CN108154467A - 一种线性壁刻模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字图像处理技术领域，公开了一种线性壁刻数字模拟方法及系统，通过改进的ETF模型和使用各项异性的DoG滤波器，提取出的具有刻制特征的风格化边缘线条；用这种线条来模拟刻制的轮廓，并作为线性刻痕画的掩膜；使用基于样图的纹理合成技术合成岩石背景纹理和刻痕纹理，利用掩模实现前景与背景的合成；本发明从二维空间提出对线性壁刻的模拟，特别是本发明改进的风格化边缘具有独特的刻制特征。本发明就是要解决三维空间运算复杂和不易控制的问题，从二维空间入手，提出对线性壁刻的模拟方法，此方法不受操作者水平的影响，能够快速生成真实图像对应的线性壁刻画效果。

Description

一种线性壁刻模拟方法及系统

技术领域

本发明属于数字图像处理技术领域，尤其涉及一种线性壁刻模拟方法及系统。

背景技术

非真实感绘制技术(Non-Photorealistic Rendering，简称NPR)是计算机图形学最重要的研究方向之一。非真实感绘制技术能够实现对各种风格艺术作品的数字模拟，NPR有着广泛的应用和巨大的市场前景，目前已在油画、卡通画、铅笔画、剪纸、水墨画、壁画等方面取得了研究成果。对壁刻的研究探索方面，目前仅有浮雕和三维建模模拟壁刻，下面对这两种技术进行介绍：先介绍浮雕算法，浮雕算法多种多样，最简单的方法就是：用当前点的RGB值减去相邻点的RGB值并加上128作为新的RGB值。由于图片中相邻点的颜色值是比较接近的，因此这样的算法处理之后，只有颜色的边沿区域，也就是相邻颜色差异较大的部分的结果才会比较明显，而其他平滑区域则值都接近128左右，也就是灰色，这样就具有了浮雕效果。实际的效果中，这样处理后，有些区域可能还是会有”彩色”的一些点或者条状痕迹，所以最好再对新的RGB值做一个灰度处理。而三维建模技术，主要是通过使用OpenGL以实现三维建模、建立光照模型、反走样、纹理映射等,用于模拟壁刻就需要进行一系列的复杂运算，费时费力，而且绘制的效果和操作者的水平密切相关，不易把握和控制。在壁刻中，有一种风格的壁刻还未涉及，它就是线性壁刻。线性壁刻是指由线条刻痕组成的壁刻。这种壁刻线条偏笔直，具有刻制特性，目前只有三维建模技术能够模拟，未见有人尝试此风格，因为三维建模运算复杂，耗时长且效果跟建模者的技术相关，不易控制，费时费力，效果不稳定，特别对这种局部偏笔直的特征不易模仿。而这种风格的壁刻画存在一定的效益价值，可以做成线性壁刻效果的动画。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术对线性壁刻的模拟方法只有三维建模的方式，目前未有人尝试模拟此风格，源于根据原图像要进行复杂的建模运算；对线条刻痕局部笔直的特征不易模拟，模拟效果生硬，不自然，不易控制。浮雕的模拟方法不适用线性壁刻的模拟，因为它沿用的是图像原有的边缘轮廓，不具有刻制特征。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种线性壁刻模拟方法及系统。本发明通过二维空间的方式实现对线性壁刻的模拟，相对于三维空间，二维空间的实现方法效率更高，不需要复杂的建模运算。本发明需解决的难点是线条刻痕的轮廓问题，普通的边缘线条提取结果都比较圆滑，不具有刻制的效果。

本发明使用了一种刻制边缘的生成方法，它是在改进的ETF模型生成的抽象边缘向量流的基础上，通过使用各项异性的DoG滤波器进行滤波，得到具有刻制特征的风格化边缘，用这种刻制特征的边缘模拟刻制的轮廓，并作为线性刻痕画的掩膜。

