Gabor滤波器的生成
gabor变换提取纹理特征
gabor变换提取纹理特征Gabor变换是一种在图像处理领域中常用的技术,用于提取图像中的纹理特征。
它是由匈牙利物理学家Dennis Gabor在1946年提出的,因此得名。
Gabor变换基于Gabor滤波器,该滤波器的主要特点是可以在不同的尺度和方向上对图像进行滤波。
这是因为Gabor滤波器是基于高斯函数和复指数函数的乘积而形成的。
高斯函数用于控制滤波器在空间域的尺度,复指数函数用于控制滤波器在频率域的方向。
Gabor变换的步骤如下:1.对图像进行预处理,如灰度化和归一化,以确保所有像素的像素值落在0到1之间。
2. 选择一组不同尺度和方向的Gabor滤波器,每个滤波器对图像进行滤波得到一组过滤器响应。
3.将每个过滤器响应的幅度谱和相位谱提取出来。
幅度谱表示了图像中不同尺度和方向的纹理特征,而相位谱则表示了纹理的相对位置和定向。
4.经过幅度和相位谱提取之后,可以对它们进行相应的特征提取方法,如统计特征、频域特征或空间域特征。
5.将特征提取的结果进行分类或其他后续处理。
Gabor变换的优点在于它可以在多个尺度和方向上对图像进行特征提取,从而能够更好地捕捉到图像中的纹理特征。
此外,Gabor滤波器具有很好的局部性,可以对局部纹理特征进行更准确的提取。
Gabor变换在许多图像处理任务中广泛应用。
例如,在图像检索和识别中,可以使用Gabor变换提取图像的纹理特征,然后使用这些特征进行匹配和分类。
此外,Gabor变换还可以用于纹理合成、图像增强和图像分割等方面。
但是,Gabor变换也存在一些缺点。
首先,由于其计算复杂度较高,因此在处理大规模图像时可能会面临计算效率的问题。
其次,Gabor变换对图像中的噪声和变形比较敏感,可能导致提取到的特征受到噪声和变形的影响。
总的来说,Gabor变换作为一种纹理特征提取的方法,具有很大的潜力和广泛的应用。
通过使用多尺度和多方向的滤波器,它能够有效地提取图像中的纹理特征,从而可以在许多图像处理任务中发挥重要作用。
Gabor滤波小结整理
Gabor滤波小结整理看到两文章摘抄之后整理得到:一、Gabor 滤波器简介(部分资料来自维基百科)在图像处理、模式识别以及计算机视觉等领域中,,Gabor 滤波器得到了广泛的应用。
Gabor滤波器是一个用于边缘检测的线性滤波器。
Gabor滤波器的频率和方向表示接近人类视觉系统对于频率和方向的表示,并且它们常备用于纹理表示和描述。
在空域,一个2维的Gabor滤波器是一个正弦平面波和高斯核函数的乘积,具有在空间域和频率域同时取得最优局部化的特性,与人类生物视觉特性很相似,因此能够很好地描述对应于空间频率(尺度)、空间位置及方向选择性的局部结构信息。
Gabor滤波器是自相似的,也就是说,所有Gabor滤波器都可以从一个母小波经过膨胀和旋转产生。
实际应用中,Gabor滤波器可以在频域的不同尺度,不同方向上提取相关特征。
Gabor变换是一种短时傅里叶变换方法,其实质是在傅里叶变换中加入一个窗函数,通过窗函数来实现信号的时频分析。
当选取高斯函数作为窗函数时,短时傅里叶变换称为Gabor变换。
二、Gabor滤波器公式化定义公式中:λ:正弦函数波长;θ:Gabor核函数的方向ψ:相位偏移σ:高斯函数的标准差γ:空间的宽高比(这个没太理解)常用的偶对称二维Gabor滤波器可表示为: 1.不同方向下的Gabor滤波器:图1 不同方向上的滤波器在实际应用时,可以根据检测对象的方向趋势,选择合适的方向参数进行滤波。
如在检测人脸的五官时,可以根据人脸的偏转角度进行滤波,可以使特征点的定位更加准确。
2.不同频率下的滤波器:图2 不同频率下的滤波器从图2可以看出随着的变化,Gabor滤波器中出现了很多宽窄与纹理不同的明暗条纹。
当滤波器纹理与图像作用时,滤波器覆盖下的局部纹理频率与滤波器的频率越接近响应就越大,反之越小。
3.人脸光照之Gabor滤波试验结果:在“人脸光照调整之DCT变换”随笔中,原始图像经过DCT变换处理后,并不能完全去除光照在人脸上分布不均的影响,而且人脸的本真信息也难以被全部表达。
Gabor特征分解与图像滤波
Gabor特征分解与图像滤波Gabor特征分解与图像滤波Gabor特征分解是一种用于图像处理的技术,它通过将图像分解为多个不同方向和尺度的Gabor滤波器响应来提取图像中的特征。
下面是一步一步的思路来解释Gabor特征分解与图像滤波的过程。
第一步是理解Gabor滤波器的原理。
Gabor滤波器是一种基于Gabor函数的滤波器,它在空间域和频率域中都具有良好的局部化性质。
Gabor函数是一个复数函数,它在空间域中表示为一个二维高斯函数与一个余弦函数的乘积,频率域中则表示为一个带通滤波器。
Gabor滤波器可以用于提取图像中的边缘、纹理和角点等特征。
第二步是选择Gabor滤波器的参数。
Gabor滤波器有两个重要的参数,即方向和尺度。
方向参数决定了滤波器的方向性,可以选择不同的角度来检测图像中的不同方向的特征。
尺度参数决定了滤波器的尺度大小,可以选择不同的尺度来检测图像中的不同尺度的特征。
根据具体的应用需求,可以选择合适的参数。
第三步是对图像进行Gabor滤波器响应计算。
对于每个选择的方向和尺度,需要在图像上应用对应的Gabor滤波器来计算滤波器的响应。
这可以通过卷积操作来实现,即将Gabor滤波器与图像进行卷积运算。
卷积运算会产生一个新的图像,其中每个像素表示原始图像在对应方向和尺度上的响应强度。
第四步是对Gabor滤波器响应进行特征提取。
由于计算得到的图像中包含了大量的信息,需要对其进行特征提取来减少数据的维度并保留关键的信息。
常用的特征提取方法包括统计特征、能量特征和频谱特征等。
这些特征可以用于后续的分类、目标检测或图像识别等任务。
第五步是应用Gabor特征分解与图像滤波的结果。
通过Gabor特征分解与图像滤波,我们可以得到图像中不同方向和尺度的特征响应。
这些特征可以用于各种图像处理任务,例如人脸识别、纹理分析和图像检索等。
通过将不同方向和尺度的特征组合起来,可以更全面地描述图像中的特征信息,提高图像处理的性能。
Gabor滤波原理和matlab实现
Gabor滤波原理和matlab实现1. 傅⾥叶变换的缺点傅⾥叶变换的公式为从公式中可以看出,傅⾥叶变换对信号在整个时域做了积分处理,因此其结果对时域信号在整个时间轴上进⾏了信息平均。
这对于平稳信号来说是可⾏的,然⽽对于在时间上具有显著变化的⾮平稳信号来说,这样的做法显然不能满⾜我们对信号进⾏精确分析的要求。
我们希望将信号分解到不同频率成分上来研究组成该信号的各频率成分的含量的同时,也能看到在信号的时变过程中,到底在哪⼀个时间段某⼀频率成分含量较多。
(摘⾃)2. Gabor变换Gabor变换是D.Gabor 1946年提出的。
为了由信号的傅⾥叶变换提取局部信息,引⼊了时间局部化的窗函数,得到了窗⼝傅⾥叶变换。
由于窗⼝傅⾥叶变换只依赖于部分时间的信号,所以,现在窗⼝傅⾥叶变换⼜称为短时傅⾥叶变换。
Gabor变换的基本思想:把信号划分成许多⼩的时间间隔,⽤傅⾥叶变换分析每⼀个时间间隔,以便确定信号在该时间间隔存在的频率。
其处理⽅法是对 f(t)加⼀个滑动窗,再作傅⾥叶变换。
Gabor变换所⽤的窗⼝函数是⾼斯函数,⼆维Gabor变换公式为(摘⾃)参数含义:λ:正弦函数波长,它的值以像素为单位指定,通常⼤于等于2,但不能⼤于输⼊图像尺⼨的1/5.θ:Gabor核函数(滤波器)的⽅向,这个参数指定了Gabor函数并⾏条纹的⽅向,他的取值为0到360度ψ:相位偏移,调谐函数的相位偏移,取值-180到180。
σ:带宽,⾼斯函数的标准差,通常取2πγ:空间的宽⾼⽐,决定了Gabor函数形状的椭圆率,当γ=1时,形状是圆的,当γ<1时,形状随着平⾏条纹⽅向⽽拉长。
通常该值为0.5在特征提取⽅⾯,Gabor⼩波变换与其它⽅法相⽐:⼀⽅⾯其处理的数据量较少,能满⾜系统的实时性要求;另⼀⽅⾯,⼩波变换对光照变化不敏感,且能容忍⼀定程度的图像旋转和变形,当采⽤基于欧⽒距离进⾏识别时,特征模式与待测特征不需要严格的对应,故能提⾼系统的鲁棒性。
gabor滤波器案例
gabor滤波器案例Gabor滤波器是一种用于图像处理和分析的重要工具,它可以用来提取图像的纹理特征和边缘信息。
下面将介绍Gabor滤波器的原理、应用和一些案例。
1. Gabor滤波器的原理Gabor滤波器是基于Gabor小波函数的一种滤波器,它可以将图像分解成不同频率和方向的子频带。
Gabor小波函数是一种平滑且局部化的振荡函数,它在频域和空域上都具有良好的局部特性。
