CN1211773A - 彩色图象以及色调连续变化图象的通信设备和方法 - Google Patents

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Abstract

通过输入色调连续变化的图象或彩色图象,划分原始图象成为具有相似色调象元的区域,将这些区域着以平均色调构成平均色调图象,确定相邻区域间的边界,提取分支点在该点上多于两个边界相连,提取转折点在该点上梯度不连续地转折,利用分段的多项式逼近具有转折点或分支点端点的子边界,将原始图象减去平均色调图象构成减图象,并发送此压缩数据;接收端口恢复边界,区域,平均色调图象,减图象和原始图象。

Description

彩色图象以及色调连续变化图象的通信设备和方法
本发明涉及单色色调连续变化图象和彩色色调连续变化图象的通信设备和方法。这里的色调连续变化图象定义为一种图象,其图象色调以各种方式连续变化。它不同于由白区域和黑区域(或彩色区域)构成的单色二值色调图象和彩色二值色调图象。本发明提出的不是图象处理装置本身,而是具有高质量高速度优点的通信装置。由于彩色图象能被分解为三个或四个具有色调连续变化的基色图,每个被分解的基色图能通过如同单色色调连续变化图象相同的方法来处理。因而通过这些步骤:分解原始彩色图象成为基色图,分别处理这些基色图。从发送端口发送这些图象数据,在接收端口接收此图象数据以及把这些基色图合成统一的彩色图象,重现彩色图象是行得通的。
彩色分解和彩色合成是经常用于处理彩色图象的现有技术。本发明的主旨在于单色色调连续变化图象的通信处理,由于彩色图象处理是通过独立处理各个单色色调连续变化的基色图象来实现,因此,彩色图象能采用与单色色调连续变化图象同样的技术进行通信。下面的说明主要是给出单色色调连续变化图象的处理。
以因特网为典型代表的网络现代技术的迅速增长,借助多种方式,不只是常规的电话线还有各种的专用线路,数据能够互通。并且无线通信,例如便携电话,PHS等在一天一天地全面推广,大量数据在远地之间能容易地传送。多媒体正在作为信息科学技术的主流确立自己有效的地位,图象通信是当前信息科学技术的最重要的问题。
通常,图象通信要求的条件如下:
1.美观而清晰的图象
2.数据量小,也就是很短的通信时间
高图象质量是一必不可少的要求,由于多重原因,这种要求越来越严格。因担心图象质量下降花太多时间以获得高的图象质量并不实际。数据量小,换句话说,短的通信时间是基本要求。
近代,传送的图象不单是用在过去的范围,还用在各种各样的服务领域的其它应用中,例如数字出版物等。这里的图象处理服务并不限于图象的再现,而是扩展到各式各样的处理,例如,不损失图象质量下目标图象以任意比例的放大或缩小,在任意位置的自由展示处理图象的打印等。于是强列地希望传送的图象易于被处理成不同尺寸的图象等等,以及不同类型的图象部分都能被处理。
为满足这些要求,必须提供新的通信设备,其使用的图象格式能够处理各种图象类型,并且,即使当图象要进行不同尺寸的转换或成为不同方向时,也能给出高质量的再现图象。另外,图象数据必须被压缩,以便减少数据量和处理时间(包括传输时间)。
本发明计划中的图象类型例如包括照片,书写字符,打印字符,图表,图标等等。任意图象尺寸,以及具有色调连续变化的任何彩色图象都是可以使用的。
这里色调连续变化图象意味着一图象中某个基色色调(强度)在空间上连续地改变,本发明除单色色调连续变化图象外包括彩色图象。一彩色图象能被分解成几个具有色调连续改变的基色图,并且简化为每个彩色的单色色调连续变化图象。例如,当一彩色图象被分解为4个基色时,它对应每个基色有4个单色色调连续变化的图象,以便对每个基色实施单个地处理。
本发明针对处理多个基色图象集合的图象,这些基色图象中色调(强度)大范围地连续变化。
这里的色调连续变化的图象是作为简单的二值图(二值色调图)的反意词使用,这种二值图简单地由黑色区域和额外的白色区域构成。因此,本发明的目标不仅包括色调变化的单色图象也包括色调变化的彩色图象,仅仅根据“色调连续变化的图象”这个字的定义,好象排除了二值色调图。然而,由于本发明极具通用性,它还能处理二值色调图和色调连续变化图象这两者,所以本发明具有多功能的优点。
本发明也可以称作“图象通信设备和方法”,其名称为“彩色图象以及色调连续变化图象的通信设备和方法”。因为本发明能够处理色调连续变化图象,与二值图象的处理相比这是特别困难的处理。而且,由于本发明被定义的不仅是对单色二值图的技术,也包括彩色色调连续变化图,所以“彩色”一字被加到名称中。这里的名称显现出本发明可以处理多种格式的图象。
本发明允许通过图象读取装置或图象输入装置输入原始色调连续变化的图象,从输入的图象中获取多值的数据,在不损失色调连续变化图象的固有特征情况下抑制噪声,降低数据量通过电话线,专用线或电波传送压缩的数据,以及从传送的数据中恢复出原始色调连续变化的图象。
特别是,本发明完成的步骤有自动转换色调连续变化的原始图象成为数字数据,通过各种介质传送这种数字数据到远方,以任意比例从数字数据恢复原始图象,以及通过打印装置或计算机利用此恢复出的图象。
在彩色图象的情况下,作为准备本发明分解读入的原始彩色图象为4个或3个基色的单色图象,独立地处理基色单色图象为数字数据,从数字数据中排除噪声,降低数据量,压缩数据,通过各种介质传送数字数据到远处,在不损失固有特征情况下根据压缩的数据重新产生每个基色图象,以及合成基色图象得到单个色调连续变化的彩色图象。
常规的通信装置能够传送编码的数据如字符等等,由于数据量小不会降低按数字数据的图象质量,但是全然不可能在短时间内不降低图象质量去传送未经编码的色调连续变化的图象,因为信息量巨大。至今尚未发明任何专门的技术能在短时间不降低图象质量传送具有极大信息量的图象。
三种当前的数据压缩方法而不是通信技术将被公开。这里我们强调的事实是已存在但并不实际的通过电话线或专用线传送色调连续变化图象的压缩数据的通信技术。
压缩数据的三种当前方法是(A)位图数据(BIT MAP DATA)法,(B)离散余弦变换法(DCT法)和(C)函数逼近法。(A)是不压缩数据而传送数据的方法。(B)和(C)是压缩数据但尚未在实际通信中使用的方法。
下面将详述这三种方法:(A)位图数据法
这是一种仅仅传送图象全部象元的连续变化色调值的方法,图象是从图象读入装置例如不带数据处理的扫描仪输入的,这种方法似乎是当前实现图象传送的唯一方法。这里的位图指的是图象的象元集合具有连续变化色调值。此方法传送全部象元的色调值而不对其进行压缩和处理。
例如,现今广泛流行的传真(二值的和多值的二种传真)采用这种位图数据方法。这里数据是从模拟信号转变为数字信号,并且数字信号数据例如通过Huffman(霍夫曼)编码而被编码。编码处理控制保护数据的秘密,同时伴随数据的某些减少,图象数据本身并未被压缩,因此可以保险地说,位图方法直接传送图象数据保持它的原样。由于数据的直接传送,任何类型的图象均可被发送,这是一种特别简单的方法,但有严重的缺点,将在下面指出。
1.第一个缺点是接收的图象含糊不清。这里各个象元间的间隔称作“采样间隔”。如果采样间隔变小,传送数据的时间将加长。因而通常以粗的间隔对图象采样,这就造成传送的图象不清晰。如果原始图象细小而复杂,不可能接收到保持原始图象固有特征的接收图象。接收的图象损失了原始图象中的固有特征,而且因为图象数据通过光学方法读出,经常出现噪声。特别是当原始图象尺寸小时,由于传送及重现处理不可能获得清晰的再现图象,当图象通过传真发送多于两次,因噪声的增加,传送的图象变得特别含糊。质低又不清晰的重现图象是本方法最严重的缺点之一。
2.第二个缺点是恢复的图象尺寸等于原始图象,这里就此方法而言,缩小和放大被恢复的图象都不可能,处理不灵活。传送的图象能够通过复印机进行尺寸的放大或缩小,这导致图象更差更不清楚通常无法使用。只要位图数据被处理,数据处理的自由度是零。
3.第三个缺点是数据量如此巨大,这是一致命的缺点。在传送数据时大的数据量花费许多时间和金钱。从而希望一种降低如此大量数据的方法。
缺点1通过缩短采样间隔也许能在一定程度上得以克服,利用它传送的图象保持原始图象中更多的固有特征,如果这样,数据量将增加,造成花费非常多的时间和金钱用于传送数据。
传送压缩数据的技术通过利用编码系统已经设计出来。例如游程编码方法,改进的霍夫曼(Huffman)编码方法等,以便缩短数据传送时间。由于这些方法直接编码数据字数据,数据的压缩限制在小的范围,这种方法直接编码数字数据,不考虑原始图象中的全部固有特征。为缩短数据传送时间,传真的采样间隔仍然太宽,因而接收的图象质量仍然很差。恢复的图象的丢失细节而告终,并且就原图象来说缺乏细节特征的真实性。
如迄今所说,仅管位图数据方法是实际采用的传送图象数据的仅有方法,其传送的图象质量很差。用这种方法是不可能恢复图象质量达到令人满意的水平。(B)离散余弦变换法(DCT法)
这是通过使用离散余弦函数压缩图象数据并获得压缩数据系数的方法,由离散余弦变换方法压缩数据被静止图象标准压缩工具如JPFG等所利用。但此方法仅用于数据压缩还从未进入图象通信实际使用,因为利用此压缩方法数据会减少,数据将易于进行传送,另外,此方法在色调平滑连续变化的图象中有效,但不能胜任色调变化激烈的图象。实际上,包括不连续色调的图象有块失真和边缘退化的缺点。对色调快速变化的不胜任导致由不同类型画面,例如照片,书写字符,打印字符,图表,图标等等组成的图象其质量降低的严重缺陷。而且,DCT方法仍然使伴随有放大或缩小的图象的质量低劣。所以此DCT方法不适于如放大,缩小,变换等这样的数据处理。
(C)函数逼近法
这是一种按照基本函数组合压缩图象画面成分,并使图象化为函数和系数以逼近图象的方法,基于这种概念的逼近方法已经在以前的文件中公开过,这些文件有日本专利公开No.6-83952,No.6-96199,No.6-348837和No.7-85268,这些方法对色调连续变化图象都不合适,但对只有白色象元和黑色象元的字符,图表等等二值色调的图象有作用。二值色调图象的外轮廓由直线,圆,弧线和自由曲线这样的规则来逼近,并且外轮廓参数存放在存储器里。这样一来,轮廓通过直线,弧,圆和自由曲线而被压缩。这种方法通过以简单的圆元描述二值色调图象而能够压缩数据。
然而,这只是由白色和黑色象元构成的二值色调图轮廓的逼近方法。因此,这种方法对没有轮廓的色调连续变化图象是不适合的。对于如像片这种不能明确确定周界线的色调连续变化图象是绝对无用的。并且前面这些方法即使是为传送二值色调图象也没有实际使用过。
任何通过函数逼近方法能够传送色调连续变化图象的技术,目前尚未实现。
可以毫无夸张地说,任何传送技术都还不能成功地降低色调连续变化图象的数据量,不损失原始图象的固有特征而传送图象,保持固有特征而恢复传送的图象,以及处理传送的图象成为不同的形状,如放大,缩小,变形等等。在常规的位图数据方法中,原始图象的固有特征被模糊而且图象质量下降。象元间较短的采样间格会影响到传送的数据更忠实于原始图象,这将招致极大的数据量和大量的处理时间。因而,不可以过多缩短采样间隔,结果,位图数据方法不能避免因传送引起的图象质量下降。
DCT方法能够压缩数据,但是当一图象中混合有不同类型的画面时,图象的质量会很差。不降低图象质量而放大或缩小目标图象的尺寸是不可能的。DCT方法还未达到作为图象通信技术在实际中使用的地步。
如上面所说,还没有有效的方法利用函数逼近法,在满足上面所说的要求下处理色调连续变化的图象。
可以确信尚无这样的技术能在短时间以令人喜欢的高质量传送精细的色调连续变化的图象,同时进行其它处理如放大,缩小等等。当前通信系统的发展越来越强烈地要求实现传送色调连续变化的图象。
常规的图象传输技术不能传送象块拷贝打印那种要求特别高精度的图象。除了装入信封依靠邮递以外没有办法发送要求如此高精度的图象到其它地方,这要花费几天寄送图象。如果一种新技术刹那间能发送赋予高精度的图象,保持原始图象准确的固有特征,这将是特别方便的,如果这样,我们将从担心有关递送延误中解放出来。
为达到前述目标并根据本发明的目的,这里将全面地叙述一些实施方案。
本发明最重要的一个目的是提出传送彩色图象和单色色调连续变化图象的通信装置和方法,其优越这处在于传送时间,变换的可能性和质量上。
本发明提供一种装置和方法,用于通过电话线等传送由色调连续变化的画面组成的图象,而不损失其固有特征。本装置将克服常规方法,如位图法,DCT法和函数逼近法从未能解决的困难。
本发明的主题现在予以简述:
1.减少把色调连续变化图象转为用于传送它们的某种数据格式的工作。
2.高质量地合理放大,缩小和变换。色调连续变化图象以及
3.用小量数据传送色调连续图象。
本发明针对容易地经电话线或专用线发送例如字模拷贝印刷品,保持图象的质量。为达到这一点,本发明必须具有一种简单的处理,使目标图象数据转化为适于短时间内传送的格式。另外,本发明应能同样地用于任何种类的图象类型。
本发明的通信装置具有这样的功能:分割整体图象成为许多具有相似色调的区域,按照两维信息获取区域之间的边界,自动压缩此信息,按照三维信息提取每个区域的连续变化色调,自动压缩这些数据,从传送端口传送全部压缩的数据,在接收端口接收和精炼全部压缩的数据,获取全部边界,重现每个区域的连续变化色调,在任意位置以任意尺寸重新产生整体图象。除了本发明的数据压缩以外,数据还应利用某种常规的编码方法编码以便保密,从而,传送数据的时间还可进一步缩减。
如果计算机具有足够能力处理全部原始图象,它将能一口气不停息地处理整幅图象;如计算机没有足够的能力,它将可能把原始图象分成许多有一定长和宽的块,一块一块地处理色调连续变化的块。整幅图象的处理正好等同于所有分块的处理之和。这里,色调连续变化画面的处理指的是块中的色调连续变化图象的数据自动被压缩以及被编码。
