CN103810739A - 一种图像文字变形动画的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种图像文字变形动画的生成方法，其步骤如下：指定源文字图像和目标文字图像，提取两幅图像中的文字像素点，生成源文字和目标文字；根据文字像素点的分布情况分别提取源和目标文字的外部轮廓；建立两轮廓上点在参数域上的一一映射关系；根据映射关系实现源文字到目标文字轮廓形态的过渡；将两轮廓内部划分成若干块对应的子区域，并判断文字像素点所属子区域；最后在轮廓形态变化的过程中，通过更新子区域内源文字和目标文字像素点的位置，实现轮廓内部文字的变形。本发明能够实现任意文字之间的变形，相对于现有技术，原理简单，易于实现，并提供了多种参数以实现不同的变形效果，且过渡自然，效果较好。

Description

一种图像文字变形动画的生成方法

技术邻域

本发明公开一种基于动态轮廓线的图像文字变形方法，属于图像处理技术领域，内容涉及图像文字识别和多边形几何插值技术，尤其涉及一种文字变形处理的技术方法。

背景技术

图像文字变形技术属于一种文字特效技术，具有提升动画效果和增强视觉表现力的作用，被广泛应用于动画制作、广告设计和影视特效等领域。该技术主要包括以下两个方面：

（1）图像文字识别，即提取图像中的文字像素点。它是文字变形的前提条件，也是模式识别等领域的研究热点，现有技术公开了多种提取图像文字的方法。

一种基于灰度聚类的文字提取方法，(参见：戴维等，基于二值化聚类的图像文字提取算法，计算机应用，2009，29(1):57-60)，该类技术先利用边缘算子增强图像的边缘信息，再根据灰度值对图像进行二值化处理，利用文字在二值化图像上的分布特征确定文字聚集区域，能够快速识别图像中的文字，但该方法不适合从具有复杂背景的图像中提取文字。

一种基于滤波方法的图像文字检测(参见：付平等，基于Gabor滤波器的数字文档图像文字提取算法，电子学报，2006，34(12):2388-2390)，该类方法对图像在不同方向和不同阶数上进行滤波，在滤波图像中直接得到候选文字区域，再利用几何特性和高频分量特性筛选文字。该类方法能够适应不同类型、不同语言和不同字体的图像文字，鲁棒性较好，但涉及复杂的数学公式，不适合简单图像的文字提取。

一种基于彩色边缘检测的方法(参见：易剑等，专利“一种图片文字检测的方法”，申请号：CN200710122155.2)，该技术需要计算图像像素在各颜色分量上的边缘图，或者从垂直、水平和对角三个方向检测边缘，文字提取过程较繁琐。

（2）文字变形技术，根据图像变形的原理，指定一定的顺序或规则将一幅图像中的文字平滑过渡为另一幅图像中的文字，现有技术主要分为三类方法。

基于局部区域的变形，该类方法主要以网格变形算法和三角剖分变形算法(参见：朱桂斌等，基于Delaunay三角剖分的图像变形技术研究，中国图像图形学报A辑，2003，8(6):641-646)为代表，基于分割统一的思想，将整块文字区域划分成若干块局部区域，通过变形每块区域上的文字部分实现整个文字的变形。该类方法的优点在于变形速度快，但变形效果受分割好坏影响，结果不一定理想。

基于参数化曲线的变形，主要包括基于Bézier曲线的变形(参见：齐希，一种基于Bézier曲线的字符变形，中国计量学院学报，2001，12(10):167-169)和基于B样条曲线的变形(参见：陆海东，一种基于B样条的文字自由变形算法，小型微型计算机系统，2000，21(4):426-428)，该类方法将初始区域中的文字点通过一定的映射变换到目标区域，初始区域通常为矩形，变形后的目标区域由四条首尾相连的Bézier曲线或B样条曲线围城，通过调节控制点实现文字形态的变化。该类方法能够实现文字的自由变换，但仅限于文字本身的变化，而非不同文字之间的变化。

基于像素点的变形(参见：张朋霞等，一种基于像素的图像变形算法应用，绵阳师范学院学报，2007，26(11):95-97)，该类方法首先为图像上某些指定像素点建立空间映射关系，再寻求合适数学函数，例如径向基函数，实现图像上所有点的映射，这种方法需要计算复杂的数学函数，故运算效率不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种图像文字变形动画的生成方法，是一种基于图像文字识别与几何形状混合技术、并利用动态轮廓线来生成变形文字的方法。在快速识别图像文字的基础上，采用分割统一的思想，划分变形区域。本方法无需计算复杂的函数以获得文字之间的映射关系，能够简单、高效地实现任意文字的变形效果。