Gabor 滤波器通过在不同尺度和方向上对输入图像进行卷积来提取图像的纹理特征和边缘信息。
2. Gabor滤波器的应用Gabor滤波器在图像处理和分析中有广泛的应用,例如人脸识别、纹理分析、目标检测等领域。
由于Gabor滤波器在不同尺度和方向上具有良好的频率选择性和方向选择性,它能够在提取图像特征时保持较好的不变性和鲁棒性。
3. Gabor滤波器的案例(1) 人脸识别:Gabor滤波器可以用来提取人脸图像的纹理特征,通过将人脸图像分解成不同尺度和方向的子频带,然后提取每个子频带的局部纹理特征,最后将这些特征用于人脸识别任务。
(2) 纹理分析:Gabor滤波器可以用来分析图像中的纹理信息,通过提取图像中不同尺度和方向上的纹理特征,可以实现对纹理的描述和分类,从而用于纹理分析和识别任务。
(3) 目标检测:Gabor滤波器可以用来检测图像中的边缘和纹理信息,通过在不同尺度和方向上对图像进行卷积,可以得到图像的纹理特征图,然后通过对这些特征图进行分析和处理,可以实现目标的检测和定位。
(4) 图像增强:Gabor滤波器可以用来增强图像的纹理信息,通过对图像进行Gabor滤波,可以增强图像中的纹理细节,使图像更加清晰和有结构感。
(5) 文字识别:Gabor滤波器可以用来提取图像中的文字纹理特征,通过将图像分解成不同尺度和方向的子频带,然后提取每个子频带的局部纹理特征,最后将这些特征用于文字识别任务。
(6) 图像压缩:Gabor滤波器可以用来压缩图像的纹理信息,通过对图像进行Gabor变换,可以将图像的纹理信息表示为一组系数,然后可以对这些系数进行压缩和编码,从而实现图像的压缩。
gabor滤波器原理
gabor滤波器原理Gabor滤波器原理是一种数学模型,可以用于信号处理、图像处理、语音识别等领域,具有一定的理论和实际应用价值。
下面将分步骤阐述Gabor滤波器的原理。
一、基本概念Gabor滤波器是基于Gabor函数进行的信号处理技术。
Gabor函数是指具有一定带宽和频率的平面波,是一种复杂的振铃函数,通常可以表示为:g(t) = e^(-πt^2/w^2) * cos(2πft + φ)其中,t为时间变量,w为带宽参数,f为频率参数,φ为相位参数,*为卷积运算符。
二、滤波器设计Gabor滤波器的设计过程通常需要以下步骤:1.选择合适的Gabor函数形式和参数,如带宽、频率和相位等。
2.将Gabor函数与信号进行卷积运算,得到滤波器输出信号。
3.对滤波器输出信号进行适当的后处理,如幅度调整、归一化、噪声滤除等。
4.根据实际应用需要,对滤波器参数进行调整和优化,以达到更好的性能和效果。
三、应用实例Gabor滤波器在图像处理中的应用十分广泛,通常用于纹理分析、边缘检测、目标识别等领域。
例如,在纹理分析中,可以使用Gabor滤波器来提取纹理特征,即将图像分解为多个频率和方向的小波信号,然后对每个小波信号进行统计分析得到纹理特征参数。
在边缘检测中,可以使用Gabor滤波器来寻找不同方向和大小的边缘,即将图像分解为多个方向和频率的Gabor小波信号,然后在频率和相位信息中寻找边缘。
在目标识别中,可以使用Gabor滤波器来提取物体的纹理、形状和轮廓等特征,通过比较不同的特征来识别不同的目标。
四、总结Gabor滤波器原理可以帮助我们理解信号处理和图像处理的基本原理和应用方法,具有广泛的理论和实际应用价值。
在实际应用中,我们需要根据具体情况选择合适的Gabor函数形式和参数,进行适当的滤波器设计和参数调整,以达到更好的性能和效果。
gabor滤波特征
gabor滤波特征Gabor滤波特征是一种在计算机视觉领域常用的特征提取方法。
它通过模拟人类视觉系统的工作原理,能够有效地捕捉图像的纹理和边缘信息,具有很高的鲁棒性和表达能力。
Gabor滤波特征是基于Gabor小波函数的一种特征提取方法。
Gabor 小波函数是由Gabor在1946年提出的,它是一种可以同时描述时域和频域的数学函数。
Gabor小波函数具有频率选择性,能够在不同的频率上对图像进行滤波,从而提取出不同频率的纹理信息。
此外,Gabor小波函数还具有方向选择性,能够对图像中的边缘进行检测。
在计算机视觉中,Gabor滤波特征通常用于纹理分析和目标识别。
它可以在不同的尺度和方向上对图像进行滤波,从而得到一组具有不同频率和方向的特征响应图像。
这些特征响应图像可以用来描述图像的纹理和边缘信息,从而实现对图像的分析和识别。
Gabor滤波特征的提取过程包括以下几个步骤。
需要选择合适的Gabor小波函数。
Gabor小波函数有两个重要的参数,分别是频率和方向。
频率决定了小波函数的周期性,而方向决定了小波函数的方向选择性。
选择合适的频率和方向可以使得Gabor滤波器具有更好的性能。
然后,需要对图像进行滤波。
滤波过程就是将选择好的Gabor小波函数应用到图像上,得到一组特征响应图像。
在滤波过程中,可以使用卷积操作来实现Gabor滤波。
卷积操作将Gabor小波函数和图像进行卷积运算,得到特征响应图像。
接下来,需要对特征响应图像进行进一步处理。
通常情况下,可以使用非线性函数对特征响应图像进行增强。
常用的非线性函数有sigmoid函数和ReLU函数等。
增强后的特征响应图像能够更好地表达图像的纹理和边缘信息。
可以将提取到的Gabor滤波特征用于图像分类和目标识别任务。
可以使用机器学习算法来训练分类器,从而实现对图像的自动分类和识别。
总结起来,Gabor滤波特征是一种基于Gabor小波函数的特征提取方法。
它通过模拟人类视觉系统的工作原理,能够有效地捕捉图像的纹理和边缘信息。
人脸识别考勤系统的算法与原理
人脸识别考勤系统的算法与原理随着科技的不断进步,人脸识别技术得到了广泛应用,其中之一就是人脸识别考勤系统。
这种系统利用人脸识别算法和相关的原理,能够自动识别员工的脸部特征,实现考勤的自动化和智能化管理。
本文将介绍人脸识别考勤系统的算法与原理。
一、人脸识别算法人脸识别算法是人脸识别考勤系统的核心部分,它通过对人脸图像的处理和分析,来判断人脸的身份。
常用的人脸识别算法有以下几种:1. 特征脸算法:特征脸算法是一种基于统计模型的算法,它通过计算人脸图像的主要特征向量,来进行人脸识别。
该算法的原理是将人脸图像转换为低维度的特征向量,然后通过比较特征向量的差异来判断身份。
2. 子空间算法:子空间算法是一种基于线性代数的算法,它通过将人脸图像投影到一个低维度的子空间中,来进行人脸识别。
该算法的原理是将人脸图像映射到子空间中的坐标,然后通过比较坐标的差异来判断身份。
3. Gabor滤波器算法:Gabor滤波器算法是一种基于频域分析的算法,它通过对人脸图像进行Gabor滤波器的处理,来提取人脸的纹理特征,从而进行人脸识别。
该算法的原理是利用Gabor滤波器对人脸图像进行多尺度、多方向的滤波,然后通过比较滤波结果的相似性来判断身份。
4. 深度学习算法:深度学习算法是一种基于神经网络的算法,它通过多层神经网络的训练,来提取人脸图像的高级特征,从而进行人脸识别。
该算法的原理是通过多层神经网络的前向传播和反向传播,来学习人脸图像的特征表示,然后通过比较特征表示的相似性来判断身份。
二、人脸识别原理人脸识别系统的原理是基于人脸的独特性和稳定性。
每个人的脸部特征都是独一无二的,而且相对稳定,不会因为年龄的增长或者其他因素的变化而改变太大。
因此,通过对人脸的特征进行提取和比对,可以实现对人脸的识别。
人脸识别系统的工作流程如下:1. 数据采集:首先,需要采集一组人脸图像作为样本,这些图像包括正常情况下的人脸图像和不同角度、表情、光照条件下的人脸图像。
Gabor滤波器
/jinshengtao/article/details/17797 641Gabor滤波器学习2014-01-03 21:19 10135人阅读评论(12) 收藏举报图像处理gabor滤波本文的目的是用C实现生成Gabor模版,并对图像卷积。
并简单提一下,Gabor滤波器在纹理特征提取上的应用。
一、什么是Gabor函数(以下内容含部分翻译自维基百科)在图像处理中,Gabor函数是一个用于边缘提取的线性滤波器。
Gabor滤波器的频率和方向表达同人类视觉系统类似。
研究发现,Gabor滤波器十分适合纹理表达和分离。
在空间域中,一个二维Gabor滤波器是一个由正弦平面波调制的高斯核函数。
还有,生物学实验发现,Gabor滤波器可以很好地近似单细胞的感受野函数(光强刺激下的传递函数),什么视皮层内的超柱,bla...bla,总之是这方面仿生的数学模型。
另外,网上有一种说法,gabor分为实部和虚部,用实部进行滤波后图像会平滑;虚部滤波后用来检测边缘。
