CN107784626B - 一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其具体步骤是：提取特征线条：获取一幅原始图像，提取原图的特征线条图，并去除特征线条图的散点；锐化增强：对原始图像光滑处理进而对图像进行锐化增强；局部信息增强：结合特征线条图，对锐化增强后的图像与特征线条图相对应的部分进行增强处理；差分运算：对局部信息增强后的图形进行差分运算获得二维的凹浮雕图像；三角化：将二维的凹浮雕图像转化为以三角网格表示的三维模型，最终实现凹浮雕模型的生成。本发明不限定特定图像，更具有灵活性；简化了浮雕生成的算法过程；得到的凹浮雕模型中的刻线更连续、更光滑。
Description
技术领域
本发明属于计算机图形学技术领域，具体涉及一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法。
背景技术
浮雕是在平面或曲面上雕刻出凹凸起伏形状的一种造型艺术，是一种介于雕塑和平面绘画之间的独特艺术形式。现在工业生产中，浮雕具有广泛的应用，如：用于产品铭牌、建筑装饰、钱币等领域，具有标志、装饰、叙事等功能。按照空间结构和用途的不同，浮雕可以分为高浮雕、浅浮雕和凹浮雕三种类型。其中凹浮雕是将图案刻入基平面中，其所占空间最小。
目前，数字浮雕生成的方法主要有两大类：基于三维网格模型和基于图像的方法。基于三维网格模型的方法通常是对三维模型在给定视觉方向上进行深度压缩，但由于浮雕在较小的空间结构上具有丰富的细节信息，直接压缩会丢失细节信息，因而压缩时需要考虑细节信息的保持与增强，这会大大增加求解过程的复杂程度。由于三维模型的获取需要特定和昂贵的设备以及大量的人工，限制了该方法的应用范围。目前，基于图像的方法主要研究的是浅浮雕的生成，针对凹浮雕生成的研究还比较匮乏，并且多数方法是针对特定类型的图像的，如人脸图像、浮雕图像等，对于任意图像生成浮雕的研究还较少，因此提出一种无需大量计算就能够生成效果较好的凹浮雕方法意义重大。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，以解决现有技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法的具体步骤是：
步骤一、提取特征线条：
S1、将原始图像的图像矩阵I导入到以x、y为坐标轴的坐标系中，图像中每个像素点的位置为(i，j)，每个像素点的像素值为I(i,j)；
S2、对图像应用形态学开运算和闭运算，以减少图像中的噪声点并平滑边缘；
S3、使用加权平均法将应用形态学开运算和闭运算处理得到的图像矩阵I转化为灰度图像，同时通过一个利用sin函数的线性变换S将图像中每个像素点的像素值转换到0-m范围内，以方便确定像素差的范围，具体公式如下：
S(I(i,j))＝m*sin(I(i,j)) (1)，
其中，m为大于零的常数，I(i,j)为像素点的像素值，S(I(i,j))为I(i,j)经过sin函数的线性变换S得到的像素值；
S4、设置阈值t，逐行逐列扫描图像，将除边界点外的其他点的像素值分别与其周围的8个邻接点的像素值进行比较，若存在一个比较差值大于阈值t，则判定该点为特征线条上的点，并将其像素值设为0，若比较差值均小于阈值t，则判定该点不在特征线条上，并将其像素值设为255；调节阈值得到一个相对较好的特征线条图；特征线条图上的点满足：
I(i,j)-I(a,b)>t (2)，
其中，a表示邻接点的行号，取值为i-1和i+1；b表示邻接点的列号，取值为j-1和j+1；其中，t取值范围在0.3-2.5之间，不同的图像阈值t取值不同；
S5、逐行逐列扫描特征线条图，通过与8个邻接点比较去除特征线条图的散点噪声，当该点的像素值为0且其邻接点的像素值全部大于0时，该点即为噪声点，将其像素值设为0，噪声点满足：
I(i,j)＝＝0&&I(a,b)>0 (3)；
步骤二、锐化增强：对原始图像光滑处理进而对图像进行锐化增强；
步骤三、局部信息增强：结合特征线条图，对锐化增强后的图像与特征线条图相对应的部分进行增强处理；
步骤四、差分运算：对局部信息增强后的图形进行差分运算获得二维的凹浮雕图像；
步骤五、三角化：将二维的凹浮雕图像转化为以三角网格表示的三维模型，最终实现凹浮雕模型的生成。
优选地，所述锐化增强的具体步骤是：
步骤一、定义一个高斯模板对原始图像进行进行光滑处理，具体方法如下：
1)定义一个3×3的高斯模板W：
2)将高斯模板W单位化处理得到Wu：
3)使用高斯模板Wu对原始图像进行光滑处理：
其中，f(·,·)表示原始图像的灰度图矩阵；
步骤二、利用二维Unsharp Masking算法对图像进行锐化增强，锐化增强的结果为：
G(i,j)＝f(i,j)+k(f(i,j)-g(i,j)) (7)，
其中，G(i,j)为原始图像锐化增强后的矩阵，f(i,j)为原始图像的灰度图矩阵，g(i,j)为原始图像光滑后的矩阵，k为一个控制增强程度的常数因子。
优选地，所述控制增强程度的常数因子k取值为5。
优选地，所述局部信息增强的具体步骤是：
将锐化增强后的原图附加于特征线条图，设定像素差为64，对特征线条图上的点，逐行逐列扫描，若特征线条图上存在某点与其周围相对应的点有像素差，则对所有这些相对应的点进行变换，以达到局部信息增强的目的；设o为特征线条上的点，a，b，c，d依次为点o从左到右、从上到下的四个角上的邻接点；首先按照
和
的方向对图像进行遍历，当存在a<c并且|a-c|≥64时，表示a点对应的颜色比c点暗，则增加a的值，减少c的值，使|a-c|<64，然后设置o点的值为0；对
和
方向做同样的操作。
优选地，所述差分运算通过线性空间滤波技术实现，选定空间滤波器的卷积核为：
