圖像嵌入的製作方法

2023-06-04 19:53:31 1

專利名稱：圖像嵌入的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像嵌入。
在多種視頻及多媒體應用中，必須增加圖像的尺寸以保持輸出圖像的質量。通常用於這一目的的線性運算器不適於生成高質量的嵌入圖像，因為，這些運算器會形成平滑的圖像以及粗贗象。已研究了用於實現更清晰地再現細節的技術，但這些技術通常過於複雜並且需要顯式地檢測圖像的細節並估算它們的方位(例如見[1])。
業已用輸入/輸出關係可表示為輸入變量中的兩個多項式之比的有理濾波器(RF)在噪音平整、對比度增強和按二的冪這樣的倍數進行圖像嵌入方面取得了令人滿意的結果[3，4，5]。
在[5]中，提出了用於嵌入編碼圖像的DC分量的運算器，並且，據顯示，就再現輸出圖像中的清晰細節而言，這種算法可克服線性算法在理論上的局限性；同時，這種嵌入器可避免可對對角線、圓等產生影響的粗贗像。將有理嵌入器設計成在兩維範圍內以不分離的方式進行操作，並且，可通過重複地將數據按比例增加一倍而改變圖像的大小。
因此，本發明的目的是按大且任意倍數來嵌入圖像以保持圖像輪廓的清晰度。為此，正如在獨立權利要求項中所限定的那樣，本發明提供了一種圖像嵌入方法和裝置以及包括這種圖像嵌入裝置的視頻顯示設備或列印設備。從屬權利要求項中限定了最佳實施例。
在最佳實施例中，可用基於非線性有理濾波(RF)的技術來達到所述方法的目標。為了按任意的倍數按比例進行調整，在有理濾波過程中最好考慮要嵌入的象素與周圍象素之間的距離。
下述實施例體現並說明了本發明的上述和其它方面。
在附圖中

圖1說明了所嵌入的象素與原始象素之間的距離；圖2A-2C說明了按倍數4的行嵌入點；圖3說明了按倍數4的行和列嵌入點；圖4說明了行和列限定的空間內的象素計算值；圖5示出了概念框圖；以及圖6示出了兩維運算器公式的實現形式。
我們的重點是研究作為縮放特徵的RF算法的效率。這一特徵在多種多媒體應用中是一個關鍵點。在所說的多媒體應用中，我們可列舉例如用作印刷預處理的照片或視頻編輯操作和解析度增加操作。但是，在多種這些應用中，必須要處理高的按比例增加倍數，這些倍數不是二的冪。在本說明書中，說明了[5]中提出的嵌入器的一種擴展形式。這種擴展形式克服了該嵌入器的局限性，從而允許使用任何值。
線性嵌入法的理論上的局限性是由運算器為避免輸出圖像中的成像贗象而實施的低通濾波。這種操作限制輸出圖像中存在有高頻分量，這些高頻分量對應於空間域中的細節和清晰的邊緣。
例如，通過將L-1等距零值樣本插到兩個連續的原始樣本之間來實現按整數L倍的線性嵌入，然後進行低通濾波[2]。
所提出的算法可以重構高頻分量，從而避免了因線性嵌入點的分離性而導致的對角線邊緣的粗贗象。
所述算法有兩個步驟第一個步驟是以一維的方式嵌入原始的行和列；第二個步驟是在所嵌入的行和列之間嵌入空白。
所述第一個步驟是按所需的倍數嵌入原始的行和列。這一步驟是用一維有理嵌入器來實現的，方程式(1)給出了這一步驟的公式。利用圖1的方案在p2與p3之間計算出象素Sp。p2與p3之間的距離等於1，而Sp(δ)與p2之間的距離則小於或等於1並且大於或等於0。Sp=wp2(1-)p2+wp3p3wp2(1-)+wp3]]>其中，wp2＝1+k((p2-p4)2+(p3-p4)2)並且，wp3＝1+k((p1-p3)2+(p1-p2)2)k是與算法的非線性有關的參數，圖1中說明了距離δ。象素p1、p2、p3和p4是在同一行或列上排成直線的原始輸入數據。成對的wp2和wp3表示一邊緣傳感器，它可清晰地重構亮度變換。
在圖2中，我們可以看出如何用線性嵌入器(圖2B)和一維有理嵌入器(圖2C)來按4倍嵌入原始矢量(圖2A)中的一維邊緣。我們可以看出圖2C的有理一維嵌入器是如何更清晰地重構邊緣的；用有理嵌入器所進行的亮度變換確實要比圖2B的線性嵌入器所進行的亮度變換短。可利用包含在可用數據中的子象素信息來獲得這種結果。
