CN108305216B - 一种双边四次插值的图像放大方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双边四次插值的图像放大方法，属于图像处理技术领域，包括以下步骤：(1)提取待放大图像每个像素点(i,j)的像素值；(2)利用像素点(I,j)及周围的24个点构造双边四次插值曲面；(3)利用双边四次插值曲面计算[I,j]×[i+1,j+1]正方形区域上的像素值；(4)利用计算的像素值，构造补偿像素块；(5)将补偿像素块插入[i,j]×[i+1,j+1]区域，形成放大图像；(6)保存放大后的图像。该方法提高了放大图像的保真度，可用于彩色图像的放大，便于人们仔细研究图像的局部信息。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种双边四次插值的图像放大方法。
背景技术
在计算机图像处理中，图像放大是指对数字图像的放大过程，是一种非平凡的过程，需要在放大图像的平滑度和清晰度上做一个折衷。图像放大后，组成图像的像素的可见度将会变得更高。
在传统插值图像放大算法中，放大图像出现明显的锯齿边缘和马赛克现象。双线性插值图像放大算法具有平滑功能，退化了图像的高频部分，使图像细节变模糊。插值图像放大算法可以使插值生成的像素值延续原图像的像素值变化的连续性，从而使放大图像浓淡变化自然平滑。有些像素与相邻像素间像素值存在突变，即存在像素值不连续性。在图像放大中，对这些具有不连续像素值的像素，如果采用常规的插值算法生成新增加的像素，势必会使放大图像的轮廓和纹理模糊，降低图像质量。
为了克服传统方法的不足，目前提出了许多边缘保护的插值方法，对插值图像的边缘有一定的增强，使得图像的视觉效果更好，保护的插值方法可以分为两类：基于原图像边缘的方法和基于插值放大图像边缘的方法。基于原图像边缘的方法：(1)首先检测原图像的边缘，然后根据检测的边缘将像素分类处理，对于平坦区域的像素，采用传统方法插值；对于边缘区域的像素，设计特殊插值方法，以达到保持边缘细节的目的；这种方法的缺点是插值多项式的次数较低，造成放大图像质量不高。(2)基于插值的图像放大方法：首先采用传统方法插值原图像，然后检测高分辨率图像的边缘，用附近像素的值作为新像素的补偿值；这种方法的缺点是在边缘区域没有很好地利用插值多项式。
基于上述问题，本发明提出一种双边四次插值的图像放大方法，已解决现有技术存在的不足。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种双边四次插值的图像放大方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双边四次插值的图像放大方法，包括以下步骤：
步骤1：提取待放大图像每个像素点(i,j)的像素值，所述像素值由红色R、绿色G、蓝色B组成，所述红色R、绿色G、蓝色B的取值均在0～255之间；
步骤2：利用包含所述像素点(i,j)的像素值和所述像素点(i,j)周围其它24个点的像素值，构造双边四次插值曲面S，利用R值构造双边四次插值曲面Sr，利用G值构造双边四次插值曲面Sg，利用B值构造双边四次插值曲面Sb；
步骤3：利用所述双边四次插值曲面Sr、Sg和Sb，分别计算[i,j]×[i+1,j+1]正方形区域上的像素补偿值；
步骤4：利用计算的所述像素补偿值，构造补偿像素块；
步骤5：将所述补偿像素块插入[i,j]×[i+1,j+1]区域，形成放大图像；
步骤6：保存放大后的图像。
优选地，在所述步骤1中，所述待放大图像为m×n的原图像，所述原图像分割为非边缘区域S0和边缘区域S1、S2、S3、S4。
优选地，所述步骤2中，在非边缘区域S0上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,j-2]×[i+2,j+2]上提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
式中，Sr(x,y)为像素点(x,y)处的R值，Sg(x,y)为像素点(x,y)处的G值，Sb(x,y)为像素点(x,y)处的B值，x取值为i-2,i-1,i,i+1,i+2的整数，y取值为j-2,j-1,j,j+1,j+2的整数；
A是由ast组成的列向量，ast的下标由小到大排列，对于R图像通道，A＝T*r，对于G图像通道，A＝T*g，对于B图像通道，A＝T*b，*为矩阵之间的乘法运算，r是由R值组成的列向量，g是由G值组成的列向量，b是由B值组成的列向量，T为矩阵；
在边缘区域S1上,每个像素点(3,j)所对应的区域[1,j-2]×[5,j+2]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S2上的每个像素点(m-2,j)所对应的区域[m,j-2]×[m,j+2]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S3上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,1]×[i+2,3]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S4上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,m-2]×[i+2,m]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
优选地，在所述步骤3中，将所述原图像放大至M倍，以(i,j)为起点在[i,j]×[i+1,j+1]区域插入大小为(M-1)×(M-1)的像素补偿块，将[i,j]×[i+1,j+1]划分为M×M个网状区域，坐标分别为(i+p/M,j+q/M)，p＝0,2,…,M,q＝0,2,…,M，当像素点(i,j)位于非边缘区域时，像素补偿值V由公式1计算得到，当像素点(i,j)位于边缘区域像素补偿值V由公式2到公式5计算得到。
