【C++】双边滤波器(bilateral filter)
Bilateral Filtering for Gray and Color Images
双边滤波器:保留边界的平滑滤波器。 在局部上,就是在灰度值差异不大的区域平滑,在灰度值差异比较大的边界地区保留边界。所以双边滤波器作用于每个像素的同时,必然会受到领域像素点的距离、灰度值差的权重影响。
已知低通滤波可以表示为:
range filter可以表示为:(range filter 试选定一个数值范围,再做滤波的一个操作)
所以,双边滤波器的定义是:
其中,k(x)是归一化(normalize)函数,
( f 表示原图像,h 表示处理后的图像 x 表示 h 中某个像素点位置,ξ 表示 f 中x位置像素点的邻域像素,f(ξ)表示该像素点的灰度值,c表示低通滤波, s表示range filter)
其中,
- //Filters.h
- #ifndef FILTERS_H
- #define FILTERS_H
- #include "opencv2/imgproc.hpp"
- #include "opencv2/highgui.hpp"
- #include "opencv2/core.hpp"
- #include <iostream>
- #include <cmath>
- //Bilateral Filtering
- //sigmaD == sigmaSpace, sigmaR == sigmaColor
- cv::Mat BilateralFilter(cv::Mat inputImg, int filterSize, double sigmaD, double sigmaR);
- cv::Mat fastBilateralFilter(cv::Mat inputImg, int filterSize, double sigmaD, double sigmaR);
- #endif // ! FILTERS_H
- //Filters.cpp
- #include "Filters.h"
- double SpaceFactor(int x1, int y1, int x2, int y2, double sigmaD) {
- double absX = pow(abs(x1 - x2), );
- double absY = pow(abs(y1 - y2), );
- return exp(-(absX + absY) / ( * pow(sigmaD, )));
- }
- double ColorFactor(int x, int y, double sigmaR) {
- double distance = abs(x - y) / sigmaR;
- return exp(-0.5 * pow(distance, ));
- }
- cv::Mat BilateralFilter(cv::Mat inputImg, int filterSize, double sigmaD, double sigmaR) {
- int len; //must be odd number
- cv::Mat gray; // must be 1-channel image
- cv::Mat LabImage; // if channels == 3
- if (filterSize % != || filterSize <= ) {
- std::cerr << "Filter Size must be a positive odd number!" << std::endl;
- return inputImg;
- }
- len = filterSize / ;
- if (inputImg.channels() >= ) {
- cv::cvtColor(inputImg, LabImage, cv::COLOR_BGR2Lab);
- gray = cv::Mat::zeros(LabImage.size(), CV_8UC1);
- for (int i = ; i < LabImage.rows; i++) {
- for (int j = ; j < LabImage.cols; j++) {
- gray.ptr<uchar>(i)[j] = LabImage.ptr<uchar>(i, j)[];
- }
- }
- }
- else if(inputImg.channels() == ){
- inputImg.copyTo(gray);
- }
- else {
- std::cerr << "the count of input image's channel can not be 2!" << std::endl;
- return inputImg;
- }
- cv::Mat resultGrayImg = cv::Mat::zeros(gray.size(), CV_8UC1);
- for (int i = ; i < gray.rows; i++) {
- for (int j = ; j < gray.cols; j++) {
- double k = ;
- double f = ;
- for (int r = i - len; r <= i + len; r++) {
- for (int c = j - len; c <= j + len; c++) {
- if (r < || c < || r >= gray.rows || c >= gray.cols)
- continue;
- f = f + gray.ptr<uchar>(r)[c] * SpaceFactor(i, j, r, c, sigmaD) * ColorFactor(gray.ptr<uchar>(i)[j], gray.ptr<uchar>(r)[c], sigmaD);
- k += SpaceFactor(i, j, r, c, sigmaD) * ColorFactor(gray.ptr<uchar>(i)[j], gray.ptr<uchar>(r)[c], sigmaD);
- }
- }
- int value = f / k;
- if (value < ) value = ;
- else if (value > ) value = ;
- resultGrayImg.ptr<uchar>(i)[j] = (uchar)value;
- }
- }
- cv::Mat resultImg;
- if (inputImg.channels() >= ) {
- for (int i = ; i < LabImage.rows; i++) {
- for (int j = ; j < LabImage.cols; j++) {
- LabImage.ptr<uchar>(i, j)[] = resultGrayImg.ptr<uchar>(i)[j];
- }
- }
- cv::cvtColor(LabImage, resultImg, cv::COLOR_Lab2BGR);
- }
- else {
- resultGrayImg.copyTo(resultImg);
- }
- return resultImg;
- }
- cv::Mat fastBilateralFilter(cv::Mat inputImg, int filterSize, double sigmaD, double sigmaR) {
- int len; //must be odd number