本发明公开一种图像文字变形动画的生成方法，其具体步骤如下：

a.文字图像预处理：读取两幅位图格式的图像，分别指定为源文字图像和目标文字图像，将它们缩放为宽高一致的标准化图像；通过二值化处理将具有连续色调变化的标准化图像，转化为平面黑白像素点集；

b.提取文字像素点：指定黑底白字为阴字，白底黑字为阳字，检测图像边缘像素点的颜色值，判断两幅图像中文字的阴阳性，并统一调整为阳字；分别提取源文字像素点集和目标文字像素点集，采用逐行扫描的方法检测两幅图像中的黑色像素点，进一步判断其相邻像素点的颜色值，将满足条件的像素点视为图像中的文字像素点，即变形过程中源文字或目标文字；

c.提取文字的外部轮廓点：采用逆时针或顺时针扫描的方法提取源文字和目标文字的外部轮廓点，扫描区域是以文字中心点O为圆心，X轴正方向为起始方向的圆形区域；逆时针或顺时针旋转扫描方向，将各方向上距离圆心最远的文字像素点作为文字的外部轮廓点，连接各轮廓点得到源文字轮廓S和目标文字轮廓T；

d.建立轮廓点之间的映射关系：分别将源文字轮廓S和目标文字轮廓T映射到同一参数域上，计算轮廓S和轮廓T中各轮廓点在参数域上的值，并根据参数值大小分别为轮廓S和轮廓T添加新轮廓点，建立两组轮廓点的一一对应关系；

e.建立轮廓内部映射区域：分别为源文字轮廓S和目标文字轮廓T划分内部区域，依次连接相邻两轮廓点和文字的中心点O，将轮廓内部区域划分成若干块三角形子区域，使源文字的子区域rs_i和目标文字的子区域rt_i一一对应，并判断源文字像素点和目标文字像素点所属子区域，其中，i=1,2,…,k；

f.确定文字像素点的显示顺序：对轮廓区域内源文字和目标文字像素点进行排序，根据参数设置参考点，将参考点和文字像素点的几何距离作为参考权值，并根据权值大小进行排序，分别确定源像素点和目标文字像素点的显示顺序；

g.实现文字变形效果：指定源文字轮廓S形态向目标文字轮廓T形态逐渐过渡，并根据轮廓点映射关系计算轮廓点的每帧偏移量，获得中间帧的轮廓形态M；按照相同方法划分轮廓形态M的内部区域，生成若干块三角形子区域rm_i，分别与子区域rs_i和rt_i对应，其中i=1,2,…,k；再将源文字像素点由子区域rs_i映射到子区域rm_i，将目标文字像素点由子区域rt_i映射到子区域rm_i，更新其在轮廓形态M内部的位置，使文字形态随着轮廓形态改变；在变形的过程中，依序减少源文字像素点的同时增加目标文字像素点，实现源文字向目标文字的过渡；通过增删像素点的方法修复每一帧的文字形态，保证源文字向目标文字的平滑过渡。

本发明方法相对于现有技术，具有如下优点：

1.在二值化处理图像的基础上，通过判断像素点的颜色值及其周围像素点的颜色分布情况，快速识别图像中的文字，相对于复杂的图像滤波算法以及边缘提取算法，不仅计算简便，而且效果理想。

2.基于轮廓形态划分变形区域，相对于网格划分和三角剖分的分割方法，不仅处理方式更为灵活，且保证文字始终在轮廓范围内变化，不会产生异常情况。局部处理子区域内的像素点，涉及较小范围内的计算过程，提高了运算效率。

