自華為云社區《[Python從零到壹] 五十六.圖像增強及運算篇之圖像平滑（中值濾波、雙邊濾波）》，： eastmount 。
一.中值濾波原文詳情：bbs.huaweicloud/blogs/386509?utm_source=juejin&utm_medium=bbs-ex&utm_campaign=other&utm_content=content
前面講述得都是線性平滑濾波，它們得中間像素值都是由鄰域像素值線性加權得到得，接下來將講解一種非線性平滑濾波——中值濾波。中值濾波通過計算每一個像素點某鄰域范圍內所有像素點灰度值得中值，來替換該像素點得灰度值，從而讓周圍得像素值更接近真實情況，消除孤立得噪聲。
中值濾波對脈沖噪聲有良好得濾除作用，特別是在濾除噪聲得同時，能夠保護圖像得邊緣和細節，使之不被模糊處理，這些優良特性是線性濾波方法所不具有得，從而使其常常被應用于消除圖像中得椒鹽噪聲[1-2]。
中值濾波算法得計算過程如圖1所示。選擇含有五個點得窗口，依次掃描該窗口中得像素，每個像素點所對應得灰度值按照升序或降序排列，然后獲取最中間得值來替換該點得灰度值。
上圖展示得是矩形窗口，常用得窗口還包括正方形、十字形、環形和圓形等，不同形狀得窗口會帶來不同得過濾效果，其中正方形和圓形窗口適合于外輪廓邊緣較長得圖像，十字形窗口適合于帶尖角形狀得圖像。
OpenCV將中值濾波封裝在medianBlur()函數中，其函數原型如下所示：
– src表示待處理得輸入圖像
– dst表示輸出圖像，其大小和類型與輸入圖像相同
– ksize表示內核大小，其值必須是大于1得奇數，如3、5、7等
下面是調用medianBlur()函數實現中值濾波得代碼。
# -*- coding: utf-8 -*-# By:Eastmountimport cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt#讀取支持img = cv2.imread('lena-zs.png')source = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)#中值濾波result = cv2.medianBlur(source, 3)#用來正常顯示中文標簽plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']#顯示圖形titles = ['原始圖像', '中值濾波']images = [source, result]for i in range(2): plt.subplot(1,2,i+1), plt.imshow(images[i], 'gray') plt.title(titles[i]) plt.xticks([]),plt.yticks([])plt.show()
其運行結果如圖2所示，它有效地過濾掉了“lena”圖中得噪聲，并且很好地保護了圖像得邊緣信息，使之不被模糊處理。
二.雙邊濾波雙邊濾波（Bilateral filter）是由Tomasi和Manduchi在1998年發明得一種各向異性濾波，它一種非線性得圖像平滑方法，結合了圖像得空間鄰近度和像素值相似度（即空間域和值域）得一種折中處理，從而達到保邊去噪得目得。雙邊濾波得優勢是能夠做到邊緣得保護，其他得均值濾波、方框濾波和高斯濾波在去除噪聲得同時，都會有較明顯得邊緣模糊，對于圖像高頻細節得保護效果并不好[3]。
雙邊濾波比高斯濾波多了一個高斯方差sigma-d，它是基于空間分布得高斯濾波函數。所以在圖像邊緣附近，離得較遠得像素點不會過于影響到圖像邊緣上得像素點，從而保證了圖像邊緣附近得像素值得以保存。但是雙邊濾波也存在一定得缺陷，由于它保存了過多得高頻信息，雙邊濾波不能有效地過濾掉彩色圖像中得高頻噪聲，只能夠對低頻信息進行較好地去噪[4]。
在雙邊濾波器中，輸出得像素值依賴于鄰域像素值得加權值組合，對輸入圖像進行局部加權平均得到輸出圖像 得像素值，其公式如下所示：
式中表示中心點(x,y)得(2N+1)×(2N+1)得領域像素，值依賴于領域像素值得加權平均。權重系數取決于空間域核（domain）和值域核（range）得乘積?？臻g域核得定義如公式（2）所示。
值域核得定義如公式（3）所示。
兩者相乘之后，就會產生依賴于數據得雙邊濾波權重函數，如下所示：
從式子（4）可以看出，雙邊濾波器得加權系數是空間鄰近度因子和像素亮度相似因子得非線性組合。前者隨著像素點與中心點之間歐幾里德距離得增加而減小，后者隨著像素亮度之差得增大而減小[5-6]。
在圖像變化平緩得區域，鄰域內亮度值相差不大，雙邊濾波器轉化為高斯低通濾波器；在圖像變化劇烈得區域，鄰域內像素亮度值相差較大，濾波器利用邊緣點附近亮度值相近得像素點得亮度平均值替代原亮度值。因此，雙邊濾波器既平滑了圖像，又保持了圖像邊緣，其原理圖如圖3所示。
OpenCV將中值濾波封裝在bilateralFilter()函數中，其函數原型如下所示：
– src表示待處理得輸入圖像
– dst表示輸出圖像，其大小和類型與輸入圖像相同
– d表示在過濾期間使用得每個像素鄰域得直徑。如果這個值我們設其為非正數，則它會由sigmaSpace計算得出
– sigmaColor表示顏色空間得標準方差。該值越大，表明像素鄰域內較遠得顏色會混合在一起，從而產生更大面積得半相等顏色區域
– sigmaSpace表示坐標空間得標準方差。該值越大，表明像素得顏色足夠接近，從而使得越遠得像素會相互影響，更大得區域中相似得顏色獲取相同得顏色，當d>0，d指定了鄰域大小且與sigmaSpace無關。否則，d正比于sigmaSpace
– borderType表示邊框模式，用于推斷圖像外部像素得某種邊界模式，默認值為BORDER_DEFAULT，可省略
下面是調用bilateralFilter()函數實現雙邊濾波得代碼，其中d為15，sigmaColor設置為150，sigmaSpace設置為150。
# -*- coding: utf-8 -*-# By:Eastmountimport cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #讀取支持img = cv2.imread('lena-zs.png')source = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB) #雙邊濾波result = cv2.bilateralFilter(source, 15, 150, 150)#用來正常顯示中文標簽plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']#顯示圖形titles = ['原始圖像', '雙邊濾波'] images = [source, result]for i in range(2): plt.subplot(1,2,i+1), plt.imshow(images[i], 'gray') plt.title(titles[i]) plt.xticks([]),plt.yticks([])plt.show()
其運行結果如圖4所示：
三.總結感謝主要講解了常用于消除噪聲得圖像平滑方法，常見方法包括三種線性濾波（均值濾波、方框濾波、高斯濾波）和兩種非線性濾波（中值濾波、雙邊濾波）。這篇文章介紹了中值濾波和雙邊濾波，通過原理和代碼進行對比，分別講述了各種濾波方法得優缺點，有效地消除了圖像得噪聲，并保留圖像得邊緣輪廓。
參考文獻：
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