局部平均顯著梯度保邊濾波算法

馮 策，趙永嘉，戴樹(shù)嶺

（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，100191北京）

局部平均顯著梯度保邊濾波算法

馮 策，趙永嘉，戴樹(shù)嶺

（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，100191北京）

針對(duì)傳統(tǒng)平均保邊濾波算法中存在的光暈偽影現(xiàn)象，提出一種顯著圖局部平均梯度的保邊濾波算法.利用顯著圖像邊緣對(duì)比度突出的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化邊緣區(qū)域和非邊緣區(qū)域間的閾值設(shè)定工作，并根據(jù)顯著圖的平均梯度自適應(yīng)的平滑圖像中的細(xì)節(jié)和噪聲部分，同時(shí)保持邊緣清晰.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顯著圖局部平均梯度的保邊濾波算法利用顯著特性有效地避免了傳統(tǒng)平均濾波算法中的光暈偽影現(xiàn)象.相對(duì)于傳統(tǒng)平均濾波算法，在降噪、多尺度增強(qiáng)以及HDR方面都有較好的表現(xiàn).

保邊濾波；顯著圖；光暈偽影；引導(dǎo)濾波；雙邊濾波

圖像濾波是計(jì)算機(jī)視覺(jué)，醫(yī)學(xué)圖像處理等圖像工程領(lǐng)域中重要的預(yù)處理手段.保持邊緣的濾波是圖像濾波研究領(lǐng)域里一個(gè)重要的目標(biāo).理想的保持邊緣濾波法，一方面要平滑細(xì)節(jié)和噪聲，另一方面要保持圖像重要的邊緣信息.

近年來(lái)涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的保邊濾波算法，可將其分為兩類.1）非平均濾波法.最具代表性的為經(jīng)典的中值濾波法［1］，1992年 Rudin等［2］提出的TV濾波法采用了梯度的L1范數(shù)作為正則化約束.隨后2011年Xu等［3］提出通過(guò)最小化L0范數(shù)來(lái)平滑圖像，實(shí)現(xiàn)了重要邊緣保持.2011年Sylvain Paris等［4］提出一種基于局部拉普拉斯金字塔的保邊緣圖像濾波算法.以上濾波法考慮了全局特征，因此可避免光暈現(xiàn)象，雖然效果比較理想，但計(jì)算量比較大，內(nèi)存空間占用較高，效率較低.2）平均濾波算法.比較有代表性的為各項(xiàng)異性混合［5］，雙邊濾波［6］等，雙邊濾波是使用最為廣泛的一種非線性濾波法，其權(quán)重因子是距離和灰度權(quán)重的乘積.2009年Kartic等［7］提出了基于局部極值的保邊濾波方法. 2010年 He等［8］提出了引導(dǎo)濾波法.2013年 Gu等［9］提出了應(yīng)用于圖像多尺度分解的局部保邊濾波法.平均濾波法的計(jì)算量相對(duì)較小，但缺點(diǎn)是在邊緣區(qū)域會(huì)出現(xiàn)光暈現(xiàn)象.

本文提出的算法的主要目的是解決保邊平均濾波法中的光暈問(wèn)題，高效濾波的同時(shí)避免光暈現(xiàn)象出現(xiàn).目前局部加權(quán)平均的保持邊緣濾波算法存在如下問(wèn)題：無(wú)法明確約束邊緣的取舍，即無(wú)法明確設(shè)定區(qū)分邊緣區(qū)域和非邊緣區(qū)域的閾值，例如雙邊濾波中灰度權(quán)重因子以及引導(dǎo)濾波中懲罰項(xiàng)的參數(shù)設(shè)置，當(dāng)閾值設(shè)置過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致邊緣部分的模糊，因此會(huì)出現(xiàn)光暈偽影現(xiàn)象.而當(dāng)閾值設(shè)置過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致模糊程度不夠，無(wú)法達(dá)到想要處理的效果.針對(duì)此問(wèn)題，本文提出一種基于局部顯著梯度的保邊濾波法，利用顯著圖像邊緣突出特點(diǎn)，嘗試尋找一個(gè)明確的區(qū)域間閾值，來(lái)簡(jiǎn)化局部平均濾波算法中的參數(shù)設(shè)置.本文算法除了保持了傳統(tǒng)局部保邊濾波算法優(yōu)點(diǎn)以外，還有效地避免了邊緣區(qū)域的光暈現(xiàn)象.