本发明的色调连续变化图象的通信装置包括两个机构,也就是发送端口和接收端口两个系统,发送端口通过以下步骤处理色调连续变化的图象:光学读入图象或电学方法读入图象,提取这样的区域,在此区域内部象元之间色调差别小,而区域外部象元和区域内部象元间色调差别大,对区域计算平均色调,以平均色调表示提取的区域,构造由平均色调组成的平均图象。提取区域间的边界,提取分割为多于三个区域的边界上的分支点以及提取边界上边界不连续改变方向处的转折点。分支点和转折点称作特征点。边界被分支点划分成边界区间。边界区间又被转折点分成局部线(Partial line)。由转折点和分支点划分出的每个局部线是具有二个端点的曲线或直线。边界区间的局部线在本说明书中现在称作“子边界”。子边界上的点序列以某些简单的函数来近似。由于每个子边界都没有转折点或分支点的单独点,所有的子边界都能通过低阶多项式来近似。一旦子边界被某种函数逼近,即主(单个)变量样条函数,子边界上点序列的各个坐标数据全部可被丢弃。子边界上点序列的各个坐标的丢弃降低了边界的数据量。
在下面的步骤,根据原始图象和根据各自平均色调在区域着色的平均色调图象之间的差构成差(减)图象。此差值图象由最接近色调空间变化的色调曲面来近似。在此逼近中,采用了二变量的β-样条函数,连续变化色调数据由这个色调曲面的样条函数的参数来表示,近似以后每个象元的原始色调值被丢弃,从而关于连续变化色调信息的数据量极度减少。在里有两种数据近似,这就是边界的两维逼近和差值图象的三维逼近。
此压缩不仅降低数据量还可以消除噪声以提供清晰的图象,例如,当有细小的噪声象斑点落在色调连续变化的平滑图象上时,本发明很快看出这是一平滑曲面,并用表示成平滑曲面排除了噪声。压缩色调连续变化图象的方法已经在本发明的发明人发明的,在日本专利申请No.8-317017(317017/1996)中详细地公开。此压缩方法下面将作详细说明。
这些压缩的数据由现有的通用编码技术予以编码,编码的数据按次序存储在存储器装置中,由于此编码数据是并行数字数据,它们被改变为串行数据作为通信数据,此通信数据通过发送器传送。以上是发送侧执行的处理的简要叙述。
传输介质可任意采用,如电话线,专用线,电波,光纤万维网等等都是可用的。有时主计算机插在发送侧(端口)和接收侧(端口)之间。传输距离也是任意的。传送通信数据不仅可送到国内接收装置,也可送到国外的接收装置。
接收侧收通信数据以及存储此已经过编码和传送的数据,首先,编码的数据被解码。因为解码是编码的逆过程,现有方法可用于解码。由于逼近差值图象的曲面参数被给出,差值图象可根据这些参数再生。当发送侧已将整个图象处理成差值图象,接收侧按原状再生整个图象,如果发送侧已将差值图象分为几个差值图象块并且全部所分的差值图象块都已进行逼近,接收侧恢复每个区域的差值图象块,并将这些恢复的差值图象块合成为一整体。结果,在接收侧(端口)还原出整个差值图象。
在下一步,特征点之间的边界被提取,即电界点序列的分支点和转折点,以及可逼近特征点间边界区间和子边界的曲线参数。由边界包围的区域平均色调着色,从而恢复出平均图象。通过加差值图到平均图上可获得质量上与原始图象相同的图象,借助打印机等装置可以输出图象。另外,尺寸上任意的放大和缩小,旋转移动和平移通过改变函数参数都是可行的。因为边界和连续变化的色调值都是利用函数值显现出来的。即使经过不同类型的变换,图象质量也不会下降。
参照附图中的几个图,本发明的实例将予以说明,其中:
图1是本发明传送设备的概要,其中原始图象数据被压缩,压缩数据通过传送介质传送到发送侧,根据接收侧传送的数据拷贝出原始图象,并且拷贝的原始图象通过打印机,屏幕之类得以再生。
图2是本发明的各步骤,其中发送侧读出原始图象,确定色调近似的区域,求取边界,以平均色调着色这些区域,求取通过扣除各个区域平均色调产生的差值图象,以及用函数近似差值图象。
图3是显示全部用于连续色调图象的输入和输出设备的装置方块图,包括图象存储装置,区域产生装置,特征点扣除装置,减图象产生装置,编码数据产生装置,再生数据产生装置和为存放计算装置的结果的存储装置。
图4(a)是一原始图象,作为连续色调图象的例子“SIDBA/Girl”的起始图。
图4(b)是一平均色调图,它是通过将图4(a)的原始图象分成具有色调相似的区域,并将每个区域以平均色调着色。
图4(c)是一边界的集合,这些边界是从按照相邻区域之间的边界所划分出的区域中提取出来的。
图4(d)是从边界中提取的分支点的集合。
图4(e)是从边界中提取的转折点的集合。
图4(f)是差值图象,它是从原始图象减去平均色调图而产生的。
图4(g)是将再生的减图象和再生的平均色调图象相加产生的再生图象。
图5(a)是原图,作为二值图象示例的汉字字符粗黑体的“智”的起始图。
图5(b)是一平均色调图,它是通过将图5(a)的原始图象分成具有色调相似的区域,并以平均色调将每个区域着色。
图5(c)是一边界的集合,这些边界是从按照相邻区域之间的边界所分割出的区域中提取出来的。在二值图象的情况下,边界与字符的轮廓相同。
图5(d)是边界和根据边界提取的分支点的集合,在二值图象的情况下不存在分支点。
图5(e)是根据边界提取的转折点的集合,并以黑点表示出。
图5(f)是差值图象,它是通过从原始图象(图5(a))中减去平均色调图(图5(b))而产生的。
图5(g)是将再生的减图象加上再生的平均色调图象而产生的再生图象。
图6是一说明图,表明编码数据转换为传送数据的操作,这里在数据的前面编码数据附加标志和纠错码而在编码数据的后面附加标志。
图7(a)是“Girl(女孩)”的原图,它将作为本发明的连续色调图图例予以处理。此原始图象“Girl”经过下列步骤被传送:原始图象的输入,输入图象数据的逼近,压缩逼近的输入图象数据,压缩逼近的数据以及编码此压缩的数据。
图7(b)是汉字字符“爱”的原始图象,它将作为本发明的二值图为例予以处理。此原始图象经过下列步骤被传送:原始图象的输入,输入图象数据的逼近,压缩逼近的数据以及编码此压缩的数据。
图8(a)是以连续色调图为例的“SIDBA/Girl”原图的再生图象,其中根据编码数据接收图象的质量规定为30db(p-p/rms峰-峰有效值),并且此再生图象产生在接收侧。
图8(b)是作为二值图图例“爱”原图的再生图象,其中根据编码数据接收图象的质量规定为30db(p-p/rms),并且此再生图象产生在接收侧。
图9是“SIDBA/Girl”原图的再生图象,其中接收图象的质量规定为40db(p-p/rms),并且再生图象产生在接收侧,这里原图与重现图之间几乎没有差别。
图10(a)是比“SIDBA/Girl”原图的尺寸更小的接收图象。
图10(b)是“SIDBA/Girl”原图的同一尺寸接收图象。
图10(c)是“SIDBA/Girl”原图的放大尺寸接收图象。
本发明的通信设备和方法允许传送彩色图象和单色色调连续变化图象,赋予图象的高质量,短的传送时间和高的灵活性。
图1所示的方块图用以说明本发明的数据传送设备。实现本发明方法的通信装置已预先装入了计算机,工作站等。当绘在纸上的原始图象被发送时,原始图象由图象读入设备例如图象扫描仪等读出,并输入到计算机等中。当存储在图象数据库中的图象被发送时,图象直接从图象数据库移送到计算机等中。而且由本发明方法压缩的数据可被输入计算机以发送压缩数据。
以上说到的处理,如边界提取,边界逼近,平均图象提取,差值图象提取,差值图象逼近,以及编码等都在计算机,工作站等中执行。压缩数据通过通信调制解调器传送。传输介质为电话线,专用线,无线传输等。当电话线或专用线与商业提供者连续时,则商用主站的计算机被插在其中,在此情况下,用户有自己的代码或口令以保护通信秘密。对每个商业主机会员资格费用是决定了的,本发明的通信方法并不需要在此之间提供,仍然能够通过商业计算机通信。
在接收侧(端口),通信数据经连接的电话线,专用线或无线的通信调制解调器反变换,并输入到个人计算机或工作站。接收侧的计算机上预先安装了本发明的通信装置。已压缩和编码的数据在接收侧(端口)被接收,小的数据量减低了传送时间,带来降低电话费的好处。接收侧(端口)利用本发明的通信方法接收已压缩和传送的数据,可以设想此压缩数据好像存放在存储设备中。
还有,本发明允许接收端在接收压缩数据时或这以后,通过反变换此压缩数据恢复原始图象,恢复的数据通过打印机、大型图象显示器割蚀绘图仪(cutting plotter)等得到可视输出,尽管小量的传输数据,由逐次的函数来表示边界和连续变化的色调,使得接收端再生忠实于原图的图象。此恢复出的图象能自由地缩小和放大。
本发明的主旨是提供一种设备和方法,它具有这样一些步骤:划分色调连续变化的原始图象成为许多相似色调的区域,寻找不同区域间的边界,通过特征点即分支点和转折点分割此边界,通过从原始图象中提取平均色调图象获得仅有低频分量的平滑的差值图象,分别借助单变量和双变量部分多项式逼近边界和差值图象以压缩色调连续变化图象的全部数据,从发送侧传送压缩数据到接收侧,从压缩数据中取出有关边界的信息,通过部分多项式恢复区域和差值图象,以及在接收侧(端口)再生原图的图象。
对于彩色图象,本发明预先分解读入的原始彩色图象成为3或4个基色图象,以同样的方式独立处理各个基色单色图象,以降低数据量,压缩数据和传送此压缩数据到数据接收侧。在接收侧根据数据再生各个基色图,并且整个连续色调彩色图象通过合成基色图而恢复出来。
当目标图象是简单的二值图时,边界正好等于图象的轮廓,并且由原始图象和平均色调图象之差定义的差值图象变成只是均匀色调的平坦表面。这种二值图象可利用本发明的方法压缩和传送。这里,不同方式的图象,如二值图,连续变化色调图和彩色图,都用本发明处理,本发明提供的方法有深远的多方面适应性。
本发明的函数的序列来表示图象,以便克服再生图象的质量下降。本发明在图象质量,传送时间和灵活性方面优于位图方法。另外,由于本发明提取具有陡峭色调变化的边沿部分作为边界,以及借助函数近似边界和区域,在DCT方法中成为严重缺点的边沿部分变形和退化决不发生。
至此以上所说的是本发明的概况。边界提取和边界逼近在输入的连续变化色调图象中作为一个整体来处理,而差值图象的处理和压缩不仅根据整个图象也根据各个划分的块来处理,这样的块由图2显示。如果计算机的能力足够,这种大块处理是合适的,如果计算机的能力有限,差值图象应当以每个划分的块处理和压缩,并且其数据针对每个划分的块存储和传送。在接收侧(端口)连续变化色调图象的再生也是对每个划分的块执行。再生的划分块加起来则恢复出原始图象。
当然,本发明允许大块处理方法和分块处理方法,两种处理方法在方式上相同,相互间的差别仅是处理的范围不同,因为大块处理方法容易从分块处理方法中了解到。为避免冗杂,此后将主要说明分块处理方法。目标图象在这里不考虑其图象的内容被分割成许多块,每块具有恒定的区域(尺寸),并且此图象是所分割的块的总和。最简单的是按正方形选取分割块,该正方形具有全部纵向象元数和全部水平向象元数的公约数的边长。但也可选取长方形作为划分的图象块,划分块的尺寸可以是例如32点×32点的正方形。划分块的大小应根据计算机的能力来确定。
以下是构建本发明的通信设备的装置,这些部件按有助于理解的方块图显示在图3中。概括起来,这些装置包括区域生成装置,特征点提取装置,差值图象计算装置,编码数据产生装置,恢复数据产生装置等。
A.图象存储装置
B.区域分割装置
C.区域存储装置
D.边界提取装置
E.分支点提取装置
F.边界存储装置
G.转折点提取装置
H.边界逼近装置
I.区域数据存储器
J.差值图象产生装置
K.差值图象存储装置
L.差值图象划分装置
M.差值块存储装置
N.数据逼近装置
O.压缩数据存储装置
P.编码装置
Q.编码数据输出装置
R.编码数据存储装置
Γ.通信数据产生装置
Δ.通信数据传送装置
Θ.通信数据接收装置
S.编码数据输入装置
T.解码装置
U.差值块恢复装置
V.差值图象恢复装置
W.连续色调图象再生装置
X.连续色调图象输出装置
A到Δ的装置安装在数据发送侧(端口),而Θ到X的装置安装在数据接收侧(端口),传输介质,例如电话线,专用线,无线传输等插在装置Δ和装置Θ之间。实际上,一个站通常拥有数据发送装置和数据接收装置,因为数据的发送和接收是两侧对称的。
上面由装置A到X构成的系统用于单色连续变化色调的图象。当输入图象是彩色色调连续变化的图象时,首先由彩色分解装置通过同样的并行处理,将输入彩色图象分解成基色单色图象。每个基色图象的数据按相同的方式被压缩,编码和传送。每个单色基色图象根据基色色调的压缩编码数据而被恢复,并且合成出基色图象的集合。因此,对于彩色色调连续变化图象还需要下列装置。
Y.彩色分解装置
Z.彩色合成装置
以上的处理对应于将差值图象分割为恒定区域的差值块的情况,如果计算机具有足够的处理数据能力,差值图象不分割作为整体处理。如果这样,差值图象分割装置L和差值块恢复装置U是不需要的。
数据的编码和解码处理是在数据传送前和传送后实施的,为的是减少传送数据及保密。当不需要编码处理时,编码和解码数据的处理能够省略,也就是从P到R和从S到T的装置可略去。
从A到Δ的装置是用于发送端口的设备,而从Θ到X的装置是用于接收端口的设备,本发明包括这样一些复杂的处理:将色调连续变化的图象分成具有相近色调(密度)的许多区域,提取和逼近边界,对每个区域着以一致的平均色调,即一平均色调图象。根据原始图和平均色调图象之间差构造差值图象,用恰当的二维函数逼近差值图以及得到表示差值图象的压缩数据。这些处理是如此复杂以致难以明了本发明的操作。因此,通过拾取色调连续变化图象和二值色调图象的实际情况预先说明本发明的处理,前者是一具有连续变化的色调的图象,而后者是带有二种色调值的图象。二值色调图象认为是色调连续变化图象的最简化区域,所以二值色调图象能以连续变化色调图象相同的方式被处理,二值色调图象应当作为例子来说明以便清楚色调连续变化图象多么简单。
[连续变化色调图象的情况]
连续变化色调图象的传输处理,通过参照示于图4(a)到图4(g)的“SIDBA/Girl”典型图将予以说明。
首先,“Girl”的原始照片通过光学阅读设备如图象扫描仪读入。也可以使用各种类型的编辑器(软件)在计算机的显示器上拖拉图象。图4(a)是一输入的连续变化色调图象。读入的图象被分成大量的象元,每个象元是图象中长宽排列的最小单位。每个象元具有各自的色调信息,并且仅有单一的色调用另外的表示如密度来表示,亮度等级,灰度等级等等。灰度等级最类似于密度不过正好和亮度等级相反,可以使用它们其中之一,但本文采用“色调‘的表示而不是密度,亮度或灰度。区域定义为具有相似色调的相邻象元集合。首先,这样的区域被提取,整个图象被分割成许多区域,所分的区域数据根据色调相似性范围而改变。当区域的象元色调范围加大,各自的区域变得更广阔而区域数目变得更少。相反,当区域的象元色调范围变窄,区域的数目变大,而各自的区域变得较小。
