專(zhuān)利名稱(chēng)：一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種計(jì) 算機(jī)輔助亂針繡制作軟件方法，具體地說(shuō)，是一種直接輸入數(shù)字彩色圖像輸出用于電腦刺 繡機(jī)制作亂針繡繡品針跡序列的方法，實(shí)現(xiàn)亂針繡工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)化。
背景技術(shù)：
亂針繡是由常州藝人楊守玉教授于二十世紀(jì)三十年代創(chuàng)立的一種刺繡藝術(shù)，它擺 脫了我國(guó)幾千年傳統(tǒng)刺繡“排比其針，密接其線(xiàn)”繡法的拘束，形成了獨(dú)特的“長(zhǎng)短參差，斜 線(xiàn)交叉，分層攙色”亂針技藝，利于藝人自由表達(dá)思想情感，實(shí)現(xiàn)“畫(huà)理”與“繡理”的有機(jī)結(jié) 合；亂針繡長(zhǎng)于繡制油畫(huà)、攝影和素描等稿本，繡品具有針?lè)ɑ顫姟⒕€(xiàn)條流暢、色彩豐富、層 次感強(qiáng)、風(fēng)格獨(dú)特等特點(diǎn)，不僅迥別于中國(guó)的其它種類(lèi)繡品，在世界范圍內(nèi)也是極其珍貴的 藝術(shù)作品，多次作為國(guó)禮贈(zèng)送給外國(guó)政府或領(lǐng)導(dǎo)人收藏，體現(xiàn)了其精美的藝術(shù)價(jià)值和深厚 的文化價(jià)值。目前江蘇省已將其列入首批非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，中國(guó)政府也已將其列入世界非 物質(zhì)文化遺產(chǎn)申請(qǐng)計(jì)劃。然而，與傳統(tǒng)刺繡相比，亂針繡工藝錯(cuò)綜復(fù)雜，從臨摹、鋪底，到上 色、調(diào)色，要采用“素描稿”與“色彩稿”對(duì)表現(xiàn)技法、操作步驟和創(chuàng)作效果進(jìn)行反復(fù)思考和醞 釀，主要工藝過(guò)程迄今仍依賴(lài)于手工操作，作品創(chuàng)作周期長(zhǎng)，成本昂貴，只作為政府饋贈(zèng)禮 品用于國(guó)際禮物交往，而在市場(chǎng)上卻難覓其蹤，無(wú)法為普通人所擁有和認(rèn)可；同時(shí)，亂針繡 對(duì)繡者的技藝素質(zhì)要求非常高，不僅要掌握“畫(huà)理”和熟練的繪畫(huà)技巧，而且能掌握“繡理” 和熟練的刺繡技巧，繡者的成才之路艱辛而漫長(zhǎng)，導(dǎo)致亂針繡人才日趨匱乏，對(duì)這一傳世絕 技的保護(hù)和傳承構(gòu)成了極大威脅。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助亂針繡的制作可以縮短亂針繡繡品 的制作周期，降低制作成本，減小繡者的勞動(dòng)強(qiáng)度，吸引更多年輕人學(xué)習(xí)和傳承這一獨(dú)特工 藝。然而，由于亂針繡工藝十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助亂針繡的研究報(bào) 道。與傳統(tǒng)刺繡工藝采用的平面繡法不同，亂針繡將不同方向、長(zhǎng)短、粗細(xì)和顏色的針跡 交叉重疊堆積來(lái)表現(xiàn)物體的體積感、前后物體的空間關(guān)系及色彩變化。已有諸如文獻(xiàn)1田 緒安，李丙社，徐一兵刺繡圖像輪廓圖的計(jì)算機(jī)生成系統(tǒng).西北紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998， 12(2) 196-198，文獻(xiàn)2孟波，謝琪，陳世福電腦刺繡CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)應(yīng)用 與軟件，2001，18(10) 12-14.和文獻(xiàn)3吳一民，李佳，李海濤電腦刺繡CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，28 (12) =1335-1338.等所述計(jì)算機(jī)輔助刺繡方法均只支持平面 繡法，都是先采用邊緣檢測(cè)或色彩聚類(lèi)將輸入數(shù)字圖像分割為互不交叉的若干閉合區(qū)域， 再采用諸如平包針、席紋、平針等平面針?lè)ɑ螂S機(jī)針?lè)▽?duì)每個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行填充而生成針 跡。這種方法要求同一區(qū)域內(nèi)的針跡首尾順次相連且針跡間盡量避免產(chǎn)生交叉，所生成繡 品的區(qū)域間缺乏顏色過(guò)渡，色彩層次單一，難以滿(mǎn)足亂針繡工藝的需要。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，包括以 下步驟步驟1繡線(xiàn)顏色子集選擇依據(jù)待繡制圖像的色彩構(gòu)成從可用繡線(xiàn)顏色中選擇指 定數(shù)量的繡線(xiàn)顏色以確保只使用指定數(shù)量顏色繡線(xiàn)生成繡品的色彩質(zhì)量。繡線(xiàn)顏色數(shù)量根 據(jù)電腦刺繡機(jī)硬件條件指定，如6針的電腦刺繡機(jī)指定繡線(xiàn)顏色數(shù)為6種。步驟2鋪色將待繡制圖像分割為若干大的色塊區(qū)域，色塊區(qū)域大小取決于圖像 本身的色彩分布情況，色塊區(qū)域的面積不宜小于100像素，但不嚴(yán)格要求所有區(qū)域均超過(guò) 該大小，然后對(duì)每個(gè)色塊區(qū)域從步驟1選定的顏色子集中選擇與其顏色距離最小的繡線(xiàn)采 用交叉針跡填充繡品針跡方案圖像，待繡制圖像中的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)繡品針跡方案圖像中一 個(gè)正方形區(qū)域。例如繡品針跡方案圖像長(zhǎng)寬可取為原待繡制圖像的5倍，即原圖上的一個(gè) 點(diǎn)對(duì)應(yīng)針跡方案圖像上的5像素*5像素的一個(gè)正方形區(qū)域。這里一個(gè)交叉針跡指的是由 兩條相互交叉的針跡構(gòu)成的一個(gè)針跡集合。其中顏色距離的計(jì)算根據(jù)所選擇的色彩空間決 定，若選用RGB色彩空間表示，顏色距離可采用歐氏距離或加權(quán)歐氏距離。步驟3精繡采用一個(gè)正方形的的滑動(dòng)窗口首先覆蓋待繡制圖像 左上角，然后從 左至右，再?gòu)纳现料禄瑒?dòng)該窗口遍歷待繡制圖像，窗口大小根據(jù)需要生成的針跡長(zhǎng)度設(shè)定， 每次在該窗口所在位置根據(jù)待繡制圖像中顏色分布尋找交叉針跡；步驟4針跡順序優(yōu)化步驟2、3生成了 一個(gè)針跡的序列，本步驟在不改變不同顏色 針跡的覆蓋關(guān)系的前提下將同種顏色的針跡盡量連續(xù)排列，然后對(duì)連續(xù)排列的同種顏色的 針跡順序按照針跡的位置進(jìn)行調(diào)整，將距離較近的針跡調(diào)整到一起，如果調(diào)整順序后相鄰 的兩針跡距離(第一針跡的終點(diǎn)與第二針跡的起點(diǎn)之間的距離)小于一定閾值，則插入一 個(gè)針跡連接前一針跡的終點(diǎn)與后一針跡的起點(diǎn)使刺繡機(jī)能連續(xù)走針，使原來(lái)相鄰獨(dú)立的針 跡在繡制時(shí)可以連續(xù)走針。步驟5針跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前面步驟生成的針跡起點(diǎn)和終點(diǎn)是以像素為單位的，本步 驟根據(jù)所使用的繡線(xiàn)寬度，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電腦刺繡機(jī)使用的以毫米為單位的坐標(biāo)格 式，從而生成電腦刺繡機(jī)格式的亂針繡針跡序列；步驟6，將所述亂針繡針跡序列輸入電腦刺繡機(jī)，從而得到相應(yīng)的繡品圖像。由于電腦刺繡機(jī)硬件條件的限制，不可能同時(shí)使用很多顏色的繡線(xiàn)，例如6針刺 繡機(jī)可以同時(shí)使用6種顏色的繡線(xiàn)，如果針跡序列中使用超過(guò)6種顏色的繡線(xiàn)，繡制時(shí)需要 頻繁地停機(jī)換線(xiàn)，將嚴(yán)重影響繡品制作效率。本發(fā)明步驟1提供了一種將精英選擇遺傳算法(Elite Genetic Algorithm)應(yīng)用 于繡線(xiàn)顏色選擇的方法，依據(jù)待繡制圖像的色彩構(gòu)成從可用繡線(xiàn)顏色中選擇指定數(shù)量的繡 線(xiàn)顏色以確保只使用指定數(shù)量顏色繡線(xiàn)生成繡品的色彩質(zhì)量。假設(shè)完整的繡線(xiàn)顏色集T= {、，、，....，tm}中共有m種繡線(xiàn)，從中選取一個(gè)k個(gè) 元素的子集S = Is1, ...，sk}，其中Si e T，i = 1，...，k，k為指定的顏色數(shù)，對(duì)待繡制圖 像中所有像素用該子集中的最相似的顏色替換可重建一幅與原圖像相似但有一定色差的
