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基于误差修正的自适应边缘保持图像插值

2021-08-13 来源:画鸵萌宠网
第21卷第2期 计算机技术与发展 VoI.2l No.2 2011年2月 C0MPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT Feb.2Ol1 基于误差修正的自适应边缘保持图像插值 申利平 ,李开宇 (1.中国民航大学工程技术训练中心,天津30o300; 2.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016) 摘要:传统插值算法容易产生细节模糊和边缘锯齿效应,而边缘是图像的重要信息,直接影响插值图像的视觉效果。为 了解决这一问题,提出了一种新的基于误差修正的自适应边缘保持插值算法。首先将原图像向插值图像进行映射,再定 义一个3x3的滑动窗口,用水平和垂直两个模板确定边缘类型,根据边缘类型进行插值,最后对仍未定义像素点用插值误 差定理进行处理,总体上对所有像素都进行了分情况插值处理。实验结果表明,本算法有效地保持了图像的边缘信息,能 够获得视觉质量较好的插值图像,且算法比较简单,容易实现。 关键词:图像插值;边缘;误差修正 中圈分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2011)02—0l16—04 Adaptive Edge-Preserving Image Interpolation Based on Error Correction SHEN Li—ping .LI Kai—yu (1.Engineering Technical Training Center,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China; 2.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China) Abstract:Conventional interpolation algorithms suffer visually the effects of blurred details and jagged artifacts in image to some extent. Edges are important to an image and have direct effect on interpolation images.To solve these problems,a new algorithm for image in— terpolation based on error correction was proposed.Firstly,map the original image to the interpolation image.Then define a 3x3 sliding window and decide the type of edges using a horizontal and a vertical edge masks,inteqagato the iIn自ge according to the types of edges. Finally,evaluate the undefined pixels using interpolation error hteorem.Experimental results show that hte proposed method effectively maintains the edge information and carl obtain better visual quality of interpolated images.1’he algorithm is simple and easy to imple— ment. Key words:image interpolation;cdg ;error correction O 引 言 边缘会出现模糊或锯齿现象。缩放后图像的边缘对一 图像插值已广泛应用于数字图像处理领域的很多 幅图像质量的好坏十分重要。为了保持良好的边缘特 方面,这些应用包括为适应特殊显示设备如液晶显示 性,出现了很多基于边缘的插值算法H“ 。