專利名稱：保持圖像光滑性的圖像放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，具體涉及一種保持圖像光滑性的圖像放大方法。
背景技術(shù)：
在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要將圖像放大。這樣的處理為圖像數(shù)據(jù)瀏覽、傳輸和存儲提 供了方便。比如，為了在計算機(jī)輔助診斷中觀察醫(yī)學(xué)圖像中一個小的病理變化區(qū)域需要將 病理區(qū)域放大；為了在模式識別中尋找匹配目的需要圖像的形狀或者拓?fù)?，需要將圖像進(jìn) 行縮放處理。最近，圖像縮放處理用于調(diào)整原始圖像中各種各樣的分辨率到有固定分辨率 的數(shù)字顯示設(shè)備的物理屏幕上。。圖像縮放技巧根據(jù)空間相鄰數(shù)據(jù)使用某種濾波器來確定丟失數(shù)據(jù)，如此來改變圖 像的空間分辨率。許多研究結(jié)果從各種角度對縮放算法給出研究貢獻(xiàn)。經(jīng)典的圖像處理方 法如最鄰近法、雙線性插值、以及雙三次插值給出了圖像縮放的一般處理，常見于商業(yè)軟件 和一般的圖像軟件縮放處理中。最近鄰居法和雙線性插值顯出很高的計算簡單性或者光滑 性，但是在邊界區(qū)域面臨嚴(yán)重的走樣或者模糊問題。在這些常用的經(jīng)典插值方法之后，研究 者提出了許多其他的算法來改進(jìn)他們。硬件友好的基于面積的插值算法，模糊的基于面積 插值和沿著邊界方向插值等，通過考慮圖像的邊緣和細(xì)節(jié)信息來改進(jìn)經(jīng)典的插值方法，顯 出很好的性質(zhì)。這些插值方法一般用于處理灰度圖像，并且多適用于縮放因子不超過2x2 時的情況。當(dāng)將其用于處理二值圖像并且進(jìn)行較大因子放大時，圖像的邊緣將會出現(xiàn)塊效 應(yīng)，出現(xiàn)較大的鋸齒，光滑性不能得到很好的保持。在一般的自然圖像中，形狀是人眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行識別的主要因素，縮放算法一般 通過形狀保持來追求好的視覺效果。而人眼對圖像的邊界較敏感，通過邊界信息對圖像內(nèi) 容進(jìn)行判斷。當(dāng)對圖像放大時，尤其在進(jìn)行2x2以上倍數(shù)放大時，一般的算法容易產(chǎn)生明顯 的塊效應(yīng)。圖像放大時，一般為了獲得更高清晰度、細(xì)節(jié)更加豐富的圖像，光滑的或者相近 的邊緣將會提高放大圖像的質(zhì)量?；诿娣e的插值算法在實(shí)現(xiàn)二的冪次方的倍數(shù)放大時通 過面積重疊來避免塊效應(yīng)，模糊的基于面積的插值方法使用小于二的放大因子進(jìn)行多次迭 代來避免落入復(fù)制像素的粗糙處理，這些方法都改進(jìn)了圖像邊緣的光滑性，但效果都不夠
王困相

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是保持較大倍數(shù)放大后的圖像的光滑性，降低計算復(fù)雜 度，以及提高計算速度。( 二 )技術(shù)方案針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種保持圖像光滑性的圖像放大方法，包括如下步 驟S1，對大小為之*1。*1的二值圖像Ik中的任一像素Ik(i，j)，定義該像素的3x3鄰域模板Mk(i，j)，模板Mk(i，j)中有M^個目標(biāo)像素，其中，k表示迭代的次數(shù)，初始值為 1，!11、11、土和」均為正整數(shù)，0《似。<9,土 = 1，…，2 >+h，j = ι …，2n+H;S2，根據(jù)像素Ik(i，j)所在鄰域模板的顏色，將二值圖像Ik分為光滑區(qū)域和邊緣區(qū) 域；S3，對位于光滑區(qū)域的像素，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行放大，得到四 個放大像素；對 位于邊緣區(qū)域的像素D，有四個對應(yīng)的放大像素，對于四個放大像素中的每一個，構(gòu)造一個 重疊模板，對該重疊模板的各組成像素使用面積加權(quán)平均法求出四個放大像素的值，其中， 該重疊模板與當(dāng)前待放大的邊緣區(qū)域的像素D具有相同的面積，且與對應(yīng)的放大像素具有 相同的中心；S4，按照步驟Sl S3進(jìn)行迭代運(yùn)算對二值圖像Ik進(jìn)行放大，得到放大因子為SF = 2αχ2α的目標(biāo)圖像Ia+1 = 2m+ax2n+a，其中，α為正整數(shù)。