專利名稱：：一種手寫漢字美化的骨架變換方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于模式識別與人工智能
技術領域：
，特別是涉及一種對計算機用戶自由手寫輸入計算機的文字圖像進行美化處理，使得顯示出書法美化效果的方法。
背景技術：
：中國毛筆已經有數千年的歷史，中國書法被認為是中國繪畫的最高形式。手寫體漢字比印刷體漢字更靈活、更有原創(chuàng)性，人們甚至認為手寫字跡能反映一個人的性格、情緒和文化修養(yǎng)等個人特征。這使得手寫體漢字成為這些亞洲國家生活和文化中不可分割、不可替代的藝術形式。近年來個性化的文字處理已開始受到關注，方正集團發(fā)布了"徐靜蕾字體"，另外也有一些專利側重與漢字美化方面。專利200810060767.8號專利《一種漢字書寫形態(tài)美觀度的計算機評估方法》給出了一種計算機對漢字書寫心態(tài)美觀度的評估方法。這種方法只是對利用圖像處理和人工智能對漢字書寫進行一個評價，并沒有對字體進行美化處理。專利200810121201.1號專利《一種手寫體漢字的計算機生成與美化方法》公開了一種手寫體漢字的計算機生成與美化方法。該方法只是簡單的利用線性插值，得到新的手寫字體，所以美化效果方面還有待提高。專利200810028916.2號專利《一種手寫漢字美化方法》提出一種手寫漢字美化方法，在保留書寫者書寫風格基礎上，對其手寫漢字進行美化的手寫軌跡處理方法。本方法利用基于速度的書法筆畫模擬、筆畫匹配以及模版融合，達到美化書寫軌跡的目的。此發(fā)明和本發(fā)明很類似，但是由于字體眾多，并沒有針對特定字體來進行美化，雖然保留了個人風格，但是美化的目標并沒有達到特定字體的效果。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于利用計算機處理的方法，提供一種手寫漢字美化的骨架變換方法，不僅保留手寫者的手寫風格，而且美化后的字體更貼近行楷風格。本發(fā)明采用的技術方案為首先從輸入設備捕捉到用戶的輸入軌跡；進行重采樣處理；獲得采樣均勻的用戶輸入的筆畫的骨架信息，然后利用基于骨架變換的軌跡分析進行美化調整，最終生成行草書法風格的筆畫輪廓，其特征在于，所述基于骨架變換的軌跡分析包括如下步驟(1)對輸入樣本進行傾斜變換，使得變換后的字體更靠近行楷字體的形狀；(2)將傾斜變換后的樣本進行筆畫延伸及連筆變換，模擬真實書法中的拖筆效果；(3)利用B樣條曲線實現軌跡擬合，進行草書變換，完成字體的美化處理。上述步驟具體為所述步驟(1)中的傾斜變換是縱向拉伸軌跡長寬比例和向右上傾斜樣本點軌跡；所述步驟(2)中的筆畫延伸及連筆變換，先是根據筆畫的類型、相對位置、角度信息以及用戶的選擇參數，確定筆畫頭尾延伸的端點；然后根據延伸規(guī)則進行頭尾延伸處理，最后通過中點迭代方法將連線逼近于光滑弧線。所述步驟(3)中的草書變換，采用根據筆畫復雜度大小選擇不同的控制點數量的方法進行B樣條曲線擬合，先計算適合的控制點個數，然后對樣本點軌跡序列中每一筆畫進行B樣條擬合插值，得到相應的草書化變換結果。所述步驟(1)的傾斜變換目的是通過調整用戶輸入的整體軌跡的長、寬、位置、角度等屬性，使樣本序列在整體比例和結構上符合目標風格的一般特性。行楷字體風格是長寬比較大，整體外部輪廓修長；且縱向筆畫豎直，橫向筆畫微向右上傾斜。因此，傾斜變換的步驟具體為假設樣本點為Qi=(Xi，y》，進行傾斜變換后的樣本點Q'i=fint(Qi)=(x'i，y'》=(Xi，(yi+(Xi-Xmid)tg9、》A+y邁J其中(Xniid，ymid)為輸入區(qū)域的中心點，9和A分別是傾斜和縱向拉伸系數，fint是傾斜變換函數，將其寫為矩陣形式，有兒(a):Q^—K=(A,y,一IX,凡l妙、J一l最優(yōu)實施方式中，所述傾斜變換中傾斜系數e范圍為IO。