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概要

空间滤波器是数字图像处理中的基本工具之一。它通过在图像的每个像素位置上应用一个特定的滤波模板，根据该位置周围的相邻像素值进行加权操作，从而修改该像素的值。这种加权操作能够突出或模糊图像的特定特征，实现多种图像处理任务。

在降噪任务中，空间滤波器可以平均化局部像素值，减少图像中的噪声，使图像看起来更清晰。在边缘检测中，滤波器可以强调图像中的边缘，使其更加显著，便于后续分析。而在图像平滑任务中，空间滤波器则可以平滑图像中的过渡区域，使图像看起来更加连续和自然。

通过在不同的图像处理场景中灵活应用空间滤波器，可以有效改善图像质量，满足各种视觉需求。这些滤波器的设计和选择是图像处理领域的重要课题，能够帮助人们更好地理解和分析图像信息。

导入库

为了进行图像处理，我们通常需要导入一些必要的库

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from fractions import Fraction
from skimage.io import imread, imshow
from scipy.signal import convolve2d
from skimage.color import rgb2gray, gray2rgb

空间过滤器模板

空间滤波器模板是用于修改像素值的核心工具。在以下代码中，我们定义了五种常见的空间滤波器模板，分别是Horizontal Sobel Filter、Vertical Sobel Filter、Edge Detection、Sharpen和Box Blur。

def get_filters():# 定义滤波器模板kernel_hsf = np.array([[1, 2, 1],[0, 0, 0],[-1, -2, -1]])kernel_vsf = np.array([[1, 0, -1],[2, 0, -2],[1, 0, -1]])kernel_edge = np.array([[-1, -1, -1],[-1, 8, -1],[-1, -1, -1]])kernel_sharpen = np.array([[0, -1, 0],[-1, 5, -1],[0, -1, 0]])kernel_bblur = (1 / 9.0) * np.array([[1., 1., 1.],[1., 1., 1.],[1., 1., 1.]])kernels = {'Box Blur': kernel_bblur,'Sharpen': kernel_sharpen,'Horizontal Sobel Filter': kernel_hsf,'Vertical Sobel Filter': kernel_vsf,'Edge Detection': kernel_edge,}return kernels

展示效果

通过以上定义的滤波器模板，我们可以将它们应用于真实图像上，以获得不同的视觉效果。
将display_filters('dorm_lobby.png') 换成自己的图片即可

def display_filters(image_path):# 读取图像image = imread(image_path)[:,:,:3]    kernels = get_filters()# 创建包含子图的图像窗口fig, ax = plt.subplots(2, 3, figsize=(20, 15))ax[0, 0].imshow(rgb2gray(image[:,:,:3]), cmap='gray')ax[0, 0].set_title('Original Image', fontsize=20)ax[0, 0].set_xticks([])ax[0, 0].set_yticks([])for i, (name, kernel) in enumerate(kernels.items(), 1):row = i // 3col = i % 3ax[row, col].imshow(kernel, cmap='gray')ax[row, col].set_title(name, fontsize=30)for (j, k), val in np.ndenumerate(kernel):if val < 1:ax[row, col].text(k, j, str(Fraction(val).limit_denominator()), ha='center', va='center', color='red', fontsize=30)else:ax[row, col].text(k, j, str(val), ha='center', va='center', color='red', fontsize=30)plt.tight_layout()plt.show()# 展示滤波器效果
display_filters('dorm_lobby.png')

