OpenCV3 6.3 用滤波器进行缩减像素采样

缩减像素采样

降低图像精度的过程称为缩减像素采样(downsampling)，提升图像精度的过程称为提升像素采样(upsampling)。

空间假频

如果要缩小一幅图像，仅仅消除图像中部分行和列，再将剩余的像素拼接起来，得到的图像效果往往不尽人意。

cv::Mat image = cv::imread("boldt.jpg");
cv::Mat reduced1(image.rows / 4, image.cols / 4, CV_8UC3);
for (int i = 0; i < reduced1.rows; i++)
{
    
    for (int j = 0; j < reduced1.cols; j++)
    {
    
        reduced1.at<cv::Vec3b>(i, j) = image.at<cv::Vec3b>(i * 4, j * 4);
    }
}
//将每个像素按原大小的四倍显示(使用最近点插值)
cv::resize(reduced1, reduced1, cv::Size(), 4, 4, cv::INTER_NEAREST);
cv::imshow("badly reduced", reduced1);

在本例中，先遍历保留四个像素中的一个，再通过cv::resize()函数放大。可以看出，图像的质量明显降低了，可以看到明显的锯齿变形，是由于空间假频造成的。

当试图在图像中包含高频成分而由于图像太小无法包含时，就会出现空间假频，解决办法是在缩小图像之前去除其高频成分，本例中使用了上一节的高斯滤波。

cv::Mat reduced2(image.rows / 4, image.cols / 4, CV_8UC3);
//首先使用高斯滤波去除高频成分
cv::GaussianBlur(image, image, cv::Size(11, 11), 2.0);
for (int i = 0; i < reduced2.rows; i++)
{
    
    for (int j = 0; j < reduced2.cols; j++)
    {
    
        reduced2.at<cv::Vec3b>(i, j) = image.at<cv::Vec3b>(i * 4, j * 4);
    }
}
//将每个像素按原大小的四倍显示(使用最近点插值)
cv::resize(reduced2, reduced2, cv::Size(), 4, 4, cv::INTER_NEAREST);
cv::imshow("reduced image", reduced2);

图像质量比直接去除像素要好很多，但也丢失了一些精致的细节。

另外，引出一个定理Nyquist-Shannon定理，即图像缩小一半，其可见的频率带宽也将减少一半。

cv::pyrDown实现图像缩减

OpenCV内置了cv::pyrDown函数实现了图像缩减，其原理是使用5*5的高斯滤波器，先对图像进行低通滤波再进行缩减（只能缩减到1/2）。

其参数分别为原图像、输出图像。

cv::Mat reduced3;
cv::pyrDown(image, reduced3);
cv::imshow("pyrdown", reduced3);

与此相反，还有一个cv::pyrUp函数可以实现图像尺寸的放大，原理是先在每两行/两列间插入像素值为0的像素，再对扩展后的图像应用5*5的高斯滤波器。

其参数分别为：原图像、输出图像。

cv::Mat enlarged;
cv::pyrUp(image, enlarged);
cv::imshow("pyrup", enlarged);

上述的两个内置函数只能实现两倍的缩减和放大，其实还有一个更通用的函数cv::resize，可以指定缩放后图像的尺寸。

cv::resize函数的使用

函数签名

CV_EXPORTS_W void resize( InputArray src, OutputArray dst,
                          Size dsize, double fx = 0, double fy = 0,
                          int interpolation = INTER_LINEAR );

• 参数分别为：原图像，输出图像，输出图像的大小，x方向放大系数，y方向放大系数，插值方法。
• 可以不指定输出图像的大小（指定为空cv::Size()），则必须指定x和y方向的放大系数，如为2就是放大两倍。
• 可以不指定放大系数（默认为0），则必须指定输出图像的大小。
• 此处的插值方法若不指定为双线性插值 cv::INTER_LINEAR ，可以结合多个邻近像素的值，效果较好。此外还有最邻近插值 cv::INTER_LINEAR ，会选区最近的像素点进行插值。