CN101937568B - 一种笔画方向确定方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，包括：获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；对所述原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为所述邻域像素点的梯度；将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。本发明还公开了另一种笔画方向确定方法及相应装置。本发明能实现根据原始图像生成油画风格图像时较精确地确定出笔画方向，自动完成效果较好的油画绘制。

Description

一种笔画方向确定方法与装置

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及用计算机模拟油画的作画过程时，根据原始图像生成油画风格图像时笔画方向的确定方法及装置。

背景技术

图像的风格化绘制是指用计算机模拟油画的作画过程，基于原始真实图像生成对应的油画风格图像。已有的图像风格化生成算法主要基于逐层绘制的分层方法，其主要思想是模拟画家在内心产生的由粗糙到精细的图像纹理等级进行划分，通常先用大画笔、大的调和色块来绘制大致轮廓，然后逐步用细小的画笔来进行越来越精细的绘制，是一个由粗到细的逐步绘制过程。

在油画风格化逐层绘制技术上，目前已有的实现方法主要是基于AaronHertzmann的逐层细化绘制法。在该方法中，将输入图像生成若干具有高斯模糊效果(所谓高斯模糊效果就是根据高斯分布曲线把某个像素点对其周围像素进行加权统计得到的图像，这种图像具有视觉模糊性)的金字塔图像序列(图像呈倍数关系逐渐缩小)作为参考，然后分别参照这些序列采用对应大小(如8、4、2个像素大小为半径)的画笔在画布上进行逐层绘制。图像油画风格逐层绘制流程如图1所示，包括：在空白画布上，根据原始图像确定笔触起点和画笔方向进行图层绘制，一个图层绘制完毕后，再缩写画笔尺寸，绘制下一个图层，直到全部图层绘制完毕后生成对应的油画风格图像。

在逐层绘制算法中，对于每一绘制图层，首先将参考图像均匀等分成若干个边长为画笔的半径大小的小正方形图像块，然后考察每个正方形图像块内部，如果在该对应位置上画布与参考图像像素之间的颜色差距(统计正方形图像块内部所有像素点的RGB三个通道颜色值的均方根)超过一定阈值，则在画布的这个图像块内进行绘制。笔触起点的中心就是画布在对应该图像块的正方形内与参考图像的相应位置上颜色差距最大的像素点。起笔之后，笔画方向为笔触中心像素点的颜色梯度的法向方向。由于与视觉纹理不匹配，这个方向只是一个粗糙的大致方向，在颜色平坦区域该方向较模糊，而纹理丰富区域该方向则非常杂碎。

现有的油画绘制方法中，笔画方向不管在图像块内还是在平滑边界上并不精确，从而导致绘画效果不理想。对于观赏者来说，对图像中如人的脸部等重要性非常突出的地方非常敏感，如果画错一笔都是非常糟糕的。Hertzmann的改进做法是手动在图像中选出重要性突出的地方，借助于人机交互来改善笔画精度，这种处理方式显然不是一种最优的方法。

综上所述，现有技术中，油画绘制的笔画方向不精确导致整体画面感觉粗糙；为了达到相对较好的绘制效果，则需要借助于人机交互，不能实现自动绘制。

发明内容

本发明实施例提供的笔画方向确定方法，实现根据原始图像生成油画风格图像时较精确地确定出笔画方向，自动完成效果较好的油画绘制。

本发明实施例提供的笔画方向确定装置，实现根据原始图像生成油画风格图像时较精确地确定出笔画方向，自动完成效果较好的油画绘制。

本发明提供的笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，包括：

获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

对所述原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为所述邻域像素点的梯度；

将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

本发明还提供一种笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，包括：

获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

对所述原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为所述邻域像素点的梯度；

以笔触起点对应像素点为起点，在所述原始图像中确定出第一延伸路径和第二延伸路径；所述第一延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场的反方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对所述第一延伸路径和所述第二延伸路径上的每一个像素点，以该像素点为起点，在所述原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径；所述第一扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的左方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的右方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对所述第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，将其对应的第一扩展路径和第二扩展路径上的各像素点的矢量场进行线性积分卷积，将卷积结果对应的矢量方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

