CN109978768B - 一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,该方法首先读入一张大小为n*m的图像,输入待缩放图像大小p*q;接着通过FCN全卷积神经网络生成显著图g(I),并计算出图像的能量函数e(I),得到总能量函数E(I);然后利用动态规划的方法计算出累计最小能量图,找出一条最佳裁剪线;最后从图像中不断删去得到的最佳裁剪线,直至图像大小与待缩放图像大小相等,得到缩放完成的新图像。本发明可以有效地保持图像重要内容,具有良好的缩放效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,属于图像内容分析、显著性检测等交叉技术领域。
背景技术
图像内容分析是计算机视觉领域中的一个重要研究课题,具有重要的理论意义与实际应用价值,而显著性检测是其中不可或缺的一部分。
一幅固定大小的图片如何在不同长宽比的设备上显示,而不引起图像的变形或失真,是必须要解决的问题。这就要求将待显示的图像进行缩放处理,满足显示设备的长宽比。
目前,图像缩放算法主要分为两大类:几何变换缩放算法和保持图像内容缩放算法。其中前者主要包括均值法、最近邻域法、双线性插值法及双三次插值法。几何图像缩放算法只能对图像中所有内容进行等比例的放大或缩小,缩放后的图像失真比较严重,不能满足现在电子设备的要求。保持图像内容缩放算法主要包括基于图像裁剪或变形缩放算法和基于线裁剪(Seam carving)的缩放算法。
Seam carving算法保持图像中的显著性区域尽量不发生形变,让待删除的裁剪线发生在显著性区域以外的部分,从而保证图像中的重要区域的完整性。与几何变换缩放方法相比,它取得了很好的缩放效果。但是,由于这种方法只采用图像的梯度图定义能量函数,缩放时可能会造成图像中的视觉主体的变形。
由上可见,如何选取更有效的能量函数,使其具有更好的缩放效果,是图像缩放中的重点和难点。
发明内容
发明目的:本发明所要解决的技术问题是图像的非线性缩放,提供一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,以有效地保持图像中的重要内容。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,包括以下步骤:
步骤1)输入1张大小为n*m的图像I,所述图像I为n*m的像素值矩阵,其中,n为图像I纵向每列像素数,m为图像I横向每行像素数;输入待缩放图像大小p*q,p<=n,q<=m,其中,p为待缩放图像纵向每列像素数,q为待缩放图像横向每行像素数;
步骤2)在合适的显著性检测数据集上训练一个全卷积神经网络,即FCN神经网络,所述FCN神经网络包括16层卷积层和一个归一化指数模型即softmax模型的输出层,线性整流函数即ReLU函数作为激活函数;
步骤3)将此FCN神经网络应用到步骤1)所输入的图像I,从中检索到显著性特征后从FCN中的softmax层输出显著度值;输出的显著度图表示为g(I),即为一个表示每个像素点的显著度值的矩阵;
步骤5)计算总能量函数E(I)=max(g(I),e(I));
步骤6)定义图像I的一条竖直裁剪线为sx,其中, 所述i表示图像I的第i行,x(i)表示第i行中的某个像素的横坐标值,n表示图像I纵向每列像素数;定义图像I的一条水平裁剪线为sy,其中,所述j表示图像I的第j列,y(j)表示第j列中的某个像素的纵坐标值,m表示图像I横向每行像素数;
步骤7)定义图像I的一条竖直裁剪线sx的代价函数为Cost(sx),其中,所述为图像I的一条竖直裁剪线sx的第i行中的某个像素的横坐标值,为图像I的一条竖直裁剪线;定义图像I的一条水平裁剪线sy的代价函数为Cost(sy),其中,所述为图像I的一条水平裁剪线sy的第i列中的某个像素的纵坐标值,为图像I的一条水平裁剪线;
步骤8)判断m与q的大小关系,若m=q,则跳至步骤9);若m>q,则计算当前状态下最优的竖直裁剪线s*,其中将该条裁剪线s*从图像I中删去,更新m的值为m-1;判断n与p的大小关系,若n=p,则跳至步骤9);若n>p,则计算当前状态下最优的水平裁剪线s',其中将该条裁剪线s'从图像I中删去,更新n的值为n-1;重复步骤3)~步骤8);
步骤9)输出最终缩放完成的大小为p*q的图像I'。
其中所述步骤2)具体如下:
步骤21)全卷积神经网络模型包括多组用于提取图像显著性特征的卷积层,每个卷积核都使用3×3的大小,然后为批量归一化和ReLU激活函数;在每3次卷积之后将特征图下采样2倍,进行最大化池化处理;
步骤22)使用转置卷积将在不同比例学习的特征图上采样到原始分辨率,然后将所有多尺度的特征图按照权重进行相加连接;最后三个内核大小为1×1的卷积层,以及softmax函数,用于预测显著图,经过3次卷积后利用softmax函数得到所有像素点的预测结果。
所述步骤8)具体如下:
步骤81)将步骤5)计算所得总能量函数E(I)=max(g(I),e(I))存入矩阵M中,其中M(i,j)表示图像I中坐标为(i,j)的像素点的总能量值。
步骤82)使用动态规划法找出当前状态下最优的竖直裁剪线s*,遍历矩阵M的第2行到第n行,并计算所有可能连接裁剪线的每一点(i,j)的累积最小能量值Mmin(i,j)=M(i,j)+min(M(i-1,j-1),M(i-1,j),M(i-1,j+1));M(i,j)表示图像I中坐标为(i,j)的像素点的总能量值,在M的第n行的最小值意味着最优竖直裁剪线的结束,从M的第n行回溯找到最佳裁剪线s*,将该条裁剪线s*从图像I中删去,更新m的值为m-1;
步骤83)使用动态规划法找出当前状态下最优的水平裁剪线s',遍历矩阵M的第2列到第m列,并计算所有可能连接裁剪线的每一点(i,j)的累积最小能量值Mmin(i,j)=M(i,j)+min(M(i-1,j-1),M(i-1,j),M(i-1,j+1));在M的第m列的最小值意味着最优水平裁剪线的结束,从M的第m列回溯找到最佳裁剪线s',将该条裁剪线s'从图像I中删去,更新n的值为n-1。
本发明相比现有技术,具有以下有益效果:
本发明训练了一个全卷积神经网络,将此神经网络应用到所输入的图像,计算出图像的显著图,得到总能量函数。然后利用动态规划的方法计算出累计最小能量图,找出一条最佳裁剪线;从图像中不断删去得到的最佳裁剪线,直至图像大小与待缩放图像大小相等,得到缩放完成的新图像。通过这些方法的应用能够有效地保持图像重要内容,具有良好的缩放效果,具体来说:
(1)本发明通过使用全卷积神经网络进行视觉显著性检测,与传统显著性检测方法相比,能更准确识别用户感兴趣的视觉主体区域。
(2)本发明采用新的能量函数,使得这些视觉主体显著区域的能量值相比其它非重要区域更大,能够保证在移除裁剪线时,裁剪线无法穿过这些高能量值区域。
(3)本发明对于主体区域与背景颜色对比不明显或者视觉主体区域较大的图像时,计算出的图像像素的平均能量值更大,缩放后的图像整体视觉效果更好。
附图说明
图1是基于视觉显著性检测的图像非线性缩放的方法流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
在具体实施中,一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,该方法首先读入一张大小为n*m的图像,输入待缩放图像大小p*q;接着通过FCN全卷积神经网络生成显著图g(I),并计算出图像的能量函数e(I),得到总能量函数E(I);然后利用动态规划的方法计算出累计最小能量图,找出一条最佳裁剪线;最后从图像中不断删去得到的最佳裁剪线,直至图像大小与待缩放图像大小相等,得到缩放完成的新图像。本发明可以有效地保持图像重要内容,具有良好的缩放效果,具体如下:
首先输入1张大小为n*m的图像I,输入待缩放图像大小p*q,p<=n,q<=m。
接着在合适的显著性检测数据集上训练一个全卷积神经网络即FCN神经网络,该FCN神经网络包括16层卷积层和一个归一化指数模型即softmax模型的输出层,线性整流函数即ReLU函数作为激活函数;将此FCN神经网络应用到所输入的图像I,从中检索到显著性特征后从FCN中的softmax层输出显著度值;输出的显著度图表示为g(I),即为一个表示每个像素点的显著度值的矩阵。
接着定义图像I的一条竖直裁剪线为sx,其中,所述i表示图像I的第i行,x(i)表示第i行中的某个像素的横坐标值,n表示图像I纵向每列像素数;定义图像I的一条水平裁剪线为sy,其中, 所述j表示图像I的第j列,y(j)表示第j列中的某个像素的纵坐标值,m表示图像I横向每行像素数。
