专利名称：基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法
技术领域：
本发明属于计算机图形学技术领域，涉及图像增强与抽象化方法，具体涉及一种基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法。
背景技术：
在很多应用场合，人们通常只关注图像中最有意义的部分，而不关心其他无足轻重的细节。真实感绘制总是希望产生和显示足够多的细节，然而过多的细节可能会干扰观察者的认知理解，这也正是在影视动漫、科技工程插图、医学成像、考古展示、视频通信等领域广泛采用非真实感绘制效果图的原因。图像抽象化(Image Abstraction)是最常见的一种非真实感绘制技术，它将真实感的图像或视频序列转化为一种结构化、简单化的形式，类似于艺术家手工创作的绘画或者卡通画风格的效果。其中最能体现图像特征的视觉信息被保留甚至强调，而其他无关紧要的细节被去除或减弱。成功的抽象化绘制能够将观察者的 注意力引导到最有意义的地方，从而让他不需要太多意识的努力就可以理解整个图像所表达的内容。现有的图像抽象化方法中较为常见的是基于平滑滤波的思想。Winnemtiller等(Winnemdiler HjOlsen S C，Gooch B. 2006. Real-time video abstraction. ACM Trans.Graph, 200625(3) : 1221-1226.)提出了一个完全自动实时的图像和视频抽象化系统框架，采用可扩展的非线性扩散滤波算法平滑低对比度区域的细节，同时用高斯差分滤波算子提取边缘线条以增强高对比度区域的显著特征。由于该框架所用的平滑滤波和边缘检测算法都是作用在各向同性的滤波核上，抽象化图像在去除噪声、边界形状保持和连贯一致性方面都存在着一定的局限性。为此，Kyprianidis等(Kyprianidis J, Dollner J- ImageAbstraction by structure adaptive filtering. In Proc. EG UK Theory and Practiceof Computer Graphics, 2008:51-58.)扩展了Wimemdller的方法，利用结构自适应的各向异性滤波方法实现了图像的实时抽象化，滤波核的形状由两个相互垂直轴对齐的梯度方向和切向方向决定。随后，Kang等(Kang H，Lee S，Chui C K. Flow-Based Image Abstraction.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2009, 15(1):62-76.)开发了一个类似的基于边缘切向流的实时图像抽象化系统，所用的双边滤波器和高斯差分滤波器首先作用于梯度方向生成中间结果，然后对中间结果沿切向流方向做平滑滤波处理得到最后的抽象化结果。虽然这些算法能够有效地平滑低对比度区域的高频噪声，并且保持高对比度区域的显著边缘特征，但是由于使用的是统一的滤波阈值，常常造成对于某些低对比度区域的低频特征过度抽象，而对于某些高对比度区域的高频特征如稠密纹理部分却又不能很好地抽象简化等问题。为了生成均勻一致的抽象化效果，Kyprianidis等(Kyprianidis JE, Kang H，Dollner J- Image and video abstraction by anisotropickuwahara filtering. Computer Graphics Forum, 2009，28 (7) : 1955-1963.)提出了一种基于特征流的各向异性Kuwahara滤波算法，即滤波核窗口的形状、方向以及尺寸等由图像的局部结构特征决定。与其他的滤波方法相比，该方法不仅能有效处理被噪声污染的图像，还能保持和增强图像特征的方向性，整体抽象化效果更接近于艺术家的绘画风格。尽管该算法能够自动生成高质量的抽象化效果，但是经过Kuwahara滤波后的图像在显著特征区仍然造成了不同程度的模糊，进而导致抽象化图像的明暗对比度降低，画质昏暗模糊，层次感不分明；另外，由于需要逐一计算滤波核窗口内的各分区的平均值和方差，算法效率受到很大影响，很难实时处理大分辨率输入图像。
发明内容
目前已有的抽象化绘制算法主要是采用基于图像分割或边缘保持的平滑滤波技术，所生成的抽象化图像经常存在明暗对比度较低，画质昏暗模糊，画面色彩表现力不强等问题。为了解决这些问题，本发明提供一种高质量的图像抽象化方法，在对图像进行抽象化过程中引入了各向异性增强的预处理步骤，并在此基础上对基于特征流的双边滤波和Kuwahara滤波算法进行了改进，从而在计算效率和生成效果方面都有明显的改善。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法，其步骤包括I)采用结构张量平滑技术计算输入图像的光滑连续且特征保持的边缘切向流场；2)沿边缘切向流方向对所述图像进行自适应平滑处理；3)沿梯度方向对步骤2)所得图像进行基于高斯差分掩模的反锐化图像增强；4)对步骤3)所得图像进行基于特征流的双边滤波并获得抽象化图像。进一步地，步骤4)采用改进的双边滤波方法首先沿梯度方向应用一维的双边滤波，然后沿边缘切向流方向对双边滤波结果进行自适应高斯平滑。所述改进的双边滤波按照如下公式进行/ (-V) =~ T /0 (V )c(v, )；).v(7 (x), 10'))，
, y^Gt{x)/2(^)=7- Yj 1^yyix