本发明还提供一种笔画方向确定装置，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，包括：

梯度确定单元，用于获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

邻域确定单元，用于在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

矢量场确定单元，用于对所述原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为所述邻域像素点的梯度；

笔画方向确定单元，用于将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

本发明再提供一种笔画方向确定装置，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，包括：

梯度确定单元，用于获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

邻域确定单元，用于在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

矢量场确定单元，用于对所述原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为所述邻域像素点的梯度；

卷积单元，用于以笔触起点对应像素点为起点，在所述原始图像中确定出第一延伸路径和第二延伸路径；所述第一延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场的反方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；以及

对所述第一延伸路径和所述第二延伸路径上的每一个像素点，以该像素点为起点，在所述原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径；所述第一扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的左方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的右方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对所述第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，将其对应的第一扩展路径和第二扩展路径上的各像素点的矢量场进行线性积分卷积；

笔画方向确定单元，用于将卷积结果对应的矢量方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

本发明实施例提供的一种笔画方向确定方法与装置，在确定出各像素点的梯度后，进一步确定出各像素点的邻域像素点；用每一个像素点的邻域像素点的矢量场，来修正该像素点的梯度，得到每一个像素点的矢量场(邻域像素点的矢量场的初始值为邻域像素点的梯度)；将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自该笔触起点的笔画方向。由于本发明针对每一个像素点，充分考虑了其邻域像素点对该像素点的影响，使得修正后的像素点的矢量场更接近于实际图像纹理在视觉上的走向，从而使得最终得到的油画风格图像视觉效果更佳。

本发明实施例提供的另一种笔画方向确定方法与装置，在得到每一个像素点的矢量场后，以笔触起点对应像素点的矢量场方向及其反方向作为起始方向，确定出一定范围内的若干个像素点，对确定出的若干个像素点进行线性积分卷积，将卷积结果的矢量方向作为笔画方向。由于线性积分卷积可以在矢量场方向上进行统计，使用线性积分卷积来计算笔画方向，能够在笔画方向上以积分卷积形式来引入周边像素点方向对笔触起点对应像素点的影响，因而能更有效地显示出纹理信息，进一步改进笔画方向的精度。

附图说明

图1为现有技术中图像油画风格逐层绘制流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的笔画方向确定方法流程图；

图3为本发明实施例2提供的笔画方向确定方法流程图；

图4为本发明实施例3提供的笔画方向确定装置结构示意图；

图5为本发明实施例3提供的笔画方向确定装置中的矢量场确定单元结构示意图之一；

图6为本发明实施例3提供的笔画方向确定装置中的矢量场确定单元结构示意图之二；

图7为本发明实施例4提供的笔画方向确定装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，用具体实施例对本发明提供的笔画方向确定方法、笔画方向确定装置进行详细描述。

实施例1：提供一种笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向。

参见图2，为本发明实施例1提供的笔画方向确定方法流程图，包括如下步骤：

步骤S101、获取原始图像各像素点的像素值，根据各像素点的对应像素值确定出各像素点的梯度；

步骤S102、在原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

步骤S103、对原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为该邻域像素点的梯度；

步骤S104、将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自该笔触起点的笔画方向。

下面对图2各步骤进行详细说明。

步骤S101中，可以采用现有技术中的各种计算像素点梯度的计算方法。

由于梯度表示图像的变化信息，梯度值越大，图像变化越显著。最简单的梯度计算由像素点的像素值的一阶导数获得，即：

$f(x,y)={[\frac{\∂f}{\∂x},\frac{\∂f}{\∂y}]}^T$ 式(1)