其中，步驟S2具體為若像素Ik(i，j)所在的鄰域模板Mk(i，j)中的各個像素具有相同 的顏色時，則判斷像素Ik(i，j)處于光滑區(qū)域，具體來說，待像素Ik(i，j)在鄰域模板中，而 鄰域模板有九個像素，可能有不同的顏色，而當(dāng)九個像素顏色相同時，待放大像素位于光滑 區(qū)域；若像素Ik(i，j)所在的鄰域模板Mk(i，j)中的各個像素具有不同的顏色時，則判斷像 素Ik(i，j)處于邊緣區(qū)域。其中，步驟S3中，對位于光滑區(qū)域的像素Ik (i，j)，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行放大的步驟具 體為將放大后的四個像素取與鄰域模板相同的顏色。其中，所述目標(biāo)像素為黑色像素或者白色像素。(三)有益效果本發(fā)明的方法針對二值圖像進(jìn)行較大倍數(shù)放大，其顯著特點(diǎn)是保持了原始圖像的 邊緣的光滑性，且由于灰度和彩色圖像是由8個位平面組成的，每個位平面是一個二值圖 像，因而本發(fā)明的方法還可以擴(kuò)展到灰度和彩色圖像。具體來說，本發(fā)明通過使用重疊模 板，并應(yīng)用面積模型進(jìn)行加權(quán)平均，保證了放大圖像的邊緣最大可能地與原始圖像一致，從 而保持了光滑性；根據(jù)分塊思路，平滑像素每次只需對9個像素進(jìn)行判斷，然后進(jìn)行處理， 邊緣像素每次也只需處理9個像素，因此占用緩沖空間小，計算速度快；平滑區(qū)域只需要加 法運(yùn)算和判斷，邊緣區(qū)域只需按照公式進(jìn)行簡單的加法和乘法運(yùn)算，因此，計算復(fù)雜度低。


圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例的方法中的迭代流程圖；圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的方法中使用的鄰域模板和自適應(yīng)的重疊模板圖；圖4示出了利用本發(fā)明實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的放大效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例生成2x2，4x4倍放大倍數(shù)的圖像放大方法的 示意圖。如圖1所示，首先在步驟101中，輸入一幅2、2"大小的二值圖像Ip 二值圖像L 僅具有兩種顏色黑色和白色。二值圖像L可以被表示為2、2"的矩陣。該矩陣中的元素 為0和1，其中0代表白色像素，1代表黑色像素，這里，選擇黑色像素為目標(biāo)像素。原始圖 像Ii可以從圖像源(例如存儲器或圖像提取裝置(例如照相機(jī)))輸入，或者可以由機(jī)器 或人按需要直接產(chǎn)生。在步驟101中，輸入放大因子2ax2a。由于本發(fā)明采用迭代法進(jìn)行二的冪次方因 子倍數(shù)的放大，每次迭代將圖像進(jìn)行2x2倍放大，因此產(chǎn)生放大因子2ax2a的圖像，需要a 步迭代(具體迭代過程參見圖2)。。a —般根據(jù)圖像質(zhì)量要求和存儲要求進(jìn)行選擇，當(dāng)需 要更加清晰的圖像時，選擇較大的a，此時占用存儲空間多。當(dāng)要求節(jié)約存儲空間時，選擇 較小的a。a的選擇需要考慮質(zhì)量和存儲之間的平衡。然后，根據(jù)圖1所示的實(shí)施例，在步驟102中，對二值圖像^中每一個像素取其模 板3x3像素的鄰域模板Mi (i，j)。Ik(i，j)在圖像 Ik+1 中有四個對應(yīng)的放大像素 Ik+1(2i-l，2j_l)，Ik+1(2i_l，2j)， Ik+1(2i，2j-l)，Ik+1(2i，2j)。若像素IJi，j)與其所在的鄰域模板虬(i，j)有相同的顏色 時，即或9時，則I“i，j)處于光滑區(qū)域。