上述算法的第二個步驟是在第一個步驟中計算出來的行與列之間嵌入象素(圖3中的陰影方形區，在圖3中，較大的圓表示原始象素，較小的圓表示在第一個步驟中嵌入的點)。用第一個步驟中嵌入並由圓來表示的點a、b、c、d、e、f、g和h來嵌入一般點z，該點位於內部方形區之內並將原點(由黑點來表示)當做頂點(見圖4)。一旦定住了要加以計算的象素的位置，就限定了所說的點a、b、c、d、e、f、g和h，這些象素位於0、45、90和135度方向並屬於所嵌入的行和列。z的計算取決於其「有理」權值和它距點a、b、…h的距離(da，db，…，dh)。必須對位於方形區之內的每個(L-1)2來進行這種計算。
依照以上說明，參照圖4的z值是z=wac(adc+cda)+wbd(bdd+ddb)wac+wbd+weg+wfh+weg(edg+gde)+wfh(fdh+hdf)wac+wbd+weg+wfh]]>其中，dc＝1-da；dd＝1-db；de＝1-dg；df＝1-dh並且wac=11+k(a-c)2,wbd=11+k(b-d)2]]>和weg=11+k(e-g)2,wfh=11+k(f-h)2]]>距離da，db，dc，…，dh的作用是對第一步驟嵌入的點的貢獻加權，以便考慮這些點距要計算的象素的距離。權值wab、wbd、weg和wfh能確定在原始和嵌入的象素所構成的方形區內是否存在有例如在0、45、90和135度中選定的佔主導地位的方向。這些方向是最合理的，但也可沿以不同方向定向的線來計算所說的距離。實際上，如果從(a；c)、(b；d)、(e；g)和(f；h)中選出的一對象素具有相似的值，那麼，相應的權值會較大，並且，這對象素所屬的方向對計算象素z來說佔主導地位。而且，就這對相關的象素之間的距離而言，存在有平均權值。
為了更清楚地說明上述算法，讓我們考慮一下該算法的工作方式。從尺寸為N行乘M列並使用了比例因子SF的輸入圖像開始，可將用於執行算法處理的兩個步驟表述為1、單維運算器(一維運算器)嵌入，利用這種嵌入可僅沿水平和垂直方向以能獲得網格的方式將所嵌入的象素插進兩個原始象素之間。在所說的網格中，所嵌入的線會使得它們自身在原始象素內相交叉；通過這種方式，我們可獲得一中間圖像，該圖像的標稱尺寸等於輸出圖像，但僅有N*M+N*M*(SF-1)+M*N(SF-1)個有效象素；將這些象素稱為網格象素。
2、用兩維運算器進行嵌入，這種嵌入用新象素填充網格所限定的方形區(這些方形區的尺寸是(SF+1)×(SF+1)個象素，並且，對每個方形區來說要計算的象素數是(SF-1)×(SF-1))。
可用圖5的框圖以圖形的方式來表示上述兩個步驟。將具有N行和M列的輸入圖像I1用於一維運算器51，以獲得具有N*M+N*M*(SF-1)+M*N*(SF-1)個有效象素的中間圖像I2即圖3中所示的原始和嵌入圖像。就中間圖像I2而言，按比例因子SF來增加原始行和列的長度。尚未限定位於原始嵌入行和列中間的N*(SF-1)+M*(SF-1)的值。將中間圖像I2用於兩維運算器52以獲得具有N*SF行和M*SF列的輸出圖像I3。
將專用硬體設計成執行所需的操作。行為受「k」參數的選定(據我們的研究，適當的值可選為0.1左右)影響的兩維運算器對網格象素所限定的每個方形區進行處理。從上述方形區中的一個開始，所述運算器用屬於該方形區邊緣的「網格象素」和涉及在方形區(見圖3)內位置的象素坐標來計算其中的各個象素的值。可用值在範圍(1，SF)內的兩個整數下標來表示上述相對象素坐標。可用圖6的框圖來說明兩維運算器的處理過程。
圖6示出了兩維運算器公式的實現形式。將網格象素GP和相對象素坐標RPC用於網格象素選擇器61。還將相對象素坐標RPC用於距離發生器62。將網格象素選擇器61的輸出和參數k用於權值發生器63。將距離發生器62和權值發生器63的輸出用於倍數發生器64。將網格象素選擇器61和倍數發生器64的輸出用於倍數累加器65。將權值發生器63和倍數發生器64的輸出用於除法器66，該除法器可生成輸出象素OP，將出象素OP顯示在顯示器D或發送給列印設備P。