刻制特征边缘的生成方法核心在于对ETF模型的改进，本发明使用本申请人改进的ETF模型，这种改进的ETF模型生成了改进的风格化边缘，此处的风格化边缘即是刻制特征的边缘。其中改进的ETF模型为：

其中，eⁱ(z)表示像素点z当前的切线向量，不进行归一化；eⁱ⁺¹(z)表示像素点z平滑后的切线向量，不进行归一化；

W(x,y)＝g(y)；

g(z)表示像素点z的梯度模值，不归一化的梯度模值，梯度模值始终按等于切向量模值操作；M为较大常数如100。

进一步，所述线性壁刻模拟方法具体包括：

根据原图像生成改进的风格化边缘，并用膨胀法处理风格化边缘；

基于样图的纹理合成技术合成岩石背景和刻痕纹理；

根据风格化边缘掩膜实现对线性刻痕画和岩石背景的合成；

利用掩膜和刻痕纹理将文字、印章合成进去。

进一步，改进的风格化边缘的生成。

改进的风格化边缘即刻制特征的边缘生成过程如下：

(1)将输入的彩色图像转变为灰度图像；

Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114；

(2)求取灰度图像的梯度向量，用Sobel算子对灰度图像求出每一个像素的梯度；二维函数f(x,y)的梯度和梯度的模值分别用和表示，梯度的计算公式：

具体来讲，对图像I上的任意像素点(x,y)，求取梯度可以用Sobel算子实现，即对像素点使用3*3的卷积模版。在x、y方向分别对f求偏导，得到梯度的坐标G_x和G_y；G_x与G_y分别用和做近似计算，其中代表Sobel梯度操作；

(3)再根据梯度向量，求出图像初始边缘向量；

V_x＝-G_y与V_y＝G_x；

(4)利用本申请人改进的ETF模型，迭代更新初始边缘向量，得到平滑的边缘向量流ETF；

改进的ETF模型为：

其中，N(x)是当前中心像素x的邻域像素y所构成的集合，M为向量归一化因子；eⁱ(z)表示像素点z当前的切线向量，不进行归一化；eⁱ⁺¹(z)表示像素点z平滑后的切线向量，不进行归一化；

W(x,y)＝g(y)；

W为权重，g(z)表示像素点z的梯度模值，不归一化的梯度模值，梯度模值始终按等于切向量模值操作；M为较大常数如100；

S(x,y)为邻域像素点的边缘矢量的调向函数，定义为：

(5)在生成平滑的边缘向量流场的基础上，通过使用迭代的各向异性的DoG滤波器并二值化，最后得到的改进的风格化边缘即是刻制特征的风格化边缘。

其中，各向异性的DoG滤波器定义为：

I(ls(t))表示输入图像I在直线ls(t)上的值；

其中G_σ是标准差为σ的一维高斯函数：

σ_s＝1.6σ_c，σ_c＝1，ρ＝0.99，F(s)沿着边缘c_x(s)积分以增强线条的连续性：

得到A(x)后，把A(x)二值化，得到一幅黑白的边缘图；

迭代使用DoG，迭代可使改进的风格化边缘更加连续完整。

进一步，膨胀法采用3*3像素的卷积模版，对风格化边缘的灰度图像上每个像素点做卷积运算；把卷积模版的中心对准当前需做卷积运算的像素点，卷积模版斜对角线上的三个关键点对应的灰度值决定当前像素点的值。

进一步，基于样图的纹理合成技术合成岩石背景和刻痕纹理，使用基于样图的纹理合成技术中的Image Quilting算法实现纹理合成；按最小路径拼接接缝。

基于样图的纹理合成(Texture Synthesis From Samples,TSFS)的基本思路是：在样图中采样，从而获得纹理特征数据并建立相应的数学模型，之后优化处理该数学模型，最后依据样图与该模型进行纹理合成，以致在视觉上表现出纹理的连续性和相似性。而基于块方式，在一定程度上实现了纹元结构的完整性，并且合成速度也得到了很大提高。本发明采用块拼接方式的Image Quilting算法来合成大片岩石背景和刻痕纹理。