较好的梯度计算可由计算机根据图像的像素值通过舍贝尔(Sobel)算子自动进行卷积而获得。由于使用Sobel算子时，利用了像素点的左、右、上、下邻域的灰度加权算法，根据在边缘点处达到极值这一原理进行边缘检测。该方法不但产生较好的检测效果，而且对噪声具有平滑作用，可以提供较为精确的边缘方向信息。

Sobel算子定义如下：

$\left(\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}-1& -2& -1\\ 0& 0& 0\\ 1& 2& 1\end{array}\right)$

上述两个算子，一个是检测水平边沿的；另一个是检测垂直边沿的，每一个逼近一个偏导数。

根据上述两个算子，每一个像素点的各个颜色通道水平和垂直方向的梯度的具体计算如下：

g_x＝{f(x+1，y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1，y+1)}-{f(x-1，y-1)+2f(x-1，y)+f(x-1，y+1)}式(2)

g_y＝{f(x-1，y+1)+2f(x，y+1)+f(x+1，y+1)}-{f(x-1，y-1)-2f(x，y-1)+f(x+1，y-1)}式(3)

式(2)中，g_x表示像素点梯度的水平分量；

式(3)中，g_y表示像素点梯度的垂直分量。

梯度的计算可以在RGB三个通道方向分别进行，最后合成的梯度值为各通道水平和垂直方向的梯度平方和的均值。

在采用Sobel算子进行梯度计算时，也可以先对每一个像素点求出其RGB三个通道的像素值的均方根，再使用得到的均方根值，采用Sobel算子进行梯度计算。

步骤S102中，需要按照预先设定的邻域范围，在原始图像中，确定出各像素点的邻域像素点。例如：假设邻域范围为以4个像素点长度为半径的圆形区域，则针对某一个像素点X，以该像素点X为圆心，以4个像素点长度为半径的圆内的各像素点，都为该像素点X的邻域像素点。

步骤S103中，需要求取原始图像中每一个像素点X的矢量场。基本方法为：根据像素点X的邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场。其中包括如下情形：

一、当像素点X为原始图像中的第一个像素点，其各邻域像素点的矢量场都未得到，则使用各邻域像素点的矢量场的初始值，即各邻域像素点的梯度，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；

二、当像素点X的邻域像素点中，仅一部分邻域像素点得到了对应的矢量场，则使用该部分邻域像素点的矢量场和其余邻域像素点的梯度，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；

三、当像素点X的全部邻域像素点都得到了对应的矢量场，则使用各邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场。

具体的实现方法可以是多种多样的，仅作为例子，下面描述两种具体的实现方法。

矢量场为实际图像纹理在视觉上的详细走向信息。画家在作画时，首先是根据对图像的理解产生脉络/纹理，然后再用笔画根据这些理解的纹理来进行绘制。该纹理走向必须遵从于人们对图像内容的理解。例如对于一张正面荷叶图像，尽管其梯度信息可能会较粗糙，但人们理解的主要纹理应是从荷叶中心向四周扩散。矢量场是科学计算可视化技术中的概念，用于描述数据场边界、流向等信息。图像的纹理是人们根据视觉经验对图像中的内容进行边界、走向等所做的判断信息。实际上梯度信息在较强边界上已经能初步表现出纹理走向，但借助可视化技术中矢量场则能更合理地以矢量形式来表现出全局的纹理场信息。这个过程相当于根据梯度信息来进行一定的梳理，得到更加符合纹理走向的场数据。在处理矢量场时，本发明主要考虑以下几点因素：1、对于每个像素点，其矢量场的处理应与周边一定范围内像素点相关。2、周围的矢量场方向对本像素的影响。这个方向在越是趋近于同向时越对待修改的X像素点的矢量场信息有利，当垂直时则认为与X像素点不相关(为零)，当趋近于反方向时与X像素点的矢量场的副作用也逐渐增大。

基于上述原理，实现方法一：

用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当像素点X的梯度方向与该邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定第一乘积为正值(等于90度时为0)；否则，确定第一乘积为负值；

