引导滤波Guided Filter

概念

一句话概括:通过对引导图像对线变换,结合局部线性模型,对原始图像进行滤波处理的算法。

局部线性模型

image

该模型认为,某函数上一点与其邻近部分的点成线性关系,一个复杂的函数就可以用很多局部的线性函数来表示,当需要求该函数上某一点的值时,只需计算该点线性函数的值并做平均即可。

应用于图像

假设在一个局部窗口内,满足一个线性关系
I 引导图像
q 滤波后的图像
p 原始图像
引导图像做线性变换之后,要与原始图像尽量接近,且模型尽量简单。
1. 假设图像是一个二维函数,且输入输出在一个二维窗口内满足线性关系:

qi=akIi+bk,iωk

其中q是输出像素的值,I是输入图像的值,i和k是像素索引,a和b是当窗口中心位于k时该线性函数的系数。输入图像不一定是待滤波图像,也可是是其他图像即引导图像,这也是称为引导滤波的原因。对上式两边取梯度,得:
q=aI

即当输入图像I有==梯度==时,输出q也有类似的梯度,因此引导滤波有==边缘保持特性==。
2. 求线性函数的系统,即线性回归。目标函数让拟合函数的输出值和真实值p之前差距最小,即\
// 建立模型的一般套路:==min(经验风险+正则项)==
E(ak,bk)=iωk((akIi+bkpi)2+εa2k)

其中p待滤波的图像, ε 防止系数a过大。
最小二乘(平方)法求解:
image

一个像素会被多个窗口包含,即==每个像素由多个线性函数描述==。因此,某一点的输出值时,主需要将所有包含该点的线性函数平均即可,如下:

qi=1|ω|k:iωk(akIi+bk)=a¯iIi+b¯i

其中w_k是所有包含像素i的窗口,k是这些窗口的中心位置。

功能

  • 平滑
  • 去噪
  • 图像去霾
  • 图像增强

参考论文:Guided Image Filtering
拓展阅读:最小二乘法

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