OpenCV平滑处理：图像去噪与模糊技术详解

引言

        在图像处理中，噪声是一个常见的问题，它可能来自于图像采集设备、传输过程或环境干扰。为了去除噪声并改善图像质量，平滑处理（Smoothing）是一种常用的技术。OpenCV提供了多种平滑处理方法，包括均值滤波、高斯滤波和中值滤波。本文将详细介绍这些方法，并通过代码示例展示它们的实际效果。

原理

      平滑处理是一种通过对图像进行滤波来去除噪声的技术。它的基本原理是利用像素邻域内的像素值来替代当前像素值，从而减少噪声的影响。常见的平滑处理方法包括均值滤波、高斯滤波和中值滤波，每种方法都有其独特的优势和适用场景。

 1. 均值滤波（Averaging Filter）

        均值滤波是最简单的平滑处理方法之一。它通过计算像素邻域内像素值的平均值来替代当前像素值。均值滤波可以有效地去除噪声，但也会导致图像变得模糊。
     均值滤波使用一个归一化的卷积核（通常是正方形）对图像进行卷积操作。例如，一个3x3或者5x5的卷积核

 代码示例

import cv2
import numpy as npdef add_peppersalt_noise(image,n=10000):result = image.copy()h,w = image.shape[:2]for i in range(n):x = np.random.randint(1,h)y = np.random.randint(1,w)if np.random.randint(0,2)==0:result[x,y]=0else:result[x,y]=255return resultimage = cv2.imread('csdn_test.png')
cv2.imshow('yntu',image)
cv2.waitKey(0)noise=add_peppersalt_noise(image)
cv2.imshow('noise',noise)
cv2.waitKey(0)''' 均值滤波'''
#  dst=cv2.blur(src,ksize,anchor,borderType)
#      dst是返回值
#      src是需要处理的图像
#      kszie是滤波核(卷积核)的大小
#      anchor是锚点，默认值是(-1，-1)一般无需更改
#      borderType是边界样式，一般无需更改
#
# 一般情况下，使用dst=cv2.blur(src,ksize)即可
#
blur_1=cv2.blur(noise,(3,3))
cv2.imshow('blur_1',blur_1)
cv2.waitKey(0)blur_2=cv2.blur(noise,(5,5))
cv2.imshow('blur_2',blur_2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

- 均值滤波后的图像：噪声减少，但图像变得模糊。

2. 方框滤波（Box Filter）

     方框滤波是一种简单的线性滤波方法，它通过计算像素邻域内像素值的平均值来替代当前像素值。与均值滤波类似，但方框滤波可以选择是否对结果进行归一化。

     框滤波使用一个矩形卷积核对图像进行卷积操作。如果选择归一化，则结果与均值滤波相同；如果不归一化，则直接对像素值求和。

代码示例

import cv2
import numpy as npdef add_peppersalt_noise(image,n=10000):result = image.copy()h,w = image.shape[:2]for i in range(n):x = np.random.randint(1,h)y = np.random.randint(1,w)if np.random.randint(0,2)==0:result[x,y]=0else:result[x,y]=255return resultimage = cv2.imread('csdn_test.png')
cv2.imshow('yntu',image)
cv2.waitKey(0)noise=add_peppersalt_noise(image)
cv2.imshow('noise',noise)
cv2.waitKey(0)'''方框滤波'''# dst=cv2.boxFilter (src,ddepth,ksize,anchor,normalize,borderType)式中:
#     dst是返回值，表示进行方框滤波后得到的处理结果。
#     src 是需要处理的图像，即原始图像。
#     ddepth是处理结果图像的图像深度，一般使用-1表示与原始图像使用相同的图像深度。(可以理解为数据类型)
#     ksize 是滤波核的大小。滤波核大小是指在滤波处理过程中所选择的邻域图像的高度和宽度。
#     anchor 是错点，(指对应哪个区域)
#     normalize 表示在滤波时是否进行归一化。
#       1.当值为True时，归一化，用邻域像素值的和除以面积。此时方框滤波与均值滤波效果相同#
#       2.当值为False时，不归一化，直接使用邻域像素值的和。和>255时使用255boxFilter_1=cv2.boxFilter(noise,-1,(3,3),normalize=True)
cv2.imshow('boxFilter_1',boxFilter_1)
cv2.waitKey(0)boxFilter_2=cv2.boxFilter(noise,-1,(3,3),normalize=False)
cv2.imshow('boxFilter_2',boxFilter_2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

• 归一化的方框滤波：与均值滤波效果相同。

• 不归一化的方框滤波：像素值可能超出范围，图像变亮或变暗。

 

3. 高斯滤波（Gaussian Filter）

      高斯滤波是一种基于高斯函数的平滑处理方法。与均值滤波不同，高斯滤波在计算像素值时，会给邻域内的像素赋予不同的权重，距离中心像素越近的像素权重越大。这种方法在去除噪声的同时，能够更好地保留图像的边缘信息。
      高斯滤波使用一个高斯核进行卷积操作。高斯核的权重由高斯函数计算得出，例如一个3x3或者5x5的高斯核。

