图像预处理-图像噪点消除

一.基本介绍

噪声：指图像中的一些干扰因素，也可以理解为有那么一些点的像素值与周围的像素值格格不入。常见的噪声类型包括高斯噪声和椒盐噪声。

滤波器：也可以叫做卷积核

- 低通滤波器是模糊，高通滤波器是锐化

- 低通滤波器就是允许低频信号通过，在图像中边缘和噪点都相当于高频部分，所以低通滤波器用于去除噪点、平滑和模糊图像。高通滤波器则反之，用来增强图像边缘，进行锐化处理。

注意：椒盐噪声可以理解为斑点，随机出现在图像中的黑点或白点；高斯噪声可以理解为拍摄图片时由于光照等原因造成的噪声。

这是高斯噪声

---

这是椒盐噪声，有很多黑白的或者孤立的小点

---

1.1 均值滤波

cv.blur(img, ksize)

参数：

- ksize：代表卷积核的大小

取的是卷积核区域内元素的均值。

        对于边界的像素点，则会进行边界填充，以确保卷积核的中心能够对准边界的像素点进行滤波操作。在OpenCV中，默认的是使用BORDER_REFLECT_101的方式进行填充，下面的滤波方法中除了中值滤波使用的是BORDER_REPLICATE进行填充之外，其他默认也是使用这个方式进行填充

import cv2 as cvimg = cv.imread('../images/lvbo2.png')# 均值滤波，用3*3的卷积核
blur = cv.blur(img, (3, 3))cv.imshow('img', img)
cv.imshow('blur', blur)
cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

1.2 方框滤波

cv.boxFilter(img, ddepth,ksize, normalize)

参数：

- ksize：代表卷积核的大小

- ddepth：输出图像的深度，-1代表使用原图像的深度。

指在每个像素点所使用的位数（bit depth），也就是用来表示图像中每一个像素点的颜色信息所需的二进制位数。图像深度决定了图像能够表达的颜色数量或灰度级。

- normalize：当normalize为True的时候，方框滤波就是均值滤波，权重就等于1/9；normalize为False的时候，每个像素权重都是1，相当于求区域内的像素和，超出部分做取模运算。

import cv2 as cvimg = cv.imread('../images/lvbo2.png')# 方框滤波，用3*3的卷积核，类似均值滤波
box = cv.boxFilter(img, -1,(3, 3),normalize=True)# 真正的方框滤波
box1 = cv.boxFilter(img, -1,(3, 3), normalize=False)cv.imshow('img', img)
cv.imshow('box', box)
cv.imshow('box1', box1)
cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

跟均值滤波很像

        可以看到这里的方框滤波显示图片是很接近白色的，因为其将像素点周围的像素权重都设为1，然后相加得到该像素的值，所以很多都超过了255而进行了取模操作。

1.2 高斯滤波

cv.GaussianBlur(img, ksize, sigmaX)

参数：

- sigmaX：

就是高斯函数里的值，σx值越大，模糊效果越明显。高斯滤波相比均值滤波效率要慢，但可以有效消除高斯噪声，能保留更多的图像细节，所以经常被称为最有用的滤波器。

通过使用高斯函数（正态分布）作为卷积核来对图像进行模糊处理。

import cv2 as cvimg = cv.imread('../images/lvbo2.png')# 高斯，用3*3的卷积核
Gauss = cv.GaussianBlur(img, (3, 3), 1)cv.imshow('img', img)
cv.imshow('Gauss', Gauss)cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

1.3 中值滤波

cv.medianBlur(img, ksize)

        中值滤波没有核值，而是在原图中从左上角开始，将卷积核区域内的像素值进行排序，并选取中值作为卷积核的中点的像素值。就是用区域内的中值来代替本像素值，所以那种孤立的斑点，如0或255很容易消除掉，适用于去除椒盐噪声和斑点噪声

import cv2 as cv# 导入椒盐噪声图片
img = cv.imread('../images/lvbo3.png')# 中值滤波，注意这里的3
median = cv.medianBlur(img, 3)cv.imshow('img', img)
cv.imshow('median', median)cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

        其实你会注意到，中值滤波的ksize为啥是个整数呢，前面的都是(x,x)。因为中值滤波是非线性的，且没有核值不依赖卷积核权重。

1.4 双边滤波

cv.bilateralFilter(img,ksize,d,sigmaColor,sigmaSpace)

参数：

- d：过滤时周围每个像素领域的直径，这里已经设置了核大小。d=9===>9x9

- sigmaColor：在color space（值域空间）中过滤sigma。参数越大，那些颜色足够相近的的颜色的影响越大。较大的sigmaColor意味着更大的颜色差异将被允许参与到加权平均中.

- sigmaSpace：在coordinate space（坐标空间）中过滤sigma。这个参数是坐标空间中的标准差，决定了像素位置对滤波结果的影响程度。

双边滤波的基本思路是同时考虑将要被滤波的像素点的空域(空间)信息（周围像素点的位置的权重）和值域信息（周围像素点的像素值的权重）。因为在边缘处，临近的像素点差异会比较大，如果只是使用空域信息来进行滤波的话，得到的结果必然是边缘被模糊了，这样我们就丢掉了边缘信息。这也是一种非线性滤波。

import cv2 as cvimg = cv.imread('../images/lvbo2.png')# 双边滤波
sb = cv.bilateralFilter(img, 9, 100, 100)cv.imshow('img', img)
cv.imshow('sb', sb)cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

