基于图像中像素点方向的图像缩放方法

摘要

本发明公开了一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法，其具体步骤如下：(1)、输入原始图像；(2)、计算原始图像的能量；（3）、计算原始图像中各像素点处的方向；(4)、根据图像中各像素点处的方向，确定图像中的缝隙；（5）、计算图像中缝隙的能量值，选取出能量值最小的N条缝隙,删除能量值最小的N条缝隙，得到缩放后的图像。该方法在图像缩放过程中利用各像素点处的方向，一次得到多条图像中缝隙，能提高缩放运行速度；其次，该方法采用的优先级窗口能自动处理缝隙的交叉问题，抑制相交的缝隙的形成；本发明的缩放方法与Rubinstein等人提出的缩放方法相比较，本发明的图像缩放运行速度有了明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及图像缩放处理技术领域，具体涉及一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法。

背景技术

随着多媒体技术的飞速发展，手机、宽屏电视、巨型LED等视频显示窗口尺寸大小不同的显示设备在我们的生活中应用日益普遍，人们要求显示图像的大小适应显示设备的显示窗口大小，同时要求图像中的关键内容能够清晰显示，Shai Avidan和Ariel Shamir等人在2007年3月出版的计算机协会图形学报第26卷第3期上发表的“用切缝法进行基于内容的图像缩放”一文，该文提出了基于图像内容的切缝法，通过找图像中能量最小的缝隙，将找到的缝隙上所有的像素点删除(或复制)以实现图像尺寸的减小(或增大)，该方法提出了一种新的图像缩放方法和缝隙的概念，但是图像缩放的结果容易产生失真，并且缩放运行时间长。

Rubinstein等人在2008年8月出版的计算机协会图形学报第27卷第3期上发表的“适用于视频自适应的改进的缝切割算法”一文，该算法公开了图像中缝隙的移除对图像而言可能引入新的能量，将引入的新的能量称作前向能量，求解使前向能量最小的缝隙，该缩放方法具体步骤如下：

（1）为图像中每一个像素点定义一个能量值，能量值反映了该像素点的重要性，能量越大的点越重要；

（2）从图像中寻找一条使引入的能量最小的垂直(或水平)缝隙，其中垂直(或水平)缝隙是指图像中一条自上向下(或自左向右)的曲线，图像中的每一行(或列)有且仅有一个像素点在这条曲线上，且曲线上任何相邻两行的像素点是邻接的，缝隙的能量被定义为缝隙上所有像素点的能量之和；

（3）将图像中缝隙上所有的像素点删除或复制以实现图像尺寸的减小或增大； 

（4）重复上面的步骤直至得到所需尺寸的图像，该方法的图像缩放效果不错，但是在求解缝隙时采用动态规划的方法，每求解一条缝隙就要做一次动态规划，因此当图像尺寸改变较大时，会花费较多的时间。

综上所述，现有的基于缝隙的图像缩放方法存在图像缩放效率不高，花费的时间较多的问题，影响了缝隙的图像缩放技术的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法，该方法能够在保证图像缩放质量的情况下，减少缩放运行时间，提高图像缩放效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法，其具体步骤如下：

(1)、输入原始图像；

(2)、计算原始图像的能量；

（3）、计算原始图像中各像素点处的方向；

(4)、根据图像中各像素点处的方向，确定图像中的缝隙；                                                     

（5）、计算图像中缝隙的能量值，选取出能量值最小的                                                条缝隙，删除能量值最小的条缝隙，得到缩放后的图像。 

上述步骤(2)所述的计算原始图像的能量，其步骤如下：

首先，将图像转化为灰度图像，然后，计算灰度图像的梯度幅值，其计算式为：

                                      (1)                                                    

其中，表示图像的能量， 、表示像素点坐标，表示灰度图像，表示绝对值符号， 、表示图像分别在，方向上的偏导数，图像的能量中对应像素点位置的能量值就是每个像素点的能量值。

上述步骤(3)所述的计算原始图像中各像素点处的方向，其具体步骤如下：

（3-1）、计算图像中各像素点处的梯度方向，其计算式为：

                                      (2)

其中， ，，、表示图像分别在，方向上的偏导数，表示求反正切，表示像素点坐标处的梯度方向；

（3-2）、计算图像中各像素点处的方向，其计算式为：

            (3)