15°;縱向拉伸系數A=1.0。所述步驟(2)是筆畫延伸及連筆變換，利用相鄰筆畫間的方向、位置信息，使筆畫顯得更自然、流暢，模擬真實書法中的拖筆效果。針對行楷書法風格筆畫關聯(lián)性的要求特點，需要模擬行楷書法中的"拖筆"現象，即對筆畫的頭部和尾部進行延伸，從而加強相鄰筆畫間的關聯(lián)性。這一變換方法包括兩個步驟筆畫延伸端點的確定和延伸筆段的形成。首先，根據筆畫的類型、相對位置、角度信息以及用戶的選擇參數，確定筆畫頭尾延伸的端點。定義A、S2分別是第一筆和第二筆的基本筆畫類型；ap^第一筆和第二筆的連接角度；d是第一筆末端與第二筆起始點之間的連線長度；eXl是第一筆尾部延伸的最長距離；e^是第二筆頭部延伸的最長距離。實驗發(fā)現在某些情況下添加筆畫的頭尾延伸部分可能使筆畫混淆或變形，反而破壞筆畫美化的效果。因此，在進行筆畫頭尾延伸變換時，對筆畫延伸部分的長度、是否進行延伸等進行總結，得到延伸端點計算規(guī)則，如下所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上表中前四列中的"_"表示對應參數可取任意值。根據筆畫延伸系數所給定的筆畫延伸端點，在最簡單的情況下，只需要在相鄰筆畫的頭部和尾部添加一段直線使之相連，但這樣的方法所生成的筆畫線條是非常生硬和不美觀的。設計了一種"中點迭代"的方法，步驟(2)的中點迭代方法先是將筆畫延伸與相鄰筆畫相交，找尋中點，然后下次迭代時，以中點為起點，找其與相鄰筆畫相交線的中點，依次迭代，最終逼近于一條光滑的弧線。所述步驟(3)是草書化變換，所述草書化變換的B樣條曲線方程定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，Pi(i二o，L...，n)是控制多邊形的頂點，Ni,k(t)(i=0，l，...，n)稱為k階B樣條基函數，其中每一個稱為B樣條，它是一個稱為節(jié)點矢量，即非遞減的參數t序列T:t?！禴《A《tn+k所決定的k階分段多項式，也即為k階多項式樣條；然后采用根據筆畫復雜度大小選擇不同的控制點數量的方法，來進行B樣條擬合，設筆畫上拐點(不包括筆畫起止點)數目為m，那么，B樣條擬合所使用的控制點數量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>;其中，k是一個可調整的參量，k的取值范圍是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>M為筆畫軌跡的采樣點數目，通過以上公式計算適合的控制點個數，對樣本點軌跡序列中每一筆畫進行B樣條擬合插值，得到相應的草書化變換結果。本發(fā)明利用骨架變換的軌跡分析方法來達到美化手寫漢字的效果，其中骨架變換的軌跡分析方法主要利用三種變換來實現，分別是傾斜變換、筆畫延伸及連筆變換和草書化變換。與已有的手寫漢字美化方法相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果(1)、保留了手寫人的個性化信息。(2)、可以對手寫人的字體進行行楷字體的轉換。(3)、手寫漢字的美化過程運算復雜度低，但效果佳。(4)、美化的強弱可以通過參數進行調節(jié)。圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)總體結構框圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)實現功能框圖；圖3是本發(fā)明步驟(2)中筆畫頭尾延伸規(guī)則所用參數示意圖4是本發(fā)明步驟(2)中中點迭代算法示意圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明，實施本發(fā)明所用的美化識別設備可以采用手寫板書寫漢字，用計算機進行美化識別，用純平型顯示器顯示用戶圖形界面，可采用C語言編制各類處理程序，便能較好地實施本發(fā)明。本發(fā)明的系統(tǒng)總體結構框圖如附圖l所示，漢字通過手寫板書進行手寫輸入采樣，然后利用計算機實現美化算法對輸入的手寫字體美化，最后利用純平型顯示器顯示美化后的手寫字體輸出。本發(fā)明的系統(tǒng)實現功能框圖如附圖2所示，手寫輸入樣本送入基于骨架變換的軌跡分析模塊，步驟(1)首先對輸入樣本進行傾斜變換，縱向拉伸軌跡長寬比例和向右上傾斜樣本點軌跡，使得變換后的字體更靠近行楷字體的形狀。步驟(2)然后將傾斜變換后的樣本送入頭尾連筆變換，使筆畫顯得更自然、流暢，模擬真實書法中的拖筆效果。步驟(3)最后送入草書變換，利用B樣條實現軌跡的擬合，最終完成字體的美化處理，并且在顯示器上顯示美化后的字體。在基于骨架變換的軌跡分析模塊中，各種參數可以人為調節(jié)來達到所需的最終輸出效果。下面具體對上述步驟(1)(3)進行詳細說明。步驟(1)整體結構調整的目的是通過調整用戶輸入的整體軌跡的長、寬、位置、角度等屬性，使樣本序列在整體比例和結構上符合目標風格的一般特性。行楷字體風格是長寬比較大，整體外部輪廓修長；且縱向筆畫豎直，橫向筆畫微向右上傾斜。從算法實現的角度來看，為賦予樣本點序列以上特性，所需步驟可描述為1、縱向拉伸軌跡長寬比例；2、向右上傾斜樣本點軌跡。綜上所述，對樣本點Qi=(Xi，y》，變換后的樣本點Q'i=fint(Qi)=(x'i，y'》=(Xi，(y,(Xi-Xniid)tg9、》A+y邁J(1)其中(Xniid，ymid)為輸入區(qū)域的中心點，9和A分別是傾斜和縱向拉伸系數。f旭寫為矩陣形式，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>經過變換后，樣本點序列以輸入區(qū)域的中心點為基準點，向右上方傾斜角度e，在縱向拉伸A倍。事實上，樣本點軌跡在經過向右上傾斜的變換后，其縱向長度會相應地有所增加(增量為軌跡總寬度的tge倍)。實驗發(fā)現當e=io°-15°，A二i.o的時候，整體結構變換能夠達到最好的美化效果。步驟(2)是筆畫延伸及連筆變換，該步驟以筆畫為單位對樣本點軌跡進行進一步變換，利用相鄰筆畫間的方向、位置信息，使筆畫顯得更自然、流暢，模擬真實書法中的拖筆效果。根據資料分析，行楷風格的筆畫延伸變換規(guī)則要求如下每一筆畫的尾端反映下一筆畫書寫的趨勢；每一筆畫的起始端反映上一筆畫的延續(xù)；用一條直線把相鄰筆畫的頭尾相接，整個筆畫段應該是光滑(可導)的；每一筆畫的起始、主體、結尾各部分平滑相連。針對以上行楷書法風格筆畫關聯(lián)性的要求特點，本文提出了筆畫頭尾延伸變換的筆畫美化方法，模擬行楷書法中的"拖筆"現象，即對筆畫的頭部和尾部進行延伸，從而加強相鄰筆畫間的關聯(lián)性。步驟(2)包括筆畫延伸端點的確定和延伸筆段的形成。其中的受筆畫延伸端點的確定是系統(tǒng)根據筆畫的類型、相對位置、角度信息以及用戶的選擇參數，確定筆畫頭尾延伸的端點。首先定義Sl、s2分別是第一筆和第二筆的基本筆畫類型；apa2第一筆和第二筆的連接角度；d是第一筆末端與第二筆起始點之間的連線長度；eXl是第一筆尾部延伸的最長距離；ex2是第二筆頭部延伸的最長距離，上述定義參數的如圖3所示。