代码示例

import cv2
import numpy as npdef add_peppersalt_noise(image,n=10000):result = image.copy()h,w = image.shape[:2]for i in range(n):x = np.random.randint(1,h)y = np.random.randint(1,w)if np.random.randint(0,2)==0:result[x,y]=0else:result[x,y]=255return resultimage = cv2.imread('csdn_test.png')
cv2.imshow('yntu',image)
cv2.waitKey(0)noise=add_peppersalt_noise(image)
cv2.imshow('noise',noise)
cv2.waitKey(0)'''高斯滤波'''
# cv2.GaussianBlur(src,ksize,[,sigmaX[,sigmaY[,dst]]])高斯滤波   或
# cv2.GaussianBlur(src,ksize, sigmaX[, dst[, sigmaY[, borderType]]]) → dst
#
#     src:输入图像，通常是一个numpy数组。
#     ksize:滤波器的大小，它是一个元组，表示在水平和垂直方向上的像素数量。例如，(5，5)表示一个5x5的滤波器。
#     siqmaX和siqmaY:分别表示在X轴Y轴方向上的标准差。这些值与滤波器大小相同。默认情况下，它们都等于0,这意味着没有高斯模糊
#     dst:输出图像，通常是一个numpy数组。如果为one,则会创建一个新的数组来存储结果。
#     borderType (可选):
#        边界填充类型。默认是 cv2.BORDER_DEFAULT，表示使用镜像边界填充。其他可选值包括：
#        cv2.BORDER_CONSTANT: 使用常数填充边界。
#        cv2.BORDER_REPLICATE: 复制边界像素。
#        cv2.BORDER_REFLECT: 镜像反射边界。
#        cv2.BORDER_WRAP: 环绕边界
GaussianB=cv2.GaussianBlur(noise,(3,3),1)
cv2.imshow('GaussianBlur',GaussianB)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

- 高斯滤波后的图像：噪声减少，边缘信息保留较好。

4. 中值滤波（Median Filter）

     中值滤波是一种非线性平滑处理方法，它通过计算像素邻域内像素值的中值来替代当前像素值。中值滤波特别适合去除椒盐噪声（Salt-and-Pepper Noise），同时能够较好地保留图像的边缘信息。

中值滤波不需要卷积核，而是直接对邻域内的像素值进行排序，然后取中值作为当前像素值。

 代码示例

import cv2
import numpy as npdef add_peppersalt_noise(image,n=10000):result = image.copy()h,w = image.shape[:2]for i in range(n):x = np.random.randint(1,h)y = np.random.randint(1,w)if np.random.randint(0,2)==0:result[x,y]=0else:result[x,y]=255return resultimage = cv2.imread('csdn_test.png')
cv2.imshow('yntu',image)
cv2.waitKey(0)noise=add_peppersalt_noise(image)
cv2.imshow('noise',noise)
cv2.waitKey(0)'''中值滤波'''
#cv2.medianBlur(src，ksizel，dst])中值滤波
#    src:输入图像。# # ksize:滤波器的大小，它是一个整数，表示在水平和垂直方向上的像素数量。例如，5表示:一个5x5 的滤波器
#    dst:输出图像，通常是一个umPy数组。如果为None,则会创建一个新的数组来存储结果。medianB=cv2.medianBlur(noise,3)
cv2.imshow('medianBlur',medianB)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

- 中值滤波后的图像：椒盐噪声被有效去除，边缘信息保留较好。

 5. 双边滤波（Bilateral Filter）

     双边滤波是一种非线性的平滑处理方法，它不仅考虑像素的空间距离，还考虑像素值的相似性。因此，双边滤波在去除噪声的同时，能够很好地保留图像的边缘信息。
     双边滤波使用两个高斯核：一个用于空间距离，另一个用于像素值差异。通过这种方式，双边滤波可以在平滑图像的同时保留边缘。

代码示例

import cv2
import numpy as npdef add_peppersalt_noise(image,n=10000):result = image.copy()h,w = image.shape[:2]for i in range(n):x = np.random.randint(1,h)y = np.random.randint(1,w)if np.random.randint(0,2)==0:result[x,y]=0else:result[x,y]=255return resultimage = cv2.imread('csdn_test.png')
cv2.imshow('yntu',image)
cv2.waitKey(0)noise=add_peppersalt_noise(image)
cv2.imshow('noise',noise)
cv2.waitKey(0)''' 双边滤波'''
#cv2.bilateralFilter(src, d, sigmaColor, sigmaSpace[, dst[, borderType]]) -> dst
#参数说明：
# src:输入图像，可以是8位或浮点型单通道或三通道图像。(numpy.ndarray 类型)
# d: 滤波过程中每个像素邻域的直径,如果设为非正数,则根据sigmaSpace自动计算直径。(类型：int)
# sigmaColor:颜色空间的标准差，用于控制像素值差异的权重。值越大，表明像素值差异较大的像素也会被考虑进来，滤波效果越明显。(类型：float)
# sigmaSpace:坐标空间的标准差，用于控制空间距离的权重。值越大，表明距离较远的像素也会被考虑进来，滤波效果越明显。(类型：float)
# dst（可选）:输出图像，与输入图像src具有相同的尺寸和类型。如果未提供，函数会创建一个新的数组。(类型：numpy.ndarray)
# borderType（可选）:边界填充方式。OpenCV提供了多种边界填充方式，如cv2.BORDER_CONSTANT、cv2.BORDER_REFLECT等。默认值为cv2.BORDER_DEFAULT。bilateral_blurred = cv2.bilateralFilter(image, 9, 75, 75)
cv2.imshow('Bilateral Blurred Image', bilateral_blurred)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

- 双边滤波后的图像：噪声减少，边缘信息保留非常好。

总结

      平滑处理是图像处理中的重要技术，能够有效去除噪声并改善图像质量。本文介绍了OpenCV中五种常见的平滑处理方法：均值滤波、高斯滤波、中值滤波和双边滤波。每种方法都有其独特的优势和适用场景：

• 均值滤波：简单快速，适合一般噪声去除。

• 方框滤波：灵活选择是否归一化，适合特定场景。

• 高斯滤波：保留边缘信息，适合需要保留细节的场景。

• 中值滤波：适合去除椒盐噪声。

• 双边滤波：在去除噪声的同时，能够很好地保留边缘信息。

通过掌握这些方法，你可以根据实际需求选择合适的平滑处理技术，提升图像处理的效果。