定义了卷积核，则差分运算可以用公式(9)表示：
其中，F(i,j)表示像素点的像素值，k和l分别表示矩阵h的行和列，常数0.5表示直流分量，其作用是使得到的凹浮雕图像视觉效果更好，更帖近石灰色。
优选地，所述三角化的具体步骤是：
步骤一、设置一个相位差os，逐行逐列扫描二维凹浮雕图像，将像素值减去相位差os作为三维凹浮雕刻进基平面的高度值z：
z＝F(i,j)-os (10)；
步骤二、调节相位差os的取值，以得到雕刻线较深且无变形的三维凹浮雕模型。
优选地，所述相位差os的取值在0.7-1.5范围内，此时生成的凹浮雕效果相对较好。
本发明提供的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，该方法不限于人脸图像和浮雕图像等特定图像，更具有灵活性，能够扩大凹浮雕生成的应用范围；该方法使用特征线条的思想来生成凹浮雕，由于特征线条能够清晰的反映浮雕的轮廓形状，使得生成的凹浮雕能够较为完整形象地反映图像的内容，同时只将特征线条雕刻进平面，简化了浮雕生成的算法过程；该方法使用Unsharp Masking对图像进行锐化增强，结合后续的局部信息增强，保证图像中的特征信息较完整的保留，在很大程度上去除了图像中的噪声点，通过对比试验发现，本发明得到的凹浮雕模型中的刻线更连续、更光滑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例一的原始图像；
图3为本发明实施例一阈值为0.25时的特征线条图；
图4为本发明实施例一阈值为1.1时的特征线条图；
图5为本发明实施例一阈值为3.0时的特征线条图；
图6为本发明实施例一基于图4的锐化增强图；
图7为本发明实施例一基于图6的局部放大图；
图8为本发明实施例一基于图4的局部信息增强图；
图9为本发明实施例一基于图4的最终凹浮雕效果图；
图10为本发明实施例二的原始图像；
图11为本发明实施例二的最终凹浮雕效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图11所示，一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法的具体步骤是：
步骤一、提取特征线条：
S1、将原始图像的图像矩阵I导入到以x、y为坐标轴的坐标系中，图像中每个像素点的位置为(i，j)，每个像素点的像素值为I(i,j)；
S2、对图像应用形态学开运算和闭运算，以减少图像中的噪声点并平滑边缘；
S3、使用加权平均法将应用形态学开运算和闭运算处理得到的图像矩阵I转化为灰度图像，同时通过一个利用sin函数的线性变换S将图像中每个像素点的像素值转换到0-m范围内，以方便确定像素差的范围，具体公式如下：
S(I(i,j))＝m*sin(I(i,j)) (1)，
其中，m为大于零的常数，I(i,j)为像素点的像素值，S(I(i,j))为I(i,j)经过sin函数的线性变换S得到的像素值；
S4、设置阈值t，逐行逐列扫描图像，将除边界点外的其他点的像素值分别与其周围的8个邻接点的像素值进行比较，若存在一个比较差值大于阈值t，则判定该点为特征线条上的点，并将其像素值设为0(黑色)，若比较差值均小于阈值t，则判定该点不在特征线条上，并将其像素值设为255(白色)；调节阈值得到一个相对较好的特征线条图；特征线条图上的点满足：
I(i,j)-I(a,b)>t (2)，
其中，a表示邻接点的行号，取值为i-1和i+1；b表示邻接点的列号，取值为j-1和j+1；其中，t取值范围在0.3-2.5之间，不同的图像阈值t取值不同；
S5、逐行逐列扫描特征线条图，通过与8个邻接点比较去除特征线条图的散点噪声，当该点的像素值为0且其邻接点的像素值全部大于0时，该点即为噪声点，将其像素值设为0，噪声点满足：
I(i,j)＝＝0&&I(a,b)>0 (3)；
步骤二、锐化增强：对原始图像光滑处理进而对图像进行锐化增强；
步骤三、局部信息增强：结合特征线条图，对锐化增强后的图像与特征线条图相对应的部分进行增强处理；
步骤四、差分运算：对局部信息增强后的图形进行差分运算获得二维的凹浮雕图像；
步骤五、三角化：将二维的凹浮雕图像转化为以三角网格表示的三维模型，最终实现凹浮雕模型的生成。
优选地，所述锐化增强的具体步骤是：
步骤一、定义一个高斯模板对原始图像进行进行光滑处理，具体方法如下：
1)定义一个3×3的高斯模板W：
2)将高斯模板W单位化处理得到Wu：
3)使用高斯模板Wu对原始图像进行光滑处理：
其中，f(·,·)表示原始图像的灰度图矩阵；
步骤二、利用二维Unsharp Masking算法对图像进行锐化增强，锐化增强的结果为：
G(i,j)＝f(i,j)+k(f(i,j)-g(i,j)) (7)，
其中，G(i,j)为原始图像锐化增强后的矩阵，f(i,j)为原始图像的灰度图矩阵，g(i,j)为原始图像光滑后的矩阵，k为一个控制增强程度的常数因子。
优选地，所述控制增强程度的常数因子k取值为5。
优选地，所述局部信息增强的具体步骤是：
将锐化增强后的原图附加于特征线条图，设定像素差为64，对特征线条图上的点，逐行逐列扫描，若特征线条图上存在某点与其周围相对应的点有像素差，则对所有这些相对应的点进行变换，以达到局部信息增强的目的；设o为特征线条上的点，a，b，c，d依次为点o从左到右、从上到下的四个角上的邻接点；首先按照
和
的方向对图像进行遍历，当存在a<c并且|a-c|≥64时，表示a点对应的颜色比c点暗，则增加a的值，减少c的值，使|a-c|<64，然后设置o点的值为0；对
和
方向做同样的操作。
优选地，所述差分运算通过线性空间滤波技术实现，选定空间滤波器的卷积核为：
