OpenCV实现图像去噪算法的步骤详解

目录

• 一、函数参考
• 1、Primal-dual算法
• 2、非局部均值去噪算法
• 三、OpenCV源码
• 1、源码路径
• 2、源码代码
• 四、效果图像示例

一、函数参考

1、Primal-dual算法

Primal-dual algorithm是一种用于解决特殊类型的变分问题的算法（即找到一个函数来最小化一些泛函）。

特别是由于图像去噪可以看作是变分问题，因此可以使用原始对偶算法进行去噪，这正是该算法所实现的。

cv::denoise_TVL1 (const std::vector< Mat > &observations, Mat &result, double lambda=1.0, int niters=30)

2、非局部均值去噪算法

使用非局部均值去噪算法，该方法基于一个简单的原理：将像素的颜色替换为相似像素颜色的平均值。 但是与给定像素最相似的像素根本没有理由靠近。 因此，扫描图像的大部分以寻找真正类似于想要去噪的像素的所有像素是合法的。执行图像去噪，并进行了多种计算优化。 噪声预期为高斯白噪声。

cv::cuda::fastNlMeansDenoising (InputArray src, OutputArray dst, float h, int search_window=21, int block_size=7, Stream &stream=Stream::Null())
cv::fastNlMeansDenoising (InputArray src, OutputArray dst, float h=3, int templateWindowSize=7, int searchWindowSize=21)
cv::fastNlMeansDenoising (InputArray src, OutputArray dst, const std::vector< float > &h, int templateWindowSize=7, int searchWindowSize=21, int

针对彩色图像的 fastNlMeansDenoising 函数。

cv::cuda::fastNlMeansDenoisingColored (InputArray src, OutputArray dst, float h_luminance, float photo_render, int search_window=21, int block_size=7, Stream &stream=Stream::Null())
cv::fastNlMeansDenoisingColored (InputArray src, OutputArray dst, float h=3, float hColor=3, int templateWindowSize=7, int searchWindowSize=21)

针对图像序列的 fastNlMeansDenoising 函数。

cv::fastNlMeansDenoisingColoredMulti (InputArrayOfArrays srcImgs, OutputArray dst, int imgToDenoiseIndex, int temporalWindowSize, float h=3, float hColor=3, int templateWindowSize=7, int searchWindowSize=21)

cv::fastNlMeansDenoisingMulti (InputArrayOfArrays srcImgs, OutputArray dst, int imgToDenoiseIndex, int temporalWindowSize, float h=3, int templateWindowSize=7, int searchWindowSize=21)

cv::fastNlMeansDenoisingMulti (InputArrayOfArrays srcImgs, OutputArray dst, int imgToDenoiseIndex, int temporalWindowSize, const std::vector< float > &h, int templateWindowSize=7, int searchWindowSize=21, int normType=NORM_L2)

执行纯非局部方法去噪，没有任何简化，因此速度不快。

cv::cuda::nonLocalMeans (InputArray src, OutputArray dst, float h, int search_window=21, int block_size=7, int borderMode=BORDER_DEFAULT, Stream &stream=Stream::Null())

三、OpenCV源码

1、源码路径

opencv\modules\photo\src\denoise_tvl1.cpp

2、源码代码

#include "precomp.hpp"
#include <vector>
#include <algorithm>

#define ABSCLIP(val,threshold) MIN(MAX((val),-(threshold)),(threshold))