- cv::Mat gray; // must be 1-channel image
- cv::Mat LabImage; // if channels == 3
- if (filterSize % != || filterSize <= ) {
- std::cerr << "Filter Size must be a positive odd number!" << std::endl;
- return inputImg;
- }
- len = filterSize / ;
- if (inputImg.channels() >= ) {
- cv::cvtColor(inputImg, LabImage, cv::COLOR_BGR2Lab);
- gray = cv::Mat::zeros(LabImage.size(), CV_8UC1);
- for (int i = ; i < LabImage.rows; i++) {
- for (int j = ; j < LabImage.cols; j++) {
- gray.ptr<uchar>(i)[j] = LabImage.ptr<uchar>(i, j)[];
- }
- }
- }
- else if (inputImg.channels() == ) {
- inputImg.copyTo(gray);
- }
- else {
- std::cerr << "the count of input image's channel can not be 2!" << std::endl;
- return inputImg;
- }
- cv::Mat resultGrayImg = cv::Mat::zeros(gray.size(), CV_8UC1);
- for (int i = ; i < gray.rows; i++) {
- for (int j = ; j < gray.cols; j++) {
- double k = ;
- double f = ;
- double sum = ;
- for (int r = i - len; r <= i + len; r++) {
- if (r < || r >= gray.rows)
- continue;
- f = f + gray.ptr<uchar>(r)[j] * SpaceFactor(i, j, r, j, sigmaD) * ColorFactor(gray.ptr<uchar>(i)[j], gray.ptr<uchar>(r)[j], sigmaD);
- k += SpaceFactor(i, j, r, j, sigmaD) * ColorFactor(gray.ptr<uchar>(i)[j], gray.ptr<uchar>(r)[j], sigmaD);
- }
- sum = f / k;
- f = k = 0.0;
- for (int c = j - len; c <= j + len; c++) {
- if (c < || c >= gray.cols)
- continue;
- f = f + gray.ptr<uchar>(i)[c] * SpaceFactor(i, j, i, c, sigmaD) * ColorFactor(gray.ptr<uchar>(i)[j], gray.ptr<uchar>(i)[c], sigmaD);
- k += SpaceFactor(i, j, i, c, sigmaD) * ColorFactor(gray.ptr<uchar>(i)[j], gray.ptr<uchar>(i)[c], sigmaD);
- }
- int value = (sum + f / k) / ;
- if (value < ) value = ;
- else if (value > ) value = ;
- resultGrayImg.ptr<uchar>(i)[j] = (uchar)value;
- }
- }
- cv::Mat resultImg;
- if (inputImg.channels() >= ) {
- for (int i = ; i < LabImage.rows; i++) {
- for (int j = ; j < LabImage.cols; j++) {
- LabImage.ptr<uchar>(i, j)[] = resultGrayImg.ptr<uchar>(i)[j];
- }
- }
- cv::cvtColor(LabImage, resultImg, cv::COLOR_Lab2BGR);
- }
- else {
- resultGrayImg.copyTo(resultImg);
- }
- return resultImg;
- }
- //main.cpp
- #include <iostream>
- #include <time.h>
- #include "Filters.h"
- using namespace std;
- int main() {
- cv::Mat img = cv::imread("Capture.jpg", cv::IMREAD_UNCHANGED);
- clock_t begin_time = clock();
- cv::Mat result = BilateralFilter(img, , 12.5, );
- std::cout << float(clock() - begin_time) / CLOCKS_PER_SEC << std:: endl;
- cv::imshow("original", result);
- cv::waitKey();
- cv::imwrite("original.jpg", result);
- begin_time = clock();
- result = fastBilateralFilter(img, , 12.5, );
- std::cout << float(clock() - begin_time) / CLOCKS_PER_SEC << std::endl;
- cv::imshow("fast", result);
- cv::waitKey();
- cv::imwrite("fast.jpg", result);
- begin_time = clock();
- cv::bilateralFilter(img, result, , , 12.5);
- std::cout << float(clock() - begin_time) / CLOCKS_PER_SEC << std::endl;
- cv::imshow("opencv", result);
- cv::waitKey();
- cv::imwrite("opencv.jpg", result);
- system("pause");
- return ;
- }
运行结果:
46.889s 5.694s 0.202s
二维算子降成两个一维算子之后,速度加快了一些,但是还是不如opencv的快,效果也比它差一些(No more reinventing the wheel...)
从左至右:“小雀斑”帅气原图、BilateralFilter处理结果、fastBilateralFilter处理结果、opencv接口处理结果
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