【来自百度知道某个大神的回答】,我查了文献,发现的确有人用Gabor的奇函数部分做边缘提取(《基于Gabor滤波器的边缘检测算法》无线电工程2000年第3卷第30期)。
另外,从我的实验结果也有类似的发现。
暂且认为这个对的吧。
Gabor滤波器的脉冲响应,可以定义为一个正弦波(对于二维Gabor滤波器是正弦平面波)乘以高斯函数。
由于乘法卷积性质,Gabor滤波器的脉冲响应的傅立叶变换是其调和函数的傅立叶变换和高斯函数傅立叶变换的卷积。
该滤波器由实部和虚部组成,二者相互正交。
一组不同频率不同方向的Gabor函数数组对于图像特征提取非常有用。
下面给出二维Gabor函数的数学表达:复数表达:实数部分:虚数部分:其中:和下面介绍公式中各个参数的含义,及参数如何配置问题【都从老外那翻译来的】:波长(λ):它的值以像素为单位指定,通常大于等于2.但不能大于输入图像尺寸的五分之一。
在Matlab中进行图像特征提取的基本方法与应用
在Matlab中进行图像特征提取的基本方法与应用图像特征提取是计算机视觉领域的重要研究方向,它能够将图像中的特征信息提取出来,为后续的图像分析和识别任务提供基础。
Matlab作为一种功能强大的数学计算软件,提供了丰富的图像处理工具和算法库,使得图像特征提取变得更加便捷和高效。
本文将介绍在Matlab中进行图像特征提取的基本方法与应用。
一、灰度图像特征提取方法灰度图像特征提取是图像处理中最基本的一种方法,通过对图像的像素值进行统计和分析,得到图像的特征向量。
其中常用的特征提取方法包括灰度直方图、灰度共生矩阵和灰度梯度。
1. 灰度直方图灰度直方图是描述图像像素值分布的一种统计方法,它将图像中各个像素值的个数或占比可视化为直方图。
在Matlab中,可以使用imhist函数计算灰度直方图,并使用bar函数绘制直方图。
2. 灰度共生矩阵灰度共生矩阵是描述图像局部像素间关系的一种方法,通过统计相邻像素对出现的频率,并计算相关统计量,如对比度、相关性、能量等。
在Matlab中,可以使用graycomatrix函数计算灰度共生矩阵,并使用graycoprops函数计算相关统计量。
3. 灰度梯度灰度梯度是描述图像边缘信息的一种方法,通过计算像素值的变化率,可以得到图像中物体的边缘信息。
在Matlab中,可以使用gradient函数计算灰度梯度,并使用mat2gray函数将梯度映射到0-1范围内。
二、颜色特征提取方法除了灰度特征外,图像的颜色信息也是图像特征提取中重要的一部分。
常用的颜色特征提取方法包括颜色直方图、颜色矩和颜色梯度。
1. 颜色直方图颜色直方图是描述图像颜色分布的一种方法,通过统计图像中各个颜色通道的像素个数或占比,并可视化为直方图。
在Matlab中,可以使用histogram函数计算颜色直方图,并使用bar函数绘制直方图。
2. 颜色矩颜色矩是描述图像颜色分布的一种方法,通过计算图像颜色分布的一、二阶矩,可以得到颜色的均值、方差、偏度和峰度等统计量。
Gabor滤波特征提取
1 Gabor 滤波器组特征提取方法大量心理和生理学研究发现,在人类的低级视觉中,输入信号被一系列具有不同频率和方位的线性空间滤波器分解成一组频率和方位通道,Gabor 变换可以很好地描述这一信号分解过程,它具有两个很重要的特征:一是其良好的空间域与频率域局部化性质;二是无论从空间域的起伏特性上,方位选择特性上,空间域与频率域选择上,还是从正交相位的关系上,二维Gabor 基函数具有与大多数哺乳动物的视觉表皮简单细胞的二维感知域模型相似的性质。
因此,我们可以借鉴人类处理信号的特性,用包含多个Gabor 滤波器的滤波器组来对图像进行不同中心频率和方位的滤波处理,从而提取包含不同频率成分和不同方位的特征,作为目标的非参数化特征,研究其不同分辨率目标的特征与图像分辨率的关系。
考虑到计算效率的问题,不可能在Gabor 滤波器组中包含所有中心频率的滤波器,实际应用中通常根据经验选取某几个中心频率和方位。
2 二维Gabor 滤波器表达式一维Gabor 滤波器的空间域公式是:()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=222exp 21,,σσπωσx x f f x ()x j f πω2exp (4-10)其中,σ是空间尺度因子,f ω是中心频率。
将它分解可以得到两个实滤波器:余弦Gabor 滤波器和正弦Gabor 滤波器,它们的形式如下:()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=222exp 21,,σσπωσx x f f x r ()x f πω2cos (4-11)和()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=222exp 21,,σσπωσx x f f x i ()x f πω2sin (4-12)与一维Gabor 滤波器类似,二维Gabor 滤波器的空间域描述为:()2222,,,,,(cos sin )(sin cos )1exp 222x y f f f f f f x y x y f x y x y x y σσωθθθθθπσσσσ=⎧⎫⎛⎫+-+⎪⎪-+ ⎪⎨⎬ ⎪⎪⎪⎝⎭⎩⎭(4-13)其中,x σ和y σ分别代表水平和垂直方位的空间尺度因子,f ω和f θ分别表示中心频率及方位。
Gabor 滤波器的快速实现
第33卷第5期自动化学报Vol.33,No.5 2007年5月ACTA AUTOMATICA SINICA May,2007Gabor滤波器的快速实现陈小光1封举富1摘要本文提出了Gabor滤波器的两种快速实现方法.这两种方法首先把Gabor滤波器分解为多个不同方向上有着不同参数的一维高斯滤波器的组合,然后通过递归的方法分别实现这些高斯滤波器,从而实现Gabor滤波器.实验和分析结果表明,本文提出的Gabor滤波器的快速实现方法,不论是计算复杂度还是计算精度,都比基于卷积的标准实现方法有着更好的性能和效果.关键词Gabor滤波,高斯滤波器,非正交分解,递归滤波,快速算法中图分类号TP391.41Fast Gabor FilteringCHEN Xiao-Guang1FENG Ju-Fu1Abstract In this paper,two fast implementations of Gaborfilter are proposed.The implementation strategy involves two steps:1)decomposing Gaborfilter into1-D Gaussianfilters along non-orthogonal axes with different variances;2)recursively implementing these1-D Gaussianfilters.The non-orthogonal decomposition and recursivefiltering ensure efficient performance.Experimental results showed that the proposed implementations outperform traditional convolution filtering with respect to computational speed and accuracy.Key words Gaborfilter,Gaussianfilter,non-orthogonal decomposition,recursivefiltering,fast algorithm1引言在图像处理、模式识别以及计算机视觉等领域中,Gabor滤波器得到了广泛的应用.Gabor函数是唯一能够达到空域和频域联合测不准关系下界的函数[1],用Gabor函数形成的二维Gabor滤波器具有在空间域和频率域同时取得最优局部化的特性,因此能够很好地描述对应于空间频率(尺度)、空间位置及方向选择性的局部结构信息.20世纪90年代以来,人们对Gabor滤波器在纹理分割[1]、物体检测与识别[2]、图像增强[3]以及图像特征提取[4,5]等方面的应用做了很多研究.