CN103400340A - 一种将图片转为卡通画的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像处理技术领域，本发明公开了一种将图片转为卡通画的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、将原图片进行多次滤波，将滤波得到的两个结果图像进行记录；计算其中一个结果图像的亮度通道图像，得到亮度通道图像的方向流图，并根据方向流图和亮度通道图像得到这个结果图像的高斯差分图像；最终得到这个结果图像的流高斯差分图像，即输出的图像为卡通画的轮廓线；步骤二、选择另外一个滤波的结果图像，并将结果图像进行量化，采用设定数量的颜色来表示这个结果图像，即输出的图像为卡通画的颜色图像；步骤三、将卡通画的轮廓线和卡通画的颜色图像相乘，得到最终的卡通画。本发明实现了快速将图片转为卡通画的效果。

Description

一种将图片转为卡通画的方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，本发明公开了一种将图片转为卡通画的方法。

背景技术

卡通画的特点是通过归纳、夸张以及变形的手法来塑造各种形象，受到很多人的喜爱，尤其是在旅游景点，经常会有游客愿意花很长的时间让专业的卡通绘画师为自己画一幅卡通画，卡通画的特点是线条线清晰，颜色较少，采用简单的线条和颜色来表现丰富的世界，尤其对于面部的轮廓和表情的刻画具有较大的优势。但要绘制卡通画一方面需要专业的学习，另外一方面绘制的时间通常较长，不能满足大家生活娱乐的需要。

近年来，随着智能手机的普及，移动互联网得到了迅速的发展，手机拍照应用获得了很大的发展空间，伴随着层出不穷的特效滤镜技术，照片的获取和特效处理变得越来越自动化，照片的艺术化效果随意的在指尖流动，极大的丰富了人们的日常生活。

如果能将普通的图片比如手机随意拍摄的照片转为卡通画，这样人们即使不通过专业的训练也可以绘制出属于自己的卡通画。随着智能手机的普及，人们对照片风格的追求也不断地被激发出来，照片艺术化的效果也越来越受欢迎，因此对卡通画特效的研究也得到了很大的发展。

发明内容

针对现有技术中没有一种将图片转为卡通画的方法，本发明提供了一种将图片转为卡通画的方法。

本发明的发明目的通过下述技术方案来实现：

一种将图片转为卡通画的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、将原图片进行多次滤波，将滤波得到的两个结果图像进行记录；计算其中一个结果图像的亮度通道图像，得到亮度通道图像的方向流图，并根据方向流图和亮度通道图像得到这个结果图像的高斯差分图像；根据高斯差分图像和方向流图，最终得到这个结果图像的流高斯差分图像，即输出的图像为卡通画的轮廓线；步骤二、选择另外一个滤波的结果图像，并将结果图像进行量化，采用设定数量的颜色来表示这个结果图像，即输出的图像为卡通画的颜色图像；步骤三、将卡通画的轮廓线和卡通画的颜色图像相乘，得到最终的卡通画。通过两个步骤分别得到卡通画的轮廓线和颜色，再将二者进行组合，快速地将普通的图片比如照片处理为卡通画，满足了大家生活娱乐的需要。

更进一步地，上述将原图片进行滤波的方式为双边滤波。双边滤波的好处是可以更好地做到边缘保存，一般的维纳滤波或者高斯滤波去降噪，都会较明显地模糊边缘，对于高频细节的保护效果不明显。而双边滤波比高斯滤波多了一个高斯方差，是基于空间分布的高斯滤波函数，所以在边缘附近，离的较远的像素不会太多影响到边缘上的像素值，这样就保证了边缘附近像素值的保存。

更进一步地，上述双边滤波的方法为：

$I(R,G,B)=\frac{1}{W}\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{\σs}}\left(\right||p-q|\left|\right)G_{\mathrm{\σr}}\left(\right||I(R,G,B)-I^{\′}(R,G,B)|\left|\right)I^{\′}(R,G,B);$