注意：

关于2个sigma参数：

简单起见，可以令2个sigma的值相等；

如果他们很小（小于10），那么滤波器几乎没有什么效果；

如果他们很大（大于150），那么滤波器的效果会很强，使图像显得非常卡通化。

关于参数d：

过大的滤波器（d>5）执行效率低。

对于实时应用，建议取d=5；

对于需要过滤严重噪声的离线应用，可取d=9；

二.图像梯度处理

2.1 图像梯度

        把图片想象成连续函数，因为边缘部分的像素值是与旁边像素有明显区别，所以对图片局部求极值，就可以得到整幅图片的边缘信息了。不过图片是二维的离散函数，导数就变成了差分，这个差分就称为图像的梯度。

2.2 垂直边缘提取

        这个核是用来提取图片中的垂直边缘（右侧边缘，若提取左边缘卷积核中正负号换一下就好）的，中间像素就是这个卷积核卷积的结果。

        当前列左右两侧的元素进行差分，由于边缘(当前列)的值明显小于（或大于）周边像素，所以边缘(当前列)的差分结果会明显不同，这样就提取出了垂直边缘。简单理解，就是在‘1’位置右边的像素值相对于‘-1’位置左边的像素值的差距会显示在中间的像素中，所以中间的列就是旁边两列的垂直差分。

来介绍一下二维卷积函数：

cv2.filter2D(src, ddepth, kernel)

- src: 输入图像，一般为numpy数组。

- ddepth: 输出图像的深度，可以是负值（表示与原图相同）、正值或其他特定值（常用-1 表示输出与输入具有相同的深度）。

- kernel: 卷积核，一个二维数组（通常为奇数大小的方形矩阵），用于计算每个像素周围邻域的加权和。

import cv2 as cv
import numpy as np# 模拟一张图像，灰度图
img=np.array([[100,102,109,110,98,20,19,18,21,22],[109,101,98,108,102,20,21,19,20,21],[109,102,105,108,98,20,22,19,19,18],[109,98,102,108,102,20,23,19,20,22],[109,102,105,108,98,20,22,19,20,18],[100,102,108,110,98,20,19,18,21,22],[109,101,98,108,102,20,22,19,20,21],[109,102,108,108,98,20,22,19,19,18],],dtype=np.float32)
# 定义卷积核，
kernel=np.array([[-1,0,1],[-2,0,2],[-1,0,1]],dtype=np.float32)
# 二维卷积操作
img2=cv.filter2D(img,-1,kernel)
# 打印卷积后的图
print(img2)

[[   0.   -4.   30.  -14. -356. -320.   -6.    2.   12.    0.]
 [   0.  -17.   28.  -10. -354. -317.   -5.   -3.    7.    0.]
 [   0.  -26.   29.  -10. -352. -312.   -4.  -10.    3.    0.]
 [   0.  -22.   32.  -14. -352. -310.   -4.  -11.    4.    0.]
 [   0.   -7.   30.  -24. -354. -310.   -5.   -5.    5.    0.]
 [   0.    1.   29.  -23. -356. -314.   -6.    0.    9.    0.]
 [   0.  -15.   28.  -12. -354. -315.   -5.   -5.    7.    0.]
 [   0.  -24.   26.  -12. -352. -312.   -4.  -10.    2.    0.]]

        这里的值就是用上面的卷积核计算的，其中边缘由于使用边界反射101进行填充，左右两边的差分为0，也就是无梯度变化。然后中间两列有着超出255的最大数值，这就会作为边缘被提取出来。

        差分后值的符号正负代表梯度的方向，差分值实际应该取绝对值，毕竟我们只是想看数值大小来提取边缘。值超过了255都算(+-)255，即使是负号。

如果使用的是一张真正的图片进行特征提取，建议转化为灰度图(单通道)方便计算。

2.3 水平边缘提取

把上面的卷积矩阵进行转置进行操作就可以了。

2.4 Sobel算子

上面的两个卷积核都叫做Sobel算子，只是方向不同。这个算子可以两方向上特征结合提取

总梯度是：

sobel_image = cv2.Sobel(src, ddepth, dx, dy, ksize)

- src：通常应该是一个单通道图像，因为 Sobel 算子是基于像素亮度梯度计算的。

- dx,dy：当组合为dx=1,dy=0时求x方向的一阶导数，在这里，设置为1意味着垂直特征提取，因为其做的是水平方向梯度。（若同时为1，通常得不到想要的结果,两个方向的处理不是太好)

- ksize：Sobel算子的大小，可选择3、5、7，默认为3。

import cv2 as cvpig = cv.imread('../images/pig.png', cv.IMREAD_GRAYSCALE)# 选择垂直特征提取
sobel_img1 = cv.Sobel(pig, -1, 1, 0, 3)# 选择水平特征提取
sobel_img2 = cv.Sobel(pig, -1, 0, 1, 3)# 两特征提取
sobel = cv.Sobel(pig, -1, 1, 1, 3)cv.imshow('pig', pig)
cv.imshow('sobel_img1', sobel_img1)
cv.imshow('sobel_img2', sobel_img2)
cv.imshow('sobel', sobel)
cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

2.5  Laplacian算子

其用的是二阶导

也将两个方向的梯度结合在一起计算，下面是其卷积核：

有些时候考虑斜对角元素就会变成：

cv2.Laplacian(src, ddepth)

Laplacian算子是二阶边缘检测的典型代表，一/二阶边缘检测各有优缺点。

import cv2 as cvpig = cv.imread('../images/pig.png', cv.IMREAD_GRAYSCALE)La = cv.Laplacian(pig, -1)
cv.imshow('Original', pig)
cv.imshow('Laplacian', La)
cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()