常用的偶对称二维Gabor滤波器可表示为h(x,y)=12πσuσvexp−12u2σ2u+v2σ2vcos(ωu)(1)u=x cosθ+y sinθ,v=−x sinθ+y cosθ(2)其中θ为Gabor滤波器的方向,σu和σv分别为高收稿日期2006-1-23收修改稿日期2006-6-7Received January23,2006;in revised form June7,2006国家自然科学基金项目(60575002),“973”项目(2004CB318000)和“新世纪优秀人才支持计划”资助Supported by National Natural Science Foundation of P.R.China(60575002),National Key Basic Research Project of P.R.China(2004CB318000),and the Program for New Century Excellent Talents in University1.北京大学信息科学技术学院智能科学系,视觉与听觉信息处理国家重点实验室北京1008711.State Key Laboratory of Machine Perception,Department of Machine Intelligence,Peking University,Beijing100871 DOI:10.1360/aas-007-0456斯包络在u轴和v轴上的标准差(u轴平行于θ、v 垂直于θ),ω用于调制频率.通常我们对图像进行滤波采用的实现方法是让图像与滤波器模板做卷积操作,假如要用模板大小为N×M的滤波器H对图像I进行滤波,则滤波结果˜I为˜I(x,y)=N2n=− N2M2m=− M2I(x+n,y+m)H(n,m)(3)对于Gabor滤波器,具体实现时滤波器模板大小是由σu和σv决定的,如N=[ασu],M=[ασv],其中α一般取值为3、4或5,N和M取奇数.如果采用卷积实现滤波,每个像素的计算量至少需要NM 次乘法和NM−1次加法,共计2NM−1次加乘法运算.当σ取值为5.0时,每像素的计算量超过1000次加乘法运算.由此可见,用卷积的方法实现Gabor 滤波的计算复杂度是比较大的.因此如果能设计一种Gabor滤波器的快速实现算法,降低计算复杂度,将会为Gabor滤波器的具体应用带来很大便利.为此,本文对Gabor滤波器的快速实现方法做了些初步研究.本文下面几部分安排如下:第2节给出了Ga-bor滤波器的正交和非正交分解形式,把二维Gabor 滤波器化简为简单的一维高斯滤波器的组合;第3节给出了Gabor滤波器的快速实现方法,并分析了计算复杂度;第4节给出实验结果及分析讨论;第55期陈小光等:Gabor滤波器的快速实现457节是本文的结论.2Gabor 滤波器的可分解性质为了尽量减少计算复杂度,我们首先把Gabor 滤波器分解为简单的一维滤波器的组合,然后用计算量较小的递归滤波方法实现一维滤波.下面给出两类分解形式,一类是正交分解,另一类是非正交分解;递归实现在下一节给出.2.1正交分解根据(1),我们可以直接把Gabor 滤波器的表达式写为u,v 变量分离的形式h (x,y )=q (u )∗g (v ;σv )(4)其中q (u )和g (v ;σv )分别为q (u )=1√2πσuexp −u 22σ2ucos(ωu )(5)g (v ;σv )=1√2πσvexp −v22σ2v(6)当σu =σv =σ时,有u 2/σ2u +v 2/σ2v =(x 2+y 2)/σ2,把此式以及(2)中的u 代入(1)并展开cos 项,可得如下分解形式h (x,y )=f 1(x )∗f 2(y )−f 3(x )∗f 4(y )(7)其中f 1,f 2,f 3和f 4分别为f 1(x )=g (x ;σ)cos((ωcos θ)x )f 2(y )=g (y ;σ)cos((ωsin θ)y )f 3(x )=g (x ;σ)sin((ωcos θ)x )f 4(y )=g (y ;σ)sin((ωsin θ)y )(8)2.2非正交分解上节中的分解方法是把滤波器分解为沿着两个正交方向的一维滤波器的组合.在分解形式(4)中u,v 轴一般位于某个倾斜的角度上,因此在实际实现时往往是在非整像素点上进行计算,这就涉及到像素点的插值操作,从而导致产生较大误差且计算量也增加许多.另外,当σu =σv 时,指数项中包含xy ,因此无法有形如(8)的分解,此时只能采用二维图像与二维模板的卷积滤波实现方法(见(3)),计算量将会相当可观.Geusebroek 在文献[6]中给出了各向异性高斯滤波器的一种非正交分解方法.各向异性高斯滤波器可以表示为g (x,y )=12πσu σv exp −12 u 2σ2u +v 2σ2v(9)图1各向异性高斯滤波器的非正交分解[6]Fig.1Non-orthogonal decomposition of anisotropicGaussian filter [6]u =x cos θ+y sin θ,v =−x sin θ+y cos θ如图1所示,把各向异性的高斯滤波器分解为沿着x 轴方向的一维高斯滤波器以及沿着直线t :y −x tan ϕ=0方向的一维高斯滤波器的组合,g (x,y ;σu ,σv ,θ)=1√2πσxexp −x 22σ2x∗1√2πσt exp −t 22σ2t(10)参数σx ,σt ,ϕ的含义分别如下σx =σu σvσ2v cos 2θ+σ2usin 2θσt =σ2v cos 2θ+σ2usin 2θtan ϕ=σ2v cos 2θ+σ2u sin 2θ(σ2u −σ2v)cos θsin θ(11)把(11)中的结果以及坐标变换:x →x +t cos ϕ,y →t sin ϕ,代入Gabor 滤波器的表达式(1),即得h (x,y ;σu ,σv ,θ)=1√2πσxexp −x 22σ2x∗1√2πσt exp −t 22σ2t∗cos(ω1x +ω2t )(12)其中ω1=ωcos θ,ω2=ωcos(θ−ϕ).展开式(12)中的cos 项并化简,可得Gabor 滤波器的xt 分解形式h (x,y )=h 1(x )∗h 2(t )−h 3(x )∗h 4(t )(13)其中h 1,h 2,h 3和h 4分别为h 1(x )=g (x ;σx )cos(ω1x )h 2(t )=g (t ;σt )cos(ω2t )h 3(x )=g (x ;σx )sin(ω1x )h 4(t )=g (t ;σt )sin(ω2t )(14)458自动化学报33卷2.3g (t )cos(ωt )和g (t )sin(ωt )的卷积性质在上面两小节中,我们给出了Gabor 滤波器在不同参数条件下的一维分解形式(见(4),(7)和(13)).可以注意到,Gabor 滤波器的分解表达式(4)中的q (·)、(7)中的f k (·)和(13)中的h k (·)有着相同的形式,都是一个高斯函数乘以cos 或sin 项.虽然我们实现了Gabor 滤波器的分解,但是如果希望能快速实现Gabor 滤波器,我们必须能够快速实现此类一维滤波器.在这里首先分析g (t )cos(ωt )和g (t )sin(ωt )的卷积性质,然后在本文的第3节给出快速实现方法.假设R (t )是一个一维信号,用g (t )cos(ωt )对R (t )进行卷积滤波,根据卷积定义有R (t )⊗[g (t )cos(ωt )]=R (s )g (t −s )cos(ω(t −s ))d s,展开上式右边的cos 项可得,R (t )⊗[g (t )cos(ωt )]=cos(ωt )R 1(t )+sin(ωt )R 2(t )(15)其中R 1(t ),R 2(t )分别为R 1(t )=g (t )⊗(cos(ωt )R (t ))R 2(t )=g (t )⊗(sin(ωt )R (t ))同理可得g (t )sin(ωt )的卷积性质:R (t )⊗[g (t )sin(ωt )]=sin(ωt )R 1(t )−cos(ωt )R 2(t )(16)从(15)和(16)中可以看出,一个信号与滤波器g (t )cos(ωt )或g (t )sin(ωt )的卷积可以通过比较简单的高斯滤波器来实现.3Gabor 滤波器的实现3.1g (t )cos(ωt )和g (t )sin(ωt )的实现在本文的第2节,我们把Gabor 滤波器分解为多个一维高斯滤波器的组合,最后都涉及到用滤波器h c (t )=g (t )cos(ωt )或h s (t )=g (t )sin(ωt )对图像进行滤波.在本小节中,我们给出h c (t )的两种实现方法,一种是基于卷积的实现,另外一种是基于一维高斯滤波的递归实现[7].h s (t )的实现方法可以同理得到.3.1.1卷积实现由于h c (x )的对称性,假设其滤波器系数为 w N/2 ,···,w 1,w 0,w 1,···,w N/2,其中N 为滤波器模板大小.并假设I [x,y ]为输入图像,O [x,y ]为滤波结果图像.