1 基于頻率域的顯著圖

顯著圖是一種模擬生物視覺(jué)注意機(jī)制的選擇性模型，顯著圖直接反映了圖像區(qū)域引起視覺(jué)注意的強(qiáng)弱程度.顯著圖是由視覺(jué)特殊性以及圖像中的顏色、亮度、邊緣等特征所決定的，計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域利用數(shù)學(xué)模型模擬了人類視覺(jué)的注意力機(jī)制.顯著特性估計(jì)目前是自適應(yīng)壓縮［10］，興趣區(qū)域提取［11］，目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別［12-13］任務(wù)中重要的步驟.

本文采用了基于頻率域的顯著性分析算法［14］，此算法比其他的顯著圖算法保存了更多的高頻信息，尤其是邊緣部分，這一點(diǎn)正是本文所關(guān)注的，而且該算法對(duì)噪聲不敏感，如圖1所示.該方法具有的特點(diǎn)：顯著邊緣突出，對(duì)噪聲不敏感，輸出完整分辨率的顯著圖，高效性.

圖1 顯著特性圖

該算法是在CIELab的顏色空間上進(jìn)行的計(jì)算.每個(gè)像素取［L，a，b］T向量，其中L為亮度；a為通道包括從紅色到綠色顏色值；b為通道包括從黃色到藍(lán)色顏色值.首先計(jì)算圖像的平均灰度向量，并與原圖像的高斯濾波結(jié)果作差得到每個(gè)像素的顯著向量，最后計(jì)算其歐式距離并進(jìn)行灰度拉伸得到顯著圖，具體算式為

其中：Iu為圖像I算術(shù)平均灰度向量，IGuass為原始圖像高斯模糊后的灰度結(jié)果，S（x，y）為圖像I的顯著值，‖‖表示歐式距離.

2 保邊濾波的能量函數(shù)

保持邊緣濾波法的目標(biāo)是濾掉噪聲的同時(shí)保持邊緣部分的清晰.對(duì)于“邊緣區(qū)域”，盡可能的保持此區(qū)域信息，不平滑此區(qū)域，即此區(qū)域的P=I.而在其他“非邊緣區(qū)域”（細(xì)節(jié)，噪聲以及平坦部分），進(jìn)行平滑處理.根據(jù)以上分析，圖像濾波的能量函數(shù)為

其中：P為平滑后的圖像，I為輸入圖像，Ii為位置i的像素，Pi為位置i平滑后的像素，J為平衡系數(shù)，用來(lái)平衡左右兩項(xiàng)，ω為i所在的局部窗口， 為圖像P在窗口ω的平均值.

由于 因此能量函數(shù)E變?yōu)?/p>

自適應(yīng)系數(shù)J作用：如果ω窗口處于邊緣區(qū)域，此時(shí)系數(shù)J很小且趨向于0，使得Pi≈Ii，保持了此區(qū)域信息；如果ω窗口處于非邊緣區(qū)域，此區(qū)域包含了噪聲和細(xì)節(jié)部分，此時(shí)系數(shù)J很大，主要起平滑作用.

本文定義ω窗口內(nèi)

因此式（1）變?yōu)?/p>

式中：k為包含像素i窗口的索引號(hào)，aωk、bωk分別為k窗口的aω和bω值，為包含了像素i的窗口個(gè)數(shù).

2.1 閾值分析

圖像的局部平均梯度可以用來(lái)衡量圖像細(xì)節(jié)的表達(dá)能力，而顯著圖像增強(qiáng)了顯著邊緣的對(duì)比度，因此利用顯著圖像的局部平均梯度信息可以更為準(zhǔn)確地表示圖像局部區(qū)域復(fù)雜度的強(qiáng)弱，即平均梯度高的是邊緣區(qū)域，而平均梯度低的是非邊緣區(qū)域.

圖2 窗口半徑為6的局部平均梯度

2.2 自適應(yīng)參數(shù)

根據(jù)上節(jié)分析，本文建立自適應(yīng)J數(shù)學(xué)模型為

式中：σ為區(qū)分邊緣區(qū)域和非邊緣區(qū)域的閾值；α為設(shè)定模糊調(diào)節(jié)系數(shù)，α越大細(xì)節(jié)的模糊程度越大.