$W=\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{\σs}}\left(\right||p-q|\left|\right)G_{\mathrm{\σr}}\left(\right||I(R,G,B)-I^{\′}(R,G,B)|\left|\right);$

其中：W为归一化系数，N(p)表示当前像素点p的邻域像素区域，G为高斯滤波算子，σ为高斯尺度参数。通过以上的双边滤波方式使得图片在降噪的同时保证了边缘的保存。

更进一步地，上述所述根据方向流图和亮度通道图像得到这个结果图像的高斯差分图像具体为：根据亮度通道图像，并沿着方向流图所定义的切线方向和发现方向进行高斯平滑处理，计算得到高斯差分图像。通过上述方法快速得到结果图像的高斯差分图像。

更进一步地，上述根据高斯差分图像和方向流图，最终得到这个结果图像的流高斯差分图像具体为：根据高斯差分图像，沿着方向流图所定义的切线方向进行加权平均，计算得到流高斯差分图像，并将流高斯差分图像归一化到0和1之间。通过上述方法快速得到结果图像的流高斯差分图像，并将流高斯差分图像归一化到0和1之间，从而得到卡通画的轮廓线。

更进一步地，上述采用设定数量的颜色来表示这个结果图像具体为：

其中：V_q表示量化间隔，q_nearest表示离I_b(R,G,B)像素值最近且小于I_b(R,G,B)的量化边界值，是控制颜色变化剧烈程度的参数。通过上述方法，快速得到结果图像的颜色量化图像，将结果图像采用较少的颜色进行表示，满足了卡通画颜色少的特点，为后续得到完整的卡通画做好充分的准备。一般总共使用k个颜色量级来表示结果图像I_b(R,G,B)，k的取值则根据需要进行选择。

更进一步地，上述方法还包括将方向流图进行平滑处理，采用平滑处理后的方向流图参与计算。将方向流图进行平滑处理，使得最终的卡通画效果更好。

更进一步地，上述平滑处理的方法为：

${\mathrm{ETF}}_{x,y}\left(p\right)=\frac{1}{K}\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}(p,q){\mathrm{ETF}}_{x,y}\left(q\right)w_m(p,q)w_d(x,y),$

其中：K为归一化常数， $K=\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}(p,q)w_m(p,q)w_d(x,y);$

g表示当前像素的归一化梯度模；w_d=|ETF_x,y(p)·ETF_x,y(q)|表示当前像素和邻域像素切向量之间的夹角；采用上述方法快速完成平滑处理。

更进一步地，上述计算结果图像的亮度通道图像的公式为：

L=0.299*R+0.587*G+0.114*B。通过上述方法快速得到亮度通道图像。

通过采用以上技术方案，本发明的有益效果是：通过上述的方法将普通的图片快速转换为卡通画，处理速度高，满足了用户将图片转为卡通画的需要。通过本发明，可以将一张普通数码照片，转变为一种类似专业人士手工绘制的卡通画。这样人们即使不通过专业的训练也可以绘制出大师级的卡通画。采用本发明得到的卡通画具有线条细腻，连贯，卡通效果逼真，计算速度快等优点。

附图说明

图1为本发明的将图片转为卡通画的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为将图片转为卡通画的方法的流程图。本发明公开了一种将图片转为卡通画的方法，其具体包括以下的步骤：将原图片进行多次滤波，将滤波的两个结果图像进行记录；计算其中一个结果图像的亮度通道图像，得到亮度通道图像的方向流图，并根据方向流图和亮度通道图像得到这个结果图像的高斯差分图像；根据高斯差分图像和方向流图，最终得到这个结果图像的流高斯差分图像，即输出的图像为卡通画的轮廓线；选择另外一个滤波的结果图像，并将结果图像进行量化，采用设定数量的颜色来表示这个结果图像，即输出的图像为卡通画的颜色图像；将卡通画的轮廓线和卡通画的颜色图像相乘，得到最终的卡通画。通过上述的方法将普通的图片快速转换为卡通画，处理速度高，满足了用户将图片转为卡通画的需要。

