第2章 Python 数字图像处理(DIP) --数字图像基础3 - 图像内插 - 最近邻内插 - 双线性插值 - 双三次内插 - 图像放大
目錄
- 圖像內(nèi)插
- 放大圖像
圖像內(nèi)插
內(nèi)插通常在圖像放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和幾何校正等任務(wù)中使用。內(nèi)插并用它來調(diào)整圖像的大小(縮小和放大),縮小和放大基本上采用圖像重取樣方法
最近鄰內(nèi)插,這種方法將原圖像中最近鄰的灰度賦給了每個(gè)新位置,這種方法簡(jiǎn)單,但會(huì)產(chǎn)生我們不想要的人為失真,如嚴(yán)重的直邊失真。更合適的方法是雙線性內(nèi)插,它使用4個(gè)最近鄰的灰度來計(jì)算給定位置的灰度。令(x,y)(x, y)(x,y)表示待賦灰度值的位置(可將它相像為前面描述的網(wǎng)格點(diǎn))的坐標(biāo),令v(x,y)v(x, y)v(x,y)表示灰度值。對(duì)于雙線性內(nèi)插方法,所賦的值由如下公式得到:
v(x,y)=ax+by+cxy+d(2.17)v(x, y) = ax + by + cxy + d \tag{2.17} v(x,y)=ax+by+cxy+d(2.17)
4 個(gè)系數(shù)可由點(diǎn)(x, y)的4個(gè)最近鄰點(diǎn)寫出的4個(gè)未知方程求出。雙線性內(nèi)插的結(jié)果要比最近鄰內(nèi)插的結(jié)果好得多,但計(jì)算量會(huì)隨之增大。
雙線性插值
又稱為雙線性內(nèi)挺。在數(shù)學(xué)上,雙線性插值是有兩個(gè)變量的插值函數(shù)的線性插值擴(kuò)展,其核心思想是在兩個(gè)方向分別進(jìn)行一次線性插值。
假設(shè)我們想得到未知函數(shù)f在點(diǎn)P=(x,y)f在點(diǎn) P=(x,y)f在點(diǎn)P=(x,y)的值,假設(shè)我們已知函數(shù)f在Q11=(x1,y1),Q12=(x1,y2),Q21=(x2,y1),Q22=(x2,y2)f在Q_{11} = (x_1, y_1),Q_{12}=(x_1, y_2), Q_{21} = (x_2, y_1),Q_{22} = (x_2, y_2)f在Q11?=(x1?,y1?),Q12?=(x1?,y2?),Q21?=(x2?,y1?),Q22?=(x2?,y2?)四個(gè)點(diǎn)的值。首先在x方向進(jìn)行線性插值,得到:
f(R1)≈x2?xx2?x1f(Q11)+x?x1x2?x1f(Q21),whereR1=(x,y1)f(R_1) \approx \frac{x_2 - x}{x_2 - x_1} f(Q_{11}) + \frac{x-x_1}{x_2 - x_1} f(Q_{21}), where R_1 = (x, y_1) f(R1?)≈x2??x1?x2??x?f(Q11?)+x2??x1?x?x1??f(Q21?),whereR1?=(x,y1?)
f(R2)≈x2?xx2?x1f(Q12)+x?x1x2?x1f(Q22),whereR2=(x,y2)f(R_2) \approx \frac{x_2 - x}{x_2 - x_1} f(Q_{12}) + \frac{x-x_1}{x_2 - x_1} f(Q_{22}), where R_2 = (x, y_2) f(R2?)≈x2??x1?x2??x?f(Q12?)+x2??x1?x?x1??f(Q22?),whereR2?=(x,y2?)
然后在y方向進(jìn)行線性插值,得到
f(P)≈y2?yy2?y1f(R1)+y?y1y2?y1f(R2)f(P) \approx \frac{y_2 - y}{y_2 - y_1} f(R_{1}) + \frac{y-y_1}{y_2 - y_1} f(R_{2})f(P)≈y2??y1?y2??y?f(R1?)+y2??y1?y?y1??f(R2?)
雙三次內(nèi)插
雙三次插值的目的就是通過找到一種關(guān)系,或者說系數(shù),可以把這16個(gè)像素對(duì)于P處像素值的影響因子找出來,從而根據(jù)這個(gè)影響因子來獲得目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值,達(dá)到圖像縮放的目的。
Bicubic基函數(shù)形式如下:
W(x)={(a+2)∣x∣3?(a+3)∣x∣2+1,∣x∣≤1a∣x∣3?5a∣x∣2+8a∣x∣?4a,1<∣x∣<20,otherwiseW(x) =\begin{cases} (a+2) |x|^3 - (a+3)|x|^2 + 1, & |x| \leq 1 \\a|x|^3 -5a|x|^2 + 8a|x| -4a, & 1 < |x| < 2 \\ 0, & \text{otherwise}\end{cases} W(x)=??????(a+2)∣x∣3?(a+3)∣x∣2+1,a∣x∣3?5a∣x∣2+8a∣x∣?4a,0,?∣x∣≤11<∣x∣<2otherwise?
a=?1a=-1a=?1
注 a=?0.5a=-0.5a=?0.5才能完美的實(shí)現(xiàn)內(nèi)插
插值計(jì)算公式:
∑i=03∑j=03aijxiyi\sum_{i=0}^3 \sum_{j=0}^3 a_{ij}x^iy^i i=0∑3?j=0∑3?aij?xiyi
放大圖像
def up_sample_2d(img):"""up sample 2d image, if your image is RGB, you could up sample each channel, then use np.dstack to merge a RGB imageparam: input img: it's a 2d gray imagereturn a 2x up sample image"""height, width = img.shape[:2]temp = np.zeros([height*2, width*2])temp[::2, ::2] = imgtemp[1::2, 1::2] = imgtemp[0::2, 1::2] = imgtemp[1::2, 0::2] = imgreturn temp # up sample image using Numpy img = np.random.random([12, 12]) up = up_sample_2d(img) down = np.zeros([12, 12]) down = up[::2, ::2] plt.figure(figsize=(15, 5)) plt.subplot(1,3,1), plt.imshow(img),# plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.subplot(1,3,2), plt.imshow(up),# plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.subplot(1,3,3), plt.imshow(down),# plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.show() # 等比2倍放大 img_ori = cv2.imread("DIP_Figures/DIP3E_Original_Images_CH06/Fig0638(a)(lenna_RGB).tif") img_ori = img_ori[:, :, ::-1]temp = [] for i in range(img_ori.shape[-1]):temp.append(up_sample_2d(img_ori[:, :, i])) up1 = np.uint8(np.dstack(temp))temp = [] for i in range(up1.shape[-1]):temp.append(up_sample_2d(up1[:, :, i])) up2 = np.uint8(np.dstack(temp))plt.figure(figsize=(21, 7)) plt.subplot(1,3,1), plt.imshow(img_ori), plt.title("Original"),# plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.subplot(1,3,2), plt.imshow(up1), plt.title("2X"),# plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.subplot(1,3,3), plt.imshow(up2), plt.title("4X"),# plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.tight_layout() plt.show()總結(jié)
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