例如文献 屏、等离子彩电、数字高清晰度电视等而进行图像分辨 [8]通过计算插值点邻域多个方向的相关性,在相关 率的转换;为使用户专注于图像的某个细节或获得图 性最大的方向插值,文献[11]给出了一种新的边缘方 像的整体概貌而进行图像的缩放;为进行图像几何变 向插值算法,文献[12]用矢量量化逼近的方法放大图 换进行图像的重采样等…。 像,以上这些算法一定程度上改善了图像边缘的模糊 传统的插值方法,如最近邻插值、线性插值、立方 效应,但都存在算法复杂、运算速度慢的缺点。受文献 插值、样条插值算法 及对Catmull—Rom样条进行的 [12]启发,文中提出了一种新的基于误差修正的自适 改进算法 等简单,容易实现。但这些算法在物体的 应边缘保持插值算法。 此算法首先将原图像向插值图像进行映射,再用 收稿日期:2010—06—10:修回日期:2010—09—10 水平和垂直两个模板确定边缘类型,根据边缘类型进 作者简介:申利平(1981一),女,河北邢台人,助教,研究方向为数字 行插值,最后对仍未定义像素点用插值误差定理进行 信号处理、数字图像处理;李开宇,博士,副教授,研究方向为数字信 处理,算法简单,容易实现,一定程度上改善了传统算 号处理、数字图像处理和数据采集。 法的不足。 第2期 申利平等:基于误差修正的自适应边缘保持图像插值 .117. 1 插值误差定理及误差修正方法 为了方便插值算法的描述,首先介绍一下插值误 其定义如下: 差定理及误差修正方法 。 1.1插值误差定理 cL + 一丁 一丁 1/2:一 ÷:一 由上式无法直接得到误差修正值C 以用下式近似计算得到: ,1 1+Ui+1 ㈤ (o J ,但是可 误差修正值就是连接图1中两圈点的垂直距离。 插值误差定理在数值方法课程中定义如下: 设区间被分割为{n=‰< 。<…< =b},Ⅳ 次多项式P 在插值节点处插值 。如果对每一个 ∈ [n,b],u ’( )存在,则存在一个点 E[o,b],使 得: L£:/Z 一———_::■—一 c = 。一 (7) )+ 煮 ) (1) 例如:因为u = +C ,对某 E( , 根据这个定理,当N=1时,对两点 。和 。+h, 存在一点 ∈[ 。, 。+h],使得: ( ): ( 。)+竺 兰o_ ( 一 。)+ ( 一 。)( 一( 。+ )) (2) 对于 = 。+÷ ,(k为整数(k 2), =1,…, k一1), ∈( 0, 0+^),有: “( +÷ )=(1一士)u( )+寺u( 。+ )一 (3) 特别的,当k=2且J=1时,即 。∈( 。, 。+h), 上述恒等式变为: ( 。十h/2):兰 — 一 2 4(4)、。/  即在两点 。和‰+h之间插入一点H(‰+h/2)。 1.2误差补偿方法 以一维信号u为例,如图1所示,取P∈( , ), 为待估计值,令P为 和 的中点: P= l+l/2=( + +1)/2 -l {+2 图1 一维信号插值示意图 令u =u( ),且对所有i,有 一 =1,由公式 (4)可得: ( +。 ):兰学+c +。 (5) 其中c 为误差修正值,对某一 。∈( , ), ),从公式(4)可得: c 一丁 一T 一 荨:一 ( )8) 假设二阶偏导数u 在( , )之问变化不大, 从式(6)和式(8)可得: c c 由此可见,可以用c 和C 作为信号u的插值误 差修正值。对一维信号插值进行误差修正可归纳如 下: (Xi+I/2)一 + 1 ̄minmod(CL,CR) (9) 其中C 和C 按下式定义: minmod(Ⅱ,b)= r口,if ab>0 and I nI l bI {b,if ab>0 and 1 0 I>I b l 【 0.if。b Minmod决定了误差修正的方向,当C 和c 符号 不同时,( , )之间不包含边缘或变形点,这样线 性插值算法就能准确地估计u( )¨3 。 2文中算法介绍 以上介绍了误差修正方法,文中提出的图像放大 算法就是基于误差修正的。整个图像放大过程主要分 以下三步: 第一步,将原始图像Io(n×n)放大为 ((2n一1) ×(2n一1)),如图2所示。 ● ● ● ● o ● o ● ● ● ● O O o O o ● ● ● ● o ● o ● 0 o o o o o ● o ● o ● iz 图2原图像,0和放大图像,z ・118・ 计算机技术与发展 第21卷 ( √)代表原图像的第i行第.『列, (z, )代表 放大图像的第z行第k列,这个映射过程 :, 一, 可 描述如下: ( ( , ))= (Z,k)=Iz(2i一1,2j~1) i,J=1, 2,・・・,n 经过这个过程,放大图像, (z,k)坐标l、k中至少 一f l ,if I,ifJ 一小卜 一 n一 【_1 R I>TH。