圖像，用公式d^A)表示重建圖像與原圖像之間的色差，其中p、q分別為待繡制圖
/ = 0 J = O
像的寬度和高度，i、j為圖像中像素X、y方向以像素為單位的坐標(biāo)值(這里采用圖像處理領(lǐng)域常用的一種坐標(biāo)系圖像左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，往右為X軸正向，往下為y軸正向)，Cij表 示待繡制圖像像素(i，j)的顏色值，D(Cij，S1)表示顏色值Cij與k個(gè)元素的子集中的元素 S1的距離，顏色距離的計(jì)算可以采用RGB、YUV或其它顏色空間中色彩距離的計(jì)算方法。本 步驟采用精英選擇遺傳算法求得一個(gè)顏色子集S，使得重建圖像與原圖像之間具有較小的 色差。本發(fā)明步驟2鋪色包括以下步驟步驟21平滑圖像通過(guò)圖像去噪算法去除待繡制圖像的細(xì)節(jié)特征，保留大色塊的 輪廓特征，本步驟的目的是避免步驟22按顏色分割圖像時(shí)產(chǎn)生大量面積小于一定像素?cái)?shù) 的區(qū)域，所述的大色塊區(qū)域指面積大于80 100像素的區(qū)域。去噪算法可以選擇任何在 去噪的同時(shí)能夠很好地保持圖像邊緣的算法。例如Rudin、Osher和Fatemi于1992年在
Nonlinear total variation based noise removal algorithms. Physica D，1992， 60(1-4) =259-268.中提出的一種基于全變分(Total Variation, TV)模型的去噪方法。步驟22分割平滑后的圖像對(duì)平滑后的圖像中所有像素點(diǎn)使用步驟1選出的繡線(xiàn) 顏色子集中最相似的顏色替換，圖像被自動(dòng)分割成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的顏色將作為 鋪色階段填充該區(qū)域所用的繡線(xiàn)顏色。步驟23計(jì)算每個(gè)區(qū)域交叉針跡的方向參數(shù)根據(jù)區(qū)域的顏色特征，計(jì)算區(qū)域針跡 方向(以針跡與X軸的夾角表示)。對(duì)步驟22得到的每一個(gè)區(qū)域采用下面的方法計(jì)算該區(qū) 域針跡方向步驟23a，首先求得待繡制圖像的亮度圖像I (i，j)并據(jù)此計(jì)算出亮度圖像的梯度 「帥’))-
其中Gx、Gy分別為對(duì)亮度圖像使用Sobel算子得到的X和y方向的差分值。步驟23b，根據(jù)亮度梯度按下面的公式計(jì)算出θ值。
θ = 1/2arctan(Vx/Vy)’ 其 中
W為區(qū)域內(nèi)像素的集合，(u, ν)為區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟23c，根據(jù)亮度梯度按下面的公式得到β的值
為區(qū)域內(nèi)像素的集合，(u，v)為區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)坐標(biāo)。
步驟23d，以θ+β和θ-β作為交叉針跡中兩針跡的方向(與χ軸方向的夾角)。步驟24根據(jù)一定的針跡密度對(duì)每個(gè)區(qū)域采用選定的顏色使用交叉針跡對(duì)每個(gè)區(qū) 域進(jìn)行填充。主要步驟包括步驟24a，求該區(qū)域外接矩形，外接矩形的邊平行于x、y坐標(biāo)軸；步驟24b，根據(jù)針跡方向計(jì)算單根針跡的長(zhǎng)度，針跡的寬度設(shè)定為1像素，計(jì)算出 單根針跡覆蓋所述區(qū)域的面積；步驟24c，根據(jù)設(shè)定的覆蓋的面積比例計(jì)算外接矩形區(qū)域內(nèi)填充所需的交叉針跡 的數(shù)量；
步驟24d，根據(jù)交叉針跡的數(shù)量在外接矩形內(nèi)平均分布針跡；步驟24e，去除上一步驟求得的針跡中不在區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)，以剩下的像素點(diǎn)構(gòu)成 的直線(xiàn)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)作為針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。本發(fā)明步驟3需重復(fù)迭代執(zhí)行多次，首先采用較大尺寸的滑動(dòng)窗口遍歷圖像生成 較長(zhǎng)的針跡，然后逐步減小滑動(dòng)窗口的尺寸生成較短的針跡。迭代的次數(shù)和窗口尺寸根據(jù) 用戶(hù)對(duì)繡品的質(zhì)量要求確定。對(duì)每個(gè)滑動(dòng)窗口按以下步驟確定交叉針跡步驟31采用試探法尋找交叉針跡位置，使用不同的斜率尋找直線(xiàn)段，所述直線(xiàn)段 路徑上的所有像素點(diǎn)顏色相似即與直線(xiàn)段起點(diǎn)的顏色距離小于閾值，則根據(jù)該直線(xiàn)段的起 點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)生成針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，主要步驟如下步驟31a，在正方形滑動(dòng)窗口中的左上角(正方形滑動(dòng)窗口中的x方向左半部分， y方向上半部分)和左下角(正方形滑動(dòng)窗口中的χ方向左半部分，y方向下半部分)中隨 機(jī)選擇兩個(gè)點(diǎn)作為兩直線(xiàn)段的起點(diǎn)；
步驟31b，確定在該正方形滑動(dòng)窗口范圍內(nèi)顏色距離的最大閾值，如果滑動(dòng)窗 口中兩像素的顏色距離小于該閾值，則認(rèn)為是相似的，否則認(rèn)為不相似。最大閾值根據(jù) 滑動(dòng)窗口內(nèi)的顏色構(gòu)成動(dòng)態(tài)確定，假設(shè)滑動(dòng)窗口邊長(zhǎng)為n，則閾值最大值為3萬(wàn)S，其中
為滑動(dòng)窗口內(nèi)坐標(biāo)(相對(duì)于滑動(dòng)窗口左上角)為(i，j)的像素顏
色值，
為該區(qū)域內(nèi)像素顏色的平均值，D(c^cav)為兩顏色的距離。為減
少計(jì)算量可直接使用顏色距離的平方值進(jìn)行判斷，最大閾值取18S2。步驟31c，使用不同的斜率進(jìn)行試探尋找符合條件的直線(xiàn)段，要求直線(xiàn)段路徑上的 所有像素點(diǎn)顏色相似，具有較小的色差。對(duì)某一給定斜率，首先計(jì)算該直線(xiàn)段上的下一個(gè)像 素點(diǎn)顏色與起點(diǎn)顏色的距離，如果該距離值小于指定的閾值，則認(rèn)為顏色相似，繼續(xù)對(duì)該直 線(xiàn)下一點(diǎn)進(jìn)行處理；如果該距離值大于指定的閾值則終止處理，判斷已找到的直線(xiàn)段的長(zhǎng) 度是否符合要求，如果長(zhǎng)度太短則放棄該線(xiàn)段，選擇另一斜率值進(jìn)行試探。當(dāng)找到的直線(xiàn)段 長(zhǎng)度超出該閾值時(shí)直接返回，以防止在某些顏色變化平緩的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生過(guò)長(zhǎng)的針跡。本步 驟首先采用較小的顏色距離閾值進(jìn)行試探，如果沒(méi)有找到符合條件的直線(xiàn)段，則增加顏色 距離閾值重復(fù)執(zhí)行本步驟，當(dāng)顏色距離閾值大于步驟步驟31b中計(jì)算出的最大閾值時(shí)，則 從本步驟31c退出，從步驟31a重新開(kāi)始繼續(xù)滑動(dòng)該窗口遍歷待繡制圖像的其他位置。