專利名稱：用于對圖像應用濾波器的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體地涉及用于圖像處理的方法和系統(tǒng)，更具體地涉及用于對圖像應用圖像濾波器(filter)的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
數(shù)字圖像處理是使用計算機算法來對數(shù)字圖像執(zhí)行圖像處理。圖像處理的軟件實現(xiàn)日益地被專業(yè)用戶和臨時用戶用于編輯和操縱照片、圖像和視頻。一種常見的圖像操縱形式是通過對圖像應用濾波器來執(zhí)行的。根據(jù)使用的濾波器，可以實現(xiàn)廣泛的效果。例如，通過高斯函數(shù)使圖像模糊的高斯模糊濾波器產生通過不透明屏幕觀看圖像的效果。

發(fā)明內容
用于對圖像應用濾波器的計算機實現(xiàn)方法包括:接收濾波器設置；至少基于濾波器設置，從存儲在計算機可讀存儲介質上的濾波器族中選擇選定的濾波器，其中，濾波器族包括多個濾波器，每一個濾波器是不同階上的函數(shù)的近似；以及使用處理器對存儲的圖像應用選定的濾波器。用于對圖像應用濾波器的系統(tǒng)包括:處理器、存儲器和輸入裝置。在處理器執(zhí)行在存儲器上存儲的可執(zhí)行程序指令時，該系統(tǒng)被配置為:從輸入裝置接收濾波器設置；至少基于濾波器設置，從存儲在存儲器上的濾波器族中選擇選定的濾波器，其中，濾波器族包括多個濾波器，每一個濾波器是不同階上的函數(shù)的近似；以及使用處理器對存儲的圖像應用選定的濾波器。用于對圖像應用模糊的計算機實現(xiàn)方法包括:接收模糊強度；至少基于模糊強度，確定標準差值；基于標準差值，從存儲在計算機可讀存儲介質上的高斯模糊濾波器族中選擇高斯模糊濾波器；確定高斯模糊濾波器的參數(shù)；以及使用處理器對圖像應用濾波器。


根據(jù)下面結合附圖呈示的對本發(fā)明的更具體的描述，本發(fā)明的若干實施例的上述和其他方面、特征和優(yōu)點將更加清楚。圖1是根據(jù)一個或多個實施例的對圖像應用濾波器的計算機系統(tǒng)的框圖。圖2是根據(jù)一個或多個實施例的對圖像應用濾波器的方法的流程圖。圖3是根據(jù)一個或多個實施例的對圖像應用高斯模糊濾波器的方法的流程圖。圖4是示出根據(jù)一個或多個實施例的高斯函數(shù)的曲線圖。在附圖的若干圖中，相應的附圖標記表示相應的部件。本領域的技術人員將會認識到，這些圖中的元件是出于簡單和清楚的目的而被示出，并且不必一定是按照比例繪制的。例如，為了幫助改善對本發(fā)明的各種實施例的理解，這些圖中的某些元件的尺寸可以相對于其他元件而被放大。此外，為了便于本發(fā)明的上述各種實施例的較不模糊的視圖，通常不繪出在商業(yè)上可行的實施例中有用或需要的常用且公知的元件。
具體實施例方式下面的描述不是在限制性的意義上進行的，而僅僅是出于描述示例性實施例的普遍原理的目的而作出的。本發(fā)明的范圍應該參考權利要求書被確定。在整個說明書中對“一個實施例”、“實施例”或類似語言的提及是指，在本發(fā)明的至少一個實施例中包含與實施例結合描述的具體特征、結構或特性。因此，在整個說明書中短語“在一個實施例中”、“在實施例中”或類似語言的出現(xiàn)可以但不必一定全部是指同一實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以以任何合適的方式組合本發(fā)明的上述特征、結構或特性。在下面的描述中，提供大量的特定細節(jié)，例如，編程、軟件模塊、用戶選擇、網(wǎng)絡交易、數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)庫結構、硬件模塊、硬件電路、硬件芯片等的例子，以提供對本發(fā)明的實施例的全面理解。