当滤波方向为x 轴时,卷积滤波的计算公式为式(17).当沿着倾斜角为ϕ(π/4≤ϕ<π/2)、斜率为µ=tan ϕ的直线t :y =µx 做滤波时,计算公式为(18).注意在(18)中,坐标y ±j 是整数,而x ±j/µ有可能不是整数,因此(x ±j/µ,y ±j )可能落在两个整像素点( x ±j/µ ,y ±j )和( x ±j/µ +1,y ±j )之间,其中 · 是向下取整符号.此时可以通过这两个相邻的像素点线性插值得到“像素”点(x ±j/µ,y ±j )的值.例如对于I [x −j/µ,y −j ],记x 0=x −j/µ,x left = x 0 ,x right =x left +1,则有(19).当角度0<ϕ<π/4或ϕ≥π/2时,对图像进行转置或水平翻转,即可归为上述情况.O [x,y ]=w 0I [x,y ]+ N/2i =1w i (I [x −i,y ]+I [x +i,y ])(17)O [x,y ]=w 0I [x,y ]+ N/2j =1w j (I [x −j/µ,y −j ]+I [x +j/µ,y +j ])(18)I [x −j/µ,y −j ]=(x right −x 0)I [x left ,y −j ]+(x 0−x left )I [x right ,y −j ](19)3.1.2递归实现Young I T [7]等人提出了一种递归实现一维高斯滤波的快速方法.该方法在每个像素上只要求做8次乘法和6次加法,计算量与高斯核的方差σ2无关.假设输入信号为IN [n ],滤波后信号为OUT [n ],则高斯滤波的递归实现过程可表示为式(20).其中常数{a 0,a 1,a 2,a 3}是与高斯滤波器的方差σ有关的递归滤波系数,这些系数的计算方法可查阅文献[7].结合递归高斯滤波方法以及(15)和(16),很容易得到h c 和h s 的递归实现方法.例如,沿着倾斜角为ϕ(π/4≤ϕ<π/2)、斜率为µ=tan ϕ的直线t :y =µx 做滤波˜Iϕ(x,y )=I (x,y )⊗[g (t )cos(wt )],可以按照(21)来计算得到,其中的I [x +µy,y ]等值也需要通过相邻像素点插值得到.3.2Gabor 滤波器的几种实现方法综合前面的结果,我们给出Gabor 滤波器的几种实现方法,其中方法3、4为本文提出的快速实现方法.方法1.二维卷积实现(记为conv 22).1)计算Gabor 滤波器模板;2)按照式(3)与输入图像做二维卷积.5期陈小光等:Gabor滤波器的快速实现459T emp[n]=a0IN[n]+a1T emp[n−1]+a2T emp[n−2]+a3T emp[n−3]OUT[n]=a0T emp[n]+a1OUT[n+1]+a2OUT[n+2]+a3OUT[n+3](20)Z f1[x,y]=Z f1[t]=a0cos(wt)I[x+µy,y]+a1Z f1[t−1]+a2Z f1[t−2]+a3Z f1[t−3]Z b1[x,y]=Z b1[t]=a0Z f1[t]+a1Z b1[t+1]+a2Z b1[t+2]+a3Z b1[t+3]Z f2[x,y]=Z f2[t]=a0cos(wt)I[x+µy,y]+a1Z f2[t−1]+a2Z f2[t−2]+a3Z f2[t−3]Z b2[x,y]=Z b2[t]=a0Z f2[t]+a1Z b2[t+1]+a2Z b2[t+2]+a3Z b2[t+3]˜Iϕ[x,y]=˜Iϕ[t]=cos(wt)Z b1[t]+sin(wt)Z b2[t](21)方法2.在uv方向上一维卷积(记为uvconv).1)把Gabor滤波器分解为(4)中形式;2)让输入图像在u轴方向(即θ角度方向)上用q(u)做滤波,滤波方法采用3.1节中的卷积实现方法;3)对第2)步的结果在v轴方向(即θ+π/2角度方向)用一维高斯滤波器g(v;σv)做滤波,滤波实现方法采用卷积实现.方法3.在uv方向上递归实现(记为uvrec).1)把Gabor滤波器分解为式(4)中形式;2)让输入图像在u轴方向(即θ角度方向)上用h5(u)做滤波,滤波方法采用3.1节中(21)的递归实现方法;3)对第2)步的结果在v轴方向(即θ+π/2角度方向)用一维高斯滤波器g(v;σv)做滤波,滤波方法采用(20)的递归实现方法.方法4.在xt方向上递归实现(记为xtrec).1)按照2.2节中的方法,把Gabor滤波器分解为(13)的形式,计算相应参数;2)按照3.1节中的方法,对输入图像I用递归方法实现滤波,得到I1=I⊗h1和I3=I⊗h3,然后再用同样的递归方法实现滤波,得到I2=I1⊗h2和I4=I3⊗h4;3)计算I2−I4得到最终结果.3.3计算复杂度分析表1给出了上述四种实现方法在计算复杂度方面的比较,其中W×H为图像大小,N×M为采用卷积方法时滤波器模板大小.由于g(t),g(t)cos(ωt)和g(t)sin(ωt)都是对称的,因此用卷积实现时可以利用对称性减少乘法次数(见(17),(18)).当沿着某个倾斜的方向进行滤波时,不位于整像素点上的像素值需要通过插值来得到,因此增加了两次乘法和一次加法(见(19)).在方法uvrec中,图像用q(u)通过递归的方法进行滤波(见3.1节),每个像素需要做乘法2×10+2次及加法2×7+1次;再与g(v)通过递归方法进行滤波,每个像素需要做乘法9次及加法7次.在方法xtrec中,实现h1(x)和h3(x),每个像素共需要2×18次乘法及2×7次加法;实现h2(t)和h4(t),每个像素共需要2×22次乘法及2×8次加法;完成整个过程每个像素共需要80次乘法及31次加法.在上述这几种实现方法中,由于方法uvrec和xtrec采用递归的滤波方法,因此每个像素的计算量都是常数,总的计算量只与图像大小有关;而方法conv22和uvconv由于采用的是通常的卷积滤波,计算量与滤波器模板大小有关,也就是与Gabor滤波器中的参数σu和σv有关且成正比,因此总的计算量会随着σu和σv的增大而快速增加.表1Gabor滤波不同实现方法的每像素计算量比较Table1Computational complexity per pixel of various Gaborfilter implementations加法次数乘法次数conv22NM NM−1uvconv2( N/2 + M/2 +2)2(N+M−2)uvrec3122xtrec8031FFT log(W H)log(W H)4实验结果为验证本文提出的方法的效果,我们在CPU为P41.7GHz、内存256M的PC机上进行了性能对比实验,编程语言为VC6.0.实验分为两部分,第一部分是测试各种实现方法在计算时间上的差异,第二部分是测试不同实现方法的计算误差的差异.首先在512×512大小的图像上进行了计算时间的比较,表2给出了实验结果,表中数据是根据各方向上的计算时间的平均值得到的.从实验结果可以看出,本文提出的方法uvrec和xtrec在计算时间上确实大大少于方法conv22和uvconv,而且基本上都是常数时间,这与3.3节中的分析是一致的.方法xtrec与方法uvrec由于分解形式不同(见(5),(13)),使得主要计算步骤的时间代价基本上是前者为后者的两倍(见表1),但由于具体编程实现时,方法uvrec需要在两个倾斜方向上进行滤波,需要更多的时间及空间代价,因而导致了这两种方法在完成整个滤波过程时所需要的时间差别不大.460自动化学报33卷表2Gabor滤波不同实现方法的计算时间及误差比较Table2Performance of various Gaborfilter implementations时间(msec)误差( )σuσv conv22uvconv uvrec xtrec uvconv uvrec xtrec3.04.032817293110 4.377.20 2.843.0 5.0391********4.677.72 3.493.07.054717194126 5.857.83 5.174.0 4.0484188110110 3.165.04 1.084.0 6.068721993109 6.249.90 4.314.08.0875234110109 6.849.485.085.06.078220394947.759.00 2.715.08.010472651091108.209.65 3.505.010.01391250931098.519.94 4.776.07.0106323494948.509.29 1.946.08.012342661091088.759.55 2.106.010.0162528293948.789.662.84(a)(b)(c)(c1)(c2)(c3)(c4)图2部分测试图像及滤波结果图像((a)∼(c)为部分测试纹理图像;(c1)∼(c4)为对指纹图像(c)采用不同实现方法conv2,uvconv,uvrec和xtrec得到的Gabor滤波结果)Fig.2(a)∼(c):some texture images for testing;(c1)∼(c4):Gaborfiltering results of(c)using variousimplementations,conv2,uvconv,uvrec,and xtrec,respectively.