步驟31d，在原圖像上找到符合條件的直線(xiàn)段后，對(duì)直線(xiàn)段起點(diǎn)和終點(diǎn)分別在繡品 針跡方案圖像對(duì)應(yīng)的正方形中隨機(jī)選取一個(gè)未被針跡覆蓋的像素作為針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。步驟32確定針跡的顏色，在選定針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)后，根據(jù)直線(xiàn)段起點(diǎn)在繡品針 跡方案圖像中所對(duì)應(yīng)正方形區(qū)域的覆蓋情況來(lái)確定針跡的顏色。如果該正方形區(qū)域已覆蓋 的像素比例小于20%，直接根據(jù)待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的顏色在繡線(xiàn)顏色子集中選擇一 個(gè)與其顏色距離最小的繡線(xiàn)顏色；如果該正方形區(qū)域已覆蓋的像素比例大于20%，則按下 面的步驟來(lái)計(jì)算針跡的顏色，其中η表示正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)步驟32a，求出針跡方案圖像中該正方形區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的顏色和，未被覆蓋的部分 求和時(shí)用線(xiàn)顏色子集中與待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)顏色距離最小的繡線(xiàn)顏色替代，記該值 為C·。
步驟32b，計(jì)算待繡制圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色與CSUffl的差Cdiff，Cdiff = n*n*C g-C■，其 中C g為待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的顏色。步驟32c，計(jì)算修補(bǔ)色= a*Cdiff+(l-a)*C g，用繡線(xiàn)顏色子集中與CMP最相 似的繡線(xiàn)顏色作為針跡顏色，其中參數(shù)a G (0,1]為顏色調(diào)節(jié)因子，用于調(diào)節(jié)針跡使用的 繡線(xiàn)顏色與待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素顏色的相似程度。a取較大值時(shí)目標(biāo)圖像遠(yuǎn)看色彩更接 近待繡制圖像；a較小則所選顏色與待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素顏色更接近，但遠(yuǎn)看時(shí)視覺(jué)效 果不及a取較大值的情況。本發(fā)明步驟4針跡順序優(yōu)化，包括以下步驟步驟41分裂長(zhǎng)針跡對(duì)于步驟2、3得到的針跡序列中超過(guò)一定長(zhǎng)度閾值的針跡進(jìn) 行處理，將其按照設(shè)定的長(zhǎng)度閾值分裂為若干長(zhǎng)度小于長(zhǎng)度閾值的針跡，長(zhǎng)度閾值一般可 設(shè)為15 25像素，也可根據(jù)刺繡機(jī)的特性適當(dāng)加大該值。步驟42根據(jù)顏色重新排列針跡遍歷前面步驟中生成的針跡序列，如果前一個(gè) 針跡的顏色與針跡序列中前面另一個(gè)針跡的顏色相同，且兩個(gè)針跡之間的所有針跡均無(wú)交 叉關(guān)系，則將前一個(gè)針跡的位置提前到所述另一個(gè)針跡后，從而將顏色相同的針跡連續(xù)排 列；步驟43連接相鄰?fù)揖嚯x一定閾值像素以?xún)?nèi)的針跡，所述一定閾值一般為2 5像素；本步驟對(duì)連續(xù)排列的相同顏色的針跡順序進(jìn)行調(diào)整，使得相鄰兩針跡中前一針跡 的終點(diǎn)與后一針跡的起點(diǎn)距離縮小；如果該距離小于所述閾值，將其連接起來(lái)不會(huì)對(duì)繡品 整體視覺(jué)效果產(chǎn)生大的影響，則插入一個(gè)針跡連接前一針跡的終點(diǎn)與后一針跡的起點(diǎn)使得 電腦刺繡機(jī)能夠連續(xù)走針。本發(fā)明前4步驟生成了一個(gè)針跡序列，針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)以像素為單位，針 跡方案圖像尺寸為原圖寬度和高度放大相同倍數(shù)。電腦刺繡機(jī)走針時(shí)使用的坐標(biāo)一般以毫 米為單位，步驟5將以像素為單位的針跡起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為毫米為單位的坐標(biāo)，其方 法較為簡(jiǎn)單，只需將以像素為單位的數(shù)據(jù)乘以繡線(xiàn)的寬度數(shù)據(jù)就可以了。有益效果本發(fā)明提供了一種輸入數(shù)字彩色圖像，自動(dòng)生成亂針繡針跡序列的計(jì) 算機(jī)輔助亂針繡制作方法，利用本方法生成的針跡序列可以由電腦刺繡機(jī)批量、高效率生 成亂針繡繡品，降低亂針繡繡品的生產(chǎn)成本。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。圖1是本發(fā)明所公開(kāi)方法總體流程示意圖。圖2是本發(fā)明中鋪色階段交叉針跡方向參數(shù)的示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)待繡制圖像荷花的繡制過(guò)程效果圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)了一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，包括以下步驟步驟1，繡線(xiàn)顏色子集選擇依據(jù)待繡制圖像的色彩構(gòu)成從可用繡線(xiàn)顏色中選擇 指定數(shù)量的繡線(xiàn)顏色以確保只使用指定數(shù)量顏色繡線(xiàn)生成繡品的色彩質(zhì)量。
步驟2，鋪色將待繡制圖像分割為若干大的色塊區(qū)域，然后對(duì)每個(gè)色塊區(qū)域從步 驟1選定的顏色子集中選擇與其最相似的顏色采用交叉針跡填充繡品針跡方案圖像，待繡 制圖像中的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)繡品針跡方案圖像中一個(gè)正方形區(qū)域。步驟3，精繡采用一個(gè)正方形的滑動(dòng)窗口遍歷待繡制圖像，在滑動(dòng)窗口中根據(jù)顏 色的相似性尋找交叉針跡，逐步加大針跡的密度。步驟4，針跡順序優(yōu)化步驟2、3生成了一個(gè)針跡的序列，本步驟在不改變不同顏 色針跡的覆蓋關(guān)系的前提下將同種顏色的針跡盡量連續(xù)排列，然后對(duì)連續(xù)排列的同種顏色 的針跡順序按照針跡的位置進(jìn)行調(diào)整，將距離較近的針跡調(diào)整到一起，如果調(diào)整順序后相 鄰的兩針跡距離(第一針跡的終點(diǎn)與第二針跡的起點(diǎn)之間的距離)小于一定閾值，例如距 離在3像素以?xún)?nèi)，則插入一針，使原來(lái)相鄰獨(dú)立的針跡在繡制時(shí)可以連續(xù)走針。步驟5，針跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前面步驟生成的針跡起點(diǎn)和終點(diǎn)是以像素為單位的，本步 驟根據(jù)所使用的繡線(xiàn)寬度，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電腦刺繡機(jī)使用的以毫米為單位的坐標(biāo)格 式。步驟6，將所述亂針繡針跡序列輸入電腦刺繡機(jī)，從而得到相應(yīng)的繡品。本發(fā)明的實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及繡線(xiàn)顏色子集選擇、鋪色、精繡和針跡順序優(yōu) 化，下面介紹實(shí)施的主要流程1.繡線(xiàn)顏色子集選擇人工繡制亂針繡作品時(shí)會(huì)使用大量不同顏色的繡線(xiàn)，但使用電腦刺繡機(jī)不可能使 用太多不同顏色的繡線(xiàn)。這主要是因?yàn)殡娔X刺繡機(jī)的硬件條件限制，電腦刺繡機(jī)的針數(shù)決 定了可以同時(shí)使用的繡線(xiàn)顏色數(shù)，例如對(duì)6針的電腦刺繡機(jī)可同時(shí)使用6種。