进一步，所述的根据风格化边缘掩膜实现对线性刻痕画和岩石背景的合成包括：对风格化边缘做二值化操作，二值化即是把灰度图中灰度值大于阀值的像素点的灰度值置为255；小于阀值的置为0，也就是二值化后的结果图像中要么是黑点，要么是白点，以此可作为二值掩膜；使用掩模将线性刻痕画与岩石背景合成在一张图像上：二值掩膜为0黑色处，也就是风格化边缘内部区域，取刻痕纹理像素值；掩膜为255白色处，为背景区域，取岩石背景像素值，以此将线性刻痕画与岩石背景实现合成。

本发明的另一目的在于提供一种线性壁刻模拟系统包括：

刻制特征的风格化边缘生成模块，用于生成本申请人改进的风格化边缘；

膨胀化及二值化模块，用于加宽风格化边缘的宽度；二值化风格化边缘，生成风格化边缘掩膜；

刻痕纹理和背景纹理合成模块，依据Image Quilting算法和采样的样本纹理块，纹理合成大片的刻痕纹理与岩石背景纹理；

文字印章等掩模的生成模块，用于对文字印章等进行二值化操作，生成它们的掩模；

前景与背景合成模块，分为线性刻痕画合成与文字印章合成两个子模块；

线性刻痕画合成模块，用于根据风格化边缘掩模、刻痕纹理和岩石背景纹理，合成线性刻痕画与岩石背景；

文字印章合成模块，用于通过文字印章掩模、刻痕纹理和合成后的线性壁刻画，合成最终的效果图。

本发明就是要解决三维空间运算复杂和不易控制的问题，从二维空间提出了一套对线性壁刻的数字模拟方法，此方法不受操作者水平的影响，快速生成原图像对应的线性壁刻画效果。通过实验结果来看，生成效果较佳、逼真。

本发明将改进的风格化边缘应用于此处，它具有独特的刻制特征，正好用于模拟刻制的轮廓，以此作为线性刻痕画的掩膜，使线性刻痕画也具有刻制特征。

附图说明

图1是本发明实施例的线性壁刻数字模拟方法流程图。

图2是本发明实施例的DoG原理示意图。

图3是本发明实施例的迭代的DoG流程图。

图4是本发明实施例的膨胀化卷积模板。

图5是本发明实施例的最小路径原理。

图6是本发明实施例提供的传统的风格化边缘与本申请人改进的风格化边缘实验对比图一。

图中：A、传统的风格化边缘；B、本申请人改进的风格化边缘。

图7是本发明实施例提供的传统的风格化边缘与本申请人改进的风格化边缘实验对比图二。

图中：a传统的风格化边缘；b、本申请人改进的风格化边缘。

图8是本发明实施例提供的传统的风格化边缘与本申请人改进的风格化边缘实验对比图三。

图中：(A)、传统的风格化边缘；(B)、本申请人改进的风格化边缘。

图9是本发明实施例提供的传统的风格化边缘与本申请人改进的风格化边缘实验对比图四。

图中：(a)、传统的风格化边缘；(b)、本申请人改进的风格化边缘。

图10是本发明实施例提供的膨胀一次的实验结果图。

图11是本发明实施例提供的膨胀二次、三次的实验结果图。

图12是本发明实施例提供的现实中线性壁刻的例子。

图13是本发明的具体实施例，A是原图像，B是原图像生成的本申请人改进的风格化边缘。

图14是本发明实施例的纹理合成结果，A是岩石背景素材，B是岩石素材经过基于块的TSFS技术纹理合成的结果，C是刻痕纹理素材，D是刻痕纹理素材纹理合成的结果。

图15是本发明实施例的线性刻痕画与岩石背景合成结果。

图16是本发明实施例的文字、印章图像。

图17是本发明实施例最终合成的线性壁刻画效果图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明通过二维空间的方式实现对线性壁刻的模拟，相对于三维空间，二维空间的实现方法效率更高，不需要复杂的建模运算。本发明需解决的难点是线条刻痕的轮廓问题，普通的边缘线条提取结果都比较圆滑，不像刻制的效果。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的线性壁刻模拟方法，包括：