但是，本領域的技術人員將會認識到，可以在沒有一個或多個上述特定細節(jié)的情況下實施本發(fā)明，或者，可以通過其他方法、部件、材料等來實施本發(fā)明。在其他的情況中，為了避免使本發(fā)明的各方面模糊，公知的結構、材料或操作沒有被詳細地示出或描述。首先，參照圖1，示出了計算機系統(tǒng)，其通常以100表示，該計算機系統(tǒng)包括中央處理單元(CPU) 110、圖形處理器120、存儲器130、輸入裝置140和顯示裝置150，這些部件通過總線160通信地連接。計算機系統(tǒng)100可以是個人計算機裝置、聯(lián)網(wǎng)的計算機系統(tǒng)、計算機服務器等。圖形處理器120可以被稱為圖形處理單元(GPU)或視頻處理單元(VPU)。存儲器130包括隨機存取存儲器(RAM) 132和大容量存儲器(mass storage) 134，該大容量存儲器可以是硬盤驅動器。雖然CPU110、圖形處理器120和RAM132被示出為分離的部件，但是，在一些實施例中，RAM132可以與CPUllO和圖形處理器120中的一個或兩個集成。在一些實施例中，RAM132由CPUllO和圖形處理器120動態(tài)地共享。在一些實施例中，RAM132由CPUllO使用，并且，第二圖形RAM專用于圖形處理器120。在一些實施例中，圖形處理器120可以與CPUllO集成。在一些實施例中，計算機系統(tǒng)100缺少專用的圖形處理器120，并且，CPUllO適合于替代圖形處理器120執(zhí)行計算。CPUllO和圖形處理器120可以以單精度浮點(32位)或雙精度浮點(64位)格式操作。輸入裝置140可以是用于給計算機系統(tǒng)提供用戶輸入的公知的裝置，例如，鼠標、鍵盤、觸摸墊和/或觸摸屏。顯示裝置150可以是用于給用戶顯示圖像的公知的裝置。在一些實施例中，總線160包括用于連接CPUl 10、圖形處理器120和存儲器130的北橋，以及用于連接輸入裝置140和顯示裝置150的南橋。在一些實施例中，輸入裝置140適合于向CPUllO提供對圖像文件應用濾波器的命令。該命令可以通過在顯示裝置150上顯示的諸如Sony Vegas Pro系列軟件的用戶界面來被輸入。例如，用戶可以選擇圖像，從可用濾波器的列表中選擇一種濾波器，并且，通過用戶界面來選擇濾波器設置。在一些實施例中，所述一種濾波器可以是高斯模糊濾波器、邊緣檢測濾波器、Retinex濾波器和雙邊濾波器中的一種。圖像可以是圖片或視頻。在一些實施例中，可以針對像素行和像素列分開地設置濾波器設置。在一些實施例中，用戶可以通過該界面來選擇圖像中的一個或多個部分以應用濾波器。在其他實施例中，可以通過在計算機裝置100上運行的另一種程序來觸發(fā)濾波器的應用。圖像文件可以被存儲在存儲器30上并由CPUllO檢索以被顯示在顯示裝置150上。存儲器130還可以存儲可由CPUllO或圖形處理器120檢索以應用于圖像的每一種濾波器類型的濾波器族。響應于對圖像應用濾波器的命令，CPUllO適合于執(zhí)行在存儲器中存儲的代碼以從濾波器族中選擇濾波器。濾波器族可以包括多個濾波器，每一個濾波器是不同階的函數(shù)的近似。在一些實施例中，處理器還適合于基于由用戶通過輸入裝置140輸入的濾波器設置來確定濾波器的系數(shù)。在整個描述中，濾波器系數(shù)有時被稱為參數(shù)。CPUllO可以適合于基于濾波器設置來從濾波器族中選擇一個濾波器。在一些實施例中，CPUl 10從濾波器設置規(guī)劃(pro ject)計算資源需求，并且，對于具有較低的規(guī)劃的計算資源需求的濾波器設置，從濾波器族選擇較高階的濾波器，對于具有較高的規(guī)劃的計算資源需求的濾波器設置，從濾波器族選擇較低階的濾波器。圖形處理器120適合于用選定的濾波器處理圖像，以輸出濾波的圖像?？梢葬槍D像的X軸(像素行)和圖像的y軸(像素列)分開地執(zhí)行該處理。可以將該濾波器應用于單個圖像或包括一系列靜止圖像的視頻，或者壓縮視頻文件。