實驗和觀察發(fā)現在某些情況下添加筆畫的頭尾延伸部分可能使筆畫混淆或變形，反而破壞筆畫美化的效果。因此，在進行筆畫頭尾延伸變換時，對筆畫延伸部分的長度、是否進行延伸等進行總結，得到延伸端點計算規(guī)則，具體規(guī)則下表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中的筆畫延伸筆段生成是根據筆畫延伸系數所給定的筆畫延伸端點，在最簡單的情況下，只需要在相鄰筆畫的頭部和尾部添加一段直線使之相連，但這樣的方法所生成的筆畫線條是非常生硬和不美觀的。根據弧線逼近原理(在外接圓中，多邊形的邊數越大，它就越逼近于外接圓)，為此提出了"中點迭代"的算法，此方法將筆畫延伸與相鄰筆畫相交，找尋中點，然后下次迭代時，以中點為起點，找其與相鄰筆畫相交線的中點，依次迭代，最終逼近于一條光滑的弧線。具體過程可以參加說明書圖4。步驟(3)草書化變換是骨架變換的最后一個步驟，草書程度是相對于書寫的規(guī)范程度而言的。草書程度越大，書寫軌跡顯得越流暢，也更"潦草"。在筆畫軌跡上，草書程度集中體現在筆畫轉折處的銳角程度或曲率值的大小。轉折角度越明顯，曲率值越大，則草書程度越小。在用戶輸入較為正規(guī)的漢字軌跡時，通過前面的整體結構調整、筆畫延伸變換和連筆形成，樣本點序列已基本具有行楷書法的骨架風格。但筆畫轉折角度比較明顯，較偏向于規(guī)范的書寫。為了調整樣本點軌跡的草書程度，需要平滑轉折角度，增強軌跡的流暢性。本文采用了B樣條曲線來實現樣本點軌跡的草書化變換。B樣條曲線方程定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，Pi(i=O，l，...，n)是控制多邊形的頂點，Ni,k(t)(i=0，1，...，n)稱為k階(k-l次)B樣條基函數，其中每一個稱為B樣條，它是一個稱為節(jié)點矢量，即非遞減的參數t序列T:t?！禴《A《tn+k所決定的k階分段多項式，也即為k階(k-l次)多項式樣條。在具體實現上，系統(tǒng)對樣本點軌跡的每一筆畫進行一個B樣條曲線的擬合。擬合時使用的控制點數量應該自適應于該筆畫的特性。因此，本文采用根據筆畫復雜度大小選擇不同的控制點數量的方法，來進行B樣條擬合。設筆畫上拐點(不包括筆畫起止點)數目為m，那么，B樣條擬合所使用的控制點數量為n=2(m+l)-k(4)其中，k是一個可調整的參量，k的取值范圍是[p-2m-l，M/1.5-2(m+l)]，M為筆畫軌跡的采樣點數目。通過以上公式計算適合的控制點個數，對樣本點軌跡序列中每一筆畫進行B樣條擬合插值，得到相應的草書化變換結果。實驗結果如圖6所示。從圖中可以看出，所提出的基于B樣條擬合插值的草書化變換方法能夠有效地平滑樣本點軌跡，形成美觀、流暢的書寫風格，并具有良好的用戶可控性。權利要求一種手寫漢字美化的骨架變換方法，首先從輸入設備捕捉到用戶的輸入軌跡；進行重采樣處理；獲得采樣均勻的用戶輸入的筆畫的骨架信息，然后利用基于骨架變換的軌跡分析進行美化調整，最終生成行草書法風格的筆畫輪廓，其特征在于，所述基于骨架變換的軌跡分析包括如下步驟(1)對輸入樣本進行傾斜變換，使得變換后的字體更靠近行楷字體的形狀；(2)將傾斜變換后的樣本進行筆畫延伸及連筆變換，模擬真實書法中的拖筆效果；(3)利用B樣條曲線實現軌跡擬合，進行草書變換，完成字體的美化處理。2.根據權利要求1所述的手寫漢字美化的骨架變換方法，其特征在于所述基于骨架變換的軌跡分析具體為所述步驟(1)中的傾斜變換是縱向拉伸軌跡長寬比例和向右上傾斜樣本點軌跡；所述步驟(2)中的筆畫延伸及連筆變換，先是根據筆畫的類型、相對位置、角度信息以及用戶的選擇參數，確定筆畫頭尾延伸的端點；然后根據延伸端點規(guī)則進行頭尾延伸處理，最后通過中點迭代方法將連線逼近于光滑弧線。