ITK-高斯滤波

news2024/11/15 11:41:02

作者：翟天保Steven
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高斯滤波原理

高斯滤波（Gaussian Blur）是数字图像处理中常见的一种平滑滤波器，旨在通过模糊处理来减少图像中的噪声或细节。它基于高斯函数（Gaussian function），模拟了自然界中模糊的物理现象，如相机失焦、运动模糊等。

它的数学表达式：

$G(x, y)=\frac{1}{2 \pi \sigma^{2}} e^{-\frac{x^{2}+y^{2}}{2 \sigma^{2}}}$

其中 $G(x, y)$ 是在坐标(x,y)处的高斯权重值， $\sigma$ 是高斯核的标准差，它决定了模糊的强度。较大的 $\sigma$ 值会产生更强的模糊效果。

高斯模糊是通过用这个高斯核对图像进行卷积操作来实现的。高斯核的值决定了每个像素周围邻域像素的权重，离中心越远的像素权重越小。它可以让图像变得更加平滑，去除细小的噪声。与简单的均值滤波器不同，高斯模糊会更加自然地保留图像的边缘和结构，不会造成突兀的平滑过渡。它被广泛应用于各种场景，比如：

图像去噪：减少随机噪声对图像的影响。
预处理：在执行边缘检测等操作之前，可以通过高斯模糊来消除噪声，减少误检。
图像效果：高斯模糊还常用于生成背景模糊、柔化图像等效果。

相比其他滤波器（如均值滤波器或中值滤波器），高斯模糊的特点是：

平滑效果更自然：高斯模糊遵循正态分布，因此对图像细节的模糊处理更加平滑和自然。
权重分布考虑空间距离：高斯模糊根据空间距离来调整像素的权重，而均值滤波器只是对邻域像素做简单平均。
更适合处理噪声：在一些有较多噪声的图像中，高斯模糊能较好地保留图像主要结构，同时去除随机噪声。

高斯模糊滤波器是图像处理中的一个重要工具，通过调整方差，你可以灵活控制图像的模糊程度，既适用于去噪，也适用于制造柔化效果。ITK中的高斯模糊滤波器简单易用，可以很好地处理图像平滑和噪声问题。

环境准备

参见：Windows下用CMake编译ITK及配置测试_itk配置-CSDN博客

功能解析

1.引入必要的头文件：

#include <itkImage.h>
#include <itkImageFileReader.h>
#include <itkImageFileWriter.h>
#include <itkDiscreteGaussianImageFilter.h>
#include <itkRescaleIntensityImageFilter.h>
#include <itkJPEGImageIOFactory.h>
#include <itkCastImageFilter.h>

2.初始化图像类型和读写器：

// 定义图像类型
typedef itk::Image<unsigned char, 2> CharImageType;
typedef itk::Image<float, 2> FloatImageType;
typedef itk::ImageFileReader<CharImageType> ReaderType;
typedef itk::ImageFileWriter<CharImageType> WriterType;
// 注册JPEG格式支持
itk::JPEGImageIOFactory::RegisterOneFactory();
// 创建读取器和写入器
ReaderType::Pointer reader = ReaderType::New();
WriterType::Pointer writer = WriterType::New();

3.设置文件名：

// 设置要读取和写入的文件
reader->SetFileName("test.jpg");
writer->SetFileName("gaussian_output.jpg");

4.类型转换：

// 将unsigned char类型转换为float类型的图像
typedef itk::CastImageFilter<CharImageType, FloatImageType> CastFilterType;
CastFilterType::Pointer castfilter = CastFilterType::New();
castfilter->SetInput(reader->GetOutput());

5.创建高斯滤波器，并配置参数：

// 创建高斯模糊滤波器
typedef itk::DiscreteGaussianImageFilter<FloatImageType, FloatImageType> GaussianFilterType;
GaussianFilterType::Pointer gaussianFilter = GaussianFilterType::New();
gaussianFilter->SetInput(castfilter->GetOutput());
// 设置高斯模糊的方差，控制模糊程度
gaussianFilter->SetVariance(2.0);  // 方差越大，模糊程度越高

6.类型转换：

// 将浮点图像转换回unsigned char类型
typedef itk::RescaleIntensityImageFilter<FloatImageType, CharImageType> RescaleFilterType;
RescaleFilterType::Pointer rescaleFilter = RescaleFilterType::New();
rescaleFilter->SetInput(gaussianFilter->GetOutput());

7.连接过滤器输出到写入器并执行写入操作：

// 设置输出图像
writer->SetInput(rescaleFilter->GetOutput());
// 执行更新
try
{
	writer->Update();
}
catch (itk::ExceptionObject &error)
{
	std::cerr << "Error: " << error << std::endl;
	return EXIT_FAILURE;
}

完整代码

#include <itkImage.h>
#include <itkImageFileReader.h>
#include <itkImageFileWriter.h>
#include <itkDiscreteGaussianImageFilter.h>
#include <itkRescaleIntensityImageFilter.h>
#include <itkJPEGImageIOFactory.h>
#include <itkCastImageFilter.h>

int main()
{
	// 定义图像类型
	typedef itk::Image<unsigned char, 2> CharImageType;
	typedef itk::Image<float, 2> FloatImageType;
	typedef itk::ImageFileReader<CharImageType> ReaderType;
	typedef itk::ImageFileWriter<CharImageType> WriterType;

	// 注册JPEG格式支持
	itk::JPEGImageIOFactory::RegisterOneFactory();

	// 创建读取器和写入器
	ReaderType::Pointer reader = ReaderType::New();
	WriterType::Pointer writer = WriterType::New();

	// 设置要读取和写入的文件
	reader->SetFileName("test.jpg");
	writer->SetFileName("gaussian_output.jpg");

	// 将unsigned char类型转换为float类型的图像
	typedef itk::CastImageFilter<CharImageType, FloatImageType> CastFilterType;
	CastFilterType::Pointer castfilter = CastFilterType::New();
	castfilter->SetInput(reader->GetOutput());

	// 创建高斯模糊滤波器
	typedef itk::DiscreteGaussianImageFilter<FloatImageType, FloatImageType> GaussianFilterType;
	GaussianFilterType::Pointer gaussianFilter = GaussianFilterType::New();
	gaussianFilter->SetInput(castfilter->GetOutput());

	// 设置高斯模糊的方差，控制模糊程度
	gaussianFilter->SetVariance(2.0);  // 方差越大，模糊程度越高

	// 将浮点图像转换回unsigned char类型
	typedef itk::RescaleIntensityImageFilter<FloatImageType, CharImageType> RescaleFilterType;
	RescaleFilterType::Pointer rescaleFilter = RescaleFilterType::New();
	rescaleFilter->SetInput(gaussianFilter->GetOutput());

	// 设置输出图像
	writer->SetInput(rescaleFilter->GetOutput());

	// 执行更新
	try
	{
		writer->Update();
	}
	catch (itk::ExceptionObject &error)
	{
		std::cerr << "Error: " << error << std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}

	std::cout << "Gaussian blur filtering completed successfully." << std::endl;
	return EXIT_SUCCESS;
}