τ取值比較結(jié)果如圖3所示，τ=0.1時(shí)，圖像邊緣略模糊，τ=0.01時(shí)，平滑和保持部分過(guò)度生硬，τ=0.05時(shí)，效果最佳，為k窗口的平均梯度信息.由圖4曲線可知，當(dāng)橫坐標(biāo)時(shí)，進(jìn)入非邊緣區(qū)域，隨著橫軸高頻信息的減小逐漸增大.當(dāng)時(shí)，進(jìn)入邊緣區(qū)域，并且隨著高頻信息增大逐漸減小，并趨向于0.

圖3 τ值不同時(shí)圖像

本文提出的算法流程如圖5所示，首先計(jì)算原圖像的顯著特性，然后算出顯著圖的局部平均梯度，最后采用顯著圖局部平均梯度作為區(qū)域的約束標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)圖像的自適應(yīng)濾波.

圖4 α=2時(shí)

圖5 算法流程圖

2.3 保邊濾波原理分析

2.4 一維信號(hào)分析

將一維信號(hào)進(jìn)行分解，基本層為濾波后的結(jié)果，細(xì)節(jié)層為原始信號(hào)與基本層的差值，圖6、7分別為引導(dǎo)濾波和雙邊濾波，由圖6、7可見(jiàn)，在100、200像素附近位置的細(xì)節(jié)層出現(xiàn)了光暈.圖8為本文算法，圖中在高頻處沒(méi)有出現(xiàn)光暈信息，由此可見(jiàn)本文算法具有較好保邊特性.

3 實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用

本文算法設(shè)定濾波窗口半徑為 6，參數(shù) τ=0.05，α=5，將本文選取的比較有代表性的保邊濾波法與本文算法進(jìn)行比較，包括非平均的保邊濾波法（加權(quán)最小二乘）和平均的保邊濾波算法（引導(dǎo)濾波，局部極值，雙邊濾波）.

圖6 引導(dǎo)濾波

圖7 雙邊濾波

圖8 本文算法

3.1 圖像降噪

從圖9中可見(jiàn)，平均濾波法（引導(dǎo)濾波，雙邊濾波，局部極值）會(huì)導(dǎo)致山峰邊緣區(qū)域的模糊，而本文算法則保持邊緣清晰.本文算法相比較于非平均濾波法（加權(quán)最小二乘），保留了更多云彩信息，對(duì)于云彩的濾波效果要更加出色，而山峰內(nèi)部的區(qū)域也更加分明.

圖9 不同方法的降噪結(jié)果比較

3.2 圖像增強(qiáng)

多尺度圖像增強(qiáng)就是利用濾波算法把圖像分解成多個(gè)尺度層，對(duì)不同尺度的細(xì)節(jié)層進(jìn)行控制，最后結(jié)合不同尺度的層次，實(shí)現(xiàn)圖像的有效增強(qiáng).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將算法迭代4次，即得到4個(gè)細(xì)節(jié)層d1，d2，d3，d4和一個(gè)基本層b0，即

圖10所示的比較結(jié)果，平均濾波法（引導(dǎo)濾波，雙邊濾波，局部極值）在山峰邊緣處會(huì)導(dǎo)致光暈偽影，而本文的算法處理的結(jié)果則不會(huì)出現(xiàn).本文算法相比較于非平均濾波法（加權(quán)最小二乘），對(duì)于微小細(xì)節(jié)也給予了增強(qiáng)，如云彩部分.

圖10 不同方法的增強(qiáng)結(jié)果比較

3.3 高動(dòng)態(tài)范圍圖像壓縮（HDR）

本文算法同樣適用于HDR圖像的色調(diào)映射，本文算法將圖像分解后基本層進(jìn)行對(duì)比度壓縮，將細(xì)節(jié)放大后疊加到處理后的基本層上，如圖11所示，本文算法合成的HDR圖像整體明暗效果較好，細(xì)節(jié)信息豐富.

圖11 HDR效果比較

4 結(jié) 論

1）針對(duì)局部加權(quán)平均保邊濾波法中存在的光暈問(wèn)題，提出了顯著局部平均梯度的保邊濾波算法.

2）利用顯著圖增強(qiáng)邊緣對(duì)比度的特點(diǎn)，采用了顯著圖局部窗口的平均梯度作為區(qū)域約束標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的平滑效果.