如果使用的繡 線(xiàn)顏色數(shù)量過(guò)多，繡制時(shí)必須頻繁地停機(jī)換線(xiàn)，刺繡機(jī)無(wú)法高速運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響繡制效率。本步驟從可用繡線(xiàn)顏色集中根據(jù)圖像的顏色構(gòu)成選擇指定數(shù)量的顏色子集作為 后面各階段的針跡顏色。本步驟輸入可用繡線(xiàn)顏色集合和彩色圖像，輸出被選擇的顏色子 集。繡線(xiàn)顏色集合中的每個(gè)顏色需要提供的參數(shù)包括1)繡線(xiàn)編號(hào)本編號(hào)主要用于為電腦刺繡機(jī)換線(xiàn)時(shí)識(shí)別繡線(xiàn)；2)繡線(xiàn)顏色值根據(jù)所使用的顏色空間不同，數(shù)據(jù)格式不同，可使用計(jì)算機(jī)中最 常用的RGB顏色空間，分別給出3分量的值。假設(shè)完整的繡線(xiàn)顏色集T = {、，t2，. . . .，tffl}中共有m種繡線(xiàn)，需要從中選取一 個(gè)k個(gè)元素的子集S= {81，...，％}，其中& G T，i = 1，...，k，k為刺繡機(jī)允許使用的顏 色數(shù)，對(duì)6針的刺繡機(jī)k可設(shè)置為6，如果允許刺繡時(shí)多次換線(xiàn)可加大k的值。對(duì)待繡制圖 像中所有像素用該子集中的最相似的顏色替換可重建一幅與原圖像相似但有一定色差的
圖像，用公式^乞“^叫^“表示重建圖像與原圖像之間的色差，其中？…分別為待繡制 / = 0 j = 0
圖像的寬度和高度，CiJ表示待繡制圖像像素(i，j)的顏色值，D(CiJ, Sl)表示顏色值Cij與 k個(gè)元素的子集中的元素Sl的距離，顏色距離的計(jì)算方法可以根據(jù)選擇的顏色空間采用相 應(yīng)的計(jì)算方法。如果采用三維向量表示RGB色彩空間中一個(gè)顏色值，C = (r，g，b)’，兩個(gè)不同 顏色值Ci、c2之間的距離通?？刹捎脷W氏距離來(lái)表示，考慮到人眼對(duì)亮度信號(hào)更為敏感， 而RGB三分量對(duì)亮度信號(hào)的貢獻(xiàn)不同，對(duì)RGB三分量差值賦予不同的權(quán)值，對(duì)顏色的色彩
10距離計(jì)算公式進(jìn)行調(diào)整，可以使計(jì)算出的距離差異更符合人眼的視覺(jué)特點(diǎn)，計(jì)算公式為 本步驟采用改進(jìn)的精英選擇遺傳算法求得一個(gè)顏色子集S，使得重建圖像與原圖 像之間具有較小的色差。遺傳算法是一類(lèi)借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)化搜 索算法，直接以適應(yīng)度作為搜索信息，無(wú)需導(dǎo)數(shù)等其它輔助信息。使用遺傳算法首先需要對(duì) 問(wèn)題空間編碼，將問(wèn)題空間映射到搜索空間，然后以一定概率進(jìn)行選擇操作、交叉操作、變 異操作，使平均適應(yīng)度高的模式在每一代保留下來(lái)，經(jīng)逐次迭代，找到最大適應(yīng)度的個(gè)體， 達(dá)到優(yōu)化的目的。本發(fā)明所述改進(jìn)的精英選擇遺傳算法包括以下特征1)基因的編碼形式對(duì)可用繡線(xiàn)集中的每種繡線(xiàn)定義一個(gè)基因位，值為1表示該顏色的繡線(xiàn)被選中， 若值為0則表示該繡線(xiàn)未被選中，則可用長(zhǎng)度為m的二進(jìn)制串表示一個(gè)個(gè)體，記<，其中g(shù)i取值為0或1，且滿(mǎn)足式條件f義=k。2)交叉算子遺傳算法標(biāo)準(zhǔn)的交叉算子不能保證交叉生成的新個(gè)體滿(mǎn)足上面的條件，無(wú)法直接 應(yīng)用于本發(fā)明。本發(fā)明對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的單點(diǎn)交叉算子進(jìn)行了改造。EPl、P2為兩個(gè)父母?jìng)€(gè)體，Cl、 c2為交叉生成的子個(gè)體，交叉過(guò)程如下①初始化交叉生成的子個(gè)體C1、C2，所有基因位為0 ；②對(duì)所有基因位，若父母?jìng)€(gè)體？1和父母?jìng)€(gè)體p2中對(duì)應(yīng)位置上的基因值均為1，則 將父母?jìng)€(gè)體Pi和父母?jìng)€(gè)體P2中對(duì)應(yīng)位置基因值均為1的位置的值均置為0，將子個(gè)體Cl、 個(gè)體c2與父母?jìng)€(gè)體Pl和父母?jìng)€(gè)體p2中對(duì)應(yīng)位置的值置為1，記滿(mǎn)足該條件的基因位個(gè)數(shù)為 s，令參數(shù)d = k_s。③生成一個(gè)區(qū)間[l，d_l]之間的隨機(jī)整數(shù)cp。將父母?jìng)€(gè)體Pl中前cp個(gè)值為1的 基因位復(fù)制到子個(gè)體Cl對(duì)應(yīng)的基因位置，剩余的d-Cp個(gè)值為1的基因位復(fù)制到子個(gè)體c2 對(duì)應(yīng)的基因位置。將父母?jìng)€(gè)體P2中前CP個(gè)值為1的基因位復(fù)制到子個(gè)體(32對(duì)應(yīng)的基因位 置，剩余的d-Cp個(gè)值為1的基因位復(fù)制到子個(gè)體Cl對(duì)應(yīng)的基因位置。3)變異算子與交叉算子類(lèi)似，標(biāo)準(zhǔn)的變異算子也存在同樣的問(wèn)題，當(dāng)選中某個(gè)值為1的基因 位，將其值變?yōu)?，則會(huì)使個(gè)體中值為1的基因位數(shù)量減少，反之則會(huì)使個(gè)體中值為1的基因 位數(shù)量增加。本發(fā)明對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的變異算子進(jìn)行改造，方法為當(dāng)某個(gè)值為1的基因位被選中發(fā) 生變異時(shí)，隨機(jī)選擇一個(gè)為值0的基因位同時(shí)發(fā)生變異；而當(dāng)某個(gè)值為0的基因位發(fā)生變異 時(shí)，隨機(jī)選擇一個(gè)值為1的基因位同時(shí)進(jìn)行變異。4)適應(yīng)度函數(shù)的定義遺傳算法每次在選擇操作前，必須計(jì)算當(dāng)前群體中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，適應(yīng)度值
越大的個(gè)體被選擇的概率越大。公式
說(shuō)明使用指定的顏色子集重建的圖像
與原圖色差越小，說(shuō)明該個(gè)體的性能越好，越接近最優(yōu)解，該個(gè)體的適應(yīng)度值應(yīng)該越大，因此取g g min Die,，作為該個(gè)體的適應(yīng)度。 ;=0 ；=0 1圖3的實(shí)施例中選擇市場(chǎng)上常見(jiàn)DMC的繡線(xiàn)集，共有454種顏色，種群大小為100， 隨機(jī)生成初始種群，最大遺傳代數(shù)500，采用精英選擇遺傳算法，每次遺傳保留上一代的最 優(yōu)解，如果連續(xù)50代遺傳最優(yōu)解保持不變，則終止算法，否則當(dāng)遺傳代數(shù)超過(guò)最大代次數(shù) 時(shí)終止。執(zhí)行交叉算子的概率P。為0. 8，變異的概率Pm為0. 15。2.鋪色鋪色階段采用相對(duì)規(guī)則的交叉針跡填充大色塊，主要步驟為步驟2. 1.平滑繡稿通過(guò)圖像去噪算法去除待繡制圖像的細(xì)節(jié)特征，保留大色塊 的輪廓特征。如果直接根據(jù)待繡制圖像的顏色分布進(jìn)行區(qū)域分割，往往會(huì)出現(xiàn)大量面積很小 的區(qū)域，步驟2. 1在分割前對(duì)待繡制圖像進(jìn)行平滑，去除一些細(xì)節(jié)特征，可以避免這種 情況。去噪算法選擇可以選擇任何在去噪的同時(shí)能夠很好地保持圖像邊緣的算法。例 如 Rudin、Osher 禾口 Fatemi 于 1992 年在文獻(xiàn) Nonlinear total variation based noise removalalgorithms. Physica D，1992，60 (1-4) :259_268.中提出的一種基于全變分(Total Variation, TV)模型的去噪方法。對(duì)于附圖3a所示的待繡制圖像，平滑之后的圖像見(jiàn)附圖 3b。步驟2. 2分割平滑后的圖像對(duì)平滑后的圖像中所有像素點(diǎn)使用步驟1選出的繡 線(xiàn)顏色子集中顏色距離最小的顏色替換，圖像被自動(dòng)分割成若干區(qū)域，實(shí)施例中附圖3a所 示的待繡制圖像分割為28個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的顏色將作為鋪色階段填充該區(qū)域所用 的繡線(xiàn)顏色。步驟2. 3計(jì)算每個(gè)區(qū)域交叉針跡的方向參數(shù)根據(jù)區(qū)域的顏色特征，計(jì)算區(qū)域針 跡與x軸的夾角。計(jì)算方法如下1)求得待繡制圖像的亮度圖像I，對(duì)每個(gè)像素亮度值為0. 212671*R+0. 715160*G+ 0. 072169*B，R、G、B為該像素顏色在RGB色彩空間中三分量的值；該轉(zhuǎn)換是RGB圖像轉(zhuǎn)換為 灰度圖像時(shí)的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。