3.通过增删像素点的方法修复变形过程中每一帧的文字形态，保证文字过渡平滑自然，提升了整体效果。

4.根据参数设置确定文字像素点的显示顺序，针对源文字和目标文字，可以通过不同的组合方式产生丰富多样的变形效果。

附图说明

图1为本发明方法的流程图及相关数据变化情况；

图2具有连续色调的局部细节图；

图3为二值化处理后的局部细节图；

图4文字轮廓像素点提取过程示意图；

图5是文字轮廓形态示意图；

图6是轮廓分割过程示意图；

图7是轮廓点参数域合并示意图；

图8是轮廓点添加过程局部示意图；

图9是划分区域后的源文字轮廓内部示意图；

图10是划分区域后的目标文字轮廓内部示意图；

图11是文字轮廓形态变化示意图；

图12是轮廓内部文字像素点的映射过程示意图；

图13是文字形态修复过程示意图；

图14是文字变形效果图。

具体实施方式

为了更清楚地阐述本发明的技术方案，下面结合附图和实例，对本发明做详细说明。

如附图1所示，一种图像文字变形动画的生成方法，其具体实施步骤如下：

根据用户指定的源文字图像和目标文字图像以及相关控制参数（包括标准化图像的宽&高、文字像素点的显示顺序、动画帧数等），实现图像文字的变形效果。

1.文字图像预处理：即图像标准化处理和二值化处理，包括以下两步：

（1）读取两幅位图格式的图像，分别定义为源文字图像和目标文字图像，将其看成是具有连续色调变化的平面像素点集，建立二维数组存放点集内各像素点，并定义结构体POINT，包括Red，Green和Blue三个成员分量，分别存储像素点的RGB值。接着，分别计算两幅图像与给定宽高参数length和width的比例，通过增删像素点和线性插值颜色的方法将两幅图像缩放为宽高一致的标准化图像。例如：标准化图像的宽为源图像的两倍，则为源图像每行像素点之间插入一个新像素点，其颜色值通过线性插值前后相邻像素点的颜色值得到。若比例系数不为整数，则通过取整重新计算原像素点在标准图像中的位置，将其定位到新图像中，然后采取线性插值方法计算中间像素点的颜色值。

（2）对标准化图像进行二值化处理，以利于图像中文字的识别。对于源图像和目标图像，逐行检测平面像素点集内各像素点的颜色值，即三个颜色分量的平均值C。设置颜色阈值K(0<K<1)，将像素点分为颜色值高于K值或低于K值的两类，将高于K值的像素点颜色设为1（白色），低于K值的像素点颜色设为0（黑色），从而将具有连续色调变化的标准化图像转化为平面黑白像素点集。附图2是具有连续色调的文字局部细节图，附图3是经过二值化处理后得到的局部细节图。

2.提取文字像素点：根据图像文字的阴阳性，快速识别图像中的文字，包括以下两步：

（1）判断图像文字的阴阳性，采取检测图像边缘的方法判断文字阴阳性。定义黑底白字为阴字，白底黑字为阳字，由于图像边缘不包含或包含少量文字像素点，故检测平面像素点集内首行和末行，首列和末列的像素点颜色值，若白色像素点的个数大于给定阈值n，则图像背景为白色，图像文字为阳字，阴字反之。为利于图像中文字的变换，将阴字图像中各像素点的颜色值取反，将两幅图像统一调整为阳字图像。

（2）识别二值化图像中的文字像素点，采取逐行扫描的方法检测平面像素点集内各像素点的颜色值，首行和末行，首列和末列不参与判断。当检测到颜色值为0(黑色)的像素点v时，进一步搜索v周围相邻的8个像素点，记为v1～v8，判断其颜色值。设置阈值N(一般为3)，若v1～v8中颜色值为0(黑色)的像素点个数大于N，说明像素点v是文字像素点。按照此方法分别检测并提取源图像和目标图像中的文字像素点，即变形过程中的源文字或目标文字。

3.提取文字的外部轮廓：采用逆时针扫描的方法提取源文字和目标文字的外部轮廓点，扫描范围是以文字中心点O为圆心，X轴正方向为起始方向，逆时针或者顺时针旋转扫描方向d得到的圆形范围。对于文字像素点v，得到中心点O到点v的单位化向量

和方向d上的单位化向量

计算

和

的内积，并设置阈值F，若内积大于F，说明该像素点位于扫描方向d上。接着，提取该方向上的所有文字像素点v，计算点v与中心点O的几何距离，提取距离最大的点作为文字的外部轮廓点。在附图4中，像素点v组成了文字的外部轮廓点集。若在扫描过程中，方向d上不存在文字像素点v，则逐渐降低阈值F以扩大该方向的检测区域，直到搜索到像素点v。按照此方法分别为源文字和目标文字提取轮廓点集，并删除点集内重复的轮廓点，连接各轮廓点得到源文字轮廓S和目标文字轮廓T，附图5示出了提取后的文字轮廓形态。

