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什么是引导图像滤波？

引导图像滤波使用一个单独图像（称为引导图像）的上下文来影响图像滤波的输出。像其他滤波运算一样，引导图像滤波是一种邻域运算。不过，它在计算输出像素的值时，会考虑引导图像滤波中对应空间邻域中某个区域的统计量。引导图像可以是图像本身、图像的不同版本或完全不同的图像。通过选择不同引导图像，您可以执行各种图像处理运算，如着色、图像抠图、闪光灯/无闪光灯去噪和保边滤波。

A pixel in the output image is calculated using the neighborhood around the corresponding pixel in the input image and the same neighborhood in the guidance image.

算法

当您使用引导图像 G 对图像 A 进行滤波时，引导图像滤波使用输入图像 A 中的像素 i 及其空间邻域的值以及引导图像 G 中的对应像素及其对应空间邻域来确定输出 B 中的像素 i 处的值。如果引导图像 G 与输入图像 A 相同，则输出图像 B 中的结构保持与输入图像 A 中的结构相同。如果引导图像 G 不同于输入图像 A，则引导图像 G 中的结构影响输出图像 B，实际上将这些结构压印在输入图像 A 上。这种效应称为结构转移。

输出图像 B 是引导图像 G 的局部线性变换。

bi=xkgi+yk,∀i∈ωk

bi 和 gi 分别是 B 和 G 的第 i 个像素。xk 和 yk 是方形窗 ωk 中的系数，算法假定其为常量。

imguidedfilter 函数优化线性变换的权重，以最小化输入图像 A 和输出图像 B 之间的误差 E。

E=∑i∈ωk((xkgi+yk−ai)2+εxk2)

ai 是 A 的第 i 个像素。ε 是控制引导图像 G 对输出图像 B 的影响程度的正则化参数，相当于平滑度。

如果为 ε 指定较高的值，则系数 xk 必须较小，并且 yk 必须与输入图像 A 的像素 ai 的值相似，以最小化代价函数。xk 和 yk 的这些值会降低引导图像 G 的影响程度，并使输出图像 B 更加平滑。另一方面，如果为 ε 指定较低的值，则您可以为系数 xk 指定较大的值，这会增大引导图像 G 的影响程度，并使输出图像 B 更不平滑。使用 imguidedfilter 函数时，您可以通过调节 DegreeOfSmoothing 名称-值参量来控制 ε 的值，通过指定 NeighborhoodSize 名称-值参量来控制邻域对滤波的影响程度。邻域大小是窗 ωk 的半径。

应用

通过选择不同引导图像，您可以执行各种图像处理运算，如着色、图像抠图、闪光灯/无闪光灯去噪和保边滤波。

  • 着色 - 如果您有灰度图像，并且在该图像的不同部分以交互方式涂上了所需的颜色，则可以使用所需的颜色为整个图像着色。使用图像的色度通道作为输入图像 A，使用亮度通道作为影响结构的引导图像 G。

  • 图像抠图 - 您可以增强 RGB 图像的 alpha 抠图数据，以便它捕获到细小的结构。使用 alpha 抠图作为输入图像 A，使用 RGB 图像作为影响结构的引导图像 G。

  • 闪光灯/无闪光灯去噪 - 在不使用闪光灯的情况下拍摄的图像更容易包含噪声。您可以使用通过闪光灯拍摄的对应图像来消除非闪光灯图像的噪声。使用无闪光灯图像作为输入图像 A，使用闪光灯图像作为影响结构的引导图像 G。

    From left to right, a no-flash image, a corresponding image taken with a flash, and a flash/no-flash denoised version of the first image.

    有关使用引导滤波器的闪光灯/无闪光灯去噪示例，请参阅Perform Flash/No-flash Denoising with Guided Filter。

  • 保边滤波 - 您可以使用与输入图像 A 和引导图像 G 相同的图像对图像进行滤波，同时保持其边缘。

    Edge-preserving filtering using guided image filter

    有关使用导向滤波器进行保边滤波的示例，请参阅Segment Thermographic Image After Edge-Preserving Filtering。

参考

[1] He, Kaiming, Jian Sun, and Xiaoou Tang. “Guided Image Filtering.” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 35, no. 6 (June 2013): 1397–1409. https://doi.org/10.1109/TPAMI.2012.213.

另请参阅

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