子得到的X和y方向的差分值； 3)計(jì)算每個(gè)區(qū)域的e值，該值表示交叉針跡的總體方向，如附圖2所示，其中AB、 ⑶為針跡，EF為兩交叉針跡的角平分線(xiàn)，兩條針跡的方向由參數(shù)e和0確定，其與X軸的
夾角分別為e+e和e-旦。
，其中 2)計(jì)算圖像的亮度梯度▽/ =
Gx、Gy分別為對(duì)亮度圖像使用Sobel算 W為區(qū)域內(nèi)像素的集合；(u，v)為W中像素點(diǎn)的坐標(biāo)；計(jì)算每個(gè)區(qū)域日的值，該值為交叉針跡中針跡夾角的1，如附圖2所示，
P
W為區(qū)域內(nèi)像素的集合；(U，V)為W中像素點(diǎn)的坐標(biāo)；4)以e+e和e-e作為交叉針跡中兩針跡的方向(與X軸方向的夾角)。步驟2. 4根據(jù)用戶(hù)指定的針跡密度對(duì)每個(gè)區(qū)域采用選定的顏色使用交叉針跡對(duì) 每個(gè)區(qū)域進(jìn)行填充，所述針跡密度一般設(shè)定為10% 30%，主要步驟包括1)求該區(qū)域外接矩形，外接矩形的邊平行于x、y坐標(biāo)軸，遍歷區(qū)域中所有的點(diǎn)，求 得x，y坐標(biāo)的最小值left、top，最大值right、bottom，則外接矩形的左上角坐標(biāo)為(left， top),右下角坐標(biāo)為(right, bottom)。2)根據(jù)針跡方向計(jì)算單根針跡的長(zhǎng)度。步驟如下①調(diào)整針跡方向角度參數(shù)到范圍(_f，f]；②估算針跡的長(zhǎng)度，設(shè)針跡與x軸夾角為alpha，若alpha的絕對(duì)值小于f，則 長(zhǎng)度 length = (right-left+1)/cos (alpha)，若 alpha 的絕對(duì)值大于 f，則 length = fabs ((bottom一top+1)/sin(alpha))；3)根據(jù)期望覆蓋的面積比例計(jì)算外接矩形區(qū)域內(nèi)填充所需的交叉針跡的數(shù)量，設(shè) 兩個(gè)方向針跡上一步求得的長(zhǎng)度為lengthl、length2，針跡寬度設(shè)定為1像素因此直接用 針跡長(zhǎng)度作為針跡覆蓋矩形區(qū)域的面積，則針跡數(shù)量為1 ineCount = ((bottom_top+l)氺(right_left + l)氺iScale氺percentage) / (lengthl+length2)；其中iScale為針跡方案圖像尺寸與源待繡制圖像的尺寸比，實(shí)施例該值為5，即 待繡制圖像中一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)針跡方案圖像中邊長(zhǎng)為5像素的正方形區(qū)域；percentage為用戶(hù) 設(shè)定的鋪色階段針跡覆蓋面積的百分比，實(shí)施例中取為20 %。4)根據(jù)針跡數(shù)量在外接矩形內(nèi)平均分布針跡。若針跡與x軸夾角小于f，則在外 接矩形上邊界上等距分布lineCoimt個(gè)點(diǎn)，以這些點(diǎn)為起點(diǎn)按針跡方向繪制出針跡；若針 跡與x軸夾角大于f，則在外接矩形左邊界上等距分布lineCoimt個(gè)點(diǎn)，以這些點(diǎn)為起點(diǎn)按 針跡方向繪制出針跡。5)去除上一步驟求得的針跡中不在區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)，以剩下的像素點(diǎn)構(gòu)成的直線(xiàn) 段的起點(diǎn)和終點(diǎn)作為針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。實(shí)施例中圖3a所示待繡制圖像經(jīng)過(guò)平滑、分割后圖像，鋪色的結(jié)果如圖3c所示。3精繡階段在鋪色的基礎(chǔ)上根據(jù)圖像的局部顏色特征尋找合適的針跡，通過(guò)一個(gè)正方形的滑 動(dòng)窗口遍歷待繡制圖像，在滑動(dòng)窗口中尋找交叉針跡，逐步加大針跡的密度。該步驟需重復(fù) 迭代執(zhí)行多次。首先采用較大尺寸的滑動(dòng)窗口遍歷圖像生成較長(zhǎng)的針跡，然后逐步減小滑 動(dòng)窗口的尺寸生成較短的針跡。迭代的次數(shù)和窗口尺寸根據(jù)用戶(hù)對(duì)繡品的質(zhì)量要求確定，迭代的次數(shù)越多，繡品的質(zhì)量越高，具體流程描述如下1)設(shè)定初始滑動(dòng)窗口尺寸和滑動(dòng)的步長(zhǎng)以及窗口尺寸的最小閾值，初始時(shí)一般將 滑動(dòng)窗口邊長(zhǎng)設(shè)定為5 20像素，滑動(dòng)的步長(zhǎng)為窗口尺寸的1/4 3/4，窗口尺寸的最小閾 值設(shè)定為2 4像素。2)設(shè)定當(dāng)前窗口尺寸允許的最短針跡長(zhǎng)度和最長(zhǎng)針跡長(zhǎng)度，最短針跡長(zhǎng)度為滑動(dòng) 窗口邊長(zhǎng)，最長(zhǎng)針跡長(zhǎng)度為1. 1 2倍的滑動(dòng)窗口邊長(zhǎng)。3)尋找交叉針跡，對(duì)原圖像從左至右從上到下滑動(dòng)窗口，對(duì)每一個(gè)窗口進(jìn)行如下 步驟(a)計(jì)算已繡制的圖像中對(duì)應(yīng)當(dāng)前窗口的部分已被覆蓋的比例；(b)如果被覆蓋的比例大于90%，跳過(guò)步驟(c) (d)，處理下一窗口 ；(c)在窗口左上部選擇一點(diǎn)作為起點(diǎn)，用不同的斜率向右下方向進(jìn)行試探尋找長(zhǎng) 度在最短針跡長(zhǎng)度和最長(zhǎng)針跡長(zhǎng)度之間的直線(xiàn)段，且直線(xiàn)段上像素顏色相近，如果找到根 據(jù)該直線(xiàn)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置生成一個(gè)針跡；在窗口左下部選擇一點(diǎn)作為起點(diǎn)，用不同的 斜率向右上方向試探尋找長(zhǎng)度在最短針跡長(zhǎng)度和最長(zhǎng)針跡長(zhǎng)度之間的直線(xiàn)段，且直線(xiàn)段上 像素顏色相近，如果找到根據(jù)該直線(xiàn)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置生成一個(gè)針跡。4)減小窗口尺寸和窗口滑動(dòng)的步長(zhǎng)。實(shí)施例中初始窗口邊長(zhǎng)尺寸為8像素，窗口 滑動(dòng)步長(zhǎng)為窗口尺寸的1/2，每次迭代時(shí)窗口邊長(zhǎng)尺寸為上一次窗口邊長(zhǎng)尺寸的1/2。5)如果窗口尺寸不小于預(yù)先設(shè)定的閾值，轉(zhuǎn)步驟2 ；否則算法終止。實(shí)施例中該閾 值為2，總共迭代3次，窗口邊長(zhǎng)分別為8、4、2像素，最長(zhǎng)針跡長(zhǎng)度為窗口尺寸的1.5倍，最 短針跡長(zhǎng)度為窗口尺寸。上面步驟3)中用不同斜率試探尋找符合條件的直線(xiàn)段的過(guò)程描述如下(其中n 表示滑動(dòng)窗口的邊長(zhǎng)，flagl為真表示找到左上角為起點(diǎn)的符合條件的直線(xiàn)段，flag2為真 表示到左上角為起點(diǎn)的符合條件的直線(xiàn)段)1)初始化 flagl、flag2 為假；2)計(jì)算滑動(dòng)窗口中兩個(gè)像素的顏色距離的最大閾值，該最大閾值選定為18S2，其