其具体的实现方式可以为如下的实施例：

步骤1.将原图片I′(R,G,B)的R,G,B三个通道进行多次的双边滤波，将其中两次的结果图像进行记录，比如对原图反复进行四次双边滤波，并记录第二次和第四次的结果图像分别为I_a(R,G,B)，I_b(R,G,B)。此处不能直接对原图进行操作，必须进行双边滤波，双边滤波可以保持图像边缘的同时对图像磨平操作。

双边滤波的滤波方法为：

$I(R,G,B)=\frac{1}{W}\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{\σs}}\left(\right||p-q|\left|\right)G_{\mathrm{\σr}}\left(\right||I(R,G,B)-I^{\′}(R,G,B)|\left|\right)I^{\′}(R,G,B);$

$W=\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{\σs}}\left(\right||p-q|\left|\right)G_{\mathrm{\σr}}\left(\right||I(R,G,B)-I^{\′}(R,G,B)|\left|\right);$

其中W为归一化系数，N(p)表示当前像素点p的邻域像素区域，G为高斯滤波算子，σ为高斯尺度参数，q表示N(p)中的坐标点、σr,σs表示不同的高斯尺度参数。通过以上的双边滤波方法将原图片I′(R,G,B)进行多次滤波，选择其中两次的滤波结果，比如第二次和第四次或者第一次和第三次的结果图像分别记为I_a(R,G,B)，I_b(R,G,B)。

按上式直接实现双边滤波的方法比较耗时，本申请中使用横向和纵向分离的方式进行加速，横纵向高斯滤波是减少高斯滤波计算量的方法，非常常见的技术，并通过GPU进行运算，GPU通过图形处理器硬件加速运算的硬件，提高计算速度。

步骤2.选择其中一个滤波后的结果图像I_a(R,G,B)，计算其亮度通道图像，其亮度通道图像L=0.299*R+0.587*G+0.114*B。

步骤3.根据步骤2的亮度通道图像，得到亮度通道图像的方向流图ETF。计算亮度通道图像的方向流图可以采用多种方式。方向流图的含义是指每个像素点的切线方向，有多种计算方法，可以使用Sobel算子近似计算当前点的梯度方向，切线方向垂直于梯度方向，故方向流图可以通过对调梯度分量，并改变其中一个分量的符号求得。另外一种方法是通过求解当前像素的张量来获取，对于边界的切线方向无法直接计算，可以使用双线性插值等插值方式来得到。

步骤4.对步骤3得到的方向流图进行平滑处理。平滑处理后使得卡通画的效果更好。上述平滑处理的方法为：

${\mathrm{ETF}}_{x,y}\left(p\right)=\frac{1}{K}\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}(p,q){\mathrm{ETF}}_{x,y}\left(q\right)w_m(p,q)w_d(x,y),$ 其中K为归一化常数， $K=\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}(p,q)w_m(p,q)w_d(x,y);$ $w_m(p,q)=\frac{1}{2}(1+\tanh (g\left(p\right)-g\left(q\right)));$ g表示当前像素的归一化梯度模；w_d=|ETF_x,y(p)·ETF_x,y(q)|表示当前像素和邻域像素切向量之间的夹角；

通过上述公式快速完成平滑处理。

步骤5.根据步骤2的亮度通道图像，沿着步骤3得到的方向流图ETF所定义的切线方向和发现方向进行高斯平滑处理，计算得到高斯差分图像DoG。

步骤6.根据步骤5得到的高斯差分图像DoG，沿着步骤3得到的方向流图ETF所定义的切线方向进行加权平均，计算得到流高斯差分图像FDoG，并将流高斯差分图像归一化到0和1之间。从而得到卡通画的轮廓线，其轮廓线在0和1之间，轮廓线清晰。