定义了卷积核，则差分运算可以用公式(9)表示：
其中，F(i,j)表示像素点的像素值，k和l分别表示矩阵h的行和列，常数0.5表示直流分量，其作用是使得到的凹浮雕图像视觉效果更好，更帖近石灰色。
优选地，所述三角化的具体步骤是：
步骤一、设置一个相位差os，逐行逐列扫描二维凹浮雕图像，将像素值减去相位差os作为三维凹浮雕刻进基平面的高度值z：
z＝F(i,j)-os (10)；
步骤二、调节相位差os的取值，以得到雕刻线较深且无变形的三维凹浮雕模型。
优选地，所述相位差os的取值在0.7-1.5范围内，此时生成的凹浮雕效果相对较好。
使用时，取图2所示的原始图像，阈值t为0.25时得到的特征线条图为图3，阈值t为1.1时的特征线条图为图4，阈值t为3.0时的特征线条图为图5；当阈值t为1.1，相位差os为0.9时，得到的最终凹浮雕生成效果图如图9所示；取图10所示的原始图像，当阈值t为0.84，相位差os为1.0时，得到的最终凹浮雕生成效果图如图11所示。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，该方法不限于人脸图像和浮雕图像等特定图像，更具有灵活性，能够扩大凹浮雕生成的应用范围；该方法使用特征线条的思想来生成凹浮雕，由于特征线条能够清晰的反映浮雕的轮廓形状，使得生成的凹浮雕能够较为完整形象地反映图像的内容，同时只将特征线条雕刻进平面，简化了浮雕生成的算法过程；该方法使用Unsharp Masking对图像进行锐化增强，结合后续的局部信息增强，保证图像中的特征信息较完整的保留，在很大程度上去除了图像中的噪声点，通过对比试验发现，本发明得到的凹浮雕模型中的刻线更连续、更光滑。
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)
1.一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法的具体步骤是：
步骤一、提取特征线条：
S1、将原始图像的图像矩阵I导入到以x、y为坐标轴的坐标系中，图像中每个像素点的位置为(i，j)，每个像素点的像素值为I(i,j)；
S2、对图像应用形态学开运算和闭运算，以减少图像中的噪声点并平滑边缘；
S3、使用加权平均法将应用形态学开运算和闭运算处理得到的图像矩阵I转化为灰度图像，同时通过一个利用sin函数的线性变换S将图像中每个像素点的像素值转换到0-m范围内，以方便确定像素差的范围，具体公式如下：
S(I(i,j))＝m*sin(I(i,j)) (1)，
其中，m为大于零的常数，I(i,j)为像素点的像素值，S(I(i,j))为I(i,j)经过sin函数的线性变换S得到的像素值；
S4、设置阈值t，逐行逐列扫描图像，将除边界点外的其他点的像素值分别与其周围的8个邻接点的像素值进行比较，若存在一个比较差值大于阈值t，则判定该点为特征线条上的点，并将其像素值设为0，若比较差值均小于阈值t，则判定该点不在特征线条上，并将其像素值设为255；调节阈值得到一个相对较好的特征线条图；特征线条图上的点满足：
I(i,j)-I(a,b)>t (2)，
其中，a表示邻接点的行号，取值为i-1和i+1；b表示邻接点的列号，取值为j-1和j+1；其中，t取值范围在0.3-2.5之间，不同的图像阈值t取值不同；
S5、逐行逐列扫描特征线条图，通过与8个邻接点比较去除特征线条图的散点噪声，当该点的像素值为0且其邻接点的像素值全部大于0时，该点即为噪声点，将其像素值设为0，噪声点满足：
I(i,j)＝＝0&&I(a,b)>0 (3)；
步骤二、锐化增强：对原始图像光滑处理进而对图像进行锐化增强；
步骤三、局部信息增强：结合特征线条图，对锐化增强后的图像与特征线条图相对应的部分进行增强处理；
步骤四、差分运算：对局部信息增强后的图形进行差分运算获得二维的凹浮雕图像；
步骤五、三角化：将二维的凹浮雕图像转化为以三角网格表示的三维模型，最终实现凹浮雕模型的生成。
2.如权利要求1所述的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，所述锐化增强的具体步骤是：
步骤一、定义一个高斯模板对原始图像进行进行光滑处理；
步骤二、利用二维Unsharp Masking算法对图像进行锐化增强，锐化增强的结果为：
G(i,j)＝f(i,j)+k(f(i,j)-g(i,j)) (4)，
其中，G(i,j)为原始图像锐化增强后的矩阵，f(i,j)为原始图像的灰度图矩阵，g(i,j)为原始图像光滑后的矩阵，k为一个控制增强程度的常数因子。
3.如权利要求2所述的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，所述控制增强程度的常数因子k取值为5。
4.如权利要求1所述的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，所述局部信息增强的具体步骤是：
将锐化增强后的原图附加于特征线条图，设定像素差为64，对特征线条图上的点，逐行逐列扫描，若特征线条图上存在某点与其周围相对应的点有像素差，则对所有这些相对应的点进行变换，以达到局部信息增强的目的。
5.如权利要求1所述的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，所述差分运算通过线性空间滤波技术实现。
6.如权利要求1所述的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，所述三角化的具体步骤是：
步骤一、设置一个相位差os，逐行逐列扫描二维凹浮雕图像，将像素值减去相位差os作为三维凹浮雕刻进基平面的高度值；