对所有的区域计算平均色调,平均色调定义为区域象元色调的平均值。包含大量着有其平均色调的区域的图象叫做“平均色调图象”。图4(b)是一存储在区域存储装置中的平均色调图象。
由于整个图象被分为大量区域,许多边界以相邻区域之间的线条表现出来。区域是象元的集合,而边界是相邻象元之间的线条的游程的集合。边界不像常规图象处理那样,不是穿过象元中心的线而是象元的轮廓。因为象元是方阵的最小单位,围绕象元的线或者是水平线或者是垂直线。这里,边界是由水平线和垂直线组成的连续线,边界是区域的特征线。边界被提取用的定义区域的形状,每个边界都包围着区域,所以是一闭合的回路。
但边界不是孤立的简单闭合回路,因为多于两个区域连在一起会出现许多交叉点,在这里三或四个边界相遇。所以,当跟踪一是闭合回路的边界时,存在许多与其它边界的相会点。此三个或多于三个边界的相会点称作“分支点”。如果一边界在分支点被分为部分边界,在每个部分边界的两侧只存在二个区域,根据分支点和部分边界的集合恢复边界和区域是行得通的。此分支点被提取,这里的分支点是三个或三个以上边界的交会点。
边界上被两个相邻分支点分割的边界部分称为“边界区间”。此边界,一闭合回路,由一系列终结在分支点上的开放曲线即边界区间组成。
“转折点”作为另一类特征点被采用。转折点定义为这样的点,在此点上边界区间不连续地改变方向。分支点和转折点处在边界上并反映边界的特点,所以称它们为“特征点”。边界被分支点分割为边界区间,而边界区间又进一步被转折点分成局部线段,称作“子边界”,每一由转折点和分支点分出的子边界是一具有两个端点的曲线或直线。边界是边界区间的集合,边界区间是子边界的集合。如果子边界上各个点的所有坐标都必须记录下来,则不可能压缩数据。所以要求进一步的合适设计。部分线即子边界是具有两个端点的平滑曲线,而且除了两端点以外都有连续的微分率。
一旦子边界由某种函数逼近,子边界上一系列点的坐标的全部记录都可抛弃。这种逼近函数通过几个参数来表示。子边界由分支点,转折点和近似函数而不是子边界上一系列点的各个坐标来定义和记录。子边界上一系列点的各个坐标的丢弃降低了边界的数据量。这是本发明逼近处理的第一步,这样的一维处理在处理色调连续变化的图象时是不够的,还进一步要求两维的处理。
在下一步,“差值色调图象”,根据原始图象和已经存储在区域存储装置中的平均色调图象之间的差值图象来计算。平均色调图象由许多着以各自平均色调的区域构成。在每个象元上计算原始图象和平均色调图象间的差。因为用减法将原始象元色调减平均色调,则在每个区域差值色调是零,对整个图象也是零。因为每个区域定义为一组象元其差值色调包含在某个范围内,差值色调从不超出此范围,减的结果图象叫做“差值(减)图象”。在处理过程中仅有单个平均色调图象和单个差值图图象。原始图象,平均色调图象和差值图象具有相同的总尺寸。原始图象是通过将后两者的色调相加而构成。或者说平均色调图象是从原始图象减去差值图象而得到。
原始图象的大部分连续变化色调被转换为平均色调。从另一方面来说,差值图象包含弱的色调起伏。差值图象仅包含色调的低频分量它是很平缓的。所以,通过某些合适的函数来逼近此差值图象。因为差值图象仅包含平缓改变的色调,低阶多项式足以用来逼近此减图象。这是不同于前面一个的第二个逼近。第二个是两维变量的逼近。通过函数逼近差值图象,则可获得第二个压缩的数据。函数逼近被执行两次。差值图象可能作为一整体被逼近,但因数据量是如此之大所以差值图象应当被分块。差值图象例如被分割成纵向和横向排列的许多块,并且每个划分的差值块由合适的类似函数来逼近。此逼近函数计算分割的全部差值块。
通过边界逼近以及差值图象的逼近显著地降低了数据量。例如,当原始图象的质量和恢复图象的质量都假定是30db(p-p/rms)时,表示数据量的压缩数据位率在本例中是1.98[bit/pel]。因为原始图象已经以8[bit/pel]表示了,数据量降低到约25%左右。本发明可以通过传输介质,如电话线,专用线,无线通信等将压缩数据传送到远方。
数据经由各种线路从发送侧(端口)传输到接收侧(端口)。接收侧得到此已经压缩和编码的数据,并在存储装置中存储此压缩编码的数据。当差值图象已被分块及每个分割的差值块已被逼近的情况下,每个分块的差值图象按次序传送,并按次序存储在接收侧的存储装置中。数据是存储在存储装置中,所以不仅可以在接收数据的同时恢复图象,也可在数据接收以后的任何时间恢复图象。
首先,差值图象在接收端口根据压缩数据被再生。如果差值图象被分块,分块的差值块被再生,而且全部差值块被合成作为一个整体的差值图象。
其次,边界被恢复。一系列的边界恢复出由它们所围绕的区域。每个区域着以平均色调则变成了平均色调图象。通过将差值图象与平均色调图象相加,对应于原始图象的最终图象得以再生。
本发明不仅能在固定位置按原尺寸再生图象,也能在任意位置以任意比例再生图象。因为涉及边界和连续变化色调的信息被转成多变量的向量数据,依靠计算任意的放大和缩小可在任何位置上自由地实现。
[彩色图象的情况]
上面所说的是关系到单色色调连续变化图象的处理。本发明也提供彩色图象的处理,在彩色图象的情况下,彩色图象分解成几个基色色调连续变化图象,全部分解的色调连续变化图象,对每个基色按照与单色色调连续变化图象相同的方式并行地处理,最后全部色调连续变化图象被合成成为单一彩色图象。当再生设备是彩色显示器时,彩色图象应分解为RGB(红,绿和兰)基色光,当打印机用作输出设备时,彩色图象应该分解为4个基色,也就是CMYK(青,品红,黄和黑)。
[二值图象的情况]
本发明针对处理色调连续变化的图象,这并不表示本发明不能处理二值图象。由于二值图象被看成连续变化色调图的最简单的极端情况,所以本发明能够处理二值图。这种二值图象以与色调连续变化图象相同的方式来对待,但二值图的处理在方式上远比色调连续变化的图简单。
二值图象的处理参考图5(a)到图5(g)将予以说明。
图5(a)到图5(g)显示原始二值图,即中文粗黑体印刷字符“智”的处理步骤。因为这是二值图,字符部分和背景部分都是恒定色调。字符部分着黑色而背景部分无色(白色)。此二值图象以与色调连续变化图同样的方式由图象扫描仪读入,并且读入的二值图记录在图象存储装置中。图5(a)显示此读入的二值图、本发明提取具有类似色调象元构成的部分当作连续区域,每个区域着以每个平均色调以便得到平均色调图象。示于图5(b)的平均色调图象被记录在区域存储装置中。这种处理与色调连续变化图象的处理方式上是相同的。然而,在下面将要说明,本发明可以大大简化二值图象的处理。
因为现在的目标是简单的二值图象,其区域正好等于字符的本身。图5(c)显示的边界它就是字符的轮廓。平均色调等于字符部分的色调。平均色调仅有一个值,也就是,在轮廓里面的平均色调等于黑区域的均匀色调,字符的轮廓被提取作为边界,它是一闭合回路,所以,全部轮廓是单独的,与另一部分隔离和分开并且还具有的既不是交叉点又不是分支点。边界全部固有特征来源于轮廓,因此,边界是独立的闭合回路而且不相交,不分支和不接触,这造成不存在将二值图象分为多于两个区域的点出现。图5(d)显示提取分支点的结果,这里三或四个不同的区域相互接触。就图5(d)可知这里没有分支点。那里存在的仅是带有不连续倾角的转折点和带有连续倾角的常规点。因此,仅提取转换点就已足够了。图5(e)给出了转折点,如迄今所说,二值图象就边界处理来说是简单的。
转折点被提取,并且边界被转折点分成子边界(部分线段)。子边界由某些合适的函数来逼近。根据原始图象与平均色调图象之间的差可以得到差值色调图象。这里,此处理变得更为简单。平均色调图象等于原始图象。差值色调图象取为零的恒定色调值,这被显示在图5(f)、这里,差值色调图象被均匀地着以灰度,以便与背景区分但实际上是取零值。整个差值色调图象的色调为零,逼近函数表示的是具有常系数和简单,单色调,平坦的平面。
在二值图像的情况下色调的逼近不存在误差。于是边界,也就是轮廓是定义二值图象的仅有分量。例如,当原始图象是二值中文字符“智”时,位率为0.22[bit/pel]。由于原始图象用1[bit/pel]表示,通过函数逼近数据压缩到22%。
这些数据,例如转折点,子边界的逼近函数系数,差值色调图象等等,经电话线,专用线,电波等,从发送侧传送到接收侧。接收此数据以后,二值图象的处理与色调连续变化图象的处理是相同的。接收侧通过计算差值色调图象,边界和平均色调图象的恢复图象,再生的图象能在任意位置上被放大和缩小尺寸。
图3所示的A到X的全部装置将被详细说明。
[A.图象存储装置]
此装置用于分原始图象成为象元并用于存储全部象元的色调。有多种输入目标图象的方法,例如,写印在纸张上的图形(包括字符),具有连续改变的单色(或彩色)色调的像片等。输入图象例如可用像图象扫描仪,数据像机之类的光学装置被读入,而且输入图象数据作为数字信息按每个象元存储。按另一种方式目标图象通过使用鼠标器或数字化器,作为图象被输入到计算机,并且从一开始输入图象数据就作为数字信息按象元被存储。当输入图象是连续变化的单色色调图象时,输入图象数据按全部象元的色调等级存储。
当输入图象是彩色图象时,图象被分解为4个基色图象(或3个基色图象)。每个基色图象都是单色色调连续变化的图象。输入图象通过整个图象上定义的两维函数来记录。象元的坐标是独立变量,色调是从属变量。象元用它的二维坐标(xi,yj)来表示,x是水平坐标,y是垂直坐标,i是水平方向上从最左上角开始的号码,而j是垂直方向上从最左上角开始的号码。色调由g来表示,第i,j号的象元的色调记为g(xi,yj)。图象存储装置是用于存储作为两维函数g(xi,yj)的全部象元的色调g的装置。
[B.区域分割装置]
这是一装置用于将输入图象分割成许多由具有相似色调的连续象元集合组成的区域。因此,按这样的条件:在一区域内色调的差别小于一容差W,而在属于相邻区域的两个象元间的象元色调差别大于此容差,将输入图象分割成区域。这种区域划分具有下列优点。
1.增强了图象的质量,因为具有陡峭色调变化的边缘部分成了两个区域之间的边界。
2.降低了数据量。由于对每个区域规定了平均色调和差值色调,造成近似函数的位数减少。
3.缩短了处理时间,由于平缓的差值色调图象易于被逼近。
区域划分装置不提取本来存在在图象中实际目标的轮廓,而是提取具有相似色调作为一区域的一组象元。此区域分割装置不去寻找固有的区域,而去构造本来不存在但有说服力的设想的区域,并分割图象为设想的区域,于是邻近区域间定义的边界不是本来的轮廓。
分割图象成为设想区域的处理将依次进行解释。
(步骤1)初始设定
区域标签“Label(xi,yj)”分配给每个象元(xi,yj)。Label(xi,yj)是一取值或0或1的二值函数,“0”表示此象元未进行区域划分,“1”表示此象元已被划分区域。在初始阶段,区域标签“0”被分配给全部的象元。
Label(xi,yj)=0    (1)
(步骤2)初始操作
属于一区域的象元有各自的色调。三种色调,也就是,最大色调,最小色调和平均色调被指定到每个区域,并分别用gmax,gmin和gav来表示。由于它们是每个区域的参数,用于指示每个区域的号码的区域参数(r)应该被附加上,象gmax (r)。但这里为了简化,区域参数(r)被略去。平均色调gav不是在区域中全部象元的算术平均,而是最大和最小的平均,即,
gav=(gmax+gmin)/2.    (2)
输入图象按光栅次序被扫描,即从最左最上面的象元开始沿每行向右的方向搜寻未标签的象元{Label(xi,yj)=0}。当一0标签的象元被找出时,将其标记{Label(xi,yj)=0},开始时,gmax和gmin同样地赋给第一象元的色调g(xi,yj)。这里,
gmax←g(xi,yj)and gmin←g(xi,yj)
存在在最左最上位置的象元(xi,yj)被赋以标签Label(xi,yj)=1,仅包含象元i=0,j=0的区域其最大色调和最小色调等于第一象元(xi,yj)(i=0,j=0)的色调g(xi,yj)
Label(xi,yj)=1,gmax=gmin=g(xi,yj).    (3)
这是图象光栅扫描之前的第一个操作。
(步骤3)象元所属区域的确定及区域的扩大
开始时区域只包含单一色调的象元。当扫描开始后,gmax和gmin会改变。但如果色调的差别很小,相邻象元被分类到同一区域。于是区域逐渐地扩大。如果色调变化超出固定范围,象元不属于该区域,区域扩大的操作则停止,区域的轮廓也就确定了。一新的区域就从该象元开始。通过统一处理具有相似色调的象元,区域得以扩大。
当前正要处理的象元以(xi,yj)表示,象元所属的区域号由r表示。正当处理区域的最大色调gmax,最小色调gmin和平均色调gav为已知(gmax≥gav≥gmin)。通过采用“8领域”概念,输入图象被分成多个区域。此8邻域指的是上、下、左、右和围绕正当处理的中心象元成45度角上总共8个相邻象元。具有相邻色调的8个邻域象元被分类到同一区域作为中心象元的区域,通过跟踪此上、下、左、右和围绕当前象元成斜角的8邻域,区域的连续性能有保证。这样,(xi,yj)的8邻域写成(xii,yjj)其中Δi和Δj为0,-1或+1不包括Δij=0。
未被标签但属于第r区域当前象元(xi,yj)的8邻域的象元色调g(xii,yjj)与区域的平均色调gav相比较,当色调g(xii,yjj)和平均色调gav间的差的绝对值小于允许的宽度(容限)W时,
|gav-g(xii,yjj)|<W    (4)
也就是,如果差小于W,此邻域象元归到上述的第r区域。如果差大于W,此邻象元判为是不同区域的成员。8邻域的某些被分类到第r区域,其它的归到另外的区域。通过不等式(4)的分类对本发明是很重要的。
属于第r区域的8邻域的每个色调g(xii,yjj)进一步与第r区域的最大色调gmax和最小色调gmin比较,如果8邻域的全部色调在从最大色调gmav到最小色调gmin的范围之内,gmax和gmin则维持原样。如果一个邻域色调g(xii,yjj)超出限定之一,此超过的限度由8邻域中超出的色调g(xii,yjj)替换。因此,如