用邻域像素点Y的矢量场强度值(当该邻域像素点Y已计算出对应矢量场时，使用其矢量场强度值；当该邻域像素点Y还没有计算出对应的矢量场时，使用该邻域像素点Y的梯度值，即：本发明中将像素点的梯度，作为该像素点的矢量场的初始值)的水平分量乘以第一乘积，得到第二乘积；以及用邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以第一乘积，得到第三乘积；

累加像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到像素点X的矢量场的水平分量；以及累加像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到像素点X的矢量场的垂直分量；

由像素点X的矢量场的水平分量和像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场。上述实现方法一，用数字表达式进行表示如下：

V(x)＝∑_y∈Ω(x)φ(x，y)V(y)ω_d(x，y)    式(4)

式(4)中：

V(x)表示像素点X的矢量场；

V(y)表示像素点X的任一邻域像素点Y的矢量场；

Ω(x)表示像素点X的邻域范围；

φ(x，y)的取值为：当像素点X的梯度方向与邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，取值为+1；否则，取值为-1；

ω_d(x，y)＝|g(x).V(y)|，即为像素点X的梯度与邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘后的模值；其中g(x)表示像素点X的梯度。

实际计算过程中，分别计算像素点X的矢量场的水平分量和垂直分量。当计算像素点X的矢量场的水平分量时，使用各邻域像素点Y的矢量场的水平分量进行计算；当计算像素点X的矢量场的垂直分量时，使用各邻域像素点Y的矢量场的垂直分量进行计算。即：上述数学表达式可以分解为：

V_水平(x)＝∑_y∈Ω(x)φ(x，y)V_水平(y)ω_d(x，y)    式(5)

V_垂直(x)＝∑_y∈Ω(x)φ(x，y)V_垂直(y)ω_d(x，y)    式(6)

通过上述方法一，可以得到原始图像中各像素点的矢量场。在步骤S104中，直接将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为该笔触起点的笔画方向。

基于上述原理，实现方法二为：

用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当像素点X的梯度方向与邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定第一乘积为正值；否则，确定第一乘积为负值；

用邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以第一乘积后，再乘以第一映射因子，得到第二乘积；以及用邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以第一乘积后，再乘以第二映射因子，得到第三乘积；

累加像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到像素点X的矢量场的水平分量；以及累加像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到像素点X的矢量场的垂直分量；

由像素点X的矢量场的水平分量和像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场信息。

上述实现方法二与实现方法一的不同之处在于：在计算像素点X的矢量场的水平分量时，引入第一映射因子；在计算像素点X的矢量场的垂直分量时，引入第二映射因子。

一较佳实施例中，第一映射因子为：邻域像素点Y对应的梯度值的水平分量与像素点X对应的梯度值的水平分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；第二映射因子为：邻域像素点Y对应的梯度值的垂直分量与像素点X对应的梯度值的垂直分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的所述非负数值区间的对应映射值。当映射区间为0-1时，第一映射因子的对应数字表达式为：

式(7)

式(7)中：

tanh()表示双曲正切函数，其取值范围为[-1，1]；

g_x(y)表示邻域像素点Y的梯度值的水平分量；

g_x(x)表示像素点X的梯度值的水平分量。

通过对式(7)的运算结果乘以一个因子m(m为正数)可以实现根据需要映射到任意区间。

同理，当映射区间为0-1时，第二映射因子的对应数字表达式为：

式(8)

式(8)中：

g_y(y)表示邻域像素点Y的梯度值的垂直分量；

g_y(x)表示像素点X的梯度值的垂直分量。

采用上述方法二，引入第一映射因子和第二映射因子后，像素点X的矢量场的水平分量及垂直分量的计算式分别如下：

V_水平(x)＝∑_y∈Ω(x)φ(x，y)V_水平(y)ω_d(x，y)ω_水平(x，y)    式(9)