S101：根据原图像生成改进的风格化边缘，并用膨胀法处理风格化边缘。

S102：基于样图的纹理合成技术合成岩石背景和刻痕纹理。

S103：根据风格化边缘掩膜实现对线性刻痕画和岩石背景的合成。

S104：利用掩膜和刻痕纹理将文字、印章等合成进去。

下面对本发明线性壁刻的生成过程实施例做进一步描述。

首先，所述生成改进的风格化边缘即刻制特征的边缘，是在本申请人改进的ETF模型生成的抽象边缘向量流的基础上，通过使用各项异性的DoG滤波器迭代滤波，提取出具有刻制特征的风格化边缘。也就是说本申请人对ETF模型做出了改进，生成了优化的风格化边缘，此边缘具有刻制的特征。使用它模拟刻制的轮廓，以此作为线性刻痕画的掩膜。

其中，改进的风格化边缘的生成过程为：

(1)将输入的彩色图像转变为灰度图像；

Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114；

(2)求取灰度图像的梯度向量，用Sobel算子对灰度图像求出每一个像素的梯度；二维函数f(x,y)的梯度和梯度的模值分别用和表示，梯度的计算公式：

具体来讲，对图像I上的任意像素点(x,y)，求取梯度可以用Sobel算子实现，即对像素点使用3*3的卷积模版。在x、y方向分别对f求偏导，得到梯度的坐标G_x和G_y；G_x与G_y分别用和做近似计算，其中代表Sobel梯度操作；

(3)再根据梯度向量，求出图像初始边缘向量；

V_x＝-G_y与V_y＝G_x；

(4)利用本申请人改进的ETF模型，迭代更新初始边缘向量，得到平滑的边缘向量流ETF；

改进的ETF模型为：

其中，N(x)是当前中心像素x的邻域像素y所构成的集合，M为向量归一化因子；eⁱ(z)表示像素点z当前的切线向量，不进行归一化；eⁱ⁺¹(z)表示像素点z平滑后的切线向量，不进行归一化；

W(x,y)＝g(y)；

W为权重，g(z)表示像素点z的梯度模值，不归一化的梯度模值，梯度模值始终按等于切向量模值操作；M为较大常数如100；

S(x,y)为邻域像素点的边缘矢量的调向函数，定义为：

(5)在生成平滑的边缘向量流场的基础上，通过使用迭代的各向异性的DoG滤波器并二值化，最后得到的改进的风格化边缘即是刻制特征的风格化边缘。

其中，各向异性的DoG滤波器定义为：

I(ls(t))表示输入图像I在直线ls(t)上的值；

其中G_σ是标准差为σ的一维高斯函数：

σ_s＝1.6σ_c，σ_c＝1，ρ＝0.99，F(s)沿着边缘c_x(s)积分以增强线条的连续性：

得到A(x)后，把A(x)二值化，得到一幅黑白的边缘图；

迭代使用DoG，图2是DoG原理示意图，图3是迭代的DoG流程图，迭代可使改进的风格化边缘更加连续完整。

如图12是实际的线性壁刻例子，箭头所指就是线性刻痕画。图13是本发明的具体实施例，A是原图像，B是原图像生成的本申请人改进的风格化边缘。

如图6-图9展示的是：传统的风格化边缘与本申请人改进的风格化边缘之间的实验对比。

后面可以对风格化边缘进行膨胀处理以增加线条的宽度。膨胀法就是采用3*3像素的卷积模版，卷积模板如图4所示，对风格化边缘的灰度图像上每个像素点做卷积运算；把卷积模版的中心对准当前需做卷积运算的像素点，卷积模版斜对角线上的三个关键点对应的灰度值决定当前像素点的值。

