数:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_计算机视觉_09


有了这个函数 ,就可以计算每个点的权重了。(一开始自己一直在纠结这个σ的取值问题,其实后面有案例,这个不需要纠结QAQ)

自己推导出了一个简单点的公式:(如有错误还望指出并体谅)

代码贴上

local x,y=0,0--其中还有个值得新手注意的是,在计算权重是的9个坐标时的原点永远是在第5个方格
local Sigma=1.5--因为lua定义σ和π报错,所以用了其他的代替
local e=2.718281828459
local pai=3.1415926
local G=e^(-(x^2-y^2)/2*Sigma^2)/(2*pai*Sigma^2)--这个得出来的就是最初的权重,坐标(0,0)的权重

五、权重矩阵

1)权重矩阵的大小应该是奇数,这样它才有一个中心,例如3x3,5x5或者7x7。有中心了,也有了半径的称呼,例如5x5大小的核的半径就是2。

2)权重矩阵所有的元素之和应该要等于1,这是为了保证滤波前后图像的亮度保持不变。当然了,这不是硬性要求了。

3)如果权重矩阵所有元素之和大于1,那么滤波后的图像就会比原图像更亮,反之,如果小于1,那么得到的图像就会变暗。如果和为0,图像不会变黑,但也会非常暗。

4)对于滤波后的结构,可能会出现负数或者大于255的数值。对这种情况,我们将他们直接截断到0和255之间即可。对于负数,也可以取绝对值。

假定中心点的坐标是(0,0),那么距离它最近的8个点的坐标如下:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_算法_10


更远的点以此类推。为了计算权重矩阵,需要设定σ的值。假定σ=1.5,则模糊半径为1的权重矩阵如下:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_计算机视觉_11


这9个点的权重总和等于0.4787147,如果只计算这9个点的加权平均,还必须上面说了,其实不一定,只是为了不改变图片亮度,所以让其等于1) 让它们的权重之和等于1,因此上面9个值还要分别除以0.4787147,得到最终的权重矩阵。

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_opencv_12

五、计算高斯模糊

有了权重矩阵,就可以计算高斯模糊的值了。

假设现有9个像素点,灰度值(0-255)如下:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_java 与 高斯模糊算法_13


每个点乘以自己的权重值:

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_程序人生_14


得到

java 与 高斯模糊算法 高斯模糊的应用_算法_15


将这9个值加起来,就是中心点的高斯模糊的值。

对所有点重复这个过程,就得到了高斯模糊后的图像。如果原图是彩色图片,可以对RGB三个通道分别做高斯模糊。

六、边界点的处理

如果一个点处于边界,周边没有足够的点,怎么办?

一个变通方法,就是把已有的点拷贝到另一面的对应位置,模拟出完整的矩阵。

七、参考文章