V_垂直(x)＝∑_y∈Ω(x)φ(x，y)V_水直(y)ω_d(x，y)ω_垂直(x，y)    式(10)

通过上述方法二，同样可以得到原始图像中各像素点的矢量场。且方法二中，将邻域像素点Y与像素点X的梯度差值用双曲正切函数比较合理地映射到某一设定的非负数值区域中(如0-1中)，使得像素点X的矢量场尽可能保持与纹理主边界相一致，体现出周围像素点变化越剧烈，对本像素点的影响越大。同样，在步骤S104中，直接将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为该笔触起点的笔画方向。

上述实施例1中，在确定出各像素点的梯度后，进一步确定出各像素点的邻域像素点；用每一个像素点的邻域像素点的矢量场，来修正该像素点的梯度，得到每一个像素点的矢量场；将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自该笔触起点的笔画方向。由于针对每一个像素点，充分考虑了其邻域像素点对该像素点的影响，使得修正后的像素点的矢量场更接近于实际图像纹理在视觉上的走向，从而使得最终得到的油画风格图像视觉效果更佳。

实施例2：提供另一种笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定笔触起点的笔画方向。

参见图3，为本发明实施例2提供的笔画方向确定方法流程图，包括如下步骤：

步骤S201、获取原始图像各像素点的像素值，根据各像素点的对应像素值确定出各像素点的梯度；

步骤S202、在原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

步骤S203、对原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为该邻域像素点的梯度；

步骤S204、根据笔触起点对应像素点的矢量场，确定出参与线性积分卷积的像素点，并计算出卷积结果值；

步骤S205、将卷积结果对应的矢量方向，作为自笔触起点的笔画方向。

实施例2中的步骤S201与实施例1中的步骤S101相同；实施例2中的步骤S202与实施例1中的步骤S102相同；实施例2中的步骤S203与实施例1中的步骤S103相同，同样可以采用实施例1中相同的实现方法，不再重述。

步骤S204的具体实现方法为：

以笔触起点对应像素点为起点，在原始图像中确定出第一延伸路径和第二延伸路径；第一延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；第二延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场的反方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，以该像素点为起点，在原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径；第一扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的左方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；第二扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的右方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，将其对应的第一扩展路径和第二扩展路径上的各像素点的矢量场进行线性积分卷积。

举一具体例子说明如下：

假设像素点X为一笔触起点的对应像素点，以像素点X为起点，在原始图像中先确定出第一延伸路径和第二延伸路径，假设延伸的像素点数量为3，具体过程为：

以像素点X为起点，在像素点X的矢量场方向上确定出与像素点X距离最近的像素点S1，再在像素点S1的矢量场方向上确定出与像素点S1距离最近的像素点S2，再在像素点S2的矢量场方向上确定出与像素点S2距离最近的像素点S3。由像素点X开始，顺序连接像素点S1、像素点S2和像素点S3，即为第一延伸路径。

同理，以像素点X为起点，在像素点X的矢量场方向的反方向上确定出与像素点X距离最近的像素点S1’，再在像素点S1’的矢量场方向的反方向上确定出与像素点S1’距离最近的像素点S2’，再在像素点S2’的矢量场方向的反方向上确定出与像素点S2’距离最近的像素点S3’。由像素点X开始，顺序连接像素点S1’、像素点S2’和像素点S3’，即为第二延伸路径。

针对第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点(即像素点S1、像素点S2、像素点S3、像素点S1’、像素点S2’和像素点S3’)，以该像素点为起点，在原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径。以像素点S1为例，假设扩展的像素点数量为3，具体过程为：

以像素点S1为起点，在垂直于像素点S1的矢量场方向的左方向上确定出与像素点S1距离最近的像素点T1，在垂直于像素点T1的矢量场方向的左方向上确定出与像素点T1距离最近的像素点T2，在垂直于像素点T2的矢量场方向的左方向上确定出与像素点T2距离最近的像素点T3。由像素点S1开始，顺序连接像素点T1、像素点T2和像素点T3，即为第一扩展路径。