图10是膨胀一次的实验结果图；图11是先后膨胀二次、三次的实验结果图。对风格化边缘二值化后可以作为线性刻痕画的掩膜。二值化即是把灰度图中灰度值大于阀值的像素点的灰度值置为255；小于阀值的置为0。

进一步，基于样图的纹理合成技术合成岩石背景和刻痕纹理。

本发明采用基于样图纹理合成的Image Quilting算法来合成大片岩石背景和刻痕纹理。算法中最关键的是最小路径的计算，方式为：如图5所示，对B1、B2在水平方向上进行合成，重叠区域记为与与中对应像素的颜色平方误差记为e_i,j，为内(i，j)点像素的RGB颜色值，为内(i，j)点像素的RGB颜色值；E_i,j为匹配块与已合成块重叠区中(i，j)点的累积最小误差：

求出垂直方向的重叠区域中第一行各点的E值，再根据第一行的各点的E值和按公式求出的第二行的e值按公式求出第二行各点的E值，按此方法直到求出最后一行各点的E值；取最后一行E值最小的点作为最小路径的终点，再找到上一行中与此终点临近的三个点，取三点之中E值最小点作为最小路径的倒数第二个点，由此类推，在水平相邻的三点中取E最小的点，之后反向跟踪以获得最小路径。

本发明对岩石背景和刻痕纹理进行采样，根据基于块的TSFS技术合成具有相应纹理特征的大的纹理图像。岩石纹理和刻痕纹理都是属于偏结构性的纹理，而基于块的纹理合成方式能很好的保留这种纹理结构，本发明使用其中较好的Image Quilting算法合成这些纹理。图14是实施例的纹理合成结果，其中：A是岩石背景素材，B是岩石素材经过基于块的TSFS技术纹理合成的结果，C是刻痕纹理素材，D是刻痕纹理素材纹理合成的结果。

进一步，所述根据风格化边缘掩膜实现对线性刻痕画和岩石背景的合成，包括：

根据风格化边缘的二值掩膜将线性刻痕画与岩石背景合成在一张图像上。掩膜为0处(即黑色边缘上的点)取刻痕纹理像素值；255处(即白色背景上的点)，取岩石背景像素值。也就是风格化边缘掩膜区域内部填充刻痕纹理，之外填充岩石背景纹理。图15是本发明实施例的线性刻痕画与岩石背景的合成结果。

利用文字、印章的掩膜与刻痕纹理将文字、印章合成上去。方法同上。最终效果为图17，图16是实施例的文字、印章图像，图17是本发明实施例最终合成的线性壁刻画效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种线性壁刻数字模拟方法，其特征在于，所述线性壁刻数字模拟方法是在改进的ETF模型生成的抽象边缘向量流的基础上，通过使用各项异性的DoG滤波器进行滤波，提取出的具有刻制特征的边缘；用这种刻制特征的边缘模拟刻制的轮廓，并作为线性刻痕画的掩膜；