4.建立轮廓点之间的映射关系：基于分块处理的思想，分别为源和目标文字的局部轮廓建立映射关系。包括以下两步：

（1）以文字中心点O为分割中心，将源文字轮廓S和目标文字轮廓T一分为四，得到4段局部轮廓，记为s_i(i=1,…,4)和t_i(i=1,…,4)。其中，源文字的局部轮廓s_i对应于目标文字的局部轮廓t_i。附图6为轮廓分割示意图，其中局部轮廓s₁对应于t₁，且s₁和t₁上轮廓点的个数不相等。

（2）为s_i上的轮廓点和t_i上的轮廓点建立一一映射关系，首先将s_i和t_i上的轮廓点p_i分别映射到四分之一圆弧L上，如附图7所示，两轮廓的起始点v₀分别对应参数点a₀和b₀，计算轮廓点p_i到起始点v₀的路径距离和局部轮廓总长度的比值r_i，公式为：

$r_i=\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\right|l_k\left|\right|/\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\right|l_k\left|\right|---\left(1\right)$

l_k为相邻轮廓点p_k到p_k+1的距离，长度比例r_i为轮廓点p_i的参数值，并根据弧长比例确定p_i在L上的位置，得到参数点a_i(i=0,…,m)和b_i(i=0,…,n)，参数域为[0,1]。接着，根据参数值大小合并参数点集，得到由参数点a_i和b_i共同组成的参数域，附图7示出了参数域的合并过程，对于源文字，相当于其参数域中添加进点b_i，需要将b_i映射到源文字局部轮廓s_i上，计算公式为：

$p^{\&prime;}=\frac{r_{i+1}^s-r_i^t}{r_{i+1}^s-r_i^s}{p}_i^s+\frac{r_i^t-r_i^s}{r_{i+1}^s-r_i^s}{p}_{i+1}^s---\left(2\right)$

和r_i ^s分别是参数点a_i和a_i+1的参数值，且合并后的参数点b_i位于该两点之间，

和分别是a_i和a_i+1对应的源文字轮廓点，r_i ^t为点b_i的参数值，如附图8所示，点p’为新添加到源文字轮廓s_i上的轮廓点。按照相同方法将新添加的参数点a_i映射到目标文字轮廓t_i上，从而保证两文字局部轮廓上的点数量相等且一一对应。合并4段局部轮廓，最终建立源文字和目标文字轮廓点的一一映射关系。

5.建立轮廓内部映射区域：首先划分源文字和目标文字的轮廓内部区域，依次连接相邻两轮廓点和文字的中心点O，将轮廓S和轮廓T的内部划分成若干块相邻的三角形子区域rs_i和rt_i，其中，i=1,2,…,k。附图9和附图10分别示出了划分后的源文字和目标文字的轮廓内部区域，由于源文字和目标文字的轮廓点一一对应，因此轮廓子区域rs_i和rt_i一一对应。然后判断轮廓内部文字像素点v所属子区域，源文字和目标文字分别对应rs_i和rt_i，该步为后续实现文字的局部变形做准备。

6.确定文字像素点的显示顺序：对轮廓区域内源文字和目标文字像素点进行排序，根据参数设置参考点(例如文字中心点)，将参考点和文字像素点的几何距离作为参考权值，并根据权值大小进行排序，确定像素点的显示顺序。对于源文字和目标文字像素点，可以设置不同的参考点或按照不同的规则进行排序，实现多种文字变形效果。

7.实现文字变形效果：基于分割统一的思想，通过变换轮廓内文字的局部形态实现文字的整体变形。在变形的过程中源文字逐渐消失，目标文字逐渐显现。包括以下3步：

1）实现轮廓的变形，指定源文字轮廓形态S向目标文字轮廓形态T逐渐过渡，即S上各轮廓点p_s逐渐偏移到T上对应轮廓点p_t的位置，每帧偏移量为：

d=(p_t-p_s)/F    （3）

F为动画帧数，决定了文字变形速率。通过轮廓点每帧偏移量d和动画当前帧得到变化过程中的轮廓形态M，附图11示出了轮廓形态的变化过程。

2）确定轮廓M内部需要显示的文字像素点集，初始情况下仅显示源文字，即轮廓M内部仅包含源文字像素点。在文字变化的过程中，随着轮廓M形态的变化，按照显示顺序，源文字像素点逐渐减少，目标文字像素点逐渐增加，实现源文字逐渐向目标文字过渡。对于中间帧的轮廓形态M，它包含源文字和目标文字的部分像素点，在变形过程中仅处理并显示这部分像素点。

