调整图像大小时适当的高斯滤波器参数

信息处理 图像处理 下采样 高斯核
2022-02-21 12:09:27

当缩小图像时,通常首先用高斯滤波器对图像进行卷积。给定一个比例因子0<s<1,什么是合适的σ使用?

例如,如果s=0.5(将图像宽度减半)似乎合理选择σ=1因为它将中间的一个值加权 40%,两个邻居各 25%,它们的邻居各 5%,即一维滤波器大致如下所示:

 [0.05, 0.25, 0.40, 0.25, 0.05]

这似乎是合理的,因为您将在二次采样时选择所有其他值,并且相邻值将具有大约 50% 的影响。

如果s=0.25(宽度的四分之一)使用是有意义的σ=2这会产生一个如下所示的一维滤波器(中心像素的权重为 22%):

 [0.03, 0.07, 0.13, 0.19, 0.22, 0.19, 0.13, 0.07, 0.03]

因此,在下采样时选择每 4 个值时,滤波器的径向影响似乎是合适的。

所以我直观的经验法则是σ=1/(2s).

在此之后,如果s=0.75然后σ=2/3我的过滤器看起来像这样

 [0.007, 0.194, 0.598, 0.194, 0.007]

这纯粹是一种选择过滤器参数的直观方法。我找不到更理论上的选择(我相信它会涉及傅立叶变换)。什么是挑选的好“规则”σ给定s?

1个回答

在下采样之前,我们需要先去除图像中新的采样网格无法表示的空间频率,它们会混叠到不同的频率。使用比例因子进行下采样时s, 和0<s<1,那么新的采样频率将是s乘以旧的,新的奈奎斯特频率将是s旧的倍。如果我们将旧的采样频率设为 1,那么新的采样频率将是s. 因此,我们需要删除所有高于及以上的频率s/2从图像。

高斯滤波器是一种有效的低通滤波器。它不是一个理想的,但它提供了空间域和频域紧凑性之间的最佳折衷。也就是说,在它的支持下,它是您可以制作的最好的低通滤波器。当然,高斯在空间和频域中的大小都是无限的。上面提到的紧凑性是因为高斯非常快地归零,我们可以以非常小的损失截断它。在高斯几乎为零的频域中,频率将被充分抑制,以至于当它们混叠时我们不会注意到它们。对于任何给定的抑制强度,我们可以计算出这种情况发生在什么时候。一些相当简单的计算表明(我很久以前在我的硕士论文中):

由下式定义的高斯滤波器σ降低以上所有频率2/σ100 倍或更多。

这是截止值的任意定义,但它是一个可用的定义。

根据这个定义,我们需要设置σ=1/s. 这个定义避免了可见的锯齿伪影,但它也使图像过于模糊。在实践中,可以使用较小的高斯滤波器。σ=1/2s(正如 OP 所建议的)在我的经验中是一个合理的妥协。

例如,这是一个具有非常高频率内容的测试图像(左上角)。右上角的图像是第一个被因子 2 下采样的图像(s=0.5),没有先过滤。在底行,我们使用高斯滤波器σ=1(左)和σ=2(对)。右下角的图像遵循上述规则,很好地抑制了下采样图像中无法正确表示的所有频率。左下角的图像使用σ=1/2s,导致一些混叠。尽管如此,这个结果是好的,并且在图像的许多频率分量在空间上重叠的自然图像中,混叠可能不会很明显。

示范