同理，以像素点S1为起点，在垂直于像素点S1的矢量场方向的右方向上确定出与像素点S1距离最近的像素点T1’，在垂直于像素点T1’的矢量场方向的右方向上确定出与像素点T1’距离最近的像素点T2’，在垂直于像素点T2’的矢量场方向的右方向上确定出与像素点T2’距离最近的像素点T3’。由像素点S1开始，顺序连接像素点T1’、像素点T2’和像素点T3’，即为第二扩展路径。

对其余的像素点S2、像素点S3、像素点S1’、像素点S2’和像素点S3’，按照上述相同的方向，分别确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径。

对每一条第一扩展路径和每一条第二扩展路径上的每一个像素点的矢量场进行线性积分卷积。

上述线性积分卷积的数学表达式如下：

$D\left(x\right)={\∫}_{-T}^T{\∫}_{-S}^{S}V\left(m\right)\mathrm{dsdt}$ 式(11)

式(11)中，[-T，T]为经过像素点S(第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点)连通的第一扩展路径和第二扩展路径，对每一个像素点S，扩展了2T个像素点。[-S，S]为经过像素点X连通的第一延伸路径和第二延伸路径，共延伸了2S个像素点。V(m)为第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点S对应的第一扩展路径(共2S条)和第二扩展路径(共2S条)上的各像素点。

在第一延伸路径和第二延伸路径上延伸的像素点数量，以及第一扩展路径和第二扩展路径上扩展的像素点数量，可以相等也可以不等，具体取值可以根据当前笔触的半径大小相应确定。例如：第一延伸路径和第二延伸路径上延伸的像素点数量以及第一扩展路径和第二扩展路径上扩展的像素点数量可以为当前笔触的半径对应的像素点数量，也可以大于或小于当前笔触的半径对应的像素点数量，具体取值可以应用需要确定或调整。

上述实施例2，通过对笔触起点一定范围内的若干个像素点进行线性积分卷积，将卷积结果的矢量方向作为笔画方向。由于线性积分卷积可以在矢量场方向上进行统计，使用线性积分卷积来计算笔画方向，能够在笔画方向上以积分卷积形式来引入周边像素点方向对笔触起点对应像素点的影响，因而能更有效地显示出纹理信息，进一步改进笔画方向的精度。

实施例3：提供一种笔画方向确定装置。

基于同一发明构思，根据本发明上述实施例1提供的笔画方向确定，本实施例3提供一种笔画方向确定装置，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，其结构示意图如图4所示，包括：

梯度确定单元41，用于获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

邻域确定单元42，用于在原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

矢量场确定单元43，用于对原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为该邻域像素点的梯度；

笔画方向确定单元44，用于将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自该笔触起点的笔画方向。

一实例中，矢量场确定单元43的内部结构可以如图5所示，包括：

点乘运算子单元431，用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当像素点X的梯度方向与该邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定第一乘积为正值；否则，确定第一乘积为负值；

第一分量确定子单元432，用邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以第一乘积，得到第二乘积；以及用邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以第一乘积，得到第三乘积；

累加像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到像素点X的矢量场的水平分量；以及累加像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到像素点X的矢量场的垂直分量；

矢量合成子单元433，由像素点X的矢量场的水平分量和像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场。

另一实例中，矢量场确定单元43的内部结构可以如图6所示，包括：

点乘运算子单元431，用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当像素点X的梯度方向与邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定第一乘积为正值；否则，确定第一乘积为负值；

第二分量确定子单元434，用邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以第一乘积后，再乘以第一缩放因子，得到第二乘积；以及用邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以第一乘积后，再乘以第二缩放因子，得到第三乘积；其中，第一缩放因子为：邻域像素点Y对应的梯度值的水平分量与像素点X对应的梯度值的水平分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；第二缩放因子为：邻域像素点Y对应的梯度值的垂直分量与像素点X对应的梯度值的垂直分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；