本发明提供的双边四次插值的图像放大方法提高了放大图像的保真度，可用于彩色图像的放大，便于人们仔细研究图像的局部信息。
附图说明
图1为本发明实施例1的双边四次插值的图像放大方法的流程图；
图2为2×3图像的RGB值；
图3为图像的边缘区域和非边缘区域；
图4为像素点(i,j)及其周围24邻近点分布；
图5为[i,j]×[i+1,j+1]划分为M×M个点的坐标；
图6为Lenna图像与不同插值方法的放大2倍图像比较；
图7为Lenna图像与不同插值方法的放大3倍图像比较；
图8为Lenna图像与不同插值方法的放大4倍图像比较。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种双边四次插值的图像放大方法，具体如图1所示，包括以下步骤：
S1：提取待放大图像每个像素点(i,j)的像素值，像素值由红色R、绿色G、蓝色B组成，红色R、绿色G、蓝色B的取值均在0～255之间；图2是2×3的图像，像素点(1,1)的R值为207、G值为0、B值为112；
在步骤1中，待放大图像为m×n的原图像，原图像分割为非边缘区域S0和边缘区域S1、S2、S3、S4，图3显示了图像的非边缘区域和边缘区域。
S2：利用包含像素点(i,j)的像素值和像素点(i,j)周围其它24个点的像素值，构造双边四次插值曲面S，利用R值构造双边四次插值曲面Sr，利用G值构造双边四次插值曲面Sg，利用B值构造双边四次插值曲面Sb；
在步骤2中，对于R通道、G通道和B通道，分别按照下述方式构造双边四次插值曲面，在非边缘区域S0上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,j-2]×[i+2,j+2]上提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
式中，Sr(x,y)为像素点(x,y)处的R值，Sg(x,y)为像素点(x,y)处的G值，Sb(x,y)为像素点(x,y)处的B值，x取值为i-2,i-1,i,i+1,i+2的整数，y取值为j-2,j-1,j,j+1,j+2的整数；
A是由ast组成的列向量，ast的下标由小到大排列，对于R图像通道，A＝T*r，对于G图像通道，A＝T*g，对于B图像通道，A＝T*b，*为矩阵之间的乘法运算，r是由R值组成的列向量，g是由G值组成的列向量，b是由B值组成的列向量，T为矩阵，如下所示；
在边缘区域S1上,每个像素点(3,j)所对应的区域[1,j-2]×[5,j+2]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S2上的每个像素点(m-2,j)所对应的区域[m,j-2]×[m,j+2]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S3上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,1]×[i+2,3]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S4上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,m-2]×[i+2,m]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
S3：利用双边四次插值曲面Sr、Sg和Sb，分别计算[i,j]×[i+1,j+1]正方形区域上的像素补偿值；
在步骤3中，将原图像放大至M倍，以(i,j)为起点在[i,j]×[i+1,j+1]区域插入大小为(M-1)×(M-1)的像素补偿块，将[i,j]×[i+1,j+1]划分为M×M个网状区域，坐标分别为(i+p/M,j+q/M)，p＝0,2,…,M,q＝0,2,…,M，当像素点(i,j)位于非边缘区域时，像素补偿值V由公式1计算得到，当像素点(i,j)位于边缘区域像素补偿值V由公式2到公式5计算得到，图5显示了[i,j]×[i+1,j+1]划分为M×M(M＝4)个网状区域及其点的坐标。
S4：利用计算的像素补偿值，构造补偿像素块；具体为，由公式(1)至公式(5)得到像素补偿值V具有向量的形式，将其转化为像素补偿块BL，也就是图像块。
S5：将补偿像素块插入[i,j]×[i+1,j+1]区域，形成放大图像；即用像素补偿块BL代替像素点(i,j)，每个像素点由像素补偿块代替形成放大图像。
S6：保存放大后的图像。
图6、图7和图8分别是放大倍数为2、3、4时双边四次插值放大图像和双边三次插值放大图像的视觉效果，在这些图中，图a是Lenna图，经过下采样形成原图像，对原图像放大后形成双边四次插值放大图像(图b)和双边三次插值放大图像(图c)。从这些不同方法得到的放大图像，人们感觉其差别不大，主要是放大图像之间的差别已经超过人们视觉的辨别范围，引入度量放大图像的方法。
评价本发明的优越性度量指标有放大图像与Lenna图像在每个像素点像素值误差平方的平均值(MSE)、峰值信噪比(PSNR)、结构相似性(SSM)三个度量指标，MSE较小者优，PSNR较大者优，SSM较大者优。表1显示了双边四次插值和双边三次插值在三个度量指标上的对比，从表1中可知，对于相同的放大倍数，双边四次插值的图像放大效果优于双边三次插值的图像放大效果，双边四次插值放大图像的MSE远低于双边三次插值，双边四次插值放大图像的PSNR高于双边三次插值，双边四次插值放大图像的SSM高于双边三次插值。对于同一种放大方法，随着图像放大倍数的增加，放大图像的效果也越来越差，MSE随放大倍数增加而增加，PSNR随放大倍数的增加而减小，SSM随放大倍数的增加而减小。