g(xii,yjj)<gmin    (5)
(如果8邻域(xii,yjj)的色调满足不等式(5)),g(xii,yjj)替换gmin,也就是gmin←g(xii,yjj)。
相反,如
g(xii,yjj)>gmax,    (6)
(如果8邻域(xii,yjj)的色调满足不等式(6)),g(xii,yjj)替换gmax,也就是gmax←g(xii,yjj)。由不等式(5)和(6)的替换扩大了从最大色调到最小色调的范围,然而无限制的扩展是不允许的,按照不等式(4)区域的gmax和gmin间的差小于或等于2W。任何象元一旦判别为第r区域的象元就保持在同一区域中,满足不等式(4)并且插在gmax和gmin之间。
(步骤4)产生下一个区域
当前象元从(xi,yj)移到上述的第r区域的邻域象元(xii,yjj)即(xi,yj)←(xii,yjj),并且(步骤3)的操作对新的当前象元执行,当有新的邻域象元满足不等式(4),此邻域被归到第r区域。对满足(4)的邻域重复(步骤3)构成由相似色调象元组成的连续区域(第r区域)。第r区域仅包含其色调差异小于2W的象元。当没有其它邻域象元满足不等式(4)时,下一个第(r+1)区域将被新建,此象元变成第(r+1)区域中的新当前象元,对第(r+1)区域从当前象元重复(步骤3)。
这样,在输入图象中区域按光栅次序一步一步地产生。被分配到区域去的象元以Label(xi,yj)=1来标签,当全部象元都以Label=1标签时,区域划分结束,区域的总数用“R”表示,则区域号r,由1,2,…,R-1来表示。结果,每个象元都被分入任何区域之一。
原始图象的区域划分根据上面的步骤从1到4重复执行。参数W是区域中允许的公共宽度的一半。随宽度参数W的加大,有增加区域数据和为处理此区域数据的时间的趋势。随宽度参数W的减小,区域的数目和为提取区域的时间会增加,而图象逼近数据和为逼近此数据的时间减少,W的选择改变区域分割的方式。
[C.区域存储装置]
区域存储装置存储平均色调图象,该图象中全部区域都着以它们各自的平均色调,区域号分配给每个区域以便彼此区分。如前面所说,平均色调gav它是gmax和gmin之和的一半。每个区域具有只有一种色调的小图象,这叫做“平均色调图象”,它们被显示在图4(b)和图5(b)中,图中恢复了原始图象的原有特征,如果宽度参数W变小,平均色调图更紧地接近原始图象,而如果W变大,平均色调图象更远地背离原图。这里,区域存储装置没有存储区域的边界只有每个区域以其平均色调着色的由区域组成的平均色调图象。边界的提取将在下面的操作中执行。
[D.边界提取装置]
边界提取装置搜索边界,边界是相邻区域之间的曲线形成的,尽管整个输入图象已被区域分割装置(B)分成了区域,这种区域未用边界清楚地规定,本步骤中,边界作为相邻区域之间的线段必须清楚地提取出来,因为边界将在后面的步骤中以函数来表示。
适用的坐标系统被设置用以表示边界,此坐标的原点(x,y)=(0,0)处在最上最左点(不是象元)。X坐标(横坐标)从原点向右水平延伸,而Y坐标(纵坐标)从原点向下垂直延伸。在此情况下,取整数坐标点的每个位置不是象元的中心而是象元的边角。通常,全部常规方法用的是取象元中心为其坐标系统的整数坐标点。然而,与以前的方法不同,本发明取整数坐标点在象元的角上。所以,每个象元由4个整数坐标点包围着,象元的中心由一组半整数表示。以整数x和y确定的坐标(x,y)被定义为象元的边角,“点”指的是角点。这不仅对边界的正确表示而且对图象尺寸的精确放大或缩小操作都是最重要的。所以,边界是通过象元外围的线,而且它从不穿过象元。
区域的边界由边界点序列离散地表示(一系列角点)。此处,边界点序列存在在区域的边界上,并且是与四个方向,即右和左上和下,相互连接的一组坐标点。由于整数坐标点被定义在象元的4个角上,4邻域连接模式是自然形成的,与象元不同对于边界不存在8邻域连接模式。
符号“R”表示区域的总数。整个边界的坐标点序列通常表示成
Figure A9811628500341
其中N(r)表示围绕着区域号r的边界序列点的总数,而k是分配到边界序列上一边界点的点号。边界点由区域号r和点号k表示。这与前面的表示不同,在那里每个象元的中心由整数坐标xi和yj表示。围绕着第r区域的点序列能够从k=0到K=N(r)按次序被跟踪,此操作在从0到R-l的全部区域上执行。
边界点序列实际上通过下列步骤搜寻。(步骤1)初始调整
r←O(开始第0区域的处理)(步骤2)提取第r区域的象元
第r区域的象元从存储在区域存储装置(c)中的数据中提取,这是一组象元,它们在空间上连续,但每个点由位于象元中心的坐标来表示,此后从区域的数据中提取的边界由定义在象元角点上的坐标表示。(步骤3)跟踪边界点序列
在第0区域边界点序列上的任意点,例如通过光栅扫描象元被找出,此点是一初始点(xo o,Yo o)。点序列围绕第0区域的边界上从初始点(xo o,yo o)开始顺时针方向被跟踪。边界点序列的坐标数据按{xk o,yk o}k=0NO的集合被提取。例如,链码方法可被用于边界点序列的跟踪。
(步骤4)结束条件的判断
边界是闭合回路。虽然边界可能有分支点,任何边界总是围绕某个区域游程的闭合回路,当边界围绕一明确的区域被跟踪时,跟踪必定会回到边界上的开始(初始)点,也就是{xk r,yk r)=(xo r,yo r)。在这种情况下,k是N(r)。边界上的点序列通过顺时针跟踪围绕第r区域的闭合回路整个地被提取出来。当围绕第r区域的跟踪结束时,r由(r+1)替代,也就是r←r+1。通过返回到步骤2,围绕第(r+1)区域的点按同样的方式被跟踪。但当r=R时,判定为全部区域的边界点序列已被提取,则边界的提取应予结束。
[E.分支点提取装置]
边界都是闭合回路,相互之间不分开而互相有接触。边界常有这样一些点在这些点上多于两个边界相会,多个边界在此相交的点称作“分支点”。边界明显不同于二值图象的轮廓,因为轮廓没有分支。分支点是边界上的一类特征点。分支点定义为边界上具有交叉边界或有三个以上区域相接触的点,分支点提到装置寻找边界上的分支点。
为什么提取分支点是重要的,其原因将被说明。
如果不进行分支点提取,在后面边界函数逼近中边界在某些点上已被分出后,无法知道那些边界应当被逼近。没有清楚地确定函数逼近的范围是不能进行计算的。所以分支点应被提取,函数逼近在由两个分支点端结的部分执行。
分支点是在存储于区域存储装置中的平均色调图象上,通过按光栅次序从左上位置到右下位置扫描(2×2)的窗口(两个象元乘两个象之)而被寻找。因为分支点是多于两个区域在此相邻的点,当(2×2)窗口的中心与分支点重合时,在2×2窗口中的4个象元属于3或4个不同的区域,这样的点被判为分支点。如果非分支点位于2×2窗口的中心,窗口的4个象元属于两个不同区域,这种用4个象元的2×2窗口确定窗口的中心点是否为分支点。当窗口的4个象元属于3或4个不同的区域时,分支点提取装置提取正位于窗口中心的点(对应于围绕象元的边角位置的点)作为分支点。
[F.边界存储装置]
按照以下步骤使用的分支点数据,全部边界属性被存储在边界存储装置中。(步骤1)指示分支点的标志位于边界点序列的分支点。(步骤2)在两个相邻分支点之间的部分边界点序列称作“边界区间”。边界区间被给定一边界区间号。当两个相邻区域共同占有一区间时,在二个区域中边界区间标以相同有号码。
边界点序列附以下标并表示成 “P”是输入图象中边界区间的总数,各个边界区间由参数“p”(p=0,1,2,3,…,P-1)表示。M(p)是包含在第p个边界区间中序列点的总数。包含在第p个区间中的序列点以“k”(k=0,1,2,3,…,M(p)-1)来标号。此外,Xk r是在第p边界区间中第k个点的x坐标,而Yk r是第p个边界区间中第k个点的y坐标。围绕第r区域的点序列集合不同于在第p边界区间上的点序列集合在于定义集合的条件。所以,边界区间上点序列的坐标用大写字母X和Y来表示。
[G.转折点提取装置]
转折点被定义为边界上边界梯度激烈改变的点,换言之,在转折点上梯度不同或梯度的微分陡峭地改变。这并不表明边界的梯度很陡峭。这样的转折点是确定边界特征的最重要点之一,还有分支点,当边界由函数表示时,这样的转折点扮演重要的角色。提取转折点的必要性将被简述。
通常,陡峭变化的曲线的函数逼近(在此情况下是色调)要高次多项式。然而,由于参数太多以及计算的时间,难以用高次多项式逼近任意变化的曲线。即使曲线的主要部分能由高次多项式逼近,此多项式经常引起强烈的寄生振荡,除调整像振铃现象点外,远离实际变化。这种麻烦只是由于一个梯度不连续的点所造成。任何高次多项式都不能抑制寄生振荡。在逼近曲线的陡峭变化部分时,寄生的,不希望的振荡是任何逼近函数的公共难题。
如果激烈变化部分预先从曲线中排除而其它平缓变化部分保留下来,由低次多项式逼近是可行的。低次函数足以逼近平缓变化部分。另外,这些低次函数可避免振荡。因此,转折点应该预先从边界中去除。提取转折点应当执行,以从边界中排除转折点,因此从边界中去除转折点以及用低次函数逼近平滑连续变化部分,可以降低数据量和保持图象的质量。
具体地,转折点是按照下面的步骤在每个已被分支点划分出的边界区间上被搜寻的。(步骤1)计算局部方向矢量
局部方向矢量是在边界的每个点上为表示边界的方向所定义的矢量。这里,局部方向矢量是一从领先于当前点“a”单位长的点画到继当前点之后“a”单位长的另一点的矢量,这里的单位长是象元的侧边长,在第p边界区间上第k点上的局部方向矢量,即{Xk p,Yk p}被定义如下:
Direction(p,k):=vector(xk-a p-Xk-a p,Yk+a p-Yk-a p)·(7)
此处,重要的不是长度而是梯度,如果边界被认为是连续函数,局部方向矢量能够由连续函数的空间差或沿切线方向的线段来定义。“局部”一词指的是在边界上靠近当前点的小范围内边界方向的变化。由于参数“a”是如此之小,该“局部一词是合适的。如果“a”很大,则矢量变成非局部了。参数“a”的大致范围为1到5。如果“a”更小,矢量的确定变得易爱噪声影响。由于边界有4个最靠近邻接方式连接,当“a”=1时,方向矢量的角度仅取8个值0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°和315°,出现许多明显的转折点。相反,如果参数“a”很大,方向矢量对边界梯度的变化不敏感。在下面的实验中,参数“a”为2,也就是a=2,但是希望根据目标来确定参数“a”。
(步骤2)局部方向矢量的量化
步骤2量化在步骤1中得到的局部方向矢量。此处,局部方向矢量按45度量化为8个方向差。量化的目的在于稳定局部方向矢量噪声。量化不因过程的“a”(a=1)产生影响,太长的“a”造成边界方向的局部变化不敏感。对一短的“a”,例如a=2量化可有效排除噪声。此量化的局部方向矢量称作“方向的矢量”,并被表示为Direction(p,k)其中(p,k)表示第p个边界区间的第k个点,由于方向的矢量有8个方向,对X轴的倾斜角仅有8个角度,即0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°和315°。
局部转折角θ(p,k)在全部边界区间的全部点序列上进行计算。在一边界区间点{Xk P,Yk P}上的局部转折角θ(p,k)定义为领先当前点b单位长处的方向矢量和后继当前点b单位长处另一方向矢量之间的方向差。因此,局部转折角是方向的矢量在2b单位长内方向的变化,局部转折角的余弦由b领先矢量和b后继矢量的内积确定。 cos θ ( p , k ) = | Direction ( p , k - b ) • Direction ( p , k + b ) | | Direction ( p , k - b ) | • | Direction ( p , k + b ) | - - - ( 8 )
θ的定义范围是-π<θ≤π。
由于方向矢量已被量化成8个方向,对局部转折角只有8个角,也就是,-135°,-90°,-45°,0°,45°,90°,135°和180°。这里,b是一参数用以确定边界转折的局部性。如果b太大则不能检出边界的局部变化。如果b太小,转折角θ不能反映边界大范围的改变。重要的是要确定合适的b的值。(步骤4)转折点的判断
局部转折角被认为是两条切线所构成的角,一条是在领先当前点b的一个点上画出,另一是在后继于当前点b的另外点上引出的,目标是从这样的点中取出的,在这样的点上边界为陡峭的曲线,而θ与参数β进行比较,这里θ是局部化的转折角,而β是预先确定的在-π和+π之间的角度的临界参数,如果θ大于β则该点是转折点,如θ小于β则该点不是转折点,也就是转折点满足下列不等式:
        |θ(p,k’)|≥β.    (9)
转折点由(X’k P,Y’k P)表示,β的范围从0到2π是为确定转折点的临界参数。
边界是闭合回路线,它被分支点分成一些边界区间,边界区间是一系列曲线。这里,转折点通过(8)和(9)式被提取,而边界区间被转折点分割,这些称作“子边界”。所以,一系列连续子边界是边界区间,而一系列连续的边界区间是边界。子边界定义为除端点外没有特征点的曲线。
[H.边界近似装置]
前面的处理已经提取了边界,边界上的分支点和转折点。边界在分支点处已被分成许多边界区间,而且边界区间在转折点处已被分成边界部分(也就是子边界)。这里,边界近似装置(H)利用合适的函数逼近子边界。本发明实施两次函数逼近。第一是以合适的一维函数逼近子边界,第二是以二维函数逼近差值图象。这将在以后详述。由于边界已被分支点分成边界区间,边界区间已经没有分支了。而且,因为边界区间又被转折点已经分成了子边界,子边界已经没有曲率大变化的转折点了。因此子边界的逼近函数没有了振荡。
子边界上的点由两个参数表示,也就是子边界号和在子边界上点的号码K,为避免下标复杂,第k点被表示为(Xk,Yk)只有点号码K没有给出子边界号。子边界点序列由集合{(Xk,Yk)}表示。也许可以用X的函数逼近Y。但因为在二维平面(X,Y)上曲线Y(X)通常变成X的多值函数,不方便地Y作为独立的X函数看待。