namespace cv{
    class AddFloatToCharScaled{
        public:
            AddFloatToCharScaled(double scale):_scale(scale){}
            inline double operator()(double a,uchar b){
                return a+_scale*((double)b);
            }
        private:
            double _scale;
    };
    using std::transform;
    void denoise_TVL1(const std::vector<Mat>& observations,Mat& result, double lambda, int niters){
        CV_Assert(observations.size()>0 && niters>0 && lambda>0);
        const double L2 = 8.0, tau = 0.02, sigma = 1./(L2*tau), theta = 1.0;
        double clambda = (double)lambda;
        double s=0;
        const int workdepth = CV_64F;
        int i, x, y, rows=observations[0].rows, cols=observations[0].cols,count;
        for(i=1;i<(int)observations.size();i++){
            CV_Assert(observations[i].rows==rows && observations[i].cols==cols);
        }
        Mat X, P = Mat::zeros(rows, cols, CV_MAKETYPE(workdepth, 2));
        observations[0].convertTo(X, workdepth, 1./255);
        std::vector< Mat_<double> > Rs(observations.size());
        for(count=0;count<(int)Rs.size();count++){
            Rs[count]=Mat::zeros(rows,cols,workdepth);
        }
        for( i = 0; i < niters; i++ )
        {
            double currsigma = i == 0 ? 1 + sigma : sigma;
            // P_ = P + sigma*nabla(X)
            // P(x,y) = P_(x,y)/max(||P(x,y)||,1)
            for( y = 0; y < rows; y++ )
            {
                const double* x_curr = X.ptr<double>(y);
                const double* x_next = X.ptr<double>(std::min(y+1, rows-1));
                Point2d* p_curr = P.ptr<Point2d>(y);
                double dx, dy, m;
                for( x = 0; x < cols-1; x++ )
                {
                    dx = (x_curr[x+1] - x_curr[x])*currsigma + p_curr[x].x;
                    dy = (x_next[x] - x_curr[x])*currsigma + p_curr[x].y;
                    m = 1.0/std::max(std::sqrt(dx*dx + dy*dy), 1.0);
                    p_curr[x].x = dx*m;
                    p_curr[x].y = dy*m;
                }
                dy = (x_next[x] - x_curr[x])*currsigma + p_curr[x].y;
                m = 1.0/std::max(std::abs(dy), 1.0);
                p_curr[x].x = 0.0;
                p_curr[x].y = dy*m;
            }
            //Rs = clip(Rs + sigma*(X-imgs), -clambda, clambda)
            for(count=0;count<(int)Rs.size();count++){
                transform<MatIterator_<double>,MatConstIterator_<uchar>,MatIterator_<double>,AddFloatToCharScaled>(
                        Rs[count].begin(),Rs[count].end(),observations[count].begin<uchar>(),
                        Rs[count].begin(),AddFloatToCharScaled(-sigma/255.0));
                Rs[count]+=sigma*X;
                min(Rs[count],clambda,Rs[count]);
                max(Rs[count],-clambda,Rs[count]);
            }
            for( y = 0; y < rows; y++ )
            {
                double* x_curr = X.ptr<double>(y);
                const Point2d* p_curr = P.ptr<Point2d>(y);
                const Point2d* p_prev = P.ptr<Point2d>(std::max(y - 1, 0));
                // X1 = X + tau*(-nablaT(P))
                x = 0;
                s=0.0;
                for(count=0;count<(int)Rs.size();count++){
                    s=s+Rs[count](y,x);
                }
                double x_new = x_curr[x] + tau*(p_curr[x].y - p_prev[x].y)-tau*s;
                    // X = X2 + theta*(X2 - X)
                x_curr[x] = x_new + theta*(x_new - x_curr[x]);
                for(x = 1; x < cols; x++ )
                {
                    s=0.0;
                    for(count=0;count<(int)Rs.size();count++){
                        s+=Rs[count](y,x);
                    }
                        // X1 = X + tau*(-nablaT(P))
                    x_new = x_curr[x] + tau*(p_curr[x].x - p_curr[x-1].x + p_curr[x].y - p_prev[x].y)-tau*s;
                        // X = X2 + theta*(X2 - X)
                    x_curr[x] = x_new + theta*(x_new - x_curr[x]);
                }
            }
        }
        result.create(X.rows,X.cols,CV_8U);
        X.convertTo(result, CV_8U, 255);
    }
}

四、效果图像示例

原图

denoise_TVL1

fastNlMeansDenoising

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