在一些實施例中，圖形處理器120可以不存在于計算機系統(tǒng)100中，或者，以另外的方式在計算機系統(tǒng)100上不可用。在一些實施例中，CPUl 10適合于替代圖形處理器120或者作為其補充來執(zhí)行濾波器應用。濾波的圖像可以被顯示在顯示裝置150上并被存儲到存儲器130中。接下來，參照圖2，示出對圖像應用濾波器的處理。在步驟201中，在計算機系統(tǒng)處接收濾波器選擇。在一些實施例中，選擇濾波器可以是模糊濾波器、邊緣檢測濾波器、Retinex濾波器或雙邊濾波器。邊緣檢測濾波器還可以是Roberts濾波器、Sobel濾波器、Prewitt濾波器、La Placian濾波器和emboss濾波器中的一種。通常,選定的濾波器可以是用于圖像濾波的任何數(shù)學函數(shù)，其可以由無限沖擊響應(IIR)濾波器近似。濾波器選擇可以包括濾波器的濾波器類型和一種或多個設置。例如，對于模糊濾波器，可以輸入模糊強度設置，并且，對于邊緣檢測濾波器，可以輸入半徑設置。通常，濾波器設置可以是影響應用濾波器所需的計算資源的參數(shù)。濾波器選擇可以通過提供的界面來輸入。界面可以提供用于接收濾波器設置的浮動塊(slider)或數(shù)值輸入?yún)^(qū)。在步驟203中，基于在步驟201中接收到的濾波器設置，由計算機處理器從濾波器族選擇與接收到的濾波器類型相關聯(lián)的濾波器。用于濾波器選擇的算法可以是存儲在計算機可讀存儲器裝置上的一組預編程的指令。濾波器族包括作為不同階上的同一函數(shù)的近似的濾波器。用于圖像濾波的數(shù)學函數(shù)，例如，高斯函數(shù)，可以由不同階上的濾波器函數(shù)近似，以提高濾波器應用的速度。濾波器的階被定義為描述數(shù)字濾波器的z域傳遞函數(shù)的分子或分母中的最高指數(shù)的數(shù)值。近似的濾波器函數(shù)可以是無限沖擊響應(IIR)濾波器。通常，較高階的濾波器提供函數(shù)的更精確的近似，但是需要更多的計算資源。由于在計算中使用的反饋，高階IIR濾波器可能會具有不穩(wěn)定、算法溢出和限制周期的問題。對于應用濾波器的計算資源的需求還可能會受濾波器函數(shù)的復雜性、圖像的大小和諸如濾波范圍或強度的濾波器設置的影響。例如，用高階濾波器對大的圖像進行濾波，可能需要處理器(CPU或GPU)處理非常大的數(shù)值，并且傾向于浮點溢出或反向規(guī)格化(denormaIization),從而導致不準確的濾波結果。在一些情況中，應用高階濾波器還可能會導致處理器執(zhí)行大量的操作，這樣降低可以應用濾波器的速度。在一些實施例中，當執(zhí)行一組指令的計算機處理器規(guī)劃濾波器設置和圖像大小會導致低的計算資源需求時，選擇高階濾波器；當計算機處理器規(guī)劃濾波器設置和圖像大小會導致高的計算資源需求時，選擇低階濾波器。在一些實施例中，濾波器設置值的范圍由一個或多個閾值分開，并且，將濾波器階分配給濾波器設置的每一個范圍。由此，對濾波器階的動態(tài)選擇可以減少數(shù)值不穩(wěn)定性并提高圖像濾波處理的速度。在步驟205中，將在步驟203中選擇的濾波器應用于圖像。濾波器可以由CPU或GPU應用。以單浮點(36位)操作的CPU和GPU比以雙浮點(64位)操作的CPU和GPU更易受來自浮點溢出誤差的不穩(wěn)定性和不精確性。在一些實施例中，根據(jù)執(zhí)行濾波的處理器(CPU或GPU)以32位還是以64位操作，可以選擇性地觸發(fā)對濾波器階的動態(tài)選擇。在一些實施例中，根據(jù)執(zhí)行濾波的處理器以32位還是以64位操作，可以不同地設置用于在濾波器階之間選擇的濾波器設置閾值。在一些實施例中，沿著圖像的X軸(像素行)和I軸(像素列)分開地應用濾波器。在一些實施例中，在濾波器的第一應用之后，處理器適合于檢測濾波器應用中的不穩(wěn)定性。當在先前的濾波器應用中檢測到不穩(wěn)定性時，來自同一濾波器族的較低階濾波器被選擇并被重新應用于原始圖像，以產生輸出圖像。