所述步驟(3)中的草書變換，采用根據筆畫復雜度大小選擇不同的控制點數量的方法進行B樣條曲線擬合，先計算適合的控制點個數，然后對樣本點軌跡序列中每一筆畫進行B樣條擬合插值，得到相應的草書化變換結果。3.根據權利要求2所述的手寫漢字美化的骨架變換方法，其特征在于所述步驟(1)具體操作如下假設樣本點為Qi=(Xi，y》，進行傾斜變換后的樣本點Q'i=f旭(Qi)=(x'i，y'》=(Xi，(yi+(Xi-xmid)tge-ymid)A+ymid)其中(xmid，ymid)為輸入區(qū)域的中心點，e和A分別是傾斜和縱向拉伸系數，f旭是傾斜變換函數，將其寫為矩陣形式，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>4.根據權利要求3所述的手寫漢字美化的骨架變換方法，其特征在于所述傾斜變換中傾斜系數9范圍為10°15°;縱向拉伸系數A二1.0。5.根據權利要求2所述的手寫漢字美化的骨架變換方法，其特征在于所述步驟(2)中的延伸端點規(guī)則具體如下定義Sl、S2分別是第一筆和第二筆的基本筆畫類型；apa2為第一筆和第二筆的連接角度；d是第一筆末端與第二筆起始點之間的連線長度；eXl是第一筆尾部延伸的最長距離；ex2是第二筆頭部延伸的最長距離，則延伸端點計算規(guī)則定義如下<table>tableseeoriginaldocumentpage2</column></row><table>上表中前四列中的"_"表示對應參數可取任意值。6.根據權利要求2所述的手寫漢字美化的骨架變換方法，其特征在于所述步驟(2)的中點迭代方法先是將筆畫延伸與相鄰筆畫相交，找尋中點，然后下次迭代時，以中點為起點，找其與相鄰筆畫相交線的中點，依次迭代，最終逼近于一條光滑的弧線。7.根據權利要求2所述的手寫漢字美化的骨架變換方法，其特征在于步驟(3)所述的草書化變換的B樣條曲線方程定義為^W=tsW',^)其中，Pji=O，l，...，n)是控制多邊形的頂點，Ni,k(t)(i=0，1，...，n)稱為k階B樣條基函數，其中每一個稱為B樣條，它是一個稱為節(jié)點矢量，即非遞減的參數t序列T:t?！禴《A《tn+k所決定的k階分段多項式，也即為k階多項式樣條；所述步驟(3)采用根據筆畫復雜度大小選擇不同的控制點數量的方法，來進行B樣條擬合，設筆畫上不包括起止點的拐點數目為m，那么，B樣條擬合所使用的控制點數量為n=2(m+l)-k;其中，k是一個可調整的參量，k的取值范圍是[p-2m-l，M/1.5-2(m+l)]，M為筆畫軌跡的采樣點數目，通過以上公式計算適合的控制點個數，對樣本點軌跡序列中每一筆畫進行B樣條擬合插值，得到相應的草書化變換結果。全文摘要本發(fā)明是一種手寫漢字美化的骨架變換方法，利用骨架變換的軌跡分析方法來達到美化手寫漢字的效果，其中骨架變換的軌跡分析方法主要利用三種變換來實現，分別是傾斜變換、筆畫延伸及連筆變換和草書化變換。與已有的手寫漢字美化方法相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果(1)保留了手寫人的個性化信息；(2)可以對手寫人的字體進行行楷字體的轉換；(3)手寫漢字的美化過程運算復雜度低，但效果佳；(4)美化的強弱可以通過參數進行調節(jié)。文檔編號G06T11/80GK101699517SQ20091019351公開日2010年4月28日申請日期2009年10月30日優(yōu)先權日2009年10月30日發(fā)明者朱星華,毛慧蕓,金連文申請人:華南理工大學