其中，表示像素点坐标处的梯度方向，是将梯度方向转为切线方向，是将所有的切线方向都指向水平线以下，表示像素点坐标处的方向。

上述步骤(4)所述的根据图像中各像素点处的方向，确定图像中的缝隙，其具体步骤如下：

（4-1）、定义图像中的缝隙，其具体如下：

定义垂直方向上的缝隙，其表达式为：

           （4）

  其中，代表图像中的缝隙，分别代表垂直方向和水平方向上的映射， 分别对应原始图像的高和宽，表示绝对值符号；

定义水平方向上的缝隙，其表达式为为：

            （5）

     其中，代表图像中的缝隙，分别代表垂直方向和水平方向上的映射， 分别对应原始图像的高和宽，表示绝对值符号；

（4-2）、设图像中第一行的每个像素点分别为每一条缝隙的起点；

（4-3）、利用优先级窗口找到图像中缝隙的下一像素点：

（4-3-1）、定义图像中的优先级窗口： 

定义图像中的优先级窗口为一个2*5的矩阵窗口，矩阵窗口中第2行的元素分别为：5、3、1、2、4，代表该元素位置具有的不同的优先次序，其中，最高优先次序为1，2、3、4、5的优先次序依次降低，最低优先次序为5；

（4-3-2）、确定优先级窗口在图像中的位置：

若起点的方向指向其左下方的像素点，那么起点在优先级窗口中位于第1行第4列的位置；

若起点的方向指向其正下方的像素点，那么起点在优先级窗口中位于第1行第3列的位置；

若起点的方向指向其右下方的像素点，那么起点在优先级窗口中位于第1行第2列的位置；

确定起点在优先级窗口中的位置，则确定优先级窗口在图像中的位置；

（4-3-3）、确定形成图像中缝隙的下一像素点的位置：

在优先级窗口中，设定最高次序元素1在图像中的位置所处的像素点是形成缝隙的下一像素点，然后，判断优先次序元素1在图像中的位置是否被图像中的其它缝隙占据； 

如果最高次序元素1在图像中的位置没有被图像中的其它缝隙占据，则最高次序元素1在图像中的位置所处的像素点是形成缝隙的下一像素点；

如果最高次序元素1在图像中的位置是被其它缝隙占据，那么元素2在图像中的位置处的像素点是形成缝隙的下一像素点； 

如果优先次序元素2在图像中的位置被其它缝隙占据，那么元素3在图像中的位置处的像素点就是形成缝隙的下一像素点；

如果优先次序元素3在图像中的位置被其它缝隙占据，那么元素4在图像中的位置处的像素点就是形成缝隙的下一像素点；

如果优先次序元素4在图像中的位置被其它缝隙占据，那么元素5在图像中的位置处的像素点就是形成缝隙的下一像素点；

如果优先级窗口中第2行的5个元素位置在图像中均被其它缝隙占据，那么终止确定形成图像中缝隙的下一像素点的位置，利用优先级窗口找图像中其它缝隙的下一像素点；

（4-4）、确定图像中的缝隙：

判断图像中缝隙的下一像素点是否在图像中的最后一行，若找到的图像中缝隙的下一像素点不在图像中的最后一行，则以图像中缝隙的下一像素点为起点，转步骤（4-3-2）确定优先级窗口在图像中新的位置；若找到的图像中缝隙的下一像素点在图像中的最后一行，则所有找到的像素点形成图像中一条缝隙，同理，重复上述步骤，利用优先级窗口找到图像中其它缝隙的下一像素点，确定图像中其它缝隙。

上述步骤（5）所述的计算图像中缝隙的能量值，选取出能量值最小的条缝隙，删除能量值最小的条缝隙，得到缩放后的图像，其具体步骤如下：

（5-1）、计算图像中缝隙的能量值，其计算式为：

                      （6）

     其中，表示图像中的缝隙，表示缝隙上的第个像素点，表示缝隙上的第个像素点的能量值，表示缝隙上像素点的总数，表示缝隙的能量值；

（5-2）、设分别为原始图像的高和宽，分别为需要得到的目标图像的高和宽，那么选取出能量值最小的条缝隙,其表达式为: ，其中， 为原始图像的宽，为目标图像的宽，为选取出的需要删除的缝隙的条数,将所有图像中的缝隙的能量值按升序排列，能量值最小的条缝隙为所要删除的缝隙；

（5-3）、删除图像中缝隙，得到缩放后的图像，其具体步骤如下：

（5-3-1）、设是一条需要删除的图像中缝隙；

（5-3-2）、从图像的第一行开始找出中属于图像的第行的像素点所处的位置，其中，，为原始图像的高；将图像的第行的像素点所处的位置右边的像素点逐个向左移动一个单位，删除图像第列的所有像素点；完成后，图像的宽度减少一个，图像的宽度变为；

（5-3-3）、同理，对其余要删除的图像中缝隙按步骤（5-3-2）同样的操作，图像的宽度就减少，图像的宽度变为，该图为从原始图像中删除条低能量缝隙后的缩放图像。

本发明的一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法与现有的技术相比较，具有如下优点：该方法在图像缩放过程中利用各像素点处的方向，一次得到多条图像中缝隙，能提高缩放运行速度；其次，该方法采用的优先级窗口能自动处理缝隙的交叉问题，抑制相交的缝隙的形成；图像缩放实验表明，本发明的缩放方法与Rubinstein等人提出的缩放方法相比较，本发明的图像缩放运行速度有了明显提高。