累加像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到像素点X的矢量场的水平分量；以及累加像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到像素点X的矢量场的垂直分量；

矢量合成子单元433，由像素点X的矢量场的水平分量和像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场信息。

实施例4：提供一种笔画方向确定装置。

基于同一发明构思，根据本发明上述实施例2提供的笔画方向确定，本实施例4提供一种笔画方向确定装置，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定笔触起点的笔画方向，其结构示意图如图7所示，包括：

梯度确定单元71，用于获取原始图像各像素点的像素值，根据像素值确定出各像素点的梯度；

邻域确定单元72，用于在原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

矢量场确定单元73，用于对原始图像中的每一个像素点X，根据其邻域像素点的矢量场，修正该像素点X的梯度，得到该像素点X的矢量场；其中，邻域像素点的矢量场的初始值为该邻域像素点的梯度；

卷积单元74，用于以笔触起点对应像素点为起点，在原始图像中确定出第一延伸路径和第二延伸路径；所述第一延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场的反方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；以及

对第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，以该像素点为起点，在原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径；所述第一扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的左方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的右方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，将其对应的第一扩展路径和第二扩展路径上的各像素点的矢量场进行线性积分卷积；

笔画方向确定单元75，用于将卷积结果对应的矢量方向，作为笔触起点的笔画方向。

其中，矢量场确定单元73的内部结构可以分别采用上述图5和图6的相同结构，完成相同的功能，不再重述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，其特征在于，包括：

获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积，得到第三乘积；累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场；或者

用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积后，再乘以第一映射因子，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积后，再乘以第二映射因子，得到第三乘积；其中，所述第一映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的水平分量与所述像素点X对应的梯度值的水平分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；所述第二映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的垂直分量与所述像素点X对应的梯度值的垂直分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的所述非负数值区间的对应映射值；累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场信息；

其中，邻域像素点Y的矢量场的初始值为所述邻域像素点Y的梯度；

将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定出各像素点的梯度，包括：

计算各像素点的像素值的一阶导数，作为各像素点的梯度；或者

使用舍贝尔Sobel算子进行卷积得到各像素点的梯度。

3.一种笔画方向确定方法，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，其特征在于，包括：

获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积，得到第三乘积；累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场；或者

用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积后，再乘以第一映射因子，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积后，再乘以第二映射因子，得到第三乘积；其中，所述第一映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的水平分量与所述像素点X对应的梯度值的水平分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；所述第二映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的垂直分量与所述像素点X对应的梯度值的垂直分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的所述非负数值区间的对应映射值；累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场信息；

其中，邻域像素点Y的矢量场的初始值为所述邻域像素点Y的梯度；

以笔触起点对应像素点为起点，在所述原始图像中确定出第一延伸路径和第二延伸路径；所述第一延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场的反方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

以所述第一延伸路径和所述第二延伸路径上的每一个像素点为起点，在所述原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径；所述第一扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的左方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的右方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对所述第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，将其对应的第一扩展路径和第二扩展路径上的各像素点的矢量场进行线性积分卷积，将卷积结果对应的矢量方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定出各像素点的梯度，包括：

计算各像素点的像素值的一阶导数，作为各像素点的梯度；或者

使用舍贝尔Sobel算子进行卷积得到各像素点的梯度。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述若干个像素点的具体取值根据当前笔触的半径大小。

6.一种笔画方向确定装置，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，其特征在于，包括梯度确定单元、邻域确定单元、矢量场确定单元和笔画方向确定单元，其中：