四個對應(yīng)的放大像素I2(2i-l，2j-l)， I2 (2i-l，2 j)，I2 (2i，2 j-1)，I2 (2i，2 j)(這四個像素組成的區(qū)域如圖3中以符號C所指示的 正方形所示)取和鄰域模板Mji，j)相同的顏色即可。當(dāng)鄰域模板Mji，j)有不同的顏色 時，g卩l(xiāng)《M〖y<8時，則Iji，」)處于邊緣區(qū)域，即Ik(i，j)為邊緣(或邊界)像素時，按照 以下步驟求解得到 I2(2i-l，2j-l)，I2(2i-l，2j)，I2(2i，2j-1)，I2(2i，2j)的值(以下步驟 中k為1)步驟1 先對放大像素Ik+1(2i-l，2j_l)的原始值(通過人眼視覺系統(tǒng)放大得到) 進(jìn)行處理，其它三個像素可做類似的處理將放大像素Ik+1(2i-l，2j_l)映射到圖像Ik中，只占像素Ik(i，j)的面積的1/4， 在圖3中以符號A指示的正方形表示。構(gòu)造一個自適應(yīng)的重疊模板其與Ik(i，j) 有相同的面積，和像素Ik+1(2i-l，2j-l)有相同的中心，在圖3中以符號B指示的正方形表 示。對其余三個新像素‘從〗!-^」)，‘:^〗」-。，‘:^ 」)做相同的處理，分別構(gòu)造
對應(yīng)的自適應(yīng)的重疊模板nP\i,j), m丨4)(/,力。然后進(jìn)行如下處理步驟2:仍然以放大像素Ik+1(2i-l，2j_l)為例，Ik+1(2i-l，2j_l)的自適應(yīng)的重 疊模板 的組成像素是 Ik+1 中的 Ik+1 (2i-2，2j-2)，Ik+1 (2i-2，2j-1)，Ik+1 (2i_2，2j)， Ik+1(2i-l，2j-2)，Ik+1(2i-l，2j-l)，Ik+1(2i-l，2j)，Ik+1 (2i，2j_2)，Ik+1 (2i，2j_l)，Ik+1(2i， 2j)。濾波器模板”f (/，_； )與這些像素的重疊面積分別為1/16，1/8，1/16，1/8，1/4，1/8， 1/16，1/8，1/16。對于邊緣像素，根據(jù)使用面積加權(quán)平均法，則有計算公式Ik+l (2i= Ik+l (2i -2,2j-2) + \ Ik+1 (2i -2,2j-\) + }~ Ik+l (2i — 2,2J)
步驟3 對公式(1-4)進(jìn)行處理，因?yàn)?Ik+1(2i-2，2j_2)，Ik+1 (2i_2，2 j_l)， Ik+1(2i-2，2j)，Ik+1(2i-2，2j+l)，Ik+1(2i-l，2j-2)，Ik+1 (2i，2j_2)是已知的，Ik+1(2i_l， 2j-1), Ik+1(2i-l，2j)，Ik+1(2i，2j-l)，Ik+1(2i，2j)是當(dāng)前正在進(jìn)行放大的四個未知像素。 而未知像素 Ik+1(2i-l，2j+l)，Ik+1(2i，2j+l)是 Ik(i，j+1)的子像素(稱 Ik(i，j+1)是 Ik+1(2i-l，2j+l)和 Ik+1(2i，2j+l)的父像素)，未知像素 Ik+1(2i+l，2j-2)是 Ik(i+l，j_l)的 子像素，未知像素 Ik+1 (2i+l，2 j-1)，Ik+1 (2i+l，2 j)是 Ik (i+1，j)的子像素，Ik+1 (2i+l，2 j+1) 是Ik(i+l，j+l)的子像素，為了保證方程組數(shù)目和未知元數(shù)目相等，將這六個待計算的未知 像素粗略地用Ik中其父像素代替。于是方程組(1-4)是四個未知量，四個方程的方程組， 當(dāng)系數(shù)矩陣的行列式非零時，方程有唯一解。步驟4 關(guān)于未知元 Ik+1 (2i-l，2 j-1)，Ik+1 (2i_l，2 j)，Ik+1 (2i，2 j_l)，Ik+1 (2i，2 j)的 方程組(1-4)使用下面矩陣表示 步驟5 系數(shù)矩陣A嚴(yán)格正定，所以其逆矩陣一定存在。我們給出A—1的表示如下。 未知量的計算公式如下 依照此方法進(jìn)行迭代，還可得到放大圖像Ι3，-,Ια+10圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的放大方法得到的放大圖像I2和13。如圖4所示，原始圖 像I1為黑白二值圖像，圖像大小為128x128，放大因子參數(shù)為SF = 22χ22?？梢钥闯鲇稍?圖像I1經(jīng)過2x2倍，4x4倍放大后，圖像的斜邊沒有出現(xiàn)大的鋸齒，保持了圖像邊緣的光滑 性。