,则判定滑动窗 个为偶数的像素点(即图2中白色圆点)为待插值 像素点,将在后续过程中被赋值。 (2.3)如果l 为水平边缘块,定义 第二步,图像中是否存在边缘对插值质量十分重 要,定义一个3x3的滑动窗口(见图3),4个黑色圆点 代表已定义像素,其它未定义,分别用一个水平模板 和垂直模板 检测图像中是否包含边缘(见图 4)。图4(c)中四个字母代表放大图像,,滑动窗口中 的4个已定义像素。 a B b ● o ● C A D o o o c E d ● 0 ● 图3 滑动窗口 .1 .1 1 1 (a) (b)M (c)z 图4边缘模板和滑动窗z 确定未定义像素时,需要判断滑动窗中是否含有 边缘及所包含的边缘类型 : (1)女口果Max(口,b,c,d)一Min(0,b,C,d)<TH, 则判定滑动窗为非边缘块,d~ d~ 定义 A=(a+b+C+d)/4,B:(Ⅱ+A+b)/3, C=(Ⅱ+A+c)/3,D=(b+A+d)/3, E=(C+A+d)/3, 其中Max和Min分别为已知像素o,b,C和d的最 大值和最小值, 为阈值; 4 . .(2)令 胁=J∑ x },zi和Mh 分别代表滑动 窗z和边缘模板 的第i个像素值,令R : 4  .I∑ × J. ,z 和 分别代表滑动窗Z和边缘模板 的第i个像素值,根据Rm和 的计算结果来判定 滑动窗所包含的边缘类型: (2.1)如果I尺 I和1 R ,I均大于一个阈值 THd,则判定滑动窗为对角边缘块,定义A=(n+ d)/2。 (2.2)如果I I R l_I R 1 I<TH ,则判定滑动 A=(口+b)/2,B=(a+A+b)/3, C=(0+A+B)/3,D:(A+B+b)/3。 (2.4)如果l R I—I R I>TH ,则判定滑动窗 为垂直边缘块,定义 A:(0+c)/2,B=(CI,+A+C)/3, C=(n+A+c)/3,E=(A+C+C)/3。 第三步,用误差修正的方法对至少有一个坐标为 奇数的未定义像素点进行插值。 先对放大图像 (Z,k)进行奇数行扫描,未定义像 素用误差修正定理进行行插值处理,再对其进行奇数 列扫描,未定义像素点用误差修正定理进行列插值处 理。对于坐标均为偶数的未定义像素点,沿对角线方 向进行误差修正,至此,放大图像,:(z,k)中所有像素 点均被定义。 3实验结果分析 选用了3幅分辨率为512 ̄512的Lena、Couple和 Zelda标准图像作为原始图像,对原始图像进行降采样 得到低分辨率图像,然后分别用不同插值方法对低分 辨率图像进行插值实验,得到原始图像大小的插值图 像,将插值图像与原图像分别从客观和主观两个角度 进行比较。通常采用峰值信噪比(PSNR)作为客观评 价标准。比较结果见表1。 其中最佳阈值参数TH,、掰 、 、THi经实验 得出分别为75,5,5和250。 表1 各种插值算法结果比较(eSNn) 最近邻插值 双线性插值 双立方插值 文中算法 Lena 28.2959 29.6172 31.5444 32.9927 Couple 23.5299 23.6905 26.548l 26.7632 Zelda 32.1927 33.5199 33.4129 33.9984 图5和6分别是Lena局部(256 ̄256)和文字图像 “永”字(128 ̄128)几种插值算法的视觉效果比较,可 以看出,文中插值算法,边缘块状效应、锯齿效应明显 减少,整体视觉效果比传统插值算法更好,Lena局部 图像帽子边沿处、头发处及“永”字的一撇和一捺等边 第2期 申利平等:基于误差修正的自适应边缘保持图像插值 ・1l9・ 缘处都比较清晰,有效地保留了图像的细节和纹理特 征。 4 结束语 文中提出的插值方法,用两个边缘模板来检测原 图像中是否含有边缘,并确定边缘类型,进而分情况进 行插值,充分利用了低分辨率图像的局部边缘信息,另 (a)原始图像 (b)降采样图像 水一、水外,对经前两步骤仍未定义的像素点用误差修正的方 法进行处理,这样使得每一种像素点都有适合的定义 (c)最近邻插值 (d)双线性插值算法 ■■ (e)双立方插值算法 (f)文中的插值算法 图5 Lena局部几种插值效果比较 、 水 (b)降采样图像 (d (e)双立方插值算法 (f)文中的插值算法 图6“永”字几种插值效果比较 方法,消除了插值图像产生的锯齿和模糊现象,保持了 图像的边缘特征,获得了很好的插值效果。 参考文献: [1]王效灵,陈涛,汪颖,等.边缘自适应图像缩放算法 [J].浙江大学学报(工学版),2006,40(9):1507—1510. 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