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  • 经典的变分法图像去噪的C++实现

    由于这学期的图像处理课程的大作业需要写一个图像处理程序,不能使用古典的线性滤波,或者基于频域(小波)或者基于统计之类的方法。只能用老师讲过的一些方法,诸如变分,PDE,微分几何等。。感觉上简单的变分法稍微要好实现一些,就打算基于最早的TV图像去噪模型,做一个VC的实现。但是找遍了网上也没有TV去噪的C++源码,与之只好自己动手写了。

    关于变分法和泛函分析的一些基础原理今天就先不多说了,TV图像去噪经典论文:《Nonlinear Total Variation based noise removal algorithms》Google上可以搜得到。

    关于Matlab的程序实现,有一个经典的主页: http://visl.technion.ac.il/~gilboa/PDE-filt/tv_denoising.html

    下面是一个Matlab代码实现:复制到记事本用matlab打开就可以运行,要注意图像的名称和路径要对应。如果只是想学学算法思路或者看看处理效果的话,只需要Matlab的代码就行了。

    function J=tv(I,iter,dt,ep,lam,I0,C)
    %% Private function: tv (by Guy Gilboa).
    %% Total Variation denoising.
    %% Example: J=tv(I,iter,dt,ep,lam,I0)
    %% Input: I    - image (double array gray level 1-256),
    %%        iter - num of iterations,
    %%        dt   - time step [0.2],
    %%        ep   - epsilon (of gradient regularization) [1],
    %%        lam  - fidelity term lambda [0],
    %%        I0   - input (noisy) image [I0=I]
    %%       (default values are in [])
    %% Output: evolved image

    clc
    clear
    I
    =imread('grids.bmp'); % load image
    = double(I);

    if ~exist('ep')
       ep
    =1;
    end
    if ~exist('dt')
       dt
    =ep/5;  % dt below the CFL bound
    end
    if ~exist('lam')
       lam
    =0;
    end
    if ~exist('I0')
        I0
    =I;
    end
    if ~exist('C')
        C
    =0;
    end
    [ny,nx]
    =size(I); ep2=ep^2;

    % params
    iter
    =80

    for i=1:iter,  %% do iterations
       
    % estimate derivatives
       I_x 
    = (I(:,[2:nx nx])-I(:,[1 1:nx-1]))/2;
        I_y 
    = (I([2:ny ny],:)-I([1 1:ny-1],:))/2;
        I_xx 
    = I(:,[2:nx nx])+I(:,[1 1:nx-1])-2*I;
        I_yy 
    = I([2:ny ny],:)+I([1 1:ny-1],:)-2*I;
        Dp 
    = I([2:ny ny],[2:nx nx])+I([1 1:ny-1],[1 1:nx-1]);
        Dm 
    = I([1 1:ny-1],[2:nx nx])+I([2:ny ny],[1 1:nx-1]);
        I_xy 
    = (Dp-Dm)/4;
       
    % compute flow
       Num 
    = I_xx.*(ep2+I_y.^2)-2*I_x.*I_y.*I_xy+I_yy.*(ep2+I_x.^2);
       Den 
    = (ep2+I_x.^2+I_y.^2).^(3/2);
       I_t 
    = Num./Den + lam.*(I0-I+C);
       I
    =I+dt*I_t;  %% evolve image by dt
    end 
    % for i

    %% return image
    %J=I*Imean/mean(mean(I)); % normalize to original mean
    J
    =I;

    figure(
    1); imshow(uint8(I0)); title('Noisy image');
    % denoise image by using tv for some iterations
    figure(
    2); imshow(uint8(J)); title('Denoised image');

    另外我在我的图像处理框架程序里实现了这个最经典版本的TV去噪算法,核心代码如下:

    //TV去噪函数
    bool MyCxImage::TVDenoising(int iter /* = 80 */)
    {
        
    if(my_image == NULL) return false;
        
    if(!my_image->IsValid()) return false;
        
    //算法目前不支持彩色图像,所以对于彩图,先要转换成灰度图。
        if(!my_image->IsGrayScale())
        {
            my_image
    ->GrayScale();
            
    //return false;
        }

        
    //基本参数,这里由于设置矩阵C为0矩阵,不参与运算,所以就忽略之
        int ep = 1, nx = width, ny = height;
        
    double dt = (double)ep/5.0f, lam = 0.0;
        
    int ep2 = ep*ep;

        
    double** image = newDoubleMatrix(nx, ny);
        
    double** image0 = newDoubleMatrix(nx, ny);
        