步骤二、调节相位差os的取值，以得到雕刻线较深且无变形的三维凹浮雕模型。
7.如权利要求6所述的一种基于单幅图像的三维数字凹浮雕生成方法，其特征在于，所述相位差os的取值在0.7-1.5范围内。
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Effective date of registration: 20210114 Address after: 23 Huashan Middle Road, Xinbei District, Changzhou City, Jiangsu Province 213000 Patentee after: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 712100 Yangling Northwest University of agriculture and forestry, Xianyang City, Shaanxi Province Patentee before: NORTHWEST A & F University |
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Denomination of invention: A 3D digital concave relief generation method based on single image Effective date of registration: 20211118 Granted publication date: 20201117 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Yanling road sub branch Pledgor: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021980012723 |
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Date of cancellation: 20221201 Granted publication date: 20201117 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Yanling road sub branch Pledgor: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021980012723 |
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Denomination of invention: A method of generating 3d digital concave and relief based on a single image Effective date of registration: 20221202 Granted publication date: 20201117 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Yanling road sub branch Pledgor: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980024569 |
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Date of cancellation: 20230731 Granted publication date: 20201117 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Yanling road sub branch Pledgor: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980024569 |
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Denomination of invention: A Method for Generating 3D Digital Relief Based on a Single Image Effective date of registration: 20230802 Granted publication date: 20201117 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Yanling road sub branch Pledgor: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980050695 |
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Granted publication date: 20201117 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Yanling road sub branch Pledgor: Jiangsu yuanshangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980050695 |