中
為滑動(dòng)窗口的邊長(zhǎng)，DKpCU為顏色距 V n i=o j=0yi i=o j=0
離，Cij為滑動(dòng)窗口內(nèi)坐標(biāo)(相對(duì)于滑動(dòng)窗口左上角)為(i，j)的像素點(diǎn)的顏色，Cav為滑
動(dòng)窗口內(nèi)像素顏色的平均值，S用來(lái)衡量滑動(dòng)窗口內(nèi)顏色分布的情況，該值越小說(shuō)明該滑動(dòng)
窗口內(nèi)像素顏色一致性越高，該值越大說(shuō)明該滑動(dòng)窗口內(nèi)的顏色變化越劇烈。3)本實(shí)施例中，顏色距離閾值設(shè)定為1000，一般可以根據(jù)需要設(shè)定為500 2000， 如果未找到距離小于1000的直線(xiàn)段，則加大顏色距離閾值重復(fù)尋找直線(xiàn)段，每次增加的顏 色距離閾值范圍800-1200之間，本實(shí)施例中增加1000，當(dāng)顏色距離閾值大于步驟31b中計(jì) 算出的最大閾值時(shí)，則退出步驟31。4)在正方形區(qū)域的左上角的1/4區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選定一點(diǎn)(startx，starty)；5) k初值為小于n的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)每次減1直到其值為1，重復(fù)執(zhí)行下面步驟(5. 1)判斷起點(diǎn)為(startx，starty)斜率為k/n的方向上的像素顏色最相近的繡 線(xiàn)顏色是否與起點(diǎn)相同或與起點(diǎn)的顏色距離是否小于顏色距離與值，若是將其作為線(xiàn)段終 點(diǎn)，繼續(xù)循環(huán)判斷下一像素，當(dāng)線(xiàn)段長(zhǎng)度大于1. 5*n或遇到某像素點(diǎn)與起點(diǎn)顏色距離大于顏色距離值時(shí)返回已求得的線(xiàn)段終點(diǎn)；(5. 2)若找到的線(xiàn)段長(zhǎng)度大于等于n，將該線(xiàn)段加入針跡表，置flagl = true，在針 跡方案圖像上繪制該線(xiàn)段，退出當(dāng)前循環(huán)，轉(zhuǎn)步驟7)；6) k初值為小于n的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)每次減1直到其值為1，重復(fù)執(zhí)行下面步驟(6. 1)功能與步驟(5. 1)相同，直線(xiàn)段斜率改為為n/k ；(6. 2)同步驟(5. 2)；7)在正方形區(qū)域的左下角的1/4區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選定一點(diǎn)(startx，starty)；8) k初值為小于n的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)每次減1直到其值為1，重復(fù)執(zhí)行下面步驟(8. 1)功能同步驟(5. 1)，直線(xiàn)段斜率為_(kāi)k/n ；(8. 2)若找到的線(xiàn)段長(zhǎng)度大于等于n，將該線(xiàn)段加入針跡表，置flag2 = true，在針 跡方案圖像上繪制該線(xiàn)段，退出當(dāng)前循環(huán)，轉(zhuǎn)步驟10)；9) k初值為小于n的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)每次減1直到其值為1，重復(fù)執(zhí)行下面步驟(9. 1)功能同步驟(8. 1)，直線(xiàn)段斜率為-n/k ；(9. 2)功能同步驟(8. 2)；10)如果flagl、flag2均為假則增加顏色距離閾值(原閾值增加100作為新的閾 值)；否則，算法終止；11)如果顏色距離閾值大于18S2，算法終止；12)轉(zhuǎn)步驟 4)。在窗口內(nèi)找到符合條件的直線(xiàn)段后，在該直線(xiàn)段的起點(diǎn)或終點(diǎn)在目標(biāo)圖像中對(duì)應(yīng) 的區(qū)域中隨機(jī)選取一個(gè)未被繡線(xiàn)覆蓋的點(diǎn)作為針跡起點(diǎn)或終點(diǎn)。確定了針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)后還需要確定針跡的顏色，由于機(jī)器繡制只能使用少量 顏色，待繡制圖像中大部分區(qū)域的顏色與所選擇的顏色子集中的顏色存在色差，如果在一 個(gè)區(qū)域中反復(fù)使用同一種顏色的繡線(xiàn)進(jìn)行繡制，則作品的視覺(jué)效果與原圖會(huì)有很大差異。 不同顏色的鄰近點(diǎn)遠(yuǎn)看時(shí)混合產(chǎn)生新的顏色，本發(fā)明通過(guò)在鄰近點(diǎn)使用前面選擇的顏色子 集中少量顏色進(jìn)行混合，遠(yuǎn)看時(shí)產(chǎn)生與原圖像更接近的顏色。本方法待繡制圖像中的一個(gè)像素在針跡方案圖像中對(duì)應(yīng)一個(gè)正方形區(qū)域，采用該 正方形區(qū)域中各像素點(diǎn)的RGB平均值作為混合產(chǎn)生的新顏色。在選定針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn) 后，根據(jù)直線(xiàn)段起點(diǎn)在針跡方案圖像中所對(duì)應(yīng)正方形區(qū)域的覆蓋情況來(lái)確定針跡的顏色。 方法如下1)如果該正方形區(qū)域已覆蓋的像素比例小于20%，直接根據(jù)待繡制圖像中對(duì)應(yīng) 像素點(diǎn)的顏色在繡線(xiàn)顏色子集中選擇一個(gè)與該顏色最接近的繡線(xiàn)顏色；2)如果該正方形區(qū)域已覆蓋的像素比例大于20%，則按下面的步驟來(lái)計(jì)算針跡 的顏色，其中n表示正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)①求出該正方形區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的顏色和，未被覆蓋的部分求和時(shí)用待繡制圖像中 對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)顏色最相近的繡線(xiàn)顏色替代，記該值為CSUffl。②計(jì)算待繡制圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的顏色C g與Csum的差Cdiff :Cdiff = n*n*C g-Csum ；③計(jì)算修補(bǔ)色CMp = a *Cdiff+ (1-a ) *Corg,用Crep在繡線(xiàn)顏色子集中尋找最相似的 顏色作為針跡顏色，其中參數(shù)a G (0,1]為顏色調(diào)節(jié)因子，用于調(diào)節(jié)針跡使用的繡線(xiàn)顏色 與待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素顏色的相似程度。a取較大值時(shí)目標(biāo)圖像遠(yuǎn)看色彩更接近待繡制圖像；a較小則所選顏色與待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素顏色更接近，但遠(yuǎn)看時(shí)視覺(jué)效果不及a 取較大值的情況。實(shí)施例中a取0.5。圖3中包含原始圖像、平滑后的圖像、鋪色效果、精繡過(guò)程效果及交叉針跡的局部 效果圖。實(shí)施例中圖3a所示待繡制圖像，圖3b為平滑后的圖像，圖3c為輔色后的圖像，圖 3d、圖3e、圖3f為精繡階段3次遍歷待繡制圖像后得到的繡品針跡方案圖像，圖3g所示為 生成的繡品針跡方案圖像局部放大圖像。4.針跡順序優(yōu)化前面步驟生成了一個(gè)不連續(xù)的針跡序列，不能直接為刺繡機(jī)使用，需要對(duì)針跡順 序進(jìn)行調(diào)整，將相同顏色的針跡盡量集中，對(duì)靠近的針跡進(jìn)行連接，生成連續(xù)的針跡序列。 