在一些實施例中，最高可能階濾波器首先被選擇，并且，計算估計的不穩(wěn)定性。如果估計的不穩(wěn)定性超出了預定的可接受度閾值，那么應用下一較低階濾波器。對于較低階濾波器重復該處理，直到計算出的估計的不穩(wěn)定性低于可接受度閾值。在一些實施例中，在步驟205中應用濾波器之前，基于濾波器設置來確定在濾波器中使用的參數(shù)。在一些實施例中，可以從查找表檢索參數(shù)。例如，查找表可以包含用于濾波器族中的每一個濾波器的一定范圍的可能濾波器設置值的參數(shù)。在一些實施例中，通過使用數(shù)值優(yōu)化技術使選定的濾波器的誤差函數(shù)最小化，接收濾波器設置來計算參數(shù)。誤差函數(shù)是用于確定濾波器多么接近諸如高斯函數(shù)的函數(shù)的函數(shù)。在一些實施例中，用于一些濾波器設置的參數(shù)值被存儲在查找表中，但是，在接收濾波器設置之后，計算用于其他濾波器設置的參數(shù)。接下來，參照圖3，示出對圖像應用高斯模糊濾波器的過程。模糊濾波器是廣泛地用于圖形軟件以減少圖像噪聲和細節(jié)的濾波器。模糊也可以被應用于圖像的選定的部分，以產生各種效果。通常使用的一種模糊是高斯模糊，該高斯模糊用高斯函數(shù)卷積圖像以減少圖像的高頻分量。在卷積操作期間，從其鄰近像素的加權平均值計算圖像的每一個像素的值。模糊濾波器的視覺效果類似通過不透明屏幕觀看圖像的視覺效果。在步驟301中，接收模糊強度選擇。模糊強度可以對應于這樣的圖像范圍，為了計算用于確定新像素值的加權平均值以執(zhí)行模糊，該圖像范圍被包括在內。模糊強度值越高，將會導致與原始圖像相比看起來更加模糊的濾波圖像。在一些實施例中，用于像素列和像素行的模糊強度被分開地設置。在一些實施例中，用戶可以從單向模糊(沿著X軸/行或I軸/列)和雙向模糊選擇。在步驟303中，基于接收到的模糊強度來確定用于執(zhí)行高斯模糊的高斯函數(shù)的標準差。在一些實施例中，輸入的模糊強度值可以是高斯函數(shù)的標準差，從而不需要進一步的計算。在一些實施例中，模糊強度值可以表示要求平均的像素的數(shù)量或者在高斯模糊的標準差內的像素的數(shù)量。在一些實施例中，接收到的模糊強度值取決于圖像的大小。例如，強度值可以表示對在用戶的屏幕上察覺到的圖像應用的模糊的量，其中，與圖像的真實像素大小相比，該圖像可能被放大或縮小。在這種情況下，圖像的大小和模糊強度值一起被用來確定標準差。在一些實施例中，模糊強度是O和I之間的值。圖4示出具有I像素的標準差(σ )的高斯函數(shù)。當應用高斯函數(shù)時,通過曲線的y軸上的相應值，對在該曲線的X軸上表示的位置處的像素進行加權。雖然實際上高斯函數(shù)不明確地沿著X軸上的兩個方向延伸，但是在使用近似的高斯濾波器的應用中，有時從計算中省略加權值(y軸)落入閾值級別以下的范圍的像素。在本描述中，對用于經(jīng)由處理器應用模糊的高斯函數(shù)的近似有時被簡稱為高斯濾波器。然后，作為在X軸上的位置O處的像素的值，應用像素值的加權平均值。在步驟305中，處理器基于在步驟303中確定的標準差來從高斯濾波器的族中選擇一個濾波器。該濾波器族可以包括多個濾波器，每一個濾波器是對不同階上的高斯函數(shù)的近似。濾波器的階是濾波器的z域傳遞函數(shù)的分子或分母中的最高指數(shù)。對于低標準差值，選擇較高階濾波器，并且，對于高標準差值，選擇較低階濾波器。在一些實施例中，高斯濾波器的族包括四階高斯濾波器、三階高斯濾波器和二階高斯濾波器。如果標準差值等于或低于第一閾值，選擇四階高斯模糊濾波器，如果標準差值高于第一閾值且等于或低于更高的第二閾值，選擇三階高斯模糊濾波器，如果標準差值高于第二閾值，選擇二階高斯模糊濾波器。在其他實施例中，濾波器族還可以包括一階高斯濾波器、五階高斯濾波器和/或六階高斯濾波器等。在步驟307中，確定選定的高斯濾波器的參數(shù)。