2VGJrs (x)其中，Gt(x)表示以x像素为中心的沿梯度方向上的像素采样点集合，Ts(X)表示流经X像素的边缘切向流线上的像素采样点集合；将上述滤波作用于CIELab颜色空间中，
I。表示增强图像的Lab颜色值。一种基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法，其步骤包括I)采用结构张量平滑技术计算输入图像的光滑连续且特征保持的边缘切向流场；2)沿边缘切向流方向对所述图像进行自适应平滑处理；3)沿梯度方向对步骤2)所得图像进行基于高斯差分掩模的反锐化图像增强；4)对步骤3)所得图像进行基于特征流的Kuwahara滤波并获得抽象化图像。进一步地,步骤4)采用改进的Kuwahara滤波方法将Kuwahara滤波核窗口定义为一个弯曲的近似矩形，整个窗口分为四个分区，通过计算各分区的平均值及方差并进行加权平均来获得最后的抽象化图像。所述改进的Kuwahara滤波按照如下公式进行
权利要求
1.一种基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法，其步骤包括 1)采用结构张量平滑技术计算输入图像的光滑连续且特征保持的边缘切向流场； 2)沿边缘切向流方向对所述图像进行自适应平滑处理； 3)沿梯度方向对步骤2)所得图像进行基于高斯差分掩模的反锐化图像增强； 4)对步骤3)所得图像进行基于特征流的双边滤波并获得抽象化图像。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤4)采用改进的双边滤波方法首先沿梯度方向应用一维的双边滤波，然后沿边缘切向流方向对双边滤波结果进行自适应高斯平滑。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述改进的双边滤波按照如下公式进行 /⑴=J- Σ 7O (·>’)φ-, >')'( /⑴;/ (> )), 紀I yeGf(x) ,2(4=去 Σ ,丨(),协，少’)，}^Ts(x) 其中，Gt (X)表示以X像素为中心的沿梯度方向上的像素采样点集合，Ts(X)表示流经X像素的边缘切向流线上的像素采样点集合；将上述滤波作用于CIELab颜色空间中，I0表示增强图像的Lab颜色值。
4.一种基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法，其步骤包括 1)采用结构张量平滑技术计算输入图像的光滑连续且特征保持的边缘切向流场； 2)沿边缘切向流方向对所述图像进行高斯平滑滤波，其滤波器的空间尺度因子由所述图像的局部结构特征决定； 3)沿梯度方向对步骤2)所得图像进行基于高斯差分掩模的反锐化图像增强； 4)对步骤3)所得图像进行基于特征流的Kuwahara滤波并获得抽象化图像。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤4)采用改进的Kuwahara滤波方法将Kuwahara滤波核窗口定义为一个弯曲的近似矩形，整个窗口分为四个分区，通过计算各分区的平均值及方差并进行加权平均来获得最后的抽象化图像。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述改进的Kuwahara滤波按照如下公式进 行4 Σ #, O(X) = ^1^，!Σα, = 1 + (255-(5./+s,/r2， 其中，O(X)为滤波器的输出，a i为第i分区的权重系数= TΣ ^iy)^Xx..y) Ki )吗, II ,^(χ)=— (Η (y) - /}h )2 ω, ^;)=τ Σ ω'{χ- y) ~ m . ( χ ) 即mi；r(x),mi；g(x),mi；b(x), Si^x)即 si；r2 (χ), si；g2(x), si；b2(x),分另 Ij 表示 RGB 三分量的平均值和方差；Ω i为第i个分区的像素集合；分区内像素权重系数
7.如权利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述输入图像为单幅图像或视频的帧序列。
8.如权利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述边缘切向流场的计算方法如下1)计算RGB彩色图像的初始结构张量
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过高斯平滑滤波进行所述自适应平滑处理，所述高斯平滑滤波按照如下公式进行
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反锐化图像增强按照如下公式进行
全文摘要
本发明提供一种基于各向异性滤波的图像增强与抽象化方法，其步骤包括采用结构张量平滑技术计算输入图像的光滑连续且特征保持的边缘切向流场；沿边缘切向流方向对图像进行自适应平滑处理；沿梯度方向进行基于高斯差分掩模的反锐化图像增强；进行改进的基于特征流的双边滤波处理或者改进的基于特征流的Kuwahara滤波处理获得特征增强的抽象化图像。本发明可显著改善现有图像抽象化方法的生成质量，所得抽象化图像的边界特征明显增强，画质更清晰，层次感更分明。
文档编号G06T5/00GK102800063SQ20121024178
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者吴恩华, 王山东, 刘学慧 申请人:中国科学院软件研究所