本步驟分為以下步驟步驟41，分裂長(zhǎng)針跡對(duì)于步驟2、3得到的針跡序列中超過(guò)一定長(zhǎng)度的針跡進(jìn)行 處理，將其按照設(shè)定的長(zhǎng)度閾值分裂為若干長(zhǎng)度小于長(zhǎng)度閾值的針跡。步驟42，根據(jù)顏色重新排列針跡遍歷前面步驟中生成的針跡序列，如果針跡1的 顏色與針跡序列中前面針跡2的顏色相同，且針跡1與針跡2到該針跡之間的所有針跡均 無(wú)交叉關(guān)系，則將針跡1的位置提前到針跡2后。步驟43，連接相鄰?fù)揖嚯x很近的針跡步驟4. 2將若干顏色相同的針跡連續(xù) 排列，本步驟對(duì)連續(xù)排列的相同顏色的針跡順序進(jìn)行調(diào)整，使得相鄰兩針跡中前一針跡的 終點(diǎn)與后一針跡的起點(diǎn)距離盡量短。如果兩針跡距離很近，將其連接起來(lái)不會(huì)對(duì)繡品整體 視覺(jué)效果產(chǎn)生大的影響，則插入一個(gè)短的針跡使得電腦刺繡機(jī)能夠連續(xù)走針。下面具體描述針跡優(yōu)化過(guò)程1)分裂長(zhǎng)針跡本步驟對(duì)針跡序列中的每一個(gè)針跡進(jìn)行檢查，根據(jù)其x方向及y方向的跨度(起 點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)x方向和y方向的距離)判斷是否需要將其分裂為多個(gè)短針跡，如果超過(guò)設(shè) 定的閾值(下面閾值用MAXSL表示)則分裂，否則不處理。實(shí)施例中閾值為20，即x方向或 y方向跨度超過(guò)20，將其分裂為多個(gè)針跡。設(shè)x方向跨度為xd，y方向跨度為yd，則如果xd、yd均小于等于MAXSL，不處理，否則按下面方法處理；如果xd > yd，將原針跡平均分為 splits 段，splits = (xd+MAXSL-1)/MAXSL ；如果xd <= yd，將原針跡平均分為 splits 段，splits = (yd+MAXSL-1)/MAXSL ；2)根據(jù)顏色重新排列針跡本步驟輸入未排序的針跡列表stitches，輸出按顏色重新排列的針跡列表 newstitches，算法描述如下當(dāng)針跡列表stitches不空時(shí)重復(fù)執(zhí)行以下步驟；從針跡列表stitches中取出第一個(gè)針跡stitch ；保存針跡stitch的顏色curColor ；將針跡stitch加入到新的針跡列表newstitches中；遍歷針跡stitches中的所有針跡，對(duì)每一針跡如果該針跡與stitches表頭至該針跡之間的所有針跡都不相交，則將該針跡放 A newstitches,/A stitches 巾HP余
3)連接相鄰?fù)揖嚯x很近的針跡；上一步驟將針跡序列按顏色分成若干段，每一段顏色相同但仍然不連續(xù)，本步驟 對(duì)每一段分別進(jìn)行處理，在段內(nèi)調(diào)整針跡順序。本步驟輸入未排序的針跡列表stitches，輸 出按位置重新排列的針跡列表newstitches，算法描述如下從stitches中取出第一個(gè)針跡stitch ；將 stitch 力口入至Ij newstitches 中；保存stitch的終點(diǎn)位置為curPos ；當(dāng)針跡列表stitches不空時(shí)重復(fù)執(zhí)行下面步驟；遍歷stitches中的所有針跡，對(duì)每一針跡計(jì)算針跡起點(diǎn)和終點(diǎn)與curPos的距 罔；取出起點(diǎn)或終點(diǎn)與curPos距離最小的針跡stitch，如果是該針跡終點(diǎn)與curPos 距離最小，則將該針跡起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)換；如果上面的最小距離小于3，生成一個(gè)新的針跡，起點(diǎn)為curPos，終點(diǎn)為stitch起 點(diǎn)，將該新的針跡加入newstitches ；將 stitch 力口入 newstitches ；置curPos 為 sticth 的終點(diǎn)。本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法的思路及方法，具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方 案的方法和途徑很多，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(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn) 和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以 實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，繡線(xiàn)顏色子集選擇根據(jù)待繡制圖像的色彩構(gòu)成從當(dāng)前繡線(xiàn)顏色中選擇一定數(shù)量的繡線(xiàn)顏色作為繡線(xiàn)顏色子集；步驟2，鋪色將待繡制圖像分割為若干色塊區(qū)域，然后對(duì)每個(gè)色塊區(qū)域從所述繡線(xiàn)顏色子集中選擇與色塊區(qū)域顏色距離最小的顏色繡線(xiàn)，采用交叉針跡填充生成繡品針跡方案圖像，待繡制圖像中的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)繡品針跡方案圖像中一個(gè)正方形區(qū)域，所述交叉針跡為由兩條相互交叉的針跡構(gòu)成的一個(gè)針跡集合；步驟3，精繡用一個(gè)正方形的的滑動(dòng)窗口覆蓋待繡制圖像的左上角，然后滑動(dòng)該窗口遍歷待繡制圖像，每次在該窗口所在位置根據(jù)待繡制圖像中的顏色分布尋找交叉針跡；步驟4，針跡順序優(yōu)化調(diào)整針跡順序，使步驟2和步驟3中相鄰獨(dú)立的針跡在繡制時(shí)連續(xù)走針，從而得到亂針繡繡品針跡序列；步驟5，針跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換根據(jù)所使用的繡線(xiàn)寬度，將以像素為單位的針跡起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電腦刺繡機(jī)使用的以毫米為單位的坐標(biāo)格式，從而生成電腦刺繡機(jī)格式的亂針繡針跡序列；步驟6，將所述電腦刺繡機(jī)格式的亂針繡針跡序列輸入電腦刺繡機(jī)，從而得到相應(yīng)的亂針繡繡品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，步驟1中，使 用改進(jìn)的精英選擇遺傳算法選擇一定數(shù)量的繡線(xiàn)顏色作為繡線(xiàn)顏色子集，所述繡線(xiàn)顏色數(shù) 量與刺繡機(jī)針數(shù)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟2包 括以下步驟步驟21，平滑圖像去除待繡制圖像中的細(xì)節(jié)特征，保留色塊區(qū)域的輪廓特征；步驟22，分割圖像對(duì)平滑后的圖像中所有像素點(diǎn)使用步驟1選出的繡線(xiàn)顏色中顏色 距離最小的顏色替換，將圖像分割成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的顏色為填充該區(qū)域所用的 繡線(xiàn)顏色；步驟23，計(jì)算每個(gè)區(qū)域交叉針跡的方向參數(shù)根據(jù)區(qū)域的顏色特征，計(jì)算區(qū)域針跡的 方向；步驟24，填充每個(gè)區(qū)域，根據(jù)一定的針跡密度對(duì)每個(gè)區(qū)域采用選定的繡線(xiàn)顏色使用交 叉針跡進(jìn)行填充。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，步驟3中，先 用一定尺寸的滑動(dòng)窗口遍歷圖像生成對(duì)應(yīng)的針跡，再減小滑動(dòng)窗口的尺寸迭代遍歷圖像生 成對(duì)應(yīng)的針跡；后一次遍歷圖像時(shí)滑動(dòng)窗口的面積為前一次遍歷圖像時(shí)滑動(dòng)窗口的面積的 3/4 1/4 ；迭代次數(shù)為兩次以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟3中 在滑動(dòng)窗口中尋找交叉針跡包括以下步驟步驟31，使用不同的斜率尋找直線(xiàn)段，所述直線(xiàn)段路徑上的所有像素點(diǎn)顏色相似即與 直線(xiàn)段起點(diǎn)的顏色距離小于閾值，則根據(jù)該直線(xiàn)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)生成針跡的起點(diǎn)和終 點(diǎn)坐標(biāo)；步驟32，根據(jù)直線(xiàn)段起點(diǎn)在繡品針跡方案圖像中所對(duì)應(yīng)正方形區(qū)域中已覆蓋的面積與正方形區(qū)域面積的比例確定針跡的顏色。