因此,边界上点序列的集合由两个独立的单位函数{(tk,xk)}{(tk,yk)},这里t是一中间的独立变量,它能够从y坐标中分离X坐标并将X(t),Y(t)作为单位函数处理。然而,在t,x和y之间还留下某些任意性,如前面所说,本发明的边界是系列跟踪4个邻域点之一,这4个邻域点放在象元的4个角上。因为边界点被定义在象元的4角上,相邻点间的距离是象元边的单位长度永远为1。所以,t每一边的增量是1。由于相邻点之间每个距离是1,中间变量“t”的任意性成为零。
由中间变量“t”表示的点序列集合(xk,yk)被带有均匀间隔的单变量周期样条函数逼近。任何次的样条都可用,但3次或2次样条容易处理。高次样条由于太多系数,将会消耗大量时间进行计算,以及大量的存储数据。如果要用一次样条函数,则边界成为直线,于是就不可能逼近平滑曲线。二次的是最低可用样条。高于二次的当然是可用的,但几乎所有边界都能用二次样条函数逼近。这里,由于子边界是平滑曲线部分,即子边界不包含转折点,子边界易于通过划分数“n”的低次条件函数来展开。 S x ( t ) = Σ 1 - - 2 n - 1 C x 1 N 1 ( t ) - - - ( 10 ) S y ( t ) = Σ 1 - - 2 n - 1 C y 1 N 1 ( t ) - - - ( 11 )
子边界被分成n个具有公共长度的段,段数“n”叫做划分数。这里,取(n+2)个值从-2到(n-1),Nl(t)是归一化样条基函数,而l是基的数目,则,cxl和cyl是在线性展开中Nl(t)的系数。子边界被分成n段,有(n+1)个按公共间隔分布的结点。一个间隔是一段。Nl(t)是在第(l+1)段具有峰的样条基。例如,m次样条基Nl(t)仅在(m+1)段有有限值而在其它段都是零。样条基Nl(t)是在m结点上(m-1)次可求导的。如果采用二次样条(m=2),Nl(t)仅在三个段,也就是l,(l+1)和(l+2)有有限值,而在其它段0,1,…,(l-1),(l+3),…,n是零。一般认为子边界按(n+2)基的空间跨度展开。
二次样条是最简单的多项式。为简化起见,段长Δ取Δ=1。
其N0(t)能以简单的二次多项式表示;
        No(t)=0.5t2         (0≤t<1)
        No(t)=-1.5+3t-t2    (1≤t<2)
       No(t)=4.5-3t+0.5t2  (2≤t<3)
由于Np(t)=N0(t-p),所有函数可通过置换基本基函数而被确定,这是非常简单的方法。
由于子边界被(n+1)个结点相等的分成n个公共长度(间隔)的段,函数基允许平行置换。则Np(t)=No(t-pΔ/n)被确立。这里Δ是子边界的总长度,而n是总段数(划分数)。因此,Δ/n表示一个段。当N0(t)被平行右移P段,函数基变成Np(t),cxl是基Nl(t)的系数。计算系数{cxl,cyl}的结果决定了样条函数的展开。
样条函数是一逐段的多项式,它不同于通常的多项式。因此,样条函数在原始函数激烈变化的变化部分有利于抑制无益的振荡、子边界Δ被分成许多段,而且每个段给定一不同的多项式,结点是两个相邻段的连接点。m次样条函数是在结点处(m-1)次可导的。在二次样条基中,原始函数本身和一次导数是连续的,但二次导数在结点处是不连续的。另外,可以根据意图在合适的地点放一些结点作为一组参数。如果如此,将增加为确定这部分点的额外计算量。
为避免结点计算,本发明首先在子边界上给出结点,怎样给定结点将予以说明。结点是子边界在此处被分段的点。因此,子边界的整个长度被分作n段每段有同样的长度1/n,所以,有具有相同间距的(n+1)个结点,这种做法没有确定结点的计算,段的数目n是一决定逼近程度的新参数,因此,段数n和函数种类的增加则提高逼近的精度。
子边界上全部点被分配以“t”的某些值,这是一独立的中间变量,子边界的X坐标由连续函数sx(t)表示,而子边界的Y坐标由sy(t)表示,其中sx(t)和sy(t)为二次样条基。子边界第k点的实际坐标是(xk,yk)。(xk,yk)的坐标分别由sx(tk)和sy(tk)逼近。(xk,yk)和(sx(tk),sy(tk))之间的差由(xK-sx(tk))与(yk-sy(tk))的平方和给定。在全部点上差值的平方和由平方误差“Q”表示,这可通过从1到M(p)加k的平方差来获得。 Q = Σ k - 0 Mp - 1 { s x ( t k ) - x k } 2 + Σ k - 0 Mp - 1 { s y ( t k ) - y k } 2 - - - ( 12 )
这里,∑k指的是在当前子边界上从1到M(p)值的和,逼近函数sx(t)和sy(t)按照平方误差Q为最小而被确定。因为样条函数是分段的多项式,在sx(t)和sy(t)中更可取的系数通过最小“Q”来确定,有两种寻求最优系数的方法,一种方法是“最小二乘误差法(A)”和另一种“双规一正交函数法(B)”。第二种方法(B)已经被本发明人首次提出。两种方法都将被详细说明。在对某个划分M(n=M)为使“Q”最小而确定系数以后,这种逼近的精度将被评定。
逼近的精度通过检测是否在全部点上实际点和逼近点之间的距离都维持在容差η内来评价,因为这种评价是通过计算(yk,yk)和(sx(tk)和sy(tk))之间在“k”的每个点上的均方根误差,将此均方误差与预定的容差η比较,并且检查在全部点上均方根误差是否小于容差η来完成。所以,在全部“k”中最大均方根误差由下面方程定义的ε表示。 ϵ = m a k x [ { s x ( t k ) - x k } 2 + { s y ( t k ) - y k } 2 ] 1 / 2 - - - ( 13 ) 这里,
Figure A9811628500422
指的是在第p子边界上“k”从0到M(p)~1点中的最大值,等式(12)的Q表示(xk,yk)和(sx(tk)和sy(tk))之间的平方差和,并且给出用最小平方误差法确定系数的原理。相比之下,等式(13)的ε用于通过在子边界上各自点的误差评价系数的有效性。
评估的容差是η。如果ε大于η类似的计算再重复,通过增加划分数从n到(n+1)以便找寻另一样条函数逼近使Q达到最小。误差平方根的最大ε再次计算,并与容限η比较。如果ε仍然大于容限η,通过增加划分数从(n+1)到(n+2),类似的计算应当再次重复。依靠划分数n增1,η>ε的不等式将确保建立。当达到η>ε时逼近停止。并且此时样条函数的系数被确定。逼近函数的系数被接纳用以表示第p个边界。到此,两种方法,也就是最小平方误差法(A)和双归一正交函数法(B)将被说明,对给定的划分数n,它决定使Q最小的样条函数逼近。
[最小平方误差法(A)]
等式(12)的Q来对{cxl}和{cyl}做偏微分,而且偏微分的值应该等于零。当对于一组系数平方误差Q为最小时,少量改变该组系数,Q不会再增加。因此,通过dQ/dcxl=0和dQ/dcyl=0可以确定样条函数的{cxl,cyl}的系数,这个原理简单但计算复杂,Q的平方误差包含2(n+1)个基的系数的和,而且有2(n+1)次微分。这些基用(n+1)列X(n+1)行的两个矩阵方程表示。为解此矩阵,必须计算(n+1)列X(n+1)行的二个逆矩阵。 Σ k Σ l c kl N l ( t k ) N p ( t k ) = Σ k x k N p ( t k ) - - - ( 14 ) Σ k Σ l c yl N l ( t k ) N q ( t k ) = Σ k y k N q ( t k ) - - - ( 15 ) 解上面的矩阵方程并不容易,除非划分数n及边界点序列数目少。然而,边界点序列数并不总是很小。划分数n最初是从一小的值开始,但类似的矩阵计算要通过一次一次地增加划分数n而重复,直到得到满意的逼近。划分数n的增加要求大量的计算和大量的时间用于计算矩阵。因此,上述矩阵方程的计算并非都可行,该最小平方误差法(A)具有其原理容易被每个人都了解的优点,但不能胜任大的划分数n。对于大尺寸矩阵的计算此方法不是有效的。大量增加划分数n将使计算时间突然增加造成处理的不可能。
[B.双规一正交函数法]
双标准正交函数已被本发明人自己首先设计出来,此方法轻易地克服了困扰最小平方误差法的问题,也就是对大划分n的长计算时间,此新方法优于最小平方误差法。
几乎所有专用不定函数(special indefinite function)族都具有本征函数{Φn(t)},它们是相互正交的。正交的概念对常规函数族是平凡的事,正交性指的是带有不同参数的两个函数乘积的积分在某个积分范围永远是零。这种正交函数组简单地用(Φm·Φk)=δmk来有示,(·)指的是内积是对独立变量的积分,δmk是克罗内克的δ(Kronecker’sδ)。当m≠k它是零,但当m=k时为1。这些基函数Φm和Φk对两个端的振荡都有影响,不同参数的函数有不同的振荡方式。不同参数函数积的积分总是零,因为不同的振荡方式在乘积上相互抵销。
样条函数基是例外。样条基函数是几乎没有振荡的如此简单的多项式,并且在不同参数基之间没有正交性。因此,样条函数的集合是一非正交函数系统。非正交性为样条函数带来一系列的麻烦。由于非正交性难以寻找系数cK,为确定样条基系数需要作出复杂的计算。如果函数基象常规正交函数族那样具有正交性,当用一组函数族{Φm}扩张任意函数g给出g=∑CmΦm时,通过内积cm=(g·Φm)系数Cm被轻易地给定。
由于自身的简单性,很难使样条函数具备正交性,双规一正交函数的构成给予样条函数以准正交性。双规一正交函数的概念是已知的,但是除了本发明人没有人发现直接计算样条函数的双归一正交函数的方法,因而双归一正交函数在确定样条基的系数中缺乏重要性。然而,本发明首次发明了一新方法以计算样条基的双归一正交函数。双归一正交方法挣得了重要性。
当一任意函数g(t)展开成样条基的线性组合{Np(t)}时,系数{cP}通过g(t)和双归一正交函数Lq(t)的积g(t){Lq(t)}的简单求积可以被计算出来。当g(t)=∑cpNp(t)时,系数{cp}由等式cp=(g·Lp)简短地给出。{Lp}是对{Np}的双归一正交。{Lp}像{Np}它本身没有归一正交性,然而,Np和Lq之间有准归一正交性。因此,(Lp·Nq)=δpq。准归一正交性是相互的,当{Lp}对{Np}准归一正交,{Lp}对{Np}也是准归一正交。
准归一正交性被称作双归一正交。系数cxp和cyp通过使用此被叫作Nq(t)的“双归一正交函数”的人造函数{Lq(t)}能容易地算出。
子边界点(Sx(t),Sy(t))按样条基{Np(t)}和{Nq(t)}被展开。
      Sx(t)=∑cxpNp(t).    (16)
      Sy(t)=∑cyqNq(t).    (17)
因此,双归一正交函数{Lp}{Lq}给出cxp和cyq的正式表示。
       cxp=(sx(t)·Lp(t)).  (18)
       cyq=(sy(t)·Lq(t)).  (19)
这里为简化积分的表示而采用了内积,求积的范围等于整个子边界的长度,但这是不能计算的,因为这连续函数,如sx(t-)和sy(t)现在还未知。而在于边界面第k点的坐标(xk,yk)是已知的所以,上面的计算是通过以xk和yk替代Sx(t)和sy(t)来完成,因此, C xp = Σ k x k L p ( t k ) - - - ( 20 ) C vp = Σ k y k L p ( t k ) - - - ( 21 )
对t的求积也可换成关于k的累加,逼近的精度用在最小二乘方误差法中已被阐明的同样方法来评价,这最大误差((sx(t),sy(t))和(xk,yk)间的距离)被表示为       ϵ = m a k x { ( s x ( t x ) - x k ) 2 + ( x y ( t k ) - y k ) 2 } 1 / 2 - - - ( 22 )
如果ε<η(容差)逼近结束。但若ε<η,通过增加划分数n到(n+1)重复逼近直到原始点(xk,yk)和逼近点(sx(tk),sy(tk))之间的全部距离变为小于预定的临界值(ε<η),一种实施例取η=0.5,如果不等式ε<0.5被满足,逼近过程将结束,当前的系数{cxq}和{cyq}应被作为最终的系数被采用
双归一正交函数L1(t)直接由下式给出 L 1 ( t ) = Σ k = 0 [ h 2 S exp ( 2 jπf ( k - 1 ) h ) Σ p - 0 6 sin π ( fh - p ) 6 { π ( fh - p ) 6 df ] N k ( t ) - - - ( 23 )
上述方程已在发明人的博士学位论文,即,Takahiko Horiuchi;“A study of adaptable system model and its application to desktoppublishing system”Dissertation,U niversity of Tsukuba,1995中发表。
双归一正交函数能够根据方程(23)计算。方便的办法是根据t对划分数n的函数,制作双归一正交函数组的值表,并记录此表。每次要花许多时间以计算双归一正交函数,但通过从存储器表读入双归一正交函数,能容易地计算出内积。当Lq对Nq是双归一正交,Nq也对Lq双归一正交。所以,它们看来相互有对称性,但这是错误的。Nq是一特别简单的多项式几乎没有振荡。与Nq正交的Lq是具有强振荡的复杂函数,Lq同Nq一样从t=q到t=q+3的范围内(三段)有有限值,除了t=q和t=q+3之间的范围Lq和Nq两者都为零。
不仅根据上面的方程LP能被计算,而且根据下列等式所示Np和Lp之间的关系也可计算Lp
        (Np·Lp)=1.      (24)
        (Np-1·Lp)=0.    (25)
        (Np+1·Lp)=0.    (26)
Lp根据上面的关系可被计算,因为Np、Np-1和Np+1为已知函数,根据t对每个划分数n的函数制作{Lp}表可能是一种好办法。参数p(p=-2,-1,…,n-1)看来要求许多{Lp}的函数值,不过这是错误的。Lp有平移对称性,也就是Lp(t)=Lp-s(t-s)。仅有一组函数值就足以进行计算。然后,子边界由函数{Np(t)}的线性组合来近似。