改进的ETF模型为：

其中，eⁱ(z)表示像素点z当前的切线向量，不进行归一化；eⁱ⁺¹(z)表示像素点z平滑后的切线向量，不进行归一化；

W(x,y)＝g(y)；

g(z)表示像素点z的梯度模值，不归一化的梯度模值，梯度模值始终按等于切向量模值操作；M为较大常数如100。

2.如权利要求1所述的线性壁刻数字模拟方法，其特征在于，所述线性壁刻模拟方法具体包括：

根据原图像生成改进的风格化边缘，并用膨胀法处理风格化边缘；

基于样图的纹理合成技术合成岩石背景和刻痕纹理；

根据风格化边缘掩膜实现对线性刻痕画和岩石背景的合成；

利用掩膜和刻痕纹理将文字、印章合成进去。

3.如权利要求2所述的线性壁刻数字模拟方法，其特征在于，刻制特征边缘的生成，

刻制特征边缘的生成过程如下：

(1)将输入的彩色图像转变为灰度图像；

Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114；

(2)求取灰度图像的梯度向量，用Sobel算子对灰度图像求出每一个像素的梯度；二维函数f(x,y)的梯度和梯度的模值分别用和表示，梯度的计算公式：

具体来讲，对图像I上的任意像素点(x,y)，求取梯度可以用Sobel算子实现，即对像素点使用3*3的卷积模版。在x、y方向分别对f求偏导，得到梯度的坐标G_x和G_y；G_x与G_y分别用和做近似计算，其中代表Sobel梯度操作；

(3)再根据梯度向量，求出图像初始边缘向量；

V_x＝-G_y与V_y＝G_x；

(4)利用本申请人改进的ETF模型，迭代更新初始边缘向量，得到平滑的边缘向量流ETF；

改进的ETF模型为：

其中，N(x)是当前中心像素x的邻域像素y所构成的集合，M为向量归一化因子；eⁱ(z)表示像素点z当前的切线向量，不进行归一化；eⁱ⁺¹(z)表示像素点z平滑后的切线向量，不进行归一化；

W(x,y)＝g(y)；

W为权重，g(z)表示像素点z的梯度模值，不归一化的梯度模值，梯度模值始终按等于切向量模值操作；M为较大常数如100；

S(x,y)为邻域像素点的边缘矢量的调向函数，定义为：

(5)在生成平滑的边缘向量流场的基础上，通过使用迭代的各向异性的DoG滤波器并二值化，最后得到刻制特征的边缘。

4.如权利要求2所述的线性壁刻数字模拟方法，其特征在于，膨胀法采用3*3像素的卷积模版，对风格化边缘的灰度图像上每个像素点做卷积运算；把卷积模版的中心对准当前需做卷积运算的像素点，卷积模版斜对角线上的三个关键点对应的灰度值决定当前像素点的值。

5.如权利要求2所述的线性壁刻数字模拟方法，其特征在于，基于样图的纹理合成技术合成岩石背景和刻痕纹理，使用基于样图的纹理合成技术中的Image Quilting算法实现纹理合成；按最小路径拼接接缝。

6.如权利要求2所述的线性壁刻数字模拟方法，其特征在于，所述的根据风格化边缘掩膜实现对线性刻痕画和岩石背景的合成包括：对风格化边缘做二值化操作，二值化即是把灰度图中灰度值大于阀值的像素点的值置为255；小于阀值的置为0，作为二值掩膜；使用掩模将线性刻痕画与岩石背景合成在一张图像上：二值掩膜为0黑色处，为风格化边缘内部区域，取刻痕纹理像素值；掩膜为255白色处，为背景区域，取岩石背景像素值，以此将线性刻痕画与岩石背景实现合成。

7.一种如权利要求1所述的线性壁刻数字模拟方法的线性壁刻模拟系统，其特征在于，所述线性壁刻模拟系统包括：

刻制特征的风格化边缘生成模块，用于生成本申请人改进的风格化边缘；

膨胀化及二值化模块，用于加宽风格化边缘的宽度；二值化风格化边缘，生成风格化边缘掩膜；

刻痕纹理和背景纹理合成模块，依据Image Quilting算法和采样的样本纹理块，纹理合成大片的刻痕纹理与岩石背景纹理；

文字印章等掩模的生成模块，用于对文字印章等进行二值化操作，生成它们的掩模；

前景与背景合成模块，分为线性刻痕画合成与文字印章合成两个子模块；

线性刻痕画合成模块，用于根据风格化边缘掩模、刻痕纹理和岩石背景纹理，合成线性刻痕画与岩石背景；

文字印章合成模块，用于通过文字印章掩模、刻痕纹理和合成后的线性壁刻画，合成最终的效果图。