定义图像I的一条竖直裁剪线sx的代价函数为Cost(sx),其中,所述为图像I的一条竖直裁剪线sx的第i行中的某个像素的横坐标值,为图像I的一条竖直裁剪线;定义图像I的一条水平裁剪线sy的代价函数为Cost(sy),其中,所述为图像I的一条水平裁剪线sy的第i列中的某个像素的纵坐标值,为图像I的一条水平裁剪线。
然后判断m与q的大小关系,若m=q,则跳至下一步;若m>q,则计算当前状态下最优的竖直裁剪线s*,其中将该条裁剪线s*从图像I中删去,更新m的值为m-1;判断n与p的大小关系,若n=p,则跳至下一步;若n>p,则计算当前状态下最优的水平裁剪线s',其中将该条裁剪线s'从图像I中删去,更新n的值为n-1。
最后输出最终缩放完成的大小为p*q的图像I'。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1),输入大小为n*m的图像I,所述图像I为n*m的像素值矩阵,其中,n为图像I纵向每列像素数,m为图像I横向每行像素数;输入待缩放图像大小p*q,p<=n,q<=m,其中,p为待缩放图像纵向每列像素数,q为待缩放图像横向每行像素数;
步骤2),在显著性检测数据集上训练一个全卷积神经网络模型,该全卷积神经网络模型为FCN神经网络模型,所述FCN神经网络包括16层卷积层和一个归一化指数模型即softmax模型的输出层,线性整流函数即ReLU函数作为激活函数;
步骤3),将此FCN神经网络模型应用到步骤1)所输入的图像I,从中检索到显著性特征后从FCN神经网络模型中的softmax层输出显著度值;输出的显著度图表示为g(I),作为一个表示每个像素点的显著度值的矩阵;
步骤5),计算总能量函数E(I)=max(g(I),e(I));
步骤6),图像I的一条竖直裁剪线为sx,其中,i表示图像I的第i行,x(i)表示第i行中的某个像素的横坐标值,n表示图像I纵向每列像素数;图像I的一条水平裁剪线为sy,其中,j表示图像I的第j列,y(j)表示第j列中的某个像素的纵坐标值,m表示图像I横向每行像素数;
步骤7),图像I的一条竖直裁剪线sx的代价函数为Cost(sx),其中, 为图像I的一条竖直裁剪线sx的第i行中的某个像素的横坐标值,为图像I的一条竖直裁剪线;图像I的一条水平裁剪线sy的代价函数为Cost(sy),其中, 为图像I的一条水平裁剪线sy的第i列中的某个像素的纵坐标值,为图像I的一条水平裁剪线;
步骤8),判断m与q的大小关系,若m=q,则跳至步骤9);若m>q,则计算当前状态下最优的竖直裁剪线s*,其中将该条裁剪线s*从图像I中删去,更新m的值为m-1;判断n与p的大小关系,若n=p,则跳至步骤9);若n>p,则计算当前状态下最优的水平裁剪线s',其中将该条裁剪线s'从图像I中删去,更新n的值为n-1;重复步骤3)~步骤8);
步骤9)输出最终缩放完成的大小为p*q的图像I'。
2.根据权利要求1所述基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,其特征在于:所述步骤2)具体如下:
步骤21),全卷积神经网络模型包括多组用于提取图像显著性特征的卷积层,每个卷积核都使用3×3的大小,然后为批量归一化和ReLU激活函数;在每3次卷积之后将特征图下采样2倍,进行最大化池化处理;
步骤22),使用转置卷积将在不同比例学习的特征图上采样到原始分辨率,然后将所有多尺度的特征图按照权重进行相加连接;最后三个内核大小为1×1的卷积层,以及softmax函数,用于预测显著图,经过3次卷积后利用softmax函数得到所有像素点的预测结果。
3.根据权利要求1所述基于视觉显著性检测的图像非线性缩放方法,其特征在于:所述步骤8)具体如下:
步骤81),将步骤5)计算所得总能量函数E(I)=max(g(I),e(I))存入矩阵M中,其中M(i,j)表示图像I中坐标为(i,j)的像素点的总能量值;
步骤82),使用动态规划法找出当前状态下最优的竖直裁剪线s*,遍历矩阵M的第2行到第n行,并计算所有可能连接裁剪线的每一点(i,j)的累积最小能量值Mmin(i,j)=M(i,j)+min(M(i-1,j-1),M(i-1,j),M(i-1,j+1));M(i,j)表示图像I中坐标为(i,j)的像素点的总能量值,在M的第n行的最小值意味着最优竖直裁剪线的结束,从M的第n行回溯找到最佳裁剪线s*,将该条裁剪线s*从图像I中删去,更新m的值为m-1;
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