3）通過(guò)與經(jīng)典保邊濾波法進(jìn)行比較，證實(shí)顯著局部平均梯度的保邊濾波算法在有效降噪和多尺度增強(qiáng)的同時(shí)，避免了光暈偽影的出現(xiàn)，并且在HDR方面也有較好表現(xiàn).

［1］GONZALEZ R C.Diaital image processing［M］.Upper Saddle River，New Tersey：Pearson Education，2009.

［2］RUDIN L I，OSHER S，F(xiàn)ATEMI E.Nonlinear total variation based noise removal algorithms［J］.Physica D：Nonlinear Phenomena，1992，60（1）：259-268.

［3］XU L，LU C，XU Y，et al.Image smoothing via L0 gradient minimization［J］.ACM Transactions on Graphics（TOG），2011，30（6）：174.

［4］PARIS S，HASINOFF S W，KAUTZ J.Local Laplacian filters： edge-aware image processing with a Laplacian pyramid［J］.ACM Transactions on Graphics（TOG），2011，30（4）：68.

［5］PERONA P，MALIK J.Scale-space and edge detection using anisotropic diffusion［J］.Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on，1990，12（7）：629-639.

［6］TOMASI C，MANDUCHI R.Bilateral filtering for gray and color images［C］／／Computer Vision，1998.Bombay：IEEE，1998：839-846.

［7］SUBR K，SOLER C，DURAND F.Edge-preserving multiscale image decomposition based on local extrema［J］.ACM Transactions on Graphics（TOG），2009，28（5）：147.

［8］HE K，SUN J，TANG X.Guided image filtering［J］. Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactions on，2013，35（6）：1397-1409.

［9］ GU B，LI W，ZHU M，et al.Local edge-preserving multiscale decomposition for high dynamic range image tone mapping［J］.Image Processing，IEEE Transactions on，2013，22（1）：70-79.

［10］CHRISTOPOULOS C，SKODRAS A，EBRAHIMI T.The JPEG2000 still image coding system：an overview［J］. Consumer Electronics，IEEE Transactions on，2000，46（4）：1103-1127.

［11］HAN J，NGAN K N，LI M，et al.Unsupervised extraction of visual attention objects in color images［J］.Circuits and Systems for Video Technology，IEEE Transactions on，2006，16（1）：141-145.

［12］RUTISHAUSER U，WALTHER D，KOCH C，et al.Is bottom-up attention useful for object recognition？［C］／／Computer Vision and Pattern Recognition，2004（CVPR 2004）.Washington：IEEE，2004：37.

［13］李志成，秦世引，LAURENT I.遙感圖像的顯著-概要特征提取與目標(biāo)檢測(cè)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（6）：659-662.

［14］ ACHANTA R，HEMAMI S，ESTRADA F，et al. Frequency-tuned salient region detection［C］／／Computer Vision and Pattern Recognition，2009（CVPR 2009）. Miami：IEEE，2009：1597-1604.

（編輯 魏希柱）

An edge-preserving filter algorithm of local average saliency gradient

FENG Ce，ZHAO Yongjia，DAI Shuling

（School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，100191 Beijing，China）

To avoid the halo artifact in the traditional filters，a new edge-preserving filter based on local average saliency gradient was proposed.The criterion to determine whether or not a region should be smoothed is difficult to give，hence it will introduce the“halo”artifact along the edges by unwanted smoothing in an image.Our idea is motivate by the feature of saliency map that enhances the salient edges in an image.Using the feature，we simplify the work to determine whether or not a region should be smoothed，and smooth the image adaptively according to local average saliency gradient.We retain the region with high average saliency gradient，and smooth the region with low average saliency gradient.Experiments show that our method performs better than traditional edgepreserving filters in smoothing，multi-enhancement，and HDR while avoiding“halo”.

edge-preserving filter；saliency map；halo；guided filter；bilateral filter

TP751.1

A

0367-6234（2015）09-0019-05

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.09.004

2014-06-20.

國(guó)家自然科學(xué)基金（50975010）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（YWF-13-D2-HK-26）；北京市科委項(xiàng)目（Z111100074811001）.

馮 策（1984—），男，博士研究生；戴樹(shù)嶺（1966—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

馮 策，fengce1984＠163.com.