[I.区域数据存储装置]
区域数据通过下列步骤已被获得:在图象存储装置中记录原始图象,提取由具有相似色调的象元构成的区域,获得每个区域的平均色调,寻找区域间的边界,抽取特征点如分支点和转折点,通过带有系数的样条基的线性组合,表示分支点或转折点之间的子边界以及确定样条展开线性组合的系数。区域数据存储装置(I)存储许多下列属性作为区域数据:
1.输入图象的尺寸
2.区域的数目
3.每个区域的平均色调
4.边界信息
5.子边界数目
6.子边界的起始点和划分数
7.通过样条基函数展开线性组合中的系数
表1显示了若干这样的数据,输入图象的尺寸是指原始图象的水平和垂直长度。数据尺寸使用存贮器的4个字节,当分割或重现原始图象时,需要从背景中区分出原始图象,因此,需要原始图象的尺寸。区域数取决于输入图象的内容和色调的容差2W。区域数需要存贮器的2个字节。
当区域的数目用K1表示时,有K1种平均色调,这些平均色调对图象的再生是需要的,平均色调需要K1字节的存贮容量,边界信息包括2种参数,一个是围绕当前区域的边界数,另一个是跟踪围绕区域的边界点序列的方向(正/负),这里跟踪边界点序列的方向取决于对应的区域在边界的那一侧,边界两侧都有区域存在,如果没有边界方向信息,无法知道当前区域在边界的那一侧,例如,将边界定为顺时针围绕区域为正方向,该方向告知边界的那一侧存在相应的区域,边界信息在存贮器中占4个字节
表1区域数据的大小
子边界的两个端点(超点和终点)是转折点或分支点,子边界的起点正好是上一个子边界的终点。只有起点存贮在区域数据存贮装置中。终点亦可以从同样数据中得到。K2是子边界的总数。因为区域的总数K1和边界数目K2是独立参数,两者均予以存贮,起点具有x,y两个坐标共4个字节,而分割数具有x和y两个方向,共4个字节,因而一个子边界要8个字节,所以子边界共需要8K2字节。“K2”是边界数,
Figure A9811628500472
表示第K2子边界的x分量Sx的逼近系数的数量, 是Sy(t)中系数的数量第K2子边界在sx(t)和sy(t)中有
Figure A9811628500474
个系数,因此,系数的总数是∑
Figure A9811628500475
[J.差值图象的生成装置]
差值图象被定义为从原始输入图象中减去平均色调图象而得到的图象。“差值(differential)”这个词通常用于微分计算,有时等同于步进变化也就是差分,因此,差值的一般意思为两个具有同一质量物质之间差,而本发明中所用差值表示具有不同质量的原始图象色调和平均图象色调之间的差。
差值图象是本发明中最重要的概念,在本发明中,计算2个不同图象的差的必要性在形成平均色调图象这一步是确实希望的。平均色调图象是这样的区域的集合,区域中的全部象元分配它们各自公共的色调,在平均色调图象中,忽略细微的色调变化,而且这是很重要的,如上所述差值图象定义成从原始图象中减去平均色调图象而形成的图象,只要尽可能真实的逼近差值图象,就能实现高质量的恢复图象。
当在区域k中一个象素(xi,yj)具有原始色调g(xi,yj)且该区域包含的象素具有h(xi,yj)的平均色调时,差值色调diff(xi,yj)可用下面等式,对所有在区域K中的象素定义,
      diff(xi,yj)=g(xi,yj)-h(xi,yj).  (27)
在每个区域中g(xi,yj)的平均值是h,用于表示h的参数自然应该是区域号k尽管在区域中,平均色调h是一个公共值,此平均色调h也用h(xi,yj)赋给属于区域(r)的所有各个象元(xi,yj)。g的平均值是h,属于区域(r)的象元中差值色调diff(xi,yj)的和成为零。因为这些象元具有它们的色调和平均色调之间的差值小于属于该区域的W,在g和h之间diff(x,y)的绝对值小于W,W是相当小的。因此,在区域中g和h之间差值是小的,而g的平均值是h。
换句话说,diff在-W到W的范围内,而diff的平均值是零,因此,差值图象远比原始图象单调和平滑。在每个区域中,差值色调范围在-W和W之间,平均值为零,原始图象整个覆盖了很多区域,因而在整个图象中差值色调包含在-W和W之间窄范围内,而且整个差值色调的平均值为零。
现在,在区域内定义的diff=g-h方程应当看成整个图象上定义差值图象的通用方程,这里,用差值色调着色的图象称为差值图象,因此,差值图象被定义为未进行区域约束的整个图象,所以,差值图象具有一个小的色调波动,所带来的是一单调和平滑的图象,色调的波动在平均色调图象中被吸收。
然而,存在边界的问题,色调应该是一个连续函数,在横跨把图象分成很多区域的边界的方向上也应是连续的。邻近区域具有不同的平均色调,因为差值色调通过从原始图象色调中减去平均色调得到,由于相邻区域的平均色调之间的差,在边界上的差值色调是不连续的。因此,在穿过边界方向上差值色调不连续,这会不会影响逼近和重现?这看来会引起担心。在具有色调变化光滑和连续的图象情况下,相邻区域的平均色调之间的差值是如此之小,以使横跨边界的不连续性亦很小。但是在横穿边界图象具有大的不连续,如二值图象的情况下,出现在相应边界部分的明显的不连续,可能是令人担忧的。
但是,这种担心是不必要的,在边界上没有出现不连续,因为处理色调时坐标点取自象素的中心,而当边界被处理时,坐标点取自象素的角上,由于在取坐标点上处理边界的情况不同于处理色调时,色调的差距在边界处理被吸收。处于每个区域外围的象素存在在边界内,并且它们的色调同每个区的色调相同,因此,在差值色调图象中,横穿边界没有不连续性,本发明能除去会在二值图象中出现的横跨差值图象边界的这种不连续性。
[K.差值图象存贮装置]
差值图象存贮装置存贮差值图象,即diff(xi,yj)。存贮在差值图象存贮装置中的差值图象,并非一个区域接一个区域的存贮,而是以整幅图象存贮,平均色调图象已被存于区域数据存贮装置中,用存贮在差值图象存贮装置中的差值图象加上存贮在区域数据存贮装置中的平均色调图象能恢复原始图象。
[L.差值图象分割装置]
这里还提供一种装置,用于减少逼近差值图象的时间和数据量。图象已被分成具有基本相似色调的区域,到现在为止,每个区域中原始图象色调和平均色调之间的差已被计算。以区域为单位逼近差值图象的色调变化是很自然的,从概念上看,按区域逼近可能是自然的方法,其中图象被分割成许多区域,这可以认为是一种可行的比较方案。
然而,本发明人并没有采用这种方法,划分的区域有很多种形状和尺寸。其形状在区域中是不规则的,尺寸完全是随机的,边界是曲折的,即使边界条件已给定,该条件本身将是非常复杂的,边界是如此复杂,即使是二维函数,在此边界条件下也将会不容易计算。
对差值图象逼近,不使用划分的区域似乎是浪费,但本发明用的差值图象作为一整体,不采用划分的不规则形状的区域,在整个差值图象中色调变化是如此小,以便可用低次函数来逼近。四个边框形式的规则矩形,它们提供最简单的边界条件。对一张差值图象,用二维函数一口气逼近其色调变化,这当然是行得通的,当计算机可存贮大量数据时,整个差值图象应当一次完成逼近。
当计算机不能存贮大量数据时,整个差值图象不能一次逼近,在这种情况下,差值图象被分成很多合适的,固定面积的局部图象。这些局部图象是具有相同尺寸的矩形,称为“块”,差值色调可用二维函数逐块逼近,因为每个小块用二维函数逼近,实质上处理时间减少了。
如果具有很多色调变化的普通图象分成一些块,在块的边界将发生“块失真”,但在本发明中,在原始图象中,具有强色调变化的部分已被吸收成为平均色调图象,且差值图象有平滑的色调变化。基本上,在差值图象中具有小的色调变化,因此,即使差值图象被分成很多块在边界上很难发生块失真。这是本发明的极佳的特点之一。
另外,不把差值图象分块,本发明也能执行,划分成很多块是一个用于缩短计算时间和节省存贮器的一种设计,因此,当时间缩短不重要时,差值图象不必分割成块直接地用二维函数逼近。如果差值图象在发送侧被分成块,在接收侧必须逐块再生差值图象并且合成为一幅图象。即使分割和合成增加了处理时间,整体说来,通过块划分缩短了处理时间。
[M.差值块存贮装置]
差值色调{diff(xi q,yj q)}Q被逐块存贮在差值块存贮装置中,这里的q是块号,Q是全部分割的块数,(xi q,yj q)表示在第q块中第i象素的坐标,diff(xi q,yj q)是第q块中第i个差值色调。
[N.数据逼近装置]
这是本发明中第二个逼近,头一q是用一个可变样条函数逼近边界。第2是差值图象的色调逼近,这里色调用双变量如x,y的函数给定,因此,差值图象用双变量函数逼近。这里,二次样条函数作为基使用,当然,三次样条亦是允许的,s(xi,yj)是差值图象{diff(xi,yj)}的逼近函数,差值块以均匀结点的双变量二次B样条基{ψmn}展开。如上所解释的,均匀结点指在子边界上,结点均匀地以公共间隔分布该函数包括x和y独立变量。仅仅是y方向的样条函数与x方向的样条函数简单的乘积。
样条基ψmn(x,y)由下面方程给出: ψ mn ( x , y ) = ( 3 MN ) 2 × Σ k - 0 3 Σ l - 0 3 ( - l ) k + 1 ( x - ( k + m ) / M ) 2 + ( y - ( l + n ) / N ) 2 + ( 3 - k ) ! ( 3 - l ) ! k ! l !
块差值色调逼近函数s(xi,yj)按下面方程,以基ψmn(x,y)展开得到 S ( x i , y j ) = Σ n = - 2 N - 1 Σ m = - 2 M - 1 C mn ψ mn ( x i , y j ) - - - ( 29 )
样条基线性组合的系数{cmn}是实数,M和N是基函数在x方向和y方向上的分割数,因此,一个块在x方向上被分成M段,在y方向上被分成N段。二次样条函数是一个简单的多项式,只在3个段有确定值,下标m附加在样条基上,从第m段展开到第m+2段。参数m取-2到M-1的整数,样条基需要从-2到(M-1)。所需基的数目不是M而是M+2。ψmn是定义在(M+2)(N+2)段的y方向上样条基与x方向上样条基的直接乘积,S(x,y)包括(M+2)(N+2)个样条基,当分割数M和N不同时,ψmn成为特殊函数(differentfunction),而维数,为了简便起见被省略。
还有相同数量即(M+2)(N+2)个系数{cmn}是未知数,差值图象的逼近导致去确定系数{cmn},以便尽可能精确地逼近差值图象应该确定系数{cmn},对给定的分割数M和N,系数{cmn}需要在S和diff之间形成最小的差。这些系数{cmn}通过某些预定的标准被评估,如果系数{cmn}不满足该标准,分割数M和N都增加1也就是成为(M+1)和(N+1)。为确定差值图象的逼近系数,最小2乘法和双规一正交函数法亦都可使用,这两种方法前面作为逼近子边界方法已经叙述过,双归一正交函数法,已经由本发明人设计出,在降低计算时间上优于最小二乘法,当然,最小2乘法能用于确定{cmn},在此将对二者作出说明。
[A.通过最小2乘法计算{cmn}]
为逼近子边界,前面最小2乘法已被说明过。在子边界逼近和块色调逼近之间,用最小二乘法具有差别,这就是边界逼近基于一维函数,而块色调逼近必须使用二维函数。最小二乘法。通过按所有象素的坐标,使测量值和逼近值之间误差的平方和Q为最小,以得到合适的系数,因此, Q = Σ I = 0 I Σ J = 0 J { S ( x i , y i ) - diff ( x i , y j ) } 2 . - - - ( 30 )
根据上面方程对Q作了定义,其中块图象的全部象元按x坐标从0到I,y坐标从0到J相加,I×J是块的尺寸,因为块的角象素重叠,x坐标不是从0到I-1而是0到I。因为最优系数{cmn}应该使Q最小。Q对所有系数{cmn}的微分应该是零。 Σ p = - 2 N - 1 Σ q = - 2 M - 1 c pq Σ i = 0 I Σ j = 0 L ψ pq ( x i , y j ) ψ mn ( x i , y j ) = Σ l = 0 l Σ j = 0 J diff ( x i , y j ) ψ mn ( x i , y j ) - - - ( 31 )
上述方程中分割数m的范围从-2到(M-1),分割数n的范围从-2到(N-1),在方程(31)中有(M+2)(N+2)个方程式。ψpq(xi,yj)及diff(xi,yj)是已知的,因而它们是关于cpq的(M+2)(N+2)维联立方程。由于它们是一维(线性)联立方程,应该可以求解它们,但是求解包含(M+2)(N+2)个未知变量的方程是不容易的。如果差值图象块的尺寸足够小,即I,J小,计算也许是可能的,然而,如果差值图象块的尺寸大,即I和J值大,计算就很难。当分割数M和N增大,困难更大,高的M和N值带来大约100到500个联立方程。具有二维变量的差值色调逼近引入大量未知变量和联立方程。这种计算通过使用大存贮量的高性能计算机也许是可实现的,但在实际中最小2乘法似乎是无用的
[B.用双归一正交函数法的方法]
双归一正交函数是一抽象概念用于表达以非规一正交样条函数展开的函数系数。用样条基展开任意函数得到的该系数,用相应的双归一正交函数与该函数的乘积的积分给出,当样条基ψmn(x,y)的双归一正交函数用Φmn(x,y)表示,任意函数W(x,y)根据下面的方程对样条基ψpq(x,y)展开时
W(x,y)=∑cpqψpq(x,y).      (32)
系数cpq为:
cpq=∫∫Φmn(x,y)W(x,y)dxdy.(33)
反之,当任意函数对Φpq展开时,系数{dpq}由ψpq与该函数的乘积的积分给出。
     W(x,y)=∑dpqΦpq(x,y).      (34)
    dpq=∫∫ψpq(x,y)W(x,y)dxdy.(35)
建立Φmn和ψmn互为双归一正交函数的关系,
  ∫∫ψmn(x,y)Φpq(x,y)dxdy=δmpδnq.    (36)