附图说明

图1是本发明的一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法的流程图；

图2是本发明的图像缩放方法步骤（4）的流程图；

图3是本发明的图像缩放方法步骤（5）的流程图；

图4(a)是图像中的起点的方向指向其左下方的像素点的优先级窗口示意图；

图4(b)是图像中的起点的方向指向其正下方的像素点的优先级窗口示意图；

图4(c)是图像中的起点的方向指向其右下方的像素点的优先级窗口示意图；

图5(a)、图5 (b)是步骤（1）中输入的原始的风景图像和人物图像； 

图6(a)、图6 (b)是步骤（5）中得到的缩放后的图像；

图7(a)、图7 (b)是现有技术中用Rubinstein等人提出的缩放方法将图像缩放后的图像；

图8是将图像缩放到不同尺寸时本发明方法和Rubinstein等人提出的缩放方法的运行时间的比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实例作进一步详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法，其具体步骤如下：

（1）、输入原始图像，如图5(a)或(b)所示； 

（2）、计算原始图像的能量，其步骤如下：

首先，将图像转化为灰度图像，然后，计算灰度图像的梯度幅值，其计算式为：

                                      (1)                                                    

其中，表示图像的能量， 、表示像素点坐标，表示灰度图像，表示绝对值符号， 、表示图像分别在，方向上的偏导数，图像的能量中对应像素点位置的能量值就是每个像素点的能量值；

（3）、计算原始图像中各像素点处的方向，其具体步骤如下：

（3-1）、计算图像中各像素点处的梯度方向，其计算式为：

                                     (2)

其中， ，，、表示图像分别在，方向上的偏导数，表示求反正切，表示像素点坐标处的梯度方向； 

（3-2）、计算图像中各像素点处的方向，其计算式为：

             (3)

其中，表示像素点坐标处的梯度方向，是将梯度方向转为切线方向，是将所有的切线方向都指向水平线以下，表示像素点坐标处的方向；

 (4)、根据图像中各像素点处的方向，确定图像中的缝隙，其具体步骤如下：

（4-1）、定义图像中的缝隙，其具体如下：

定义垂直方向上的缝隙，其表达式为：

              （4）

  其中，代表图像中的缝隙，分别代表垂直方向和水平方向上的映射， 分别对应原始图像的高和宽，表示绝对值符号；

定义水平方向上的缝隙，其表达式为为：

              （5）

     其中，代表图像中的缝隙，分别代表垂直方向和水平方向上的映射， 分别对应原始图像的高和宽，表示绝对值符号；

（4-2）、设图像中第一行的每个像素点分别为每一条缝隙的起点；

（4-3）、利用优先级窗口找到图像中缝隙的下一像素点：

（4-3-1）、定义图像中的优先级窗口： 

定义图像中的优先级窗口为一个2*5的矩阵窗口，矩阵窗口中第2行的元素分别为：5、3、1、2、4，代表该元素位置具有的不同的优先次序，其中，最高优先次序为1，2、3、4、5的优先次序依次降低，最低优先次序为5；

