Was ist eine Konvolution?

Eine Faltung ist eine der konvexen Falten der Oberfläche des Gehirns, und Sie haben vielleicht das Gefühl, dass Ihr Gehirn durch Falten zerknittert wird, aber sie sind sehr nützlich.

Eine Faltung ist ein Bildverarbeitungsvorgang, bei dem benachbarte Pixel verglichen werden.  Faltungsfilter werden oft in ein einfaches Modell eingekapselt, das als Faltungskernel bezeichnet wird und verschiedene Funktionen ausführen kann, die reale Welteffekte simulieren.

Ein Faltungskernel ist nichts komplexer als ein Satz von Werten, die verwendet werden, um benachbarte Pixel zu mischen.  Die Gruppe ist in einem Rechteck angeordnet, hier mit 3 Zeilen und 3 Spalten.

Der Mittelwert stellt das Mittelpixel dar und der Wert, mit dem es multipliziert wird.  Jedes umliegende Pixel wird ebenfalls mit einem Wert multipliziert, und dann werden alle Pixel addiert.  Um den Endwert zu "normalisieren" oder in einem nutzbaren Bereich zu halten, wird er dann durch die Summe aller Werte dividiert.  Der hier gezeigte Faltungskernelfilter berechnet automatisch die Summe für uns.  Als Option kann ein Offset-Wert hinzugefügt werden.  Dies ist für bestimmte Zeiten nützlich, z. B. wenn Sie ein Bild haben möchten, das auf Grau basiert.

Es gibt zahlreiche Effekte, die mit einem Convolution-Kernel erreicht werden können.  Dazu gehören Weichzeichnen, Scharfzeichnen, Kantenerkennung, Prägen und mehr.  Hier nur einige Beispiele:

Grauprägung

Erweckt den Eindruck einer Steinschnitzerei oder eines gemeißelten Bildes.

Farbprägung

Prägt ein Bild, als ob ein Teil davon erhöht und ein Teil zurückgesetzt worden wäre.

Edge-Erkennung

Der Kantenerkennungsfilter bestimmt die Kanten von Elementen in einem Bild und gibt ihnen einen Volumenkörper ähnlich einer Bleistiftzeichnung.

Sobel Edge Detect

Dieser Kantenerkennungsalgorithmus verwendet zwei aufeinander folgende Faltungskerne und einen Gaußschen Weichzeichner, um die Kanten in einem Bild zu bestimmen, sodass er glatter und genauer ist als eine typische Kantenerkennung. Technisch ist es der absolute Wert des Gradienten des Wertes eines Bildes. Mit anderen Worten stellt es eine wörtliche Interpretation der Kontur im Bild dar, wenn das Bild eine Höhenkarte wäre. Das Ausgabebild beschreibt am besten die Kontur des Bildes.

Farbsobel

Eine Farbversion des Sobel-Algorithmus

Maximieren

Der Maximierungsfilter erweitert räumlich die hellsten Bereiche eines Bildes. Mit anderen Worten, wenn ein Pixel heller ist als seine umgebenden Pixel, werden die umgebenden Pixel zu dieser helleren Farbe.

Median

Das Medianfilter erweitert die Durchschnittsfarbe in einem Bild räumlich. Mit anderen Worten, der Filter vergleicht 8 benachbarte Pixel, sortiert sie nach Wert und nimmt den mittleren Wert. Diese Farbe wird dann in die benachbarten Pixel verschüttet.

Dieser Filter ist nützlich, um isolierte laute Pixel aus einem Bild zu entfernen oder um Rauschen im Allgemeinen zu entfernen.  Mehrere Anwendungen können auch eine malerische Qualität vermitteln.

Minimieren

Minimieren räumlich erweitert Bereiche der Dunkelheit in einem Bild. Mit anderen Worten, wenn ein Pixel dunkler als seine umgebenden Pixel ist, werden die umgebenden Pixel zu dieser dunkleren Farbe.

Es kann mehrmals verwendet werden, um ein Bild wie Effekt zu erzeugen.