从表2中可以看出,平均情况下方法xtrec比方法uvrec多12毫秒左右.考虑到Gabor滤波器的具体应用,我们选取了Brodatz纹理集[8]中的13幅纹理图像以及FVC2000[9]给出的指纹图像数据DB1-B中的10幅指纹图像作为测试图像集(记IS={I k,k=1,···,23}).图2给出了实验中采用的部分纹理图像以及部分实验结果图像.另外,我们把Gabor滤波器的方向值量化为18个方向(记DS={θi=i∗π/18,i=0,···,17}).误差用平均像素值差来度量,并且以方法conv22的结果作为标准,然后计算其它方法得到的结果相对与它的误差.另外,由于Gabor滤波器可以位于不同方向上,我们取所有测试图像在各个不同方向上的误差的平均值进行比较.其计算公式为ξm(σu,σv;θ;I k)=1NMx,y|˜I m(x,y)−˜I conv22(x,y)|m(σu,σv)=118×23θi∈DSI k∈ISξm(σu,σv;θi;I k)这里I k表示大小为N×M的测试图像,˜I conv22表示用方法conv22得到的滤波结果,˜I m表示用方法m得到的滤波结果,Gabor滤波器的参数为σu,σv,θ,ω.从表2中可以看出,在相同参数条件下,方法xtrec的误差最小,uvconv其次,uvrec的误差最大.在这三种方法中,xtrec的误差要比其它两种方法小许多,这是因为方法uvrec和uvconv需要在两个倾斜的方向(u轴和v轴方向)上进行插值计算,引入了更多因插值带来的误差,而方法xtrec只需要在t 轴方向插值计算.与uvconv相比较,由于uvrec采用了递归高斯滤波,而高斯滤波的递归实现只是真实滤波的一种近似[6,7],存在着一定的近似误差,因此方法uvrec的误差又稍大一些.5结论本文对Gabor滤波器的快速实现方法做了初步研究,提出了两种快速实现方法.主要思想是,首先把Gabor滤波器分解为不同方向(正交的或不正交的)上的多个一维滤波器的组合,这些一维滤波器是高斯滤波器g(t;σt)以及形如g(t;σt)sin(ωt)或g(t;σt)cos(ωt)的一类滤波器,然后用递归的方法快速实现它们与图像的滤波.本文提出的实现方法的5期陈小光等:Gabor 滤波器的快速实现461另一优点就是,整个滤波过程的计算量只与图像的大小有关,与Gabor 滤波器的参数σu 和σv 无关.实验结果表明,本文提出的Gabor 滤波器的快速实现方法与其它方法相比,降低了时间代价,减少了计算误差,提高了滤波结果的精度,因此是一种十分可行的实现方法.References1Turner M.Texture discrimination by gabor functions.Bio-logical Cybernetics ,1986,55:71∼822Jain A,Ratah N K,Lakshmanan S.Object detection using gaborfilters.Pattern Recognition ,1997,30(2):295∼3093Hong L,Wan Y,Jain A.Fingerprint image enhancement:algorithm and performance evaluation.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence ,1998,20(8):777∼7894Zhu Y,Tan 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biometrics.Corresponding author of this paper.)封举富理学博士,北京大学信息科学技术学院智能科学系、视觉与听觉信息处理国家重点实验室教授,博士生导师.研究领域为图像处理和模式识别、生物特征识别等.E-mail:fjf@(FENG Ju-Fu Received his B.Sc.degree in 1989and Ph.D.degree in1997both in mathematics at Peking University.Since 1992,he has been with the Department of Machine Intelligence and State Key Laboratory of Machine Perception at Peking University.He is currently a professor in the Center for Information Science and State Key Lab of Machine Per-ception,School of Electronics Engineering and Computer Science,Peking University.His research interest covers im-age processing,pattern recognition,and biometrics.)。
gabor核函数
gabor核函数一、概述Gabor核函数是一种用于图像处理和计算机视觉的滤波器。
它是由Dennis Gabor在1946年发明的,用于描述光学图像的局部特征。
Gabor核函数在人脑视觉系统中也有类似的应用,因此在图像处理和计算机视觉领域中得到了广泛应用。
二、Gabor核函数的定义Gabor核函数可以表示为以下公式:g(x,y) = exp(-π(x'^2 + y'^2) / 2σ^2) * cos(2πfx' + φ)其中,x' = xcosθ + ysinθ,y' = -xsinθ + ycosθ,表示对输入图像进行旋转变换。
σ是高斯分布的标准差,f是频率,φ是相位偏移量。
三、Gabor核函数的作用Gabor核函数可以提取输入图像中的纹理特征,并且对光照、噪声等因素具有较好的鲁棒性。
它广泛应用于人脸识别、指纹识别、纹理分类等领域。
四、Gabor核函数实现步骤1. 定义高斯滤波器。
首先定义一个高斯滤波器,用于平滑输入图像并抑制噪声。
2. 定义旋转矩阵。
为了实现旋转变换,需要定义一个旋转矩阵。
3. 定义Gabor核函数。
根据公式,定义Gabor核函数。
4. 对输入图像进行滤波。
使用Gabor核函数对输入图像进行滤波,得到纹理特征图像。
五、Python实现代码以下是Python实现Gabor核函数的代码:import cv2import numpy as npdef gabor_kernel(K, sigma, theta, Lambda, psi):"""K: kernel sizesigma: standard deviation of Gaussian functiontheta: orientation of Gabor filterLambda: wavelength of sinusoidal factorpsi: phase offset of sinusoidal factor"""# generate a Gabor kernel with given parameterskernel = np.zeros((K, K), dtype=np.float32)# define rotation matrixcos_theta = np.cos(theta)sin_theta = np.sin(theta)# calculate half of kernel sizehalf_K = K // 2# loop over each pixel in the kernel and calculate its value based on the Gabor function formulafor x in range(-half_K, half_K+1):for y in range(-half_K, half_K+1):x_prime = x * cos_theta + y * sin_thetay_prime = -x * sin_theta + y * cos_thetakernel[x+half_K, y+half_K] = np.exp(-(x_prime**2 +y_prime**2) / (2*sigma**2))\* np.cos(2*np.pi*x_prime/Lambda + psi)# normalize the kernel so that its sum is equal to 1kernel /= np.sum(kernel)return kerneldef gabor_filter(img, K, sigma, theta, Lambda, psi):"""img: input imageK: kernel sizesigma: standard deviation of Gaussian functiontheta: orientation of Gabor filterLambda: wavelength of sinusoidal factorpsi: phase offset of sinusoidal factor"""# convert the input image to grayscale if it is not already grayscaleif len(img.shape) == 3:img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# define the Gabor kernel with given parameterskernel = gabor_kernel(K, sigma, theta, Lambda, psi)# apply the Gabor filter to the input image and return the filtered imagereturn cv2.filter2D(img, -1, kernel)六、总结Gabor核函数是一种用于图像处理和计算机视觉的滤波器,可以提取输入图像中的纹理特征,并且对光照、噪声等因素具有较好的鲁棒性。
gabor特征 解释
gabor特征解释
Gabor特征是一种在图像处理和计算机视觉中常用的特征提取方法,其设计灵感来自于生物学上对于视觉感知的理解。
Gabor滤波器主要用于在图像中检测纹理和边缘等细节信息,常被应用于人脸识别、物体识别以及纹理分析等领域。
Gabor滤波器是由匈牙利数学家Dennis Gabor在1946年提出的,它基于Gabor函数,
该函数是一个复数正弦波(正弦和余弦的乘积)在空间和频率两个方面的变化。
Gabor函数的形式如下:
g(x,y;λ,θ,ψ,σ,γ)=exp(−2x′2
+γ2y′2
2σ
)cos(2π x′
λ
+ψ)
其中,x′=xcos(θ)+ysin(θ) 和y′=−xsin(θ)+ycos(θ) 表示图像坐标经过旋转变换后的坐标。
参数含义如下:
λ:波长,控制正弦波在空间上的周期性。
θ:方向,控制滤波器的方向。
ψ:相位偏移,控制滤波器的相位。
σ:标准差,控制滤波器的带宽。
γ:椭圆比率,控制滤波器在空间中的形状。
在图像处理中,Gabor滤波器通常通过在图像上滑动并在每个位置上应用不同方向和尺度的Gabor函数,从而得到一组特征响应图。
这些特征响应图可以用来表示图像的纹理和边缘信息,进而用于图像分类、物体识别等任务。
Gabor特征在处理纹理变化、光照变化等复杂情况下表现较为出色,因此在计算机视觉领域得到广泛应用。
生物特征提取的gabor滤波器参数设计
生物特征提取的gabor滤波器参数设计
Gabor滤波器参数设计可以看作是生物特征提取的一种技术,它借助波
谱分布来提取生物物种特征,从而达到特征提取的目的。
下面将介绍Gabor滤波器参数设计所需要考虑的几个方面:
一、卷积核的尺寸:Gabor滤波器具有较好的时-频域的分辨能力,它
的卷积核的大小是关键,其通常由频率和时间两个方面来确定。
这两
者之间的关系要根据应用来定,一般来说,如果需要分析静止图像,
就要设置较高的频率来消除低频背景,反之,如果要分析运动图像,
就要设置较低的频率来消除噪声。
二、角度的选择:Gabor滤波器的角度会影响特征提取的效果,一般来说,Gabor滤波器的角度有0°、45°、90°和135°。
根据任务的需求,选择比较合适的角度,会使提取的特征更加突出,可以有效提高分析的
准确性和精确度。
三、频率的选择:Gabor滤波器可以调整频率,它越高,提取出来的特
征越小,反之也成立,根据应用场景可以调整频率以满足要求。
四、提取的结果:最后,Gabor滤波器根据其参数的设置,最终将分散
的特征提取出来,但是由于各个参数都有所差异,所以提取出来的结
果也可能有所不同,因此,确定Gabor滤波器参数是至关重要的一步。
总结:Gabor滤波器在生物特征提取中可以很有效的进行特征提取,但是,要获得准确的结果,还需要根据应用场景调整卷积核的大小、角度、频率等参数,以便更好的满足要求,从而得到更加准确的提取的特征。
如何利用计算机视觉技术进行纹理分析
如何利用计算机视觉技术进行纹理分析计算机视觉技术是指通过图像或视频等视觉数据,对其中的结构、特征进行分析和处理的一门技术。
其中,纹理分析是计算机视觉领域中的重要研究方向之一。
通过纹理分析,我们可以对图像或者视频中的纹理特征进行提取和分类,进而应用于许多领域,如图像处理、目标检测和识别、医学影像分析等。
一、纹理特征的提取纹理特征是指图像中由于物体表面颜色、形状、方向等局部变化所形成的连续性分布。
计算机视觉技术通过一系列算法和方法,可以从图像或者视频中提取出丰富的纹理特征。
1. Gabor滤波器Gabor滤波器是常用的纹理特征提取工具之一。
它通过使用一系列正弦函数和高斯函数相乘,对图像进行卷积运算,从而得到具有多个尺度和多个方向的纹理特征响应。
Gabor滤波器可以同时考虑图像中的空间和频率域信息,提取到的纹理特征更加细致和准确。
2. 尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)SIFT算法是一种常用的纹理特征提取算法。
它通过检测图像中的局部特征点,并提取出这些特征点周围的描述子,用于表示图像中不同区域的纹理特征。
SIFT算法具有良好的尺度不变性和旋转不变性,能够较好地适应图像中不同纹理特征的变化。
二、纹理特征的分类纹理特征的分类是通过对提取到的特征进行进一步处理和分析,将图像或视频中的纹理区域划分为不同的类别。
直方图是一种常用的纹理分类方法。
它将图像或视频中出现的纹理特征按照不同的灰度级别进行统计,并绘制成直方图图像。
通过比较不同图像或视频间直方图的相似性,可以将它们分为同一类别或不同类别。
2. 统计特征统计特征是一种基于特征的概率分布,用于表示图像或视频中的纹理信息。
常用的统计特征包括均值、方差、相关性等。
通过对图像纹理区域的统计特征进行提取和比较,可以实现纹理的分类和识别。
三、纹理分析的应用利用计算机视觉技术进行纹理分析在许多领域都具有重要的应用价值。
Gabor 滤波器的原因及实现
Gabor 滤波器的原因及实现Gabor函数Gabor变换属于加窗傅立叶变换,Gabor函数可以在频域不同尺度、不同方向上提取相关的特征。
另外Gabor函数与人眼的生物作用相仿,所以经常用作纹理识别上,并取得了较好的效果。
二维Gabor函数可以表示为:其中:v的取值决定了Gabor滤波的波长,u的取值表示Gabor核函数的方向,K表示总的方向数。
参数决定了高斯窗口的大小,这里取。
程序中取4个频率(v=0, 1, …, 3),8个方向(即K=8,u=0, 1, … ,7),共32个Gabor核函数。
不同频率不同方向的Gabor函数可通过下图表示:图片来源:GaborFilter.html图片来源:/bmvc/1997/papers/033/node2.html三、代码实现Gabor函数是复值函数,因此在运算过程中要分别计算其实部和虚部。
