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。
"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。
① 滤波器【卷积核】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,才有半径的称呼。
② 滤波器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 如果滤波器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。
一、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值的平均值(如3*3核,则取周围8个像素点的平均值,如3*5核,则取周围14个像素点的平均值)。
"中间点"取"周围点"的平均值,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。显然,计算平均值时,取值范围越大,"模糊效果"越强烈。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。
二、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。

三、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。

正态分布的密度函数叫做"高斯函数"(Gaussian function)。
四、权重矩阵
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:
| (-1,-1) | (0,1) | (1,1) |
| (-1,0) | (0,0) | (1,0) |
| (-1,-1) | (0,-1) | (1,-1) |
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:
| 0.0453542 | 0.0566406 | 0.0453542 |
| 0.0566406 | 0.0707355 | 0.0566406 |
| 0.0453542 | 0.0566406 | 0.0453542 |
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。
| 0.0947416 | 0.118318 | 0.0947416 |
| 0.118318 | 0.147761 | 0.118318 |
| 0.0947416 | 0.118318 | 0.0947416 |
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:每个点的灰度值乘以自己的权重值,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、滤波实际上就是Same模式的卷积操作,也就是说滤波后图像的大小不变,各种滤镜和照片的风格化就是使用不同的滤小组器对图像进行操作。因此卷积核、滤波器本质上都是一个东西。
八、高通滤波器(Hign Pass Filter,HPF)表示仅请允许图像中高频部分(即图片中变化较剧烈的部分)通过,往往用于锐化处理、增强图像中物体边缘等。
九、低通滤滤器(Low Pass Filter,LPF)表示仅请允许图像中低频部分(即图片中变化较平缓的部分)通过,往往用于对图像进行模糊/平滑处理、消除噪点。如高斯滤滤器、均值滤波器等。
1、均值滤波——元素之和为1,输出亮度与输入基本一致,卷积核越大,模糊程序越大,一个3×3的均值滤波器
|1/9 1/9 1/9|
|1/9 1/9 1/9|
|1/9 1/9 1/9|
2、高斯滤波——元素之和为1,输出亮度与输入基本一致,卷积核越大,模糊程序越大,一个3×3标准差为1的高斯滤波器
|1/16 2/16 1/16|
|2/16 4/16 2/16|
|1/16 2/16 1/16|