    //注意一点是CxImage里面图像存储的坐标原点是左下角,Matlab里面图像时左上角原点
        for (int i = 0; i < ny; i++)
        {
            
    for (int j = 0; j < nx; j++)
            {
                image0[i][j] 
    = image[i][j]  = my_image->GetPixelIndex(j, ny-i-1);
            }
        }

        
    double** image_x = newDoubleMatrix(nx, ny);   //I_x = ( I(:,[2:nx nx]) - I(:,[1 1:nx-1]))/2;
        double** image_xx = newDoubleMatrix(nx, ny);   //I_xx = I(:,[2:nx nx])+I(:,[1 1:nx-1])-2*I;
        double** image_y = newDoubleMatrix(nx, ny);   //I_y = (I([2:ny ny],:)-I([1 1:ny-1],:))/2;
        double** image_yy = newDoubleMatrix(nx, ny);   //I_yy = I([2:ny ny],:)+I([1 1:ny-1],:)-2*I;
        double** image_tmp1 = newDoubleMatrix(nx, ny);
        
    double** image_tmp2 = newDoubleMatrix(nx, ny);

        
    double** image_dp = newDoubleMatrix(nx, ny);   //Dp = I([2:ny ny],[2:nx nx])+I([1 1:ny-1],[1 1:nx-1

        
    double** image_dm = newDoubleMatrix(nx, ny);   //Dm = I([1 1:ny-1],[2:nx nx])+I([2:ny ny],[1 1:nx-1]);

        
    double** image_xy = newDoubleMatrix(nx, ny);   //I_xy = (Dp-Dm)/4;

        
    double** image_num = newDoubleMatrix(nx, ny);   //Num = I_xx.*(ep2+I_y.^2)-2*I_x.*I_y.*I_xy+I_yy.*(ep2+I_x.^2);
        double** image_den = newDoubleMatrix(nx, ny);   //Den = (ep2+I_x.^2+I_y.^2).^(3/2);

        
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
        //对image进行迭代iter次
        iter = 80;
        
    for (int t = 1; t <= iter; t++)
        {
            
    //进度条
            my_image->SetProgress((long)100*t/iter);
            
    if (my_image->GetEscape())
                
    break;
            
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
            //计算I(:,[2:nx nx])和I(:,[1 1:nx-1])
            
    //公共部分2到nx-1列
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx-1; j++)
                {
                    image_tmp1[i][j] 
    = image[i][j+1];
                    image_tmp2[i][j
    +1= image[i][j];
                }
            }
            
    for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                image_tmp1[i][nx
    -1= image[i][nx-1];
                image_tmp2[i][
    0= image[i][0];
            }

            
    //计算I_x, I_xx
            
    // I_x = ( I(:,[2:nx nx]) - I(:,[1 1:nx-1]))/2
            
    //I_xx = I(:,[2:nx nx])+I(:,[1 1:nx-1])-2*I;
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_x[i][j] 
    = (image_tmp1[i][j] - image_tmp2[i][j])/2;
                    image_xx[i][j] 
    = (image_tmp1[i][j] + image_tmp2[i][j]) - 2*image[i][j];
                }
            }

            
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
            //计算I([2:ny ny],:)和I([1 1:ny-1],:)
            
    //公共部分2到ny-1行
            for (int i = 0; i < ny-1; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_tmp1[i][j] 
    = image[i+1][j];
                    image_tmp2[i
    +1][j] = image[i][j];
                }
            }
            
    for (int j = 0; j < nx; j++)
            {
                image_tmp1[ny
    -1][j] = image[ny-1][j];
                image_tmp2[
    0][j] = image[0][j];
            }
            
    //计算I_xx, I_yy
            
    // I_y = I([2:ny ny],:)-I([1 1:ny-1],:)
            
    //I_yy = I([2:ny ny],:)+I([1 1:ny-1],:)-2*I;
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_y[i][j] 
    = (image_tmp1[i][j] - image_tmp2[i][j])/2;
                    image_yy[i][j] 
    = (image_tmp1[i][j] + image_tmp2[i][j]) - 2*image[i][j];
                }
            }

            
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
            //计算I([2:ny ny],[2:nx nx])和I([1 1:ny-1],[1 1:nx-1])
            
    //公共部分分别是矩阵右下角,左上角的ny-1行和nx-1列
            for (int i = 0; i < ny-1; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx-1; j++)
                {
                    image_tmp1[i][j] 
    = image[i+1][j+1];
                    image_tmp2[i
    +1][j+1= image[i][j];
                }
            }
            
    for (int i = 0; i < ny-1; i++)
            {
                image_tmp1[i][nx
    -1= image[i+1][nx-1];
                image_tmp2[i
    +1][0= image[i][0];
            }
            
    for (int j = 0; j < nx-1; j++)
            {
                image_tmp1[ny
    -1][j] = image[ny-1][j+1];
                image_tmp2[
    0][j+1= image[0][j];
            }
            image_tmp1[ny
    -1][nx-1= image[ny-1][nx-1];
            image_tmp2[
    0][0= image[0][0];
            