代码如下:private void CalculateKernel(int Orientation, int Frequency){double real, img;for(int x = -(GaborWidth-1)/2; x<(GaborWidth-1)/2+1; x++)for(int y = -(GaborHeight-1)/2; y<(GaborHeight-1)/2+1; y++){real = KernelRealPart(x, y, Orientation, Frequency);img = KernelImgPart(x, y, Orientation, Frequency);KernelFFT2[(x+(GaborWidth-1)/2) + 256 * (y+(GaborHeight-1)/2)].Re = real;KernelFFT2[(x+(GaborWidth-1)/2) + 256 * (y+(GaborHeight-1)/2)].Im = img;}}private double KernelRealPart(int x, int y, int Orientation, int Frequency){double U, V;double Sigma, Kv, Qu;double tmp1, tmp2;U = Orientation;V = Frequency;Sigma = 2 * Math.PI * Math.PI;Kv = Math.PI * Math.Exp((-(V+2)/2)*Math.Log(2, Math.E));Qu = U * Math.PI / 8;tmp1 = Math.Exp(-(Kv * Kv * ( x*x + y*y)/(2 * Sigma)));tmp2 = Math.Cos(Kv * Math.Cos(Qu) * x + Kv * Math.Sin(Qu) * y) –Math.Exp(-(Sigma/2));return tmp1 * tmp2 * Kv * Kv / Sigma;}private double KernelImgPart(int x, int y, int Orientation, int Frequency){double U, V;double Sigma, Kv, Qu;double tmp1, tmp2;U = Orientation;V = Frequency;Sigma = 2 * Math.PI * Math.PI;Kv = Math.PI * Math.Exp((-(V+2)/2)*Math.Log(2, Math.E));Qu = U * Math.PI / 8;tmp1 = Math.Exp(-(Kv * Kv * ( x*x + y*y)/(2 * Sigma)));tmp2 = Math.Sin(Kv * Math.Cos(Qu) * x + Kv * Math.Sin(Qu) * y) –Math.Exp(-(Sigma/2));return tmp1 * tmp2 * Kv * Kv / Sigma;}有了Gabor核函数后就可以采用前文中提到的“离散二维叠加和卷积”或“快速傅立叶变换卷积”的方法求解Gabor变换,并对变换结果求均值和方差作为提取的特征。
二维gabor变换
二维Gabor变换1. 介绍二维Gabor变换是一种在图像处理和计算机视觉中常用的技术。
它可以用于提取图像的纹理特征,进行边缘检测和目标识别等任务。
本文将详细介绍二维Gabor变换的原理、应用以及实现方法。
2. 原理Gabor滤波器是一种带有正弦波和高斯包络的函数,它在空域和频域中都具有重要的特性。
二维Gabor滤波器可以通过在空间域中应用一维Gabor滤波器来实现。
2.1 一维Gabor滤波器一维Gabor滤波器定义如下:g(x)=e−x22σ2cos(2πfx+ϕ)其中,x为空间域坐标,σ控制高斯包络的宽度,f为频率,ϕ为相位。
2.2 二维Gabor滤波器二维Gabor滤波器可以通过在两个方向上应用一维Gabor滤波器来实现。
假设x和y分别表示水平和垂直方向上的空间域坐标,则二维Gabor滤波器定义如下:g(x,y)=e−x2+y22σ2cos(2π(f x x+f y y)+ϕ)其中,f x和f y分别为x和y方向上的频率。
2.3 Gabor变换Gabor变换是通过将输入图像与一系列Gabor滤波器进行卷积来得到一组特征图。
每个特征图表示了输入图像在不同空间尺度和方向上的纹理特征。
Gabor变换的计算过程如下:1.选择一组不同尺度和方向的Gabor滤波器。
2.将每个滤波器与输入图像进行卷积,得到一组特征响应图。
3.对特征响应图进行后续处理,如非极大值抑制、阈值处理等。
3. 应用二维Gabor变换在计算机视觉领域有广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景:3.1 纹理分析由于二维Gabor滤波器对纹理具有良好的响应性能,因此可以通过Gabor变换来进行纹理分析。
通过提取图像中的纹理特征,可以用于纹理分类、纹理合成等任务。
3.2 边缘检测Gabor滤波器对边缘具有较强的响应,因此可以通过Gabor变换进行边缘检测。
边缘检测是图像处理中的重要任务,可以用于目标检测、图像分割等应用。
3.3 目标识别Gabor变换可以提取图像中的局部纹理特征,因此在目标识别方面有广泛的应用。
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Gabor滤波器的生成:
function hp=gbfilter2(sigmax,mu,mv)
% 函数功能:生成二维离散gabor函数模板hp。
可能主要用于图像的纹理分析;
%输入参数:sigmax——x方向的方差;
% mu——x方向中心频率;mv——y方向中心频率;
%输出参数:hp——二维离散gabor模板;
%按照生理视觉的研究y方向标准差为x方向标准差的1.5-2.0倍,此处取1.7
sigmay=sigmax*1.7;
%按照误差原则,(-3sigama,3sigma)包含了97.4%的能量。
N也为滤波器长度。
%通常在纹理分析前,需要用到模板长度N,此时可用N=fix(6*sigmax*1.7);这一语句求得。
N=fix(6*sigmay);
%该句主要防止被零除
if mu==0
mu=1e-12;
end
% theta角为纹理方向
theta=atan(mv/mu);
%采样区间和间隔,此处为过采样。
临界采样并不可取。
kx=-(N-1)/2:(N-1)/2;
ky=kx;
%生成x,y坐标。
[tpx,tpy]=meshgrid(kx,ky);
%计算gabor函数旋转生成的新坐标
x=tpx*cos(theta)+tpy*sin(theta);
y=-tpx*sin(theta)+tpy*cos(theta);
%计算gauss函数
z=1/(2*pi*sigmax*sigmay)*exp(-0.5*(( x/sigmax).^2+(y/sigmay).^2));
%计算调制因子
exptab=exp(-j2*pi*(tpx*mu+tpy*mv)/N);
%gauss函数被调制因子调制
hp=z.*exptab;
%矩阵转置以生成与习惯相符的x,y轴
hp=hp';
end
第二个产生二维gabor滤波器的程序
function [hp,sigmax]=gbfilt2(ax,mu,mv,N) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%
% 函数功能:生成用于图像滤波的gabor函数的模板
% 输入参数:ax——关于x轴的sigma因子,ax=N/(2*sigma),3.5<=ax<=N/2;% mu——x方向中心频率,mu<=N/4;mv——y方向中心频率;mv<=N/4; % N——滤波器长度,与滤波器宽度相同;
% 输出参数:hp——生成的gabor模板;sigmax对应x方向的sigama;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%
% 定义sigmay=1.7*sigmax
ay=ax/1.7;
% 防止被零除
if mu==0
mu=1e-16;
end
% 计算gabor滤波器的方向
theta=atan(mv/mu);
% 定义x,y取值范围为长度N
kx=-(N-1)/2:(N-1)/2;
ky=kx;
% 生成x,y坐标
[tpx,tpy]=meshgrid(kx,ky);
% 旋转theta角
x=tpx*cos(theta)+tpy*sin(theta);
y=-tpx*sin(theta)+tpy*cos(theta);
% gauss函数
z=2*ax*ay/(pi*N^2)*exp((-1/2)*((ax*x/(N/2)).^2+(ay*y/(N/2)).^2)); % 频率调制因子
facmod=cos(2*pi*(tpx*mu+tpy*mv)/N);
% 返回模板
hp=(z.*facmod)';
% 返回sigmax
sigmax=N/(2*ax);
end。