Bilateral Filtering(双边滤波) for SSAO

本文介绍了双边滤波(Bilateral Filtering)在SSAO中的使用,阐述了其原理,即通过结合空间距离和像素相似度来保持边缘信息。文章详细解释了双边滤波的代码实现,包括Spatial Weight、Similarity Weight和Color Filtering,并对比了双边滤波与高斯滤波在图像平滑中的效果。最后,展示了在SSAO中应用双边滤波的降噪效果。

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1. 简介

图像平滑是一个重要的操作,而且有多种成熟的算法。这里主要简单介绍一下Bilateral方法(双边滤波),这主要是由于前段时间做了SSAO,需要用bilateral blur 算法进行降噪。Bilateral blur相对于传统的高斯blur来说很重要的一个特性即可可以保持边缘(Edge Perseving),这个特点对于一些图像模糊来说很有用。一般的高斯模糊在进行采样时主要考虑了像素间的空间距离关系,但是却并没有考虑像素值之间的相似程度,因此这样我们得到的模糊结果通常是整张图片一团模糊。Bilateral blur的改进就在于在采样时不仅考虑像素在空间距离上的关系,同时加入了像素间的相似程度考虑,因而可以保持原始图像的大体分块进而保持边缘。在于游戏引擎的post blur算法中,bilateral blur常常被用到,比如对SSAO的降噪。

2. 原理

滤波算法中,目标点上的像素值通常是由其所在位置上的周围的一个小局部邻居像素的值所决定。在2D高斯滤波中的具体实现就是对周围的一定范围内的像素值分别赋以不同的高斯权重值,并在加权平均后得到当前点的最终结果。而这里的高斯权重因子是利用两个像素之间的空间距离(在图像中为2D)关系来生成。通过高斯分布的曲线可以发现,离目标像素越近的点对最终结果的贡献越大,反之则越小。其公式化的描述一般如下所述:

其中的c即为基于空间距离的高斯权重,而用来对结果进行单位化。

高斯滤波在低通滤波算法中有不错的表现,但是其却有另外一个问题,那就是只考虑了像素间的空间位置上的关系,因此滤波的结果会丢失边缘的信息。这里的边缘主要是指图像中主要的不同颜色区域(比如蓝色的天空,黑色的头发等),而Bilateral就是在Gaussian blur中加入了另外的一个权重分部来解决这一问题。Bilateral滤波中对于边缘的保持通过下述表达式来实现:

其中的s为基于像素间相似程度的高斯权重,同样用来对结果进行单位化。对两者进行结合即可以得到基于空间距离、相似程度综合考量的Bilateral滤波:

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