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟4包 括以下步驟步驟41，分裂長(zhǎng)針跡將針跡序列中超過(guò)長(zhǎng)度閾值的針跡進(jìn)行處理，將該針跡按照長(zhǎng) 度閾值分裂為若干長(zhǎng)度小于長(zhǎng)度閾值的針跡；步驟42，根據(jù)顏色重新排列針跡遍歷針跡序列，如果當(dāng)前針跡的顏色與針跡序列中 前面另一個(gè)針跡的顏色相同，且所述當(dāng)前針跡與所述前面另一個(gè)針跡之間的所有其它針跡 均無(wú)交叉關(guān)系，則將當(dāng)前針跡的位置提前到所述前面另一個(gè)針跡后，從而將顏色相同的針 跡連續(xù)排列；步驟43，連接相鄰?fù)揖嚯x小于一定閾值的針跡對(duì)連續(xù)排列的相同顏色的針跡順 序進(jìn)行調(diào)整，對(duì)每一針跡選擇與其終點(diǎn)位置距離最小的針跡作為其下一針跡，如果兩針跡 距離小于所述閾值，則插入一個(gè)針跡連接前一針跡的終點(diǎn)與后一針跡的起點(diǎn)使刺繡機(jī)能連 續(xù)走針。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟31 包括以下步驟步驟31a，在正方形滑動(dòng)窗口中的左上角和左下角中隨機(jī)選擇兩個(gè)像素作為兩直線(xiàn)段 的起點(diǎn)；步驟31b，確定在所述正方形滑動(dòng)窗口范圍內(nèi)顏色距離的最大閾值，如果滑動(dòng)窗口中兩 個(gè)像素的顏色距離小于該閾值，則判定為相似，否則為不相似；最大閾值根據(jù)待繡制圖像中 滑動(dòng)窗口內(nèi)的顏色構(gòu)成確定；步驟31c，使用不同的斜率尋找直線(xiàn)段，所述直線(xiàn)段路徑上的所有像素點(diǎn)顏色相似即與 直線(xiàn)段起點(diǎn)的顏色距離小于一定閾值；先采用一定的顏色距離閾值尋找直線(xiàn)段，如果未找 到，則加大顏色距離閾值重復(fù)尋找直線(xiàn)段，當(dāng)顏色距離閾值大于步驟31b中計(jì)算出的最大 閾值時(shí)，則退出步驟31，繼續(xù)滑動(dòng)該窗口遍歷待繡制圖像；步驟31d，在待繡制圖像上找到符合條件的直線(xiàn)段后，對(duì)直線(xiàn)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別在所 述繡品針跡方案圖像對(duì)應(yīng)的正方形區(qū)域中隨機(jī)選取一個(gè)未被針跡覆蓋的像素作為針跡的 起點(diǎn)和終點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟32 包括以下步驟步驟32a，計(jì)算已找到的直線(xiàn)段起點(diǎn)在繡品針跡方案圖像中所對(duì)應(yīng)正方形區(qū)域中已覆 蓋的面積與正方形區(qū)域面積的比例；步驟32b，如果所述比例小于一定閾值，直接根據(jù)待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的顏色在繡 線(xiàn)顏色子集中選擇一個(gè)與其顏色距離最小的繡線(xiàn)顏色；如果該正方形區(qū)域已覆蓋的像素比 例大于一定閾值，則進(jìn)行以下步驟計(jì)算針跡的顏色；步驟32c，求出該正方形區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的顏色和，未被覆蓋的部分求和時(shí)用繡線(xiàn)顏色子 集中與待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)顏色距離最小的繡線(xiàn)顏色替代，記該值為CSUffl ；步驟32d，計(jì)算待繡制圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色與值CSUffl的差值Cdiff，Cdiff = n*n*C。rg-CSUffl，其 中C g為待繡制圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的顏色，n為該正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)；步驟32e，計(jì)算修補(bǔ)色C,ep = a *Cdiff+(1_ a ) *C g，在繡線(xiàn)顏色子集中選擇與C,ep顏色距離最小的繡線(xiàn)顏色作為針跡顏色，其中參數(shù)a G (0,1]為顏色調(diào)節(jié)因子。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟23 包括以下步驟步驟23a，計(jì)算待繡制圖像的亮度圖像I(i，j)，并計(jì)算所述亮度圖像的梯度 Gx(hJ)] ，其中GX、GV分別為對(duì)亮度圖像使用Sobel算子得到的x和y方向的圖像差分；計(jì)算x、y方向的圖像差分采用的卷積操作內(nèi)核分別為步驟23b，根據(jù)亮度圖像的梯度計(jì)算0值，算法如下 ’其中 W為區(qū)域內(nèi)像素的集合，(u，v)為w中像素點(diǎn)的坐標(biāo)； 步驟23c，根據(jù)亮度圖像的梯度計(jì)算3值，算法如下 / W為區(qū)域內(nèi)像素的集合，(U，v)為W中像素點(diǎn)的坐標(biāo)；步驟23d，以e+0和0-0作為交叉針跡中兩針跡的方向，即與X軸方向的夾角。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，其特征在于，所述步驟24 包括以下步驟步驟24a，計(jì)算所述區(qū)域的外接矩形，所述外接矩形的邊分別平行于x、y坐標(biāo)軸； 步驟24b，根據(jù)針跡方向計(jì)算單根針跡的長(zhǎng)度和寬度計(jì)算單根針跡覆蓋所述區(qū)域的面積；步驟24c，根據(jù)設(shè)定的覆蓋面積的百分比計(jì)算所述外接矩形區(qū)域內(nèi)填充所需的交叉針 跡的數(shù)量；步驟24d，根據(jù)交叉針跡的數(shù)量在外接矩形內(nèi)平均分布針跡；步驟24e，去除針跡中不在所述區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)，以剩下的像素點(diǎn)構(gòu)成的直線(xiàn)段的起點(diǎn) 和終點(diǎn)作為針跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種計(jì)算機(jī)輔助亂針繡制作方法，包括以下步驟步驟1，繡線(xiàn)顏色子集選擇選擇一定數(shù)量的繡線(xiàn)顏色作為繡線(xiàn)顏色子集；步驟2，鋪色將待繡制圖像分割為若干色塊區(qū)域，然后對(duì)每個(gè)色塊區(qū)域從所述繡線(xiàn)顏色子集中選擇與色塊區(qū)域顏色距離最小的顏色繡線(xiàn)，填充生成繡品針跡方案圖像；步驟3，精繡用一個(gè)正方形的的滑動(dòng)窗口遍歷待繡制圖像，每次在該窗口所在位置根據(jù)待繡制圖像中的顏色分布尋找交叉針跡；步驟4，針跡順序優(yōu)化調(diào)整針跡順序，使步驟2和步驟3中相鄰獨(dú)立的針跡在繡制時(shí)連續(xù)走針，從而得到亂針繡繡品針跡序列；步驟5，針跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；步驟6，輸入電腦刺繡機(jī)，得到相應(yīng)的亂針繡繡品。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101859335SQ20101017521
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者孫正興, 張巖, 陳圣國(guó), 項(xiàng)建華 申請(qǐng)人:南京大學(xué)