3）计算像素点集在轮廓M中的位置，通过连接中心点和轮廓点的方法将轮廓M的内部区域划分成若干块相邻的三角形子区域rm_i，其中，i=1,2,…,k；分别对应源文字轮廓内部区域rs_i和目标文字轮廓内部区域rt_i。在文字变化的过程中，确定轮廓M内部需要显示的源文字像素点v，计算其在所属子区域rs_i中的重心坐标(a_s,b_s,c_s)，以及目标文字像素点w，计算其在rt_i中的重心坐标(a_t,b_t,c_t)，如附图12所示，然后根据重心坐标分别计算像素点v和w在rm_i内部的坐标，得到像素点v’和w’并显示，计算公式为：

v'=a_s·c0+b_s·c1+c_s·c2    （4）

w'=a_t·c0+b_t·c1+c_t·c2    （5）

c0、c1和c2分别是rm_i的三个顶点。在文字变形过程中，通过不断更新文字像素点集并计算其在动态轮廓M中的位置，实现文字形态的变化。为保证源文字向目标文字的平滑过渡，需要填补变形过程中产生的漏洞，并删除离群点，附图13为文字修复过程示意图。

附图14示出了文字的变形过程。

Claims (1)

1.一种图像文字变形动画的生成方法，其特征在于，具体步骤是：

a.文字图像预处理：读取两幅位图格式的图像，分别指定为源文字图像和目标文字图像，将它们缩放为宽高一致的标准化图像；通过二值化处理将具有连续色调变化的标准化图像，转化为平面黑白像素点集；

b.提取文字像素点：指定黑底白字为阴字，白底黑字为阳字，检测图像边缘像素点的颜色值，判断两幅图像中文字的阴阳性，并统一调整为阳字；分别提取源文字像素点集和目标文字像素点集，采用逐行扫描的方法检测两幅图像中的黑色像素点，进一步判断其相邻像素点的颜色值，将满足条件的像素点视为图像中的文字像素点，即变形过程中源文字或目标文字；

c.提取文字的外部轮廓点：采用逆时针或顺时针扫描的方法提取源文字和目标文字的外部轮廓点，扫描区域是以文字中心点O为圆心，X轴正方向为起始方向的圆形区域；逆时针或顺时针旋转扫描方向，将各方向上距离圆心最远的文字像素点作为文字的外部轮廓点，连接各轮廓点得到源文字轮廓S和目标文字轮廓T；

d.建立轮廓点之间的映射关系：分别将源文字轮廓S和目标文字轮廓T映射到同一参数域上，计算轮廓S和轮廓T中各轮廓点在参数域上的值，并根据参数值大小分别为轮廓S和轮廓T添加新轮廓点，建立两组轮廓点的一一对应关系；

e.建立轮廓内部映射区域：分别为源文字轮廓S和目标文字轮廓T划分内部区域，依次连接相邻两轮廓点和文字的中心点O，将轮廓内部区域划分成若干块三角形子区域，使源文字的子区域rs_i和目标文字的子区域rt_i一一对应，并判断源文字像素点和目标文字像素点所属子区域，其中，i=1,2,…,k；

f.确定文字像素点的显示顺序：对轮廓区域内源文字和目标文字像素点进行排序，根据参数设置参考点，将参考点和文字像素点的几何距离作为参考权值，并根据权值大小进行排序，分别确定源文字像素点和目标文字像素点的显示顺序；

g.实现文字变形效果：指定源文字轮廓S形态向目标文字轮廓T形态逐渐过渡，并根据轮廓点映射关系计算轮廓点的每帧偏移量，获得中间帧的轮廓形态M；按照相同方法划分轮廓形态M的内部区域，生成若干块三角形子区域rm_i，分别与子区域rs_i和rt_i对应，其中i=1,2,…,k；再将源文字像素点由子区域rs_i映射到子区域rm_i，将目标文字像素点由子区域rt_i映射到子区域rm_i，更新其在轮廓形态M内部的位置，使文字形态随着轮廓形态改变；在变形的过程中，依序减少源文字像素点的同时增加目标文字像素点，实现源文字向目标文字的过渡；通过增删像素点的方法修复每一帧的文字形态，保证源文字向目标文字的平滑过渡。

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