这里δmn是克罗内克尔符号(Kronecker’s delta),由于ψmn(x,y)是单变量基的直接乘积,Φpq(x,y)亦可用单变量双归一正交函数的直接乘积给出。因此,双变量双归一正交函数Φpq仅是单变量双归一正交函数Mp(x)和另一个单变量双归一正交函数Mq(y)的乘积Mq(x)Mq(y)。这样的双归一正交函数Φpq(x,y)是前面计算出来并作出一张表存贮在存贮器中。
此外,双参数系数Cpq能容易地用下面方程计算:
    cpq=∫∫diff(x,y)Φpq(x,y)dxdy.(37)
由于Φpq确实随分割数M和N的改变而变化。Φpq有大量不同的p,q,M和N,在这种双归一正交函数方法中,包括样条基ψmn(x,y)的计算,对逼近计算是绝对不必要的,只是双归一正交函数Φmn是必需的,事实上,在存贮器中没有必要存贮基函数ψmn(但是在接收侧的重现需要基函数ψmn)。
当存贮器的容量不足以存贮对每个分割数M和N的Φpq时,单变量双归一正交函数Mp被存在存贮器中,而两个函数的乘积,也就是Mp(x)Mq(y)在需要时根据Mp(x)和Mq(y)算出。该方法需额外的时间,但减少了存贮量。
[差值图象逼近的评价]
差值图象的逼近必须通过S(x,y)与diff(x,y)的差来评价。{S(x,y)-diff(x,y)}是在象素(x,y)上色调逼近的误差。平均平方误差通过除L2被归一化,L是色调的级数。色调被量化为0,1,2…L共L+1级,归一化均方误差的倒数,用“SNR”表示,是逼近精度的尺度,SNR越大,逼近的精度越高,为了评价逼近的准确性,预先给定一个临界值ε’,也就是,通过分别逐步增加M和N到M+1和N+1重复逼近块色调,直到SNR>ε’ SNR = 10 log L 2 ( I + 1 ) ( J + 1 ) Σ { S ( x i , y j ) - diff ( x i , y j ) } 2 - - - ( 38 )
当逼近达到精度满足不等式SNR>ε’时计算结束,当前的M,N和{Cmn}分别确认为最终的M,N和{cmn},当SNR<ε’时,通过分别对分割数M,N增加,而重复块色调的逼近,直至SNR>ε’,ε’是一个重要参数,用于量度逼近的正确性。
[O.压缩数据存贮装置]
逼近差值图象的压缩数据从数据逼近装置N输出,压缩数据存贮装置O存贮这些压缩的数据,压缩数据包括每个差值块的X分割数M,Y分割数N及系数{cmn}。表2表示在压缩数据存贮装置O中存贮的数据的尺寸。
表2:块逼近数据的尺寸
    内容     数据尺寸
差值图象 分割数 2字节
系数 2MN字节
[P.编码装置]
到此,通过这些步,区域数据(边界逼近的结果)和压缩数据(差值图象逼近的结果)已经得到,这些数据分别存贮在区域数据存贮装置(I)和压缩数据存贮装置(O)中,可以按原样不做额外处理,通过某些传输介质发送这些数据到接收侧,本发明的要点是上面两种逼近,这就是为降低数据量的边界逼近和差值图象逼近。此外,亦可以进一步压缩这些数据,并在其它存贮器中存贮双重压缩的数据。
编码是进一步减少数据量的一种方法,为了保密,在常规通信系统中,已使用这种编码,此编码是完全不同于本发明所用的样条函数逼近的方法,逼近不同于为保护信息的编码,编码数据能正确地恢复,因此,数据质量不会改变,不仅在保密上而且在减低数据量上编码方法是有效的,编码方法扮演了保密和降低数据的角色。
这里,本实施例采用Huffman编码法或其它编码方法,区域数据(I)和压缩数据(O)均被编码,编码需要处理时间。接收侧必须执行解码,数据量减少了但处理时间增加了,在接收侧和发送侧,传送时间减少了,但处理时间增加了,因此,编码步骤的采用是可选择的,这应该根据图象处理的目的决定。
[Q.编码数据输出装置]
编码装置(P)编码区域数据(边界和平均色调图象)和压缩数据(差值图象)。编码数据输出装置(Q)输出一系列位串的编码数据,在接收端只要尚未找出解码方法,就不可能解码已缩码的数据,编码法扮演保密的角色。
[R.编码数据存贮装置]
编码数据存贮装置(R)存贮从编码数据输出装置(Q)输出的编码数据,在装置(R)中寄存的数据在需要时,按输出次序输出,从(A)到(B)的装置是一系列输入图象压缩数据和存储数据的装置,还有,用于从发送侧向接收侧发送数据所必需的某些处理装置。
[Γ.通信数据生成装置]
通信数据生成装置(Γ)把编码数据改变成通信数据,通信数据的常规结构是可用的,图6显示了从编码数据到通信数据的转换。通常,这种处理由调制解调器自动地实现。编码数据紧跟着标记和错误码,并且另一标记终止此数据串。第一个标记是起始信号,最后一个标记是结束信号,在通信期间出现噪声时,为了在接收侧检测错误,附加了此错误码。如果含有噪声的信号按原样发送到接收侧,在接收侧会重现带错误的图象。为避免这种失误,接收侧能检测出出现错误,并返回一请求给发送侧再次发送同样数据。
[Δ.通信数据发送装置]
通信数据发送装置(Δ)向接收侧发送通信数据。通信数据发送装置像图1所示的通信调制解调器,当借助于电话线或专用线通信时,需要这种调制解调器。通过编码得到的数字信号,在用电话线时必须转为模拟信号。因此,在数据发送侧需要数字/模拟转换装置。反之,在数据接收侧需要一个模拟/数字转换装置,以便把模拟信号转成数字信号,除了电话线或其它线外,光缆亦可用来作为通信介质,当用光缆传送通信数据时,发送结点(侧)需要一个具有半导体激光器或LED的E/O转换模块。不仅可用有线介质,也可用无线介质,无线传送需要其它设备,如调制器,发送器等。以便通过AM调制FM调制,相移调制等去调制载波,加载发送信号,常规的技术很容易把这些方法用于实际中。通信介质从数据发送侧传送压缩数据到数据接收侧,在数据发送侧需要从(A)到(Δ)的装置,下列装置被安装在数据接收侧。数据接收侧执行同数据发送侧相反的处理,因此,将对接收侧上的逆处理作简要说明。
[ Θ.通信数据接收装置]
通信数据接收装置(Θ)是数据接收侧的首要的一个装置,通信数据接收装置(Θ)类似于图1的通信调制解调器。根据传送介质使用各种各样的发送装置,在前面已说明过有许多种接收装置。适合于介质的通信数据接收装置(Θ)应该安置在接收侧,下列装置装在接收侧,数据接收侧备有对应于每个数据发送侧装置的专用装置,但是可能提供一个装置,能够既作发送数据的操作,又作接收数据的操作,光纤传送需要具有光二极管和放大电路的O/E转换模块。调制信号需要AM,FM或PS调制的解调器,通过电话线的模拟信号被转换成数信号。
[S.编码数据输入装置]
编码数据输入装置(S)读出并存贮由通信数据接收装置(Θ)接收的编码数据,且如果数字信号一旦已转成模拟信号要把它转成数字信号。
[T.解码装置]
编码装置(T)解码来自编码数据输入装置(S)的编码数据,解码方法必须相应于编码方法。如果解码方法未知,不可能知道传输数据的内容。因此,没有恰当的解码软件,数据不能被解码,因此信息对第三方保密,这些在上面已陈述过。解码数据既包括差值图象数据,也包括区域数据,如同在压缩数据存贮装置(O)和区域数据存贮装置(I)中存贮的数据具有相同格式。
[U.差值块恢复装置]
差值块恢复装置(U)根据已被编码的压缩数据(差值图象数据)恢复差值图象,压缩数据包括x分割数M,y分割数N和样条系数{cmn}。在一个块中每个采样点(xi,yj)上的差值色调S(xi,yj)以下式表示 S ( x i , y j ) = Σ n = - 2 N - 1 Σ m = - 2 M - 1 c mn ψ mn ( x i , y j ) - - - ( 39 ) = Σ n = - 2 N - 1 Σ m = - 2 M - 1 c mn N m ( x i ) N n ( y j ) - - - ( 40 )
样条基函数Nm已经陈述过,但下面将再作进一步解释。
差值色调块被逐块恢复,在图象中的所有象素获得具体的差值色调,这种差值色调恢复操作对所有Q块实行。
[V.差值图象恢复装置]
差值图象恢复装置(V)通过在长度方向和交叉方向组合恢复的差值图象块,形成整个差值图象。差值图象具有如此小的色调差和如此小的色调差的变化,所以当这些块被连结时,在连结边界上,不出现块失真。在数据发送侧不把差值图象分成一些块,整个图象已被一口气逼近时,在接收侧用差值块恢复装置(U)和差值图象恢复装置(V)结合成一体的装置,一次恢复整个差值图象。
[W.连续色调图象再生装置]
连续色调图象再生装置(W)通过恢复平均色调图象及把平均色调图象加到已经得到的差值图象上,恢复连续变化色调图象,平均色调图象的再生用下述步骤实现,从编码的区域数据恢复子边界;把子边界连成边界,得到用边界封闭的区域及以平均色调着色此区域。
边界的再生用下列各步完成,这里,要被恢复的区间(子边界)表示为[0,T],它通过T表示被支点和转折点分割的子边界(部分线)的整个长度,由于子边界是通过中间参数表示的,T值并不对应于子边界的实际长度,以任意长度或以固定长度确定T都是可以的。
参数“n”是样条函数的分割数,每个段的长度是T/n,用MT/n表示结点数(M是0到n的整数)在每个采样点ti上的逼近函数的样条基Np仅在从pT/n到(p+3)T/n三个段处有确定值,及在(p+3/2)T/n处有一峰值。Np是最简单的在3个段具有确定值的二次函数,这里ti的下标i被省略,因此,ti可简单地用t表示,而T/n用Δ表示
       Np(t)=0,t≤pΔ.           (41)
       Np(t)=0.5Δ-3(t-pΔ)2,pΔ<t≤(p+1)Δ.    (42)
       Np(t)=0.75Δ-3Δ-3{t-(p+1.5)Δ}2,(p+1)Δ<t≤(p+2)Δ.    (43)
       Np(t)=0.5Δ-3{(p+3)Δ-t}2,(p+2)Δ≤t<(p+3)Δ.(44)
       Np(t)=0,(p+3)Δ<t.(45)
这似乎是困难的,但上面是最简单的二次方程,系数只需要满足在结点上函数本身和它的一次导数在节点上连续,且整体为1,这些简单函数在数据发送侧已被用来逼近边界和差值图象,具体形式已解释过,这里再少许改变一点形式,数据发送侧也已使用同样函数,因为基函数具有平移对称性,即Np(t)=Np-q(t-Δq),所有基函数根据No(t)被简单给出,因为显示子边界的基函数的系数{cxp,cyp}可从所接收的区域数据中得到,边界由下述方程给出。 s x ( t i ) = Σ p = - 2 n - 1 c xp N p ( t i ) - - - ( 46 ) s y ( t i ) = Σ p = - 2 n - 1 c y - p N p ( t i ) - - - ( 47 )
恢复的子边界,读出的转折点和支点建立起边界。再生的边界定义区域,区域和读出的平均色调构成平均色调图象,平均色调色图象和差值色值色调图象之和恢复原始图象。
[X.连续色调图象输出设备]
指定连续变化色调图象的所有参数被计算和再生,最后,恢复的图象必须以具体的形式,例如通过打印机等在一张纸上,或布上输出,而且,按目的可以使用其它不同的输出系统。当然可以按原始尺寸再生图象,因为图象通过计算再生,放大和缩小图象尺寸是可行的,对放大的目标图象可要求用大打印机或一大幅面刻蚀绘图仪(cutting plotter)以外,它不仅可通过打印机在一张纸上打印,而且还可以通过刻蚀绘图仪按模式刻蚀图片。此外,可在大屏幕图象显示器上输出一张大图象。
例如,一图面(layout)编辑器,它能以小到1mm×1mm正方形大到90cm宽和16m长的长矩形大幅面重现图象,能被采用以根据样条基函数的系数再生目标图象,重现的图象被输出,例如用post-script打印机赋予超过600DPI的分辨率。
单色连续色调图象利用已经说明过的从(A)到(X)的装置能够输入,压缩,存储,再生和输出。如果原始图象是一种彩色连续变化色调图象,此彩色图象可分解成3种或4种分量(基色),对每一种分量的颜色执行连续变化色调处理,因此,数据发送侧需要彩色分解装置,用来把彩色图象分解成几种基色图象,另一方面,在数据接收侧需要一种彩色合成装置,用来合成分解的基色图象,这些装置将在后面详述。
[Y.彩色分解装置]
彩色分解装置(Y)用来把彩色图象分解成一些分量彩色图(基色)。有几种方法用来把彩色图象分解成单色分量图象,三基色RGB集(红,绿和蓝)已广泛用来把亮彩色分量图混合成一种均匀的彩色图象,如彩色电视显示或彩色照片,因此,一幅原始彩色图象被分解成3个连续变化色调图象,也就是R连续变化色调图象,G连续变化色调图象和B连续变化色调图象,这些分量图象可同时并行处理或依次相继被处理。
然而,RGB分解法,在R,G,B之间具有强相关的缺点。这对编码并不太合适,而分解成另外三个分量基色YUV是一种较好的替代方案。YUV分解法已被广泛用于彩色信息传输,它是基于用R,G和B接近正交线性结合所给出的3个分量Y,U和V在这种情况下,原始图象被分解成3个色调连续变化的图象,这就是Y连续变化色调图,U连续变化色调图和V连续变化色调图,因为原始彩色图象被分解成Y,U和V3个连续变化色调图,这些单色连续变化色调图象能同时并行或依次相继被处理。
在彩色打印中,四基色分量的分解CMYK(青,品红,黄和黑),在彩色打印中用于加强黑色色调,四个基色图象被输到四个独立图象处理装置中。这些装置具有全部相同的系统,如图1发送侧所示,按每种分量完成逼近处理和编码处理,四个压缩信息集从数据发送侧向数据接收侧传输。
[Z.彩色合成装置]
彩色合成装置是在数据接收侧用于处理彩色图象的装置,彩色分量的所有连续变化色调图象被再生,彩色合成装置合成这些基色的单色连续变化色调图象并输出彩色图,合成必须与分解相对应,有些输出机器能把这些单色连续变化色调图自动地合成一统一的彩色图,在这种情况下,彩色合成装置(Z)可以省略。
从(A)到(X)的装置能处理单色连续变化色调图,一幅彩色图能用从(A)到(Z)的装置处理,最后将说明输出系统,由于一幅图象是以样条函数的系数记录,任意放大和缩小是可行的,而且,对水平方向和垂直方向可以分配不同的放大率。另外,它能够表示任意位置上图象的坐标。因此,包括二值图象例如字符等在内的任何连续变化色调图等,可以在任意位置和以任何尺寸输出。
上述系统能用C++语言程序安装在例如UNIX工作站,或WINDOWS-DOS.