表1.双边四次插值与双边三次插值的性能对比分析
选取大小为512×512的Lenna图像为实例，通过下采样方法将Lenna图像缩小至1/M，以缩小的图像作为原图像，将原图像放大M倍后与Lenna图像进行对比分析本发明的有益结果，M＝2和M＝4时，Lenna图像与放大图像具有相同的大小，M＝3时，将Lenna补偿边缘构成大小为513×513的Lenna图像，然后实施下采样和放大，以比较Lenna图像和放大图像的效果。
将原图像下采样缩小至1/M，利用本发明的方法对图像进行放大M倍后，和原图像对比分析，说明本发明能够对图像进行放大。与双边三次插值方法相比，发现本发明放大的图像与原图像的误差较小，与原图像的结构更加相似，更好的视觉效果。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种双边四次插值的图像放大方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提取待放大图像每个像素点(i,j)的像素值，所述像素值由红色R、绿色G、蓝色B组成，所述红色R、绿色G、蓝色B的取值均在0～255之间；
步骤2：利用包含所述像素点(i,j)的像素值和所述像素点(i,j)周围其它24个点的像素值，构造双边四次插值曲面S，利用R值构造双边四次插值曲面Sr，利用G值构造双边四次插值曲面Sg，利用B值构造双边四次插值曲面Sb；
步骤3：利用所述双边四次插值曲面Sr、Sg和Sb，分别计算[i,j]×[i+1,j+1]正方形区域上的像素补偿值；
步骤4：利用计算的所述像素补偿值，构造补偿像素块；
步骤5：将所述补偿像素块插入[i,j]×[i+1,j+1]区域，形成放大图像；
步骤6：保存放大后的图像；
在所述步骤1中，所述待放大图像为m×n的原图像，所述原图像分割为非边缘区域S0和边缘区域S1、S2、S3、S4；
所述步骤2中，在非边缘区域S0上的每个像素点(i,j)所对应的区域[i-2,j-2]×[i+2,j+2]上提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
式中，Sr(x,y)为像素点(x,y)处的R值，Sg(x,y)为像素点(x,y)处的G值，Sb(x,y)为像素点(x,y)处的B值，x取值为i-2,i-1,i,i+1,i+2的整数，y取值为j-2,j-1,j,j+1,j+2的整数；s表示(x-i)的指数，依次取0，1，2，3，4，参数t表示(y-j)的指数，依次取0，1，2，3，4，ast表示(x-i)s(y-j)t的系数；
A是由ast组成的列向量，ast的下标由小到大排列，对于R图像通道，A＝T*r，对于G图像通道，A＝T*g，对于B图像通道，A＝T*b，*为矩阵之间的乘法运算，r是由R值组成的列向量，g是由G值组成的列向量，b是由B值组成的列向量，T为矩阵；
在边缘区域S1上,每个像素点(3,j)所对应的区域[1,j-2]×[5,j+2]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
对于大小为m×n的原图像，在边缘区域S2上的每个像素点(m-2,j)所对应的区域[m,j-2]×[m,j+2]提取每个像素点的R,G,B值，构造R、G、B三个图像通道上的三个双边四次插值曲面：
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在所述步骤3中，将所述原图像放大至M倍，以(i,j)为起点在[i,j]×[i+1,j+1]区域插入大小为(M-1)×(M-1)的像素补偿块，将[i,j]×[i+1,j+1]划分为M×M个网状区域，坐标分别为(i+p/M,j+q/M)，p＝0,2,…,M,q＝0,2,…,M，当像素点(i,j)位于非边缘区域时，像素补偿值V由公式1计算得到，当像素点(i,j)位于边缘区域像素补偿值V由公式2到公式5计算得到。
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Legal Events
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Liu Hongbing Inventor after: Yu Fahong Inventor after: Li Hui Inventor after: Li Jin Inventor after: Zhang Jiaqun Inventor after: Ma Xuewen Inventor after: Xie Huacheng Inventor before: Liu Hongbing Inventor before: Li Jin Inventor before: Zhang Jiaqun Inventor before: Ma Xuewen Inventor before: Xie Huacheng |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20201009 Address after: 314000 No. 56 South Yuexiu Road, Zhejiang, Jiaxing Applicant after: JIAXING University Applicant after: XINYANG NORMAL University Address before: 464000 No. 237 nanhu road, Henan, Xinyang Applicant before: XINYANG NORMAL University |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210730 |