• 01.卷积和高斯【计算机视觉】


    卷积

    图片的类型

    • 二值化图 (Binary)
    • 灰度图 (Gray Scale)
    • 彩色图(Color)

    二值化

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    二值化图每一个像素值不是1就是0

    灰度图

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    灰度图的像素值是(0~255),只有一个通道(单通道),RGB都相等。

    彩色图

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    彩色图RGB都有值,是三个通道的,如果用向量【组】来表示的话,彩色图的特征是灰度图的三倍。

    为什么使用卷积?

    拿到下面的图片,我们应该怎样对他进行去燥呢?
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    让我们把每个像素替换成其邻域的加权平均数,进行去燥,这种方法由此可以引出卷积。

    卷积的定义

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    卷积的计算

    卷积操作其实就是每次取一个特定大小的矩阵F(蓝色矩阵中的阴影部分),然后将其对输入X(图中蓝色矩阵)依次扫描并进行内积(加权平均)的运算过程。
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    卷积需要先进行翻转再计算,而相关不需要翻转,但由于很多情况下卷积核都是对称矩阵,所以就省略了这一步。

    边缘填充

    边缘填充的作用

    • 作用1:图形的像素不是靠位置来规定重要程度,但越里面的像素卷积次数越多,故我们需要进行边缘填充,将本来应该是边缘的像素变成不是边缘的像素。
    • 作用2:当卷积量过大时,避免图像边缘的大部分信息都丢失
    • 作用3:输入和输出的大小应该保持一致

    边缘填充的方式

    • 0填充
    • 镜像填充
    • 重复填充

    几种特殊的卷积核带来的效果

    (不考虑边界填充)
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    用这个卷积核来计算得到的是原图,无变化

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    用这个卷积核来计算得到的是 原图左移一个像素 。 故任何一个平移操作都可以用卷积来实现
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    用这个卷积核来计算得到的是 平滑/去噪

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    用这个卷积核来计算得到的是 锐化
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    高斯

    振铃现象

    图像处理中,对一幅图像进行滤波处理,若选用的频域滤波器具有陡峭的变化,则会使滤波图像产生“振铃”,所谓“振铃”,就是指输出图像的灰度剧烈变化处产生的震荡,就好像钟被敲击后产生的空气震荡。如下图:
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    如何解决振铃现象–高斯内核(模板)

    高斯模板的特点:离中心权值越大,离分散权值越小,故可以解决振铃现象。

    高斯函数的定义

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    当定义好 σ \sigma σ以后, G σ G_\sigma Gσ就可以求出,进而可以得到该图片的滤波核,然后进行归一化,最后得到高斯核。

    一般我们将滤波核的大小和 σ \sigma σ定为以下关系:H,W = 2× σ \sigma σ+1,比如 σ \sigma σ=1,则大小为7×7

    故产生高斯模板的过程:

    1. 确定滤波核的大小,如5×5,7×7
    2. 根据滤波核的大小,得到 σ \sigma σ的大小,根据公式求出 G σ G_\sigma Gσ
    3. 归一化

    当滤波核的大小一样时, σ \sigma σ越大,滤波越强

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    σ \sigma σ固定时,归一化不一样,由于归一化是 G σ G_\sigma Gσ除以总 G σ G_\sigma Gσ,所以滤波核的大小越小,滤波越强
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    经验法则:一般将滤波器的半宽设置为3 σ \sigma σ左右
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    高斯模板的性质

    一个大高斯核去卷积一个图形,可以用两个小高斯核对一个图形连续卷积两次。
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    高斯可以进行分解
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    为什么高斯需要将大核分解成小核?
    答:加速

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    分解的步骤:
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    噪声

    • 椒盐噪声
    • 脉冲噪声
    • 高斯噪声
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    高斯噪声

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    f ( x , y ) = f ~ ( x , y ) ⏞ Ideal Image  + η ( x , y ) ⏞ Noise process  f(x, y)=\overbrace{\tilde{f}(x, y)}^{\text {Ideal Image }}+\overbrace{\eta(x, y)}^{\text {Noise process }} f(x,y)=f~(x,y) Ideal Image +η(x,y) Noise process 
    该噪声由0均值 标准差为 σ \sigma σ的高斯分布里面采样出来的。

    对于噪声(标准差 σ \sigma σ)比较小的,可以用高斯模板比较小(滤波核里面的 σ \sigma σ)来滤波…(比较大就相反即可)

    椒盐噪声

    高斯模板不能去掉椒盐噪声,故使用中值滤波
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    中值滤波按照以下方式求解:
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    可以看出中值滤波对椒盐噪声有作用!

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    高斯滤波&中值滤波总结

    • 高斯滤波是线性滤波器
    • 中值滤波不是线性滤波器

    中值滤波后的点来自原图像的点,但高斯滤波是加权平均原图像的点,故高斯滤波后的点不是来着原图像的点。

    【注】该笔记的图片和内容来自B站北京邮电大学 鲁鹏老师的《计算机视觉》,链接如下:北京邮电大学 鲁鹏老师《计算机视觉》

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