图像频域处理之高斯滤波器「建议收藏」

图像频域处理之高斯滤波器「建议收藏」在前两篇文章中,我们实现了图像的离散傅里叶变换与反变换,而这正是对图像频率域进行处理的前提。接下来这篇文章打算在已有工作的基础上实现高斯滤波器,对图像进行简单的频率滤波。一、频率域滤波基础在上一篇关于FFT的文章中已经介绍到,相比于核数较大的空间域滤波来说,频率域滤波有着明显的优势。此外,频率域还有一些其他特性,如远离变换的原点时,低频对应于图像中变化缓慢的灰度分量;而更加远离原点时,较高的频率开始对应于图像中越来越快的灰度变化,它们是图像中由灰度急剧变化表征的物体边缘或其他分量。正是这些特性,能够

在前两篇文章中,我们实现了图像的离散傅里叶变换与反变换,而这正是对图像频率域进行处理的前提。接下来这篇文章打算在已有工作的基础上实现高斯滤波器,对图像进行简单的频率域滤波。


一、频率域滤波基础

在上一篇关于FFT的文章中已经介绍到,相比于核数较大的空间域滤波来说,频率域滤波有着明显的优势。此外,频率域还有一些其他特性,如远离变换的原点时,低频对应于图像中变化缓慢的灰度分量;而更加远离原点时,较高的频率开始对应于图像中越来越快的灰度变化,它们是图像中由灰度急剧变化表征的物体边缘或其他分量。正是这些特性,能够让我们得到一些试验性的结果,后面我们可以看到。

那么如何进行频率域滤波呢。一般来说,其步骤是先修改一幅图像的傅里叶变换,然后计算其反变换,得到处理结果的空间域表示。因此,若已知大小为P\times Q像素的一幅(经过填充的)数字图像f(x,y),则我们感兴趣的基本滤波公式为

g(x,y)=Real\left \{ \varsigma ^{-1}\left [ H(u,v)F(u,v) \right ] \right \}

式中,\varsigma ^{-1}是IDFT,F(u,v)是输入图像f(x,y)的DFT,H(u,v)是滤波器传递函数(更常称滤波器或滤波器函数),g(x,y)是滤波后的(输出)图像。

简单来说,频率域的滤波过程可以总结为以下几步:1、进行傅里叶变换及中心化;2、构建一个传递函数H(u,v);3、采用对应元素相乘得到G(u,v)=H(u,v)F(u,v);4、反变换得到滤波后的图像(注意这个仅是简化的步骤,在冈萨雷斯一书中,完整的步骤还包括处理前对图像进行填充以及处理后重新提取出来)。下面的代码展示了这个过程,FFT和IFFT使用的都是上一篇文章中我们自己实现的函数,可以点击这里了解。

#实现滤波
def filter(img, trans):
    #先转换至频域并中心化
    F = fft_2d(img)
    F_shift = fshift(F)
    
    #与传递函数对应元素相乘
    F_trans =  F_shift * trans
    
    #进行逆变换并得到实部
    img_out = np.abs(ifft_2d(ifshift(F_trans)))
    
    return img_out

二、高斯低通滤波器

可以看到,前面我们早就实现了傅里叶变换及反变换,现在最主要的问题就是构建滤波器函数。首先介绍低通滤波器,图像中的边缘和其他急剧的灰度变化(如噪声)主要影响其傅里叶变换的高频内容。因此,在频率域中时通过衰减高频(即低通滤波)来实现平滑模糊的。高斯低通滤波器(GLPF)传递函数有如下形式:

H(u,v)=e^{-D^{2}(u,v)/2D^{2}_{0}}

式中,D(u,v)P\times Q频率矩阵中心到矩阵中包含的任意一点(u,v)的距离。D_{0}是截止频率,当D(u,v)=D_{0}时,GLPF传递函数下降到其最大值1.0的0.607。下面显示了一个GLPF传递函数的透视图、图像和径向剖面。

图像频域处理之高斯滤波器「建议收藏」
(a)一个GLPF传递函数的透视图;(b)以图像形式显示的函数;(c)不同D值的径向剖面

 根据公式,代码实现如下。

#计算高斯低通滤波器的传递函数
def GLPF(h, w, D):
    #获取索引矩阵及中心点坐标
    x, y = np.mgrid[0:h, 0:w]
    center = (int((h-1)/2), int((w-1)/2))
     
    #计算中心距离矩阵
    dis_square = (x-center[0])**2 + (y-center[1])**2
     
    #计算变换矩阵
    transfor = np.exp(- dis_square / (2*D**2))
    
    return transfor

三、高斯高通滤波器

前面说过,衰减图像的傅里叶变换中的高频分量可以平滑图像。因为边缘和其他灰度的急剧变化与高频分量有关,因此可在频率域中通过高通滤波来实现图像锐化,高通滤波衰减傅里叶变换中的低频分量而不干扰高频信息。

高通滤波器的实现非常简单,在频率域中用1减去低通滤波器传递函数即可得到:

H_{HP}(u,v)=1-H_{LP}(u,v)

式中,H_{LP}(u,v)是低通滤波器的传递函数。因此,可得高斯高通滤波器(GHPF)的传递函数为

H(u,v)=1-e^{-D^{2}(u,v)/2D^{2}_{0}}

同样,下面展示了一个GHPF的透视图、图像和径向剖面。

图像频域处理之高斯滤波器「建议收藏」
(a)透视图;(b)图像;(c)径向剖面

 下面是GHPF的代码实现,可以看到只是最后用1减去了GLPF。

#计算高斯高通滤波器的传递函数
def GHPF(h, w, D):
    #获取索引矩阵及中心点坐标
    x, y = np.mgrid[0:h, 0:w]
    center = (int((h-1)/2), int((w-1)/2))
     
    #计算中心距离矩阵
    dis_square = (x-center[0])**2 + (y-center[1])**2
     
    #计算变换矩阵
    transfor = 1 - np.exp(- dis_square / (2*D**2))
    
    return transfor

四、效果展示

展示下实验效果,用两张不同的图片分别测试了原图以及D_{0}值为2、5、10、20、50时两个滤波器的效果,可以明显看出低通滤波器能够使图像变得模糊平滑,而高通滤波器则是能够锐化图像。

图像频域处理之高斯滤波器「建议收藏」
使用高斯低通滤波器的实验效果:

(a)原图;(b)D值为2;(c)D值为5;(d)D值为10;(e)D值为20;(f)D值为50

 

图像频域处理之高斯滤波器「建议收藏」
使用高斯高通滤波器的实验效果:

(a)原图;(b)D值为2;(c)D值为5;(d)D值为10;(e)D值为20;(f)D值为50

五、多说两句

到此为止,我想写的关于图像处理领域的文章就写完了,后面这个专栏不会再更新了(大概),毕竟不管怎么说,图像处理也并不是我的兴趣领域。但如果后面同学有希望我介绍的东西,也可以私信或者发在评论区,我可以尽力去尝试一下。最后,这篇文章也参考了《冈萨雷斯 数字图像处理(第四版)》一书,感谢前辈大佬的总结。

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