梯度确定单元，用于获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

邻域确定单元，用于在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

所述矢量场确定单元，包括点乘运算子单元、第一分量确定子单元和矢量合成子单元，其中：

点乘运算子单元，用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；

第一分量确定子单元，用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积，得到第三乘积；

累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；

矢量合成子单元，由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场；

或者所述矢量场确定单元，包括点乘运算子单元、第二分量确定子单元和矢量合成子单元，其中：

点乘运算子单元，用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；

第二分量确定子单元，用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积后，再乘以第一映射因子，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积后，再乘以第二映射因子，得到第三乘积；其中，所述第一映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的水平分量与所述像素点X对应的梯度值的水平分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；所述第二映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的垂直分量与所述像素点X对应的梯度值的垂直分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的所述非负数值区间的对应映射值；

累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；

矢量合成子单元，由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场信息；

所述矢量场确定单元中，邻域像素点Y的矢量场的初始值为所述邻域像素点Y的梯度；

笔画方向确定单元，用于将笔触起点对应像素点的矢量场的矢量场方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

7.一种笔画方向确定装置，应用于根据原始图像生成油画风格图像时确定自笔触起点的笔画方向，其特征在于，包括梯度确定单元、邻域确定单元、矢量场确定单元、卷积单元和笔画方向确定单元，其中：

梯度确定单元，用于获取原始图像各像素点的像素值，根据所述像素值确定出各像素点的梯度；

邻域确定单元，用于在所述原始图像中，按照设定的邻域范围，确定出各像素点的邻域像素点；

所述矢量场确定单元，包括点乘运算子单元、第一分量确定子单元和矢量合成子单元，其中：

点乘运算子单元，用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；

第一分量确定子单元，用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积，得到第三乘积；

累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；

矢量合成子单元，由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场；或者

所述矢量场确定单元，包括点乘运算子单元、第二分量确定子单元和矢量合成子单元，其中：

点乘运算子单元，用像素点X的梯度与其一个邻域像素点Y的矢量场进行矢量点乘，得到第一乘积；且当所述像素点X的梯度方向与所述邻域像素点Y的矢量场方向的夹角不大于90度时，确定所述第一乘积为正值；否则，确定所述第一乘积为负值；

第二分量确定子单元，用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的水平分量乘以所述第一乘积后，再乘以第一映射因子，得到第二乘积；以及用所述邻域像素点Y的矢量场强度值的垂直分量乘以所述第一乘积后，再乘以第二映射因子，得到第三乘积；其中，所述第一映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的水平分量与所述像素点X对应的梯度值的水平分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的非负数值区间的对应映射值；所述第二映射因子为：所述邻域像素点Y对应的梯度值的垂直分量与所述像素点X对应的梯度值的垂直分量的差值，用双曲正切函数映射到设置的所述非负数值区间的对应映射值；

累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第二乘积，得到所述像素点X的矢量场的水平分量；以及累加所述像素点X的各邻域像素点对应的第三乘积，得到所述像素点X的矢量场的垂直分量；

矢量合成子单元，由所述像素点X的矢量场的水平分量和所述像素点X的矢量场的垂直分量进行矢量合成，得到该像素点X的矢量场信息；

所述矢量场确定单元中，邻域像素点Y的矢量场的初始值为所述邻域像素点Y的梯度；

卷积单元，用于以笔触起点对应像素点为起点，在所述原始图像中确定出第一延伸路径和第二延伸路径；所述第一延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二延伸路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于上一个像素点的矢量场的反方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；以及

以所述第一延伸路径和所述第二延伸路径上的每一个像素点为起点，在所述原始图像中确定出对应的第一扩展路径和第二扩展路径；所述第一扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的左方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；所述第二扩展路径上包括顺序确定出的若干个像素点，其中确定出的下一个像素点为位于垂直于上一个像素点的矢量场方向的右方向上、且与上一个像素点距离最近的像素点；

对所述第一延伸路径和第二延伸路径上的每一个像素点，将其对应的第一扩展路径和第二扩展路径上的各像素点的矢量场进行线性积分卷积；

笔画方向确定单元，用于将卷积结果对应的矢量方向，作为自所述笔触起点的笔画方向。

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