结果：

述代码中，通过函数get_filters()，我们定义了五种常见的空间滤波器模板，分别为Horizontal Sobel Filter, Vertical Sobel Filter, Edge Detection, Sharpen以及 Box Blur 。接着我们可以将这些滤波器应用于真实图像。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from fractions import Fraction
from skimage.io import imread, imshow# For Spatial Filters
from scipy.signal import convolve2d
from skimage.color import rgb2gray, gray2rgb
def get_filters():# Define Filters# Horizontal Sobel Filterkernel_hsf = np.array([[1, 2, 1],[0, 0, 0],[-1, -2, -1]])# Vertical Sobel Filterkernel_vsf = np.array([[1, 0, -1],[2, 0, -2],[1, 0, -1]])# Edge Detectionkernel_edge = np.array([[-1, -1, -1],[-1, 8, -1],[-1, -1, -1]])# Sharpenkernel_sharpen = np.array([[0, -1, 0],[-1, 5, -1],[0, -1, 0]])# Box Blurkernel_bblur = (1 / 9.0) * np.array([[1., 1., 1.],[1., 1., 1.],[1., 1., 1.]])# Define the kernelskernels = {'Box Blur': kernel_bblur,'Sharpen': kernel_sharpen,'Horizontal Sobel Filter': kernel_hsf,'Vertical Sobel Filter': kernel_vsf,'Edge Detection': kernel_edge,}return kernelsdef display_filters(image_path):# Read the imageimage = imread(image_path)[:, :, :3]kernels = get_filters()# Create a figure with subplots for each kernelfig, ax = plt.subplots(2, 3, figsize=(20, 15))ax[0, 0].imshow(rgb2gray(image[:, :, :3]), cmap='gray')ax[0, 0].set_title('Original Image', fontsize=20)ax[0, 0].set_xticks([])ax[0, 0].set_yticks([])# Loop over the keys and values in the kernels dictionaryfor i, (name, kernel) in enumerate(kernels.items(), 1):# Determine the subplot indexrow = i // 3col = i % 3# Plot the kernel on the appropriate subplotax[row, col].imshow(kernel, cmap='gray')ax[row, col].set_title(name, fontsize=30)# Loop over the cells in the kernelfor (j, k), val in np.ndenumerate(kernel):if val < 1:ax[row, col].text(k, j,str(Fraction(val).limit_denominator()),ha='center', va='center',color='red', fontsize=30)else:ax[row, col].text(k, j, str(val),ha='center', va='center',color='red', fontsize=30)# Show the plotplt.tight_layout()plt.show()def apply_selected_kernels(image_path, selected_kernels, plot_cols=3):# Define the kernelskernels = get_filters()# Check if the selected kernels are defined, if not raise an exceptionfor k in selected_kernels:if k not in kernels:raise ValueError(f"Kernel '{k}' not defined.")# Read the imageimage = imread(image_path)[:, :, :3]# Apply selected kernels to each color channel of the imageconv_rgb_images = {}for kernel_name in selected_kernels:kernel = kernels[kernel_name]transformed_channels = []for i in range(3):conv_image = convolve2d(image[:, :, i], kernel, 'valid')transformed_channels.append(abs(conv_image))conv_rgb_image = np.dstack(transformed_channels)conv_rgb_image = np.clip(conv_rgb_image, 0, 255).astype(np.uint8)conv_rgb_images[kernel_name] = conv_rgb_image# Display the original and convolved imagesfig, axs = plt.subplots(len(selected_kernels) + 1, plot_cols, figsize=(15, 10))axs[0, 0].imshow(image)axs[0, 0].set_title('Original Image')axs[0, 0].axis('off')for i, kernel_name in enumerate(selected_kernels, 1):axs[i, 0].imshow(conv_rgb_images[kernel_name])axs[i, 0].set_title(kernel_name)axs[i, 0].axis('off')# Hide remaining empty subplots, if anyfor i in range(len(selected_kernels) + 1, len(axs.flat)):axs.flatten()[i].axis('off')plt.tight_layout()plt.show()# 调用display_filters()函数来获取滤波器矩阵
# display_filters('dorm_lobby.png')# 调用apply_selected_kernels()函数，传入图像路径和希望应用的滤波器名称列表
apply_selected_kernels('dorm_lobby.png',['Edge Detection','Horizontal Sobel Filter','Vertical Sobel Filter'])

结果：

当然，我们可以通过以下代码查看其他几种模板的对应效果，代码如下：

# Visualize Edge Detection, Sharpen, and Box Blur
apply_selected_kernels('dog.png', ['Edge Detection','Sharpen', 'Box Blur'], plot_cols=2)

分析与总结

在图像处理中，空间滤波器的作用非常强大。不同的滤波器模板可以用于实现各种图像处理任务，例如边缘检测、图像锐化和模糊等。通过深入了解每种滤波器的特点和应用场景，我们可以更好地运用它们，释放创造力，探索图像处理的无限可能性。通过本文的介绍，希望读者对空间滤波器有了更加清晰的认识，能够在实际应用中灵活运用这些知识，创造出更加引人注目的图像效果。