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这篇文章是我以前在别的地方发的,最近发现Segmentfault把公式bug修好了,搬过来

网上有各种各样对卷积的理解,有搞EE的,有搞CS的,有搞数学的。我尝试从图像处理的角度加入自己的理解。

输入、响应和输出

在这里,输入是红绿黄三个点,对于每个点,它的响应是一个尖头向右下的水滴状,最右就是整个图像在系统响应后的输出。怎样理解响应呢?你可以把输入当作是纸面上一滴滴颜料,响应就是你用手指把它们在纸上抹开(先暂时这样理解)。现在我们化二维为一维,然后来定量分析一下:

先把输入、响应和输出分别记作 $f(x), h(x), g(x)$ 。在本例中,输入是一些离散点(比如 $f = \{ \langle x_1, y_1\rangle, \langle x_2, y_2 \rangle \}$),而响应是一个分布集中在零附近的函数(比如 $h(x) = e^{-x^2}$ )。现在,在输出中每个点都有一个响应分布在这个点周围,比如对于第一个点,输出就是:$$g(x) = f(x_1)\ h(x - x_1)$$

这里要感谢响应(或者说系统作出的响应)的时不变性质,解释起来很简单,就是它无论对哪个点发生响应都是这种水滴状,不会变形,也不会有幅度上的变化。

叠加原理

刚才那三点离得比较远,互不影响。现在我们把它靠近一点……它们之间的颜色就会混在一起了。加上这个叠加原理,就不是像手指涂抹颜料一样的混合(Blend),而是像2+3=5之类的简单加法。接着上面所设,设输入了两个点,如果有一点x,x1和x2都影响到了它,它的输出就是:$$ g(x) = f(x_1) h(x - x_1) + f(x_2) h(x - x_2)$$

我们之所以能直接把它加起来,都是得益于响应的 线性性 性质,它保证了这个加号是成立的。(为什么不能是混合:因为这里输出是跟响应顺序无关的,然而混合是有顺序的效应的)

更密集……甚至连续

刚才的点,无论怎么说,还有一定的间距。但是当输入连续地分布、而且每一点都按照响应的形式扩散开来的时候,我们就可以用到积分或者连加。最后……这就是卷积的最终效果。

这个想法是很自然的:用连加号代替离散但是数量庞大的输入和它们的响应,用积分来处理连续的输入和响应。比如说,输入中有$N$个值:$[f_1, f_2, \cdots, f_N]$ ,在它后方产生的响应表示成:$[\cdots, h_{-1}, h_0, h_1, \cdots]$,输出是另一个向量,其中的元素:$$g[k] = \sum_{n = 1}^N f[n]\ h[k - n]$$

如果是连续函数,式子便是: $$g(x) = \int_{-\infty}^{+\infty} f(t) h(x - t)\ \mathrm{d}t$$

现在,这两种形式我们分别叫做离散形式下和连续形式下的卷积,记作 $g(x) = f(x) * h(x)$ 。其中,$h(x)$ 有一个名字,叫做卷积核。

二维离散卷积和算法

以此类推,用二元组(向量)代替标量,$[i, j]$ 代替 $k$ ,$[m, n]$ 代替 $n$ ,二维的离散卷积的公式应该是这样: $$g[i, j] = \sum_{n=1}^N\ \sum_{m=1}^M f[m, n]\ h[i - m, j - n]$$

到具体算法,有两个特殊问题要考虑:

  • 边界方案:最简单的方法是把边界外的输入当作0,但是这样效果不好。我选用的方案是镜面,也就是: $$f[m, n] \rightarrow f[(M-\left| m-M\right|)\ \mathrm{mod}\ 2M, (N-\left|n-N\right|)\ \mathrm{mod}\ 2N]$$

  • 离散卷积核:按需舍弃一些看上去已经很接近0的点来简化计算,比如高斯函数,大多值分布在 $\pm 3\sigma$ 之间,这样我们卷积核的大小也定为 $2 \lfloor 3\sigma\rfloor + 1$就好了。
    现在,能影响到点 $(i, j)$ 的输入也就是只有附近的有限个点了,它们满足 $ \left| n - i \right| \leq A;\ \left| m -j \right| \leq B$ ,其中2A+1和2B+1分别是卷积核的长宽,换进式子里,就是: $$\sum_{n=1}^N\ \sum_{m=1}^M \rightarrow \sum_{n=j-B}^{j+B}\ \sum_{m=i-A}^{i+A}$$

void convolution(const Mat& in, const Mat& ker, Mat& out)
{
    assert(in.rows == out.rows && in.cols == out.rows);
    assert(in.type == CV_64FC3 && ker.type == CV_64F && out.type == CV_64FC3);

    for(int i = 0; i < out.rows; i++)
    for(int j = 0; j < out.cols; j++) {
        out.at<Vec3d>(i, j) = Vec3d(0, 0, 0);
        for(int m = i - ker.rows; m <= j + ker.rows; m++)
        for(int n = j - ker.cols; n <= i + ker.cols; n++) {
            Point src_point(
                (in.rows - abs(m - in.rows)) % (2 * in.rows),
                (in.cols - abs(n - in.cols)) % (2 * in.cols));
            out.at<Vec3d>(i, j) +=
                in.at<double>(src_point) *
                ker.at<Vec3d>(i - m, j - n);
        }
    }
}

我们刚才算法的“卷积”是这样的理解:各点按照核给出的模式/图案,影响到附近的点,现在我们换一个方式去理解:某一个点按照给出的模式/图案收集附近的点的影响,就可以更加直观理解这个算法。


Shihira
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