在一些實施例中，在選擇高斯濾波器之后，計算參數(shù)。可以通過使選定的高斯濾波器的歸一化的均方差函數(shù)最小化來計算參數(shù)，該均方差函數(shù)列舉了濾波器多么近似高斯函數(shù)。在一些實施例中，從查找表檢索參數(shù)。例如，對于濾波器族中的每一個高斯濾波器，預先計算出的參數(shù)可以被存儲在一定的標準差值范圍的查找表中。在一些實施例中，一些標準差值的參數(shù)被預先計算并存儲，其他標準差值的參數(shù)在選擇濾波器之后被計算。例如，在一些實施例中，當標準差在I至10之間時，可以選擇四階高斯濾波器，并且，可以從查找表檢索參數(shù)；當標準差在10.1至30之間時，可以選擇三階高斯濾波器，并且，可以從標準差值計算參數(shù)。在步驟309中，使用在步驟307中確定的參數(shù)，對圖像應用選定的高斯濾波器。在用戶選擇方向性模糊的一些實施例中，只對圖像的X軸和I軸中的一個應用模糊濾波器。在一些實施例中，高斯濾波器是一維濾波器，并且，對圖像的像素列和像素行分開地應用濾波器。在一些實施例中，在對圖像 應用濾波器之前，在像素的位置處采樣高斯濾波器，以產生濾波器核(filter kernel)。在一些實施例中，可以通過具有不同參數(shù)的不同高斯濾波器對像素列和像素行進行濾波。下面示出可以包含在參照圖1至3描述的濾波器族中的高斯濾波器的示例設計。濾波器的參數(shù)有時被稱為系數(shù)。通常，可以通過下面的卷積操作來實現(xiàn)用大小k濾波器hk對信號Xi進行濾波，以獲得輸出Yi:
N-1J1- =。
k=0為了減少用于計算輸出的處理器操作的數(shù)量，可以使用用于近似該計算的函數(shù)。用于圖像處理和計算機視覺的高斯濾波器可以由下式給出:g⑷在圖4中示出σ =1的上述高斯函數(shù)的例子。用于實現(xiàn)高斯函數(shù)的近似的遞歸濾波器可以由下式給出:
權利要求
1.一種用于對圖像應用濾波器的計算機實現(xiàn)的方法，包括: 接收濾波器設置； 至少基于濾波器設置，從存儲在計算機可讀存儲介質上的濾波器族中選擇濾波器，其中，濾波器族包括多個濾波器，每一個濾波器是不同階上的函數(shù)的近似；以及使用處理器對存儲的圖像應用選定的濾波器。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，濾波器族包括高斯模糊濾波器，并且，濾波器設置包括模糊強度。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括:通過使選定的濾波器的均方差函數(shù)最小化來計算選定的濾波器的一個或多個參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，從濾波器族中選擇濾波器包括:隨著對應于濾波器設置的規(guī)劃計算資源需求增加，選擇越低階的濾波器。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，濾波器設置取決于存儲的圖像的大小，并且，對濾波器的選擇至少基于存儲的圖像的大小。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，選定的濾波器是一維濾波器，并且，對圖像的像素行和圖像的像素列分開地應用濾波器。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括: 計算在先濾波器應用中的估計的不穩(wěn)定度， 其中，在估計的不穩(wěn)定度 低于可接受度閾值的情況中，對濾波器的選擇包括:選擇具有比在先濾波器應用中使用的濾波器低的階的濾波器。