MaxMin

MaxMin ist nützlich, um isolierte dunkle Pixel aus einem hellen Hintergrund zu entfernen.

Es wird lediglich ein Maximieren- und dann ein Minimieren-Filter ausgeführt.

Minmax

MinMax ist nützlich, um isolierte helle Pixel von einem dunklen Hintergrund zu entfernen.

Es wird lediglich ein "Minimieren"- und dann ein "Maximieren"-Filter ausgeführt.

Hochpass

Ein Hochpassfilter ist üblicherweise der erste Schritt eines Scharfzeichnungsfilters. Es identifiziert Details mit hoher Frequenz (Weiterleiten) und eliminiert Details mit niedriger Frequenz.

Es kann zum Erstellen benutzerdefinierter Scharfzeichnungsfilter verwendet werden, bei denen Sie das übergebene Bild mit dem Originalbild zusammenführen (z. B. mit dem Modus "um die graue Ebene").

Rechts wird der Hochpassfilter mit dem Originalbild kombiniert, um ein wesentlich schärferes Bild zu erzeugen.

Beim Scharfzeichnen eines Bildes wird die Detailgenauigkeit des Bildes nicht erhöht. Sie erhöht lediglich den Kontrast in hochfrequenten Details. Dies kann als lokalisierte Kontrastverbesserung angesehen werden. Das heißt, in dem Bereich, der Hochfrequenz-Details umgibt, werden die Dunkelheiten dunkler und die Lichter heller.

Genauso einfach könnte die Technik eingesetzt werden, um die Effekte eines Schärfefilters umzukehren, indem das Hochpassbild umgekehrt wird.

Abs

Technisch gesehen, keine Faltung, Abs (Absolutwert) ist hier, um andere Faltung Filter zu unterstützen. Sie kann bei der Erstellung von "kantenschützenden Matten" verwendet werden.

Mit diesem Bild (rechts) im Alphakanal konnte das Originalbild verwischt werden, und auf dem Niederfrequenz-Detail verwischt werden. Die hochfrequenten Details würden scharf bleiben. Dies ist eine gute Möglichkeit, Rauschen in einem Bild zu reduzieren, ohne das Bild verschwommen zu machen.

Originalbild

Hochpass gefiltert

Abs (Absolutwert) wird angewendet. Es wird auch eine Niveauregulierung vorgenommen. Dies wird nun zu einem vernünftigen Bild, das als Alphakanal verwendet werden kann (Auswahl)

Verlauf

Dieser Filter erkennt den Farbverlauf (Steigung) eines Bildes basierend auf der Helligkeit. Das resultierende Bild kann einem Prägeeffekt sehr ähnlich aussehen, Sie haben jedoch eine spezifische Kontrolle über die Richtung. Was wirklich passiert ist, dass der Filter die Steigung bestimmt. Eine Steigung nach oben wird leichter und eine Steigung nach unten wird dunkler.

Einstellbarer Median

Mit diesem Medianfilter können Sie die Größe des Eingabefensters anpassen, d. h. die Anzahl der Pixel, die sortiert werden. Der mittlere Wert aller Pixel wird dann für das Zielpixel verwendet.

Ein Medianfilter ist ein kantenerhaltender Rauschreduktionsalgorithmus.

Durch die Medianfilterung kann das Rauschen reduziert werden, und es besteht die Gefahr, dass das Bild blockartig oder unruhig wird.

Einstellbare Maximierung

Der einstellbare Maximierungsfilter vergleicht das aktuelle Pixel mit einer Anzahl benachbarter Pixel (gesteuert durch Größe) und setzt das aktuelle Pixel auf den Maximalwert aller verglichenen Pixel.

Einstellbare Minimierung

Der einstellbare Minimierungsfilter vergleicht das aktuelle Pixel mit einer Anzahl benachbarter Pixel (gesteuert durch Größe) und setzt das aktuelle Pixel auf den Mindestwert aller verglichenen Pixel.