步骤7.选择其中一个滤波后的结果图像I_b(R,G,B)，将结果图像I_b(R,G,B)进行量化，采用设定数量的颜色表示结果图像I_b(R,G,B)，比如设定颜色的数量为8种或者其他数量，但一定远远小于结果图像的颜色数量。I_b(R,G,B)和I_a(R,G,B)不能相同，不同迭代次数，得到的滤波结果的磨平程度是不一样的，次数越多，磨的越平。采用设定数量的颜色表示结果图像I_b(R,G,B)，具体方法如下：

其中V_q表示量化间隔，g_nearest表示离I_b(R,G,B)像素值最近且小于I_b(R,G,B)的量化边界值，

是控制颜色变化剧烈程度的参数。采用上述方法将较多颜色的结果图像表示为有限的集中颜色。

步骤8.将图像FDoG和图像Q_R,G,B(R,G,B)相乘，得到最终的卡通画。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种将图片转为卡通画的方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、将原图片进行多次滤波，将滤波得到的两个结果图像进行记录；计算其中一个结果图像的亮度通道图像，得到亮度通道图像的方向流图，并根据方向流图和亮度通道图像得到这个结果图像的高斯差分图像；根据高斯差分图像和方向流图，最终得到这个结果图像的流高斯差分图像，即输出的图像为卡通画的轮廓线；步骤二、选择另外一个滤波的结果图像，并将结果图像进行量化，采用设定数量的颜色来表示这个结果图像，即输出的图像为卡通画的颜色图像；步骤三、将卡通画的轮廓线和卡通画的颜色图像相乘，得到最终的卡通画。

2.如权利要求1所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述将原图片进行滤波的方式为双边滤波。

3.如权利要求2所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述双边滤波的方法为：

$I(R,G,B)=\frac{1}{W}\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{\σs}}\left(\right||p-q|\left|\right)G_{\mathrm{\σr}}\left(\right||I(R,G,B)-I^{\′}(R,G,B)|\left|\right)I^{\′}(R,G,B);$

$W=\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{\σs}}\left(\right||p-q|\left|\right)G_{\mathrm{\σr}}\left(\right||I(R,G,B)-I^{\′}(R,G,B)|\left|\right);$

其中：W为归一化系数，N(p)表示当前像素点p的邻域像素区域，G为高斯滤波算子，σ为高斯尺度参数，q表示N(p)中的坐标点、σr,σs表示不同的高斯尺度参数。

4.如权利要求1所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述根据方向流图和亮度通道图像得到这个结果图像的高斯差分图像具体为：根据亮度通道图像，并沿着方向流图所定义的切线方向和发现方向进行高斯平滑处理，计算得到高斯差分图像。

5.如权利要求1所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述根据高斯差分图像和方向流图，最终得到这个结果图像的流高斯差分图像具体为：根据高斯差分图像，沿着方向流图所定义的切线方向进行加权平均，计算得到流高斯差分图像，并将流高斯差分图像归一化到0和1之间。

6.如权利要求1所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述采用设定数量的颜色来表示这个结果图像具体为：

其中：V_q表示量化间隔，q_nearest表示离I_b(R,G,B)像素值最近且小于I_b(R，G，B)的量化边界值，

是控制颜色变化剧烈程度的参数。

7.如权利要求1所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述方法还包括将方向流图进行平滑处理，采用平滑处理后的方向流图参与计算。

8.如权利要求7所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述平滑处理的方法为：

${\mathrm{ETF}}_{x,y}\left(p\right)=\frac{1}{K}\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}(p,q){\mathrm{ETF}}_{x,y}\left(q\right)w_m(p,q)w_d(x,y),$

其中：K为归一化常数， $K=\underset{q\∈N\left(p\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\φ}(p,q)w_m(p,q)w_d(x,y);$

g表示当前像素的归一化梯度模；w_d=|ETF_x,y(p)·ETF_x,y(q)|表示当前像素和邻域像素切向量之间的夹角；

9.如权利要求1所述的将图片转为卡通画的方法，其特征在于所述计算结果图像的亮度通道图像的公式为：

L=0.299*R+0.587*G+0.114*B。

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