    //计算Dp = I([2:ny ny],[2:nx nx])+I([1 1:ny-1],[1 1:nx-1]);
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_dp[i][j] 
    = image_tmp1[i][j] + image_tmp2[i][j];
                }
            }

            
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
            //计算I([1 1:ny-1],[2:nx nx])和I([2:ny ny],[1 1:nx-1])
            
    //公共部分分别是矩阵左下角,右上角的ny-1行和nx-1列
            for (int i = 0; i < ny-1; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx-1; j++)
                {
                    image_tmp1[i
    +1][j] = image[i][j+1];
                    image_tmp2[i][j
    +1= image[i+1][j];
                }
            }
            
    for (int i = 0; i < ny-1; i++)
            {
                image_tmp1[i
    +1][nx-1= image[i][nx-1];
                image_tmp2[i][
    0= image[i+1][0];
            }
            
    for (int j = 0; j < nx-1; j++)
            {
                image_tmp1[
    0][j] = image[0][j+1];
                image_tmp2[ny
    -1][j+1= image[ny-1][j];
            }
            image_tmp1[
    0][nx-1= image[0][nx-1];
            image_tmp2[ny
    -1][0= image[ny-1][0];

            
    //计算Dm = I([1 1:ny-1],[2:nx nx])+I([2:ny ny],[1 1:nx-1]);
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_dm[i][j] 
    = image_tmp1[i][j] + image_tmp2[i][j];
                }
            }

            
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
            //计算I_xy = (Dp-Dm)/4;
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_xy[i][j] 
    = (image_dp[i][j] - image_dm[i][j])/4;
                }
            }

            
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
            //计算过程:

            
    //计算Num = I_xx.*(ep2+I_y.^2)-2*I_x.*I_y.*I_xy+I_yy.*(ep2+I_x.^2) 和 Den = (ep2+I_x.^2+I_y.^2).^(3/2);
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image_num[i][j] 
    = image_xx[i][j]*(image_y[i][j]*image_y[i][j] + ep2) 
                        
    - 2*image_x[i][j]*image_y[i][j]*image_xy[i][j] + image_yy[i][j]*(image_x[i][j]*image_x[i][j] + ep2);

                    image_den[i][j] 
    = pow((image_x[i][j]*image_x[i][j] + image_y[i][j]*image_y[i][j] + ep2), 1.5);
                }
            }

            
    //计算I: I_t = Num./Den + lam.*(I0-I+C); I=I+dt*I_t;  %% evolve image by dt
            for (int i = 0; i < ny; i++)
            {
                
    for (int j = 0; j < nx; j++)
                {
                    image[i][j] 
    += dt*(image_num[i][j]/image_den[i][j] + lam*(image0[i][j] - image[i][j]));
                }
            }
        }
        
    //迭代结束
        
        
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
        //赋值图像
        BYTE tmp;
        
    for (int i = 0; i < ny; i++)
        {
            
    for (int j = 0; j < nx; j++)
            {
                tmp 
    = (BYTE)image[i][j];
                tmp 
    = max(0, min(tmp, 255));
                my_image
    ->SetPixelIndex(j, ny-i-1, tmp);
            }
        }

        
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
        //删除内存
        deleteDoubleMatrix(image_x, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_y, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_xx, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_yy, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_tmp1, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_tmp2, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_dp, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_dm, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_xy, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_num, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image_den, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image0, nx, ny);
        deleteDoubleMatrix(image, nx, ny);

        
    return true;
    }
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    //开辟二维数组函数
    double** MyCxImage::newDoubleMatrix(int nx, int ny)
    {
        
    double** matrix = new double*[ny];

        
    for(int i = 0; i < ny; i++)
        {
            matrix[i] 
    = new double[nx];
        }
        
    if(!matrix)
            
    return NULL;
        
    return
            matrix;
    }
    //清除二维数组内存函数
    bool MyCxImage::deleteDoubleMatrix(double** matrix, int nx, int ny)
    {
        
    if (!matrix)
        {
            
    return true;
        }
        
    for (int i = 0; i < ny; i++)
        {
            
    if (matrix[i])
            {
                delete[] matrix[i];
            }
        }
        delete[] matrix;

        
    return true;
    }
    //////////////////////////////////////////////////////////////////////////

    这个代码单独显然是无法运行的,因为还要涉及底层的图像处理的类库,图像的读取显示我用了CxIamge类,而程序界面我是用的MFC的框架。不过代码基本一直都是在做矩阵运算,如果要是能有一个比较好的矩阵运算类库的话,代码会简介许多,效率也会高一些。总体上C++代码还是要比Matlab效率高许多的。

    关于变分法的算法原理和基本思想,我这两天再读一些论文在做总结。。


    Email:lichao@icst.pku.edu.cn

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