[效果检验用的优选例]
为了验证本发明的性能,本发明方法提供给(A)“SIDBA/GIRL”作为连续变化色调图象,(B)以MS粗黑体字“爱”作为二值色调图象的例子。图7(a)显示了“GIRL”的原始图象,而图7(b)是“爱”的原始图象。
[A.例1:GIRL]
本发明能用一参数指示一幅恢复图象的质量,当原始图象的质量和恢复图象的质量被置于30dB(p-p/rms.)时,实验结果被显示,当图象保持恢复图象质量为30dB而编码时,显示出数据量的位率是1.98(bit/pixel)。由于原始图象用8(bit/pixel)表示,数据压缩约25%,对例1“GIRL”变成约129761位,这是减少到的实际数据量,当加上错误(error)编码位时实际发送的数据量小于20000字节,这里1字节=8位。
为传送数据,有各种类型的线路,例如,电话线,专用线,袖珍电话等,传送所需的时间随介质而异,当使用电话线时,例如标准调制解调器,现装在个人计算机中销售的,具有传输速率为28,800(bps),如果使用这种调制解调器,向数据接收侧传输20,000字节的图象“GIRL”的压缩数据,化费5秒钟。
数字专用线如ISDN是现代流行的,如果使用具有38000bps通信速率的ISDN,向对方传送同样的图,化费约4秒钟。
数字便携式电话享有9600bps的通信速率,当使用这种数字便携式电话时,图象数据传送到对方,化费约15秒钟。
图8(a)显示了在接收侧的再生图象,该再生图象忠实于原始图象,该例设置30dB图象质量,而40dB的图象质量亦是可得到的,图9显示了在40dB图象质量的情况下恢复的图象,这更加忠实于原始图象。它们之间没有上下之分,图8和图9是尺寸相同于原始图象,而且,本发明能放大和缩小图象的尺寸。
图10(a)是在减小尺寸情况下恢复的图象,图10b是相同尺寸恢复的图象,而图10(c)是在放大尺寸情况下恢复的图象,如这些图所示,因为这些图象是通过计算依靠压缩数据提供的,且通过计算根据压缩数据再生的图象,图象可被自由放大和缩小
[B.例2:爱(二值色调图象)]
本发明的主要目的是处理色调连续变化的图象,当然本发明能处理二值色调图象,二值色调图象比连续变化色调图象更为简单,二值色调图象的处理以同连续变化色调图象的处理相同的方式来处理,当图象根据不同色调差分割成很多区域时,区域仅有二个色调值,边界同确定图、字符之类的轮廓相重合,差值图象有均匀的色调,因此,处理被简化,处理时间变短,表示逼近结果的数据量小,然而,本发明不同于仅针对处理二值色调图象的日本专利公开No.6-83952和No.6-96191。在这些现有文件中,坐标点取在象素的中心,所以轮廓通过象素的中心,如果形成差值图象,在边界上出现强突变,用本发明的通信装置发送和接收“爱”的例子将于以说明。这里,“爱”用粗黑字体字符印刷,示于图7(b),在“爱”的对角线方向上出现锯齿线。
在这时,原始图象用256×256个象素表示所以,在对角线方向出现锯齿形轮廓。当用本发明处理“爱”时,压缩的数据量是0.22bit/pel。由于在原始图象中,每个象素的位数是1bit/pel,数据压缩到约22%,实际数据量是14418位,当错误编码位加到压缩数据上时,数据量为16000位(2000字节)。这是二值色调例通信的数据。
当使用电话线时,例如,安装的标准调制解调器的传送速率是28800bps,要化费0.6秒时间传送“爱”数据。当采用38400bps传送速率的ISDN时,传送这些数据要化费约0.4秒,这个时间比用电话线短。如果使用9600bps传送速度的便携式电话线,传送同样的数据变化约1.5秒。
图8(b)显示“爱”的再生图象,在“爱”的原始图象的倾斜线上出现的锯齿线消失了。本发明把锯齿线改进成光滑线,因为本发明是通过计算逼近原始图象,而且通过计算再生图象。再生的图象比原始图象有相当的提高,这是一个意义重大的发明,还从未有过像本发明这样的优秀发明。
本发明能读取色调连续变化图象,减少数据量,和传送此减少的数据,不需要传送位图形式或DCT方式的数据,因为本发明能通过样条基函数,忠实于原图地重现连续变化色调图,保持图象质量。
本发明的实施不仅容易传送,而且容易再生。根据发送的数据,可以用任意尺寸再生原始图象,图象的放大和缩小不是针对位图实现,而是通过函数计算。因此,易于获得优秀图象质量的放大和缩小图象。
本发明在传输时间上是占优势的,由于计算机硬件一天一天发展,本发明和传真之间传输时间上无多大区别。然而,在图象质量方面,本发明优于传真。传真不能传送如要求极端高质量图象的块拷贝打印。在现在,这种块拷贝打印习惯上通过邮件发送,本发明通过电话线,专用线,便携电话等发送这些块拷贝打印。在发送时间上本发明比邮件是显著减少了。这是一个杰出的发明。

Claims (4)

1.用于色调连续变化图象的通信设备,包括:数据发送侧,数据接收侧和在数据发送侧和数据接收侧之间传送数据的传输系统;
数据发送侧包括:
图象存贮装置,用于通过光学读入装置,如图象扫描仪,数码相机,读入色调连续变化的图象数据,取自图象数据库输出的色调连续变化图象或直接输入色调的连续变化的图象数据,以及在图象平面上,取按水平方向和垂直方向排列的各个象素的中心所对应的坐标点的象素色调,来记录色调连续变化的图象;
区域分割装置把输入的色调连续变化图象分成很多的区域,属于同一区域的象素间的色调差小于临界值,而相邻区域间的色调差大于临界值,以及计算每个区域中象素的平均色调;
边界提取装置根据定义在象素角点上的一系列其它坐标点,提取分割相邻区域的边界;
分支点提取装置,用来提取一些点作为分点,这些点在边界提取装置提取的边界上同3个或3个以上的区域相接触;
边界存贮装置用来存贮由分支点分割的边界区面上各点的二维坐标(x,y);
转折点提取装置提取一些点作为折转点,在这些点上,边界区间以超过规定值的角度转折,转折点把边界区域分成很多子边界;
边界逼近装置,用单变量样条函数(其中的t是一个中间自变量,x,y是因变量)来逼近由分支点或转折点分割的每个子边界上的一系列点,及用最小二乘方误差法或双规一正交函数法,重复逼近每个子边界,直到误差小于临界值,从而产生一系列点的逼近函数;
区域数据存贮装置,用来存贮子边界的逼近函数的信息和子边界对区域关系的信息;
差值图象生成装置对所有象素从输入图象中减去平均色调图象,以形成差值图象;
差值图象存贮装置,用来存贮差值图象中在x方向和y方向排列的象素的差值色调;
差值图象分割装置把差值图象分成很多块;
差值块存贮装置用来存贮对应于x方向和y方向排列的象素的每个块的差值色调;
数据逼近装置用双变量样条函数逼近差值块图象,以及通过重复最小二乘法或双归一正交函数法产生每块的逼近函数直到误差小于临界值作为压缩数据;
压缩数据存贮装置用来存贮差值图象逼近函数的参数;
编码装置用来对压缩数据进行编码;
编码数据输出装置用来输出编码数据;和
编码数据存贮装置用来存贮编码数据;
传送系统包括:
通信数据生成装置;
通信数据发送装置;
数据传送介质;
通信数据接收装置;及
编码数据输入装置;
数据接收侧包括:
解码装置,通过解码被编码输入的数据来恢复压缩的数据;
差值块恢复装置用来从压缩数据中再生差值块图象;
差值图象恢复装置,通过集合所有差值块,恢复整个差值图象;
连续色调图象再生装置,通过恢复区域,形成平均色调图象,及把平均色调图象加到差值色调图象上,再生色调连续变化图象;及
连续色调图象输出装置,用来输出已恢复的色调连续变化图象。
2.用于色调连续变化图象的通信设备,包括:数据发送侧,数据接收侧和在数据发送侧和数据接收侧之间传送数据的传输系统;
数据发送侧包括:
图象存贮装置,用于通过光学读入装置,如图象扫描仪,数码相机,读入色调连续变化的图象数据,取自图象数据库输出的色调连续变化图象或直接输入色调连续变化的图象数据,以及在图象平面上,取按水平传送系统包括:
通信数据生成装置;
通信数据发送装置;
数据传送介质;
通信数据接收装置;及
编码数据输入装置;
数据接收侧包括:
解码装置,通过解码被编码输入的数据来恢复压缩的数据;
差值图象恢复装置,用来从压缩数据中再生差值色调图象;
连续色调图象再生装置,通过恢复区域,形成平均色调图象,并把平均色调图象加到差值色调图象上,再生色调连续变化图象;及
连续色调图象输出装置,用来输出已恢复的色调连续变化图象。
3.用于彩色图象的通信设备,包括:数据发送侧,数据接收侧和在数据发送侧和数据接收侧之间传送数据的传输系统;
数据发送侧包括:
彩色图象存贮装置,用于通过光学读入装置,如图象扫描仪,数码相机,读入彩色图象数据,从图象数据库取得彩色图象或直接输入彩色图象数据,以及在图象平面上,取按水平方向和垂直方向排列的各个象素的中心所对应的坐标点的基色色调,来存贮输入彩色图象的基色的连续变化色调;
彩色分解装置,用来把输入图象数据分解成很多基色图象,并产生基色连续变化色调的数据;
图象存贮装置,在图象平面上,取按水平方向和垂直方向排列的各个象素的中心所对应的坐标点的象素色调,来存贮通过彩色分解装置分解的基色图象的象素色调;
区域分割装置根据象素间的色调差,把每个色调连续变化的基色图象分成很多区域,属于同一区域色调差小于一临界值,而相邻区域间的色调差大于临界值,以及计算每个区域中象素的平均色调;
边界提取装置根据定义在象素角点上的一系列其它坐标点,提取分割相邻区域的边界;
区域分割装置把输入的色调连续变化图象分成很多的区域,属于同一区域的象素间的色调差小于临界值,而相邻区域间的色调差大于临界值,以及计算每个区域中象素的平均色调;
边界提取装置根据定义在象素角点上的一系列其它坐标点,提取分割相邻区域的边界;
分支点提取装置用来提取一些点作为分支点,这些点在边界提取装置提取的边界上同3个或3个以上的区域相接触;
边界存贮装置用来存贮由分支点分割的边界区间上各点的二维坐标(x,y);
转折点提取装置提取一些点作为转折点,在这些点上,边界区间以超过规定值的角度转折,转折点把边界区域分成很多子边界;
边界逼近装置,用单变量样条函数-其中的t是一个中间自变量而x,y是因变量-来逼近由分支点或转折点分割的每个子边界上的一系列点,及用最小二乘方误差法或双规一正交函数法,重复逼近每个子边界,直到误差小于临界值,从而产生一系列点的逼近函数:
区域数据存贮装置用来存贮子边界的逼近函数的信息和子边界对区域关系的信息;
差值图象生成装置,对所有象素从输入图象中减去平均色调图象,以形成差值图象;
差值图象存贮装置用来存贮差值图象中在x方向和y方向排列的象素的差值色调;
数据逼近装置用双变量样条函数逼近差值色调图象,以及通过重复最小二乘方法或双归一正交函数法,产生差值色调图象的逼近函数,直到误差小于临界值,作为压缩数据;
压缩数据存贮装置用来存贮差值图象逼近函数的参数;
编码装置用来对压缩数据进行编码;
编码数据输出装置用来输出编码数据;和
编码数据存贮装置用来存贮编码数据;
分支点提取装置,用来提取一些点作分支点,这些点在边界提取装置提取的边界上同3个或3个以上区域相接触;
边界存贮装置,用来存贮由分支点分割的边界区间上各点的二维坐标(x,y);
转折点抽取装置,抽取一些点作为转折点,在这些点上,边界区间以超过规定值的角度转折。转折点把边界区域分成很多子边界;
边界逼近装置,用单变量样条函数-其中的t是一个中间自变量而x,y是因变量-来逼近由分支点或转折点分割的各个子边界上的一系列点,及用最小二乘方误差法或双规一正交函数法,重复逼近每个子边界,直到误差小于临界值,从而产生一系列点的逼近函数;
区域数据存贮装置,用来存贮子边界的逼近函数的信息和子边界对区域关系的信息;
差值图象生成装置,对所有象素从输入图象中减去平均色调图象,以形成差值图象;
差值图象存贮装置,用来存贮差值图象中在x方向和y方向排列的象素的差值色调;
差值图象分割装置把差值图象分成很多块;
差值块存贮装置,用来存贮对应于x方向和y方向排列的象素的每个块的差值色调;
数据逼近装置用双变量样条函数逼近差值块图象,以及通过重复最小2乘方法或双归一正交函数法产生每块的逼近函数,直到误差小于临界值,作为压缩数据;
压缩数据存贮装置用存贮差值图象逼近函数的参数;
编码装置用来对压缩数据进行编码;
编码数据输出装置用来输出编码数据;和
编码数据存贮装置用来存贮编码数据;
传送系统包括:
通信数据生成装置;
通信数据发送装置;
数据传送介质;
通信数据接收装置;及
编码数据输入装置;
数据接收侧包括:
解码装置,通过解码被编码输入的数据来恢复压缩的数据;
差值块恢复装置,用来从压缩数据中再生差值块图象;
差值图象恢复装置,通过集合所有差值块,恢复整个差值图象;
连续色调图象再生装置,通过恢复区域,形成平均色调图象,及把平均色调图象加到差值色调图象上,再生色调连续变化图象;及
连续色调图象输出装置,用来输出已恢复的色调连续变化图象。
4.用于彩色图象的通信设备,包括:数据发送侧,数据接收侧和在数据发送侧和数据接收侧之间传送数据的传输系统;
数据发送侧包括:
彩色图象存贮装置,用于通过光学读入装置,如图象扫描仪,数码相机,读入彩色图象数据,从图象数据库取得彩色图象或直接输入彩色图象数据,以及在图象平面上,取按水平方向和垂直方向排列的各个象素的中心所对应的坐标点的基色色调,来存贮输入彩色图象的基色的连续变化色调;
彩色分解装置,用来把输入图象数据分解成很多基色图象,并形成基色色调连续变化的数据;
图象存贮装置,在图象平面上,取按水平方向和垂直方向排列的各个象素的中心所对应的坐标点的象素色调,来存贮通过彩色分解装置分解的基色图象的象素色调;
区域分割装置,根据象素间的色调差,把每个色调连续变化的基色图象分成很多区域,属于同一区域色调差小于一临界值,而相邻区域间的色差大于临界值,以及计算每个区域中象素的平均色调;
边界提取装置,根据定义在象素角点上的一系列其它坐标点,提取分割相邻区域的边界;
分支点提取装置,用来提取一些点作分支点,这些点在边界提取装置提取的边界上同3个或3个以上区域相接触;
边界存贮装置,用来存贮由分支点分割的边界区间上各点的二维坐标(x,y);
转折点抽取装置,抽取一些点作为转折点,在这些点上,边界区间以超过规定值的角度转折,转折点把边界区域分成很多子边界;
边界逼近装置,用单变量样条函数-其中的t是一个中间自变量而x,y是因变量-来逼近由分支点或转折点分割的各个子边界上的一系列点,及用最二乘方误差法或双规一正交函数法,重复逼近各个子边界,直到误差小于临界值,从而产生一系列点的逼近函数;
区域数据存贮装置,用来存贮子边界的逼近函数的信息和子边界对区域关系的信息;
差值图象生成装置,对所有象素从输入图象中减去平均色调图象,以形成差值图象;
值图象存贮装置,用来存贮差值图像中在x方向和y方向排列的象素的差值色调;
数据逼近装置,用双变量样条函数逼近差值色调图象,以及通过重复最小二乘方法或双规一正交函数法,产生差值色调图象的逼近函数,直到误差小于临界值,作为压缩数据;
压缩数据存贮装置用来存贮差值图象逼近函数的参数;
编码装置用来对压缩数据进行编码;
编码数据输出装置用来输出编码数据;和
编码数据存贮装置;用来存贮编码数据;
传送系统包括:
通信数据生成装置;
通信数据发送装置;
数据传送介质;
通信数据接收装置;及
编码数据输入装置;
数据接收侧包括:
解码装置,通过解码被编码输入的数据来恢复压缩的数据;
差值图象恢复装置,用来从压缩数据中再生差值色调图象;
连续色调图象再生装置,通过恢复区域,形成平均色调图象,并把平均色调图象加到差值色调图象上,再生色调连续变化图象;及
彩色合成装置,用来把一些基色连续变化色调图象合成一个均匀颜色图象;
彩色图象输出装置,用来输出均匀彩色图象。
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