8.一種用于對圖像應用濾波器的系統(tǒng)，包括: 處理器； 存儲器；和 輸入裝置， 其中，在執(zhí)行在存儲器上存儲的可執(zhí)行程序指令時，該系統(tǒng)被配置為: 從輸入裝置接收濾波器設置； 至少基于濾波器設置，從存儲在存儲器上的濾波器族中選擇濾波器，其中，濾波器族包括多個濾波器，每一個濾波器是不同階上的函數(shù)的近似；以及對存儲的圖像應用選定的濾波器。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，還包括: 圖形處理器；其中，圖形處理器被配置為對存儲的圖像應用選定的濾波器。
10.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，濾波器族包括高斯模糊濾波器，并且，濾波器設置包括模糊強度。
11.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還被配置為:通過使選定的濾波器的均方差函數(shù)最小化來計算選定的濾波器的一個或多個參數(shù)。
12.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)通過下述方式從濾波器族中選擇濾波器:隨著對應于濾波器設置的規(guī)劃計算資源需求增加，選擇越低階的濾波器。
13.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，濾波器是一維濾波器，并且，對圖像的像素行和圖像的像素列分開地應用濾波器。
14.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，處理器還被配置為:計算在先濾波器應用中的估計的不穩(wěn)定度， 其中，在估計的不穩(wěn)定度低于可接受度閾值的情況中，處理器適合于選擇具有比在先濾波器應用中使用的濾波器低的階的濾波器作為選定的濾波器。
15.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，濾波器設置取決于存儲的圖像的大小，并且，對濾波器的選擇至少基于存儲的圖像的大小。
16.一種用于對圖像應用模糊的計算機實現(xiàn)的方法，包括: 接收模糊強度； 至少基于模糊強度，確定標準差值； 基于標準差值，從存儲在計算機可讀存儲介質上的高斯模糊濾波器族中選擇高斯模糊濾波器； 確定高斯模糊濾波器的參數(shù)；以及 使用處理器對圖像應用濾波器。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，高斯模糊濾波器是由下式表示的高斯函數(shù)的近似:
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，濾波器族包括二階高斯模糊濾波器、三階高斯模糊濾波器和四階高斯模糊濾波器。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，從濾波器族選擇高斯模糊濾波器包括: 如果標準差值等于或低于第一閾值，選擇四階高斯模糊濾波器； 如果標準差值高于第一閾值且等于或低于第二閾值，選擇三階高斯模糊濾波器；以及 如果標準差值高于第二閾值，選擇二階高斯模糊濾波器。
20.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，確定標準差值還至少基于圖像的圖像大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于對圖像應用濾波器的方法和系統(tǒng)。一種用于對圖像應用濾波器的計算機實現(xiàn)方法包括接收濾波器設置；至少基于濾波器設置，從存儲在計算機可讀存儲介質上的濾波器族中選擇選定的濾波器，其中，濾波器族包括多個濾波器，每一個濾波器是不同階上的函數(shù)的近似；以及使用處理器對存儲的圖像應用選定的濾波器。
文檔編號G06T1/20GK103208094SQ20131000390
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權日2012年1月12日
發(fā)明者D·亞當斯, N·喬吉斯, 巫正祿 申請人:索尼公司