因二值圖像具有占用空間小，便于存儲和傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在生活中廣泛使用，如閱讀 的文獻(xiàn)，傳播和查詢的信息，文本圖像中的簽名，地圖等，因此，本發(fā)明的放大方法可與圖像 瀏覽、計算機(jī)輔助診斷的醫(yī)學(xué)圖像等多分辨率圖像應(yīng)用相結(jié)合形成生成放大圖像，應(yīng)用在圖像設(shè)備中，如數(shù)碼相機(jī)、攝錄像機(jī)、mp4、電腦等進(jìn)行多分辨率瀏覽和圖像處理。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種保持圖像光滑性的圖像放大方法，其特征在于，包括如下步驟S1，對大小為2m+k-1x2n+k-1的二值圖像Ik中的任一像素Ik(i，j)，定義該像素的3x3鄰域模板Mk(i，j)，模板Mk(i，j)中有個目標(biāo)像素，其中，k表示迭代的次數(shù)，初始值為1，m、n、i和j均為正整數(shù)，i＝1，...，2m+k-1，j＝1，...，2n+k-1；S2，根據(jù)像素Ik(i，j)所在鄰域模板的顏色，將二值圖像Ik分為光滑區(qū)域和邊緣區(qū)域；S3，對位于光滑區(qū)域的像素，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行放大，得到四個放大像素；對位于邊緣區(qū)域的像素D，有四個對應(yīng)的放大像素，對于四個放大像素中的每一個，構(gòu)造一個重疊模板，對該重疊模板的各組成像素使用面積加權(quán)平均法求出四個放大像素的值，其中，該重疊模板與當(dāng)前待放大的邊緣區(qū)域的像素D具有相同的面積，且與對應(yīng)的放大像素具有相同的中心；S4，按照步驟S1～S3進(jìn)行迭代運(yùn)算對二值圖像Ik進(jìn)行放大，得到放大因子為SF＝2αx2α的目標(biāo)圖像Iα+1＝2m+αx2n+α，其中，α為正整數(shù)。FSA00000111678400011.tif,FSA00000111678400012.tif
2.如權(quán)利要求1所述的保持圖像光滑性的圖像放大方法，其特征在于，步驟S2具體為若像素Ik(i，j)所在的鄰域模板Mk(i，j)中的各個像素具有相同的顏 色時，則判斷像素Ik(i，j)處于光滑區(qū)域；若像素Ik(i，j)所在的鄰域模板Mk(i，j)中的各 個像素具有不同的顏色時，則判斷像素Ik(i，j)處于邊緣區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1或2所述的保持圖像光滑性的圖像放大方法，其特征在于，步驟S3中，對位于光滑區(qū)域的像素Ik(i，j)，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行放大的步驟具體 為將放大后的四個像素取與鄰域模板相同的顏色。
4.如權(quán)利要求3所述的保持圖像光滑性的圖像放大方法，其特征在于，所述目標(biāo)像素 為黑色像素或者白色像素。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種保持圖像光滑性的圖像放大方法，包括如下步驟S1，對二值圖像中的任一像素，定義鄰域模板；S2，根據(jù)像素所在鄰域模板的顏色，將二值圖像分為光滑區(qū)域和邊緣區(qū)域；S3，對位于光滑區(qū)域的像素，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)進(jìn)行放大；對位于邊緣區(qū)域的像素，有四個對應(yīng)的放大像素，對于四個放大像素中的每一個，構(gòu)造一個重疊模板，對該重疊模板的各組成像素使用面積加權(quán)平均法求出四個放大像素的值；S4，按上述步驟進(jìn)行迭代運(yùn)算對二值圖像進(jìn)行放大，得到的目標(biāo)圖像。本發(fā)明能使較大倍數(shù)放大后的圖像保持較好光滑性，并獲得較低的計算復(fù)雜度和較快的計算速度。
文檔編號G06T3/40GK101847252SQ20101016218
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者李順東, 王少洪, 王道順, 賈星星, 陳渝 申請人:清華大學(xué)