（4-3-2）、确定优先级窗口在图像中的位置：

若起点的方向指向其左下方的像素点，那么起点在优先级窗口中位于第1行第4列的位置，如图4（a）；

若起点的方向指向其正下方的像素点，那么起点在优先级窗口中位于第1行第3列的位置，如图4（b）；

若起点的方向指向其右下方的像素点，那么起点在优先级窗口中位于第1行第2列的位置，如图4（c）；

确定起点在优先级窗口中的位置，则确定了优先级窗口在图像中的位置；

（4-3-3）、确定形成图像中缝隙的下一像素点的位置：

在优先级窗口中，设定最高次序元素1在图像中的位置所处的像素点是形成缝隙的下一像素点，然后，判断优先次序元素1在图像中的位置是否被图像中的其它缝隙占据； 

如果最高次序元素1在图像中的位置没有被图像中的其它缝隙占据，则最高次序元素1在图像中的位置所处的像素点是形成缝隙的下一像素点；

如果最高次序元素1在图像中的位置是被其它缝隙占据，那么元素2在图像中的位置处的像素点是形成缝隙的下一像素点； 

如果优先次序元素2在图像中的位置被其它缝隙占据，那么元素3在图像中的位置处的像素点就是形成缝隙的下一像素点；

如果优先次序元素3在图像中的位置被其它缝隙占据，那么元素4在图像中的位置处的像素点就是形成缝隙的下一像素点；

如果优先次序元素4在图像中的位置被其它缝隙占据，那么元素5在图像中的位置处的像素点就是形成缝隙的下一像素点；

如果优先级窗口中第2行的5个元素位置在图像中均被其它缝隙占据，那么终止确定形成图像中缝隙的下一像素点的位置，利用优先级窗口找图像中其它缝隙的下一像素点；

（4-4）、确定图像中的缝隙：

判断图像中缝隙的下一像素点是否在图像中的最后一行，若找到的图像中缝隙的下一像素点不在图像中的最后一行，则以图像中缝隙的下一像素点为起点，转步骤（4-3-2）确定优先级窗口在图像中新的位置；若找到的图像中缝隙的下一像素点在图像中的最后一行，则所有找到的像素点形成图像中一条缝隙，同理，重复上述步骤，利用优先级窗口找到图像中其它缝隙的下一像素点，确定图像中其它缝隙。

（5）、计算图像中缝隙的能量值，选取出能量值最小的条缝隙，删除能量值最小的条缝隙，得到缩放后的图像，其具体步骤如下：

（5-1）、由步骤（2）得到的图像的能量和步骤（4）确定的图像中的缝隙，计算每条缝隙的能量值，其计算式为：

                         （6）

     其中，s表示图像中的缝隙，表示缝隙s上的第个像素点，表示缝隙上的第个像素点的能量值，n表示缝隙上像素点的总数，表示缝隙的能量值；

（5-2）、设分别为原始图像的高和宽，，分别为需要得到的目标图像的高和宽，那么选取出能量值最小的条缝隙,其表达式为: ，其中， 为原始图像的宽，为目标图像的宽，为选取出的需要删除的缝隙的条数,例如，原始图像5（a）的高和宽分别为706和1024，需要得到的目标图像的高和宽分别为706和768，那么需要选取出1024-768条能量值最小的缝隙进行删除，来达到目标图像的宽度，所以选取出能量值最小的条缝隙中的；将所有图像中的缝隙的能量值按升序排列，能量值最小的256条缝隙为所要删除的缝隙；

（5-3）、删除图像中缝隙，得到缩放后的图像：

（5-3-1）、设是一条需要删除的图像中缝隙；

（5-3-2）、从图像中的第一行开始找出中属于图像的第行的像素点所处的位置，其中，，为原始图像的高，将图像的第行的像素点所处的位置右边的像素逐个向左移动一个单位，删除第列所有的像素点；完成后，图像的宽度减少一个，图像的宽度变为，例如，从图5（a）的第一行开始找出中属于第行的像素点所处的位置，其中，，将这个位置右边的像素点逐个向左移动一个单位，删除第1024列所有的像素点，完成后，图像的宽度就减少一个，图像的宽度变为1023；

（5-3-3）、同理，对其余要删除的图像中缝隙按步骤（5-3-2）同样的操作，图像的宽度就减少，图像的宽度变为，例如，在图5（a）中对其余要删除的图像中的缝隙按步骤（5-3-2）进行同样的删除操作后，图像的宽度减少256，图像的宽度变为768，该图就是从图5（a）中删除了256条低能量缝隙后的缩放图像，如图6（a）所示。

为了验证本发明的一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法的效果，对本发明的缩放方法进行的仿真实验，在CPU为2.0GHz、内存为1G的PC测试平台上编程实现。如图7(a)、(b)所示，图中，两幅图像是采用Rubinstein等人提出的缩放方法进行的缩放图像；如图6(a)、(b)所示，图中，两幅图像是采用本发明的缩放方法进行的缩放图像，可以看出，两者的缩放的显示效果差不多。但是，在图像缩放的运行时间上，将同一幅图像按不同的缩放比例，用本发明的方法与Rubinstein等人提出的缩放方法进行比较，其比较结果，如图8所示，图中，横轴表示图像缩放比例，纵轴表示图像缩放的运行时间，二条实线曲线分别为：带方框实线为Rubinstein等人提出的缩放方法的运行时间曲线，带圆点实线为本发明的缩放方法的运行时间曲线。由图中比较结果可以看出，采用本发明的方法降低了缩放运行时间，提高了缩放运行效率。

为了验证本发明的一种基于图像中像素点方向的图像缩放方法的缩放效果，将本发明的缩放方法与现有技术中的Rubinstein等人提出的缩放方法还进行比较，分别将80张标准测试图像按50%、75%、125%三个不同的缩放比例进行缩放，其缩放运行速度见表1中数据。

表1    本发明的缩放方法与现有的缩放方法运行速度比较表

从上述表中可以看出，对同样大小的图像，分别用三种缩放比例进行缩放，本发明的缩放运行速度上有明显的提高。