可將本發明的主要方面總結如下。提供了用於圖像嵌入的非線性技術。線性技術會在輸出處形成平滑的圖像和粗贗象。我們的方法的目的是按大且任意的倍數嵌入圖像，以便保持圖像輪廓的清晰度。我們用基於非線性的有理濾波器(RF)的技術達到了上述目的。
所提出的算法源於參考文獻[5]中所述的算法；該文獻所述的算法可在用2的冪來表示比例因子時進行圖像嵌入。這種嵌入器是重要的，因為，這種嵌入器可用「有理濾波器」(RF)的方法來形成所嵌入的圖像，這些圖像可保持細節的清晰度同時避免有贗象。所述算法的計算負擔似乎並不比不基於RF的可比算法之一的計算負擔重。
在本文所提出的方案中，最佳的是，兩維嵌入比例因子不再需要是2的冪而可以是任何數(＞1)。基於RF的單維嵌入器可按任意的比例因子(任何實數＞1)進行工作。在使用這種運算器的第一步驟之後，可使用兩維運算器。這種運算器也是基於RF的並且可按任意的嵌入比例因子進行工作；所提出的結構在本質上按能形成高清晰度的輪廓的方式對邊緣的方位敏感，即使這些輪廓不是水平或垂直的。
本發明可用於縮放與從照相機或攝像機中獲得的圖像相似的自然圖像。
因此，本發明的主要方面提供了一種圖像嵌入方法，該方法包括下列步驟沿水平和垂直方向插入所嵌入的象素以獲得一網格，在該網格中，所嵌入的線使它們自身在原始象素中相交叉；以及，在上述網格所形成的行與列之間嵌入象素以填充該網格限定的方形區。還提供了按上述方法操作的圖像嵌入裝置以及包括這種圖像嵌入裝置的用於提供嵌入圖像的視頻顯示設備(列印設備)和用於顯示(列印)嵌入圖像的顯示器(列印設備)。
應該注意，上述實施例說明了而不是限制了本發明，並且，本技術的專家在不脫離後附權利要求範圍的情況下可設計出多種其它實施例。在權利要求中，不應將括號中的標號看作限制權利要求。「包括」 一詞並不排除存在有除權利要求中所列舉出來的要素或步驟以外的其它要素或步驟。可用包括若干不同部件的硬體並用可適當編程的計算機來實現本發明。在列舉了多個裝置的設備權利要求項中，可用一個或同一個硬體來實現這些裝置中的幾個裝置。
參考文獻[1]K.Jensen and D.Anastassiou，「Subpixel edge localizationand the interpolation of still image」，IEEE Trans.On ImageProcessing，vol.4，no.3，March 1995，pp.285-295[2]S.，K.，Mitra，「Digital Signal Processing，AComputer-Based Approach」，McGraw-Hill Companies，NewYork，1998.[3]G.Ramponi，「The Rational Filter for ImageSmoothing」，IEEE Singnal Processing Letters，vol.3no.3pp.63-65，March 1996[4]G.Ramponi and A.Polesel，「A rational Unsharp MaskingTechnique」，Journal od Electronic Imaging，vol.7 no.2，April1998，pp333-338.[5]G.Ramponi and S.Carrato.「Interpolation of the DCComponent of Coded Images Using a Rational Filter」，Proc.Fourth IEEE Intern，Conf.On Image Processing，ICIP-97，S.Barbara，CA，Oct.26-29，1997.
權利要求
1.一種圖像嵌入方法，該方法包括下列步驟沿水平和垂直方向插入(51)所嵌入的象素以獲得一網格(I2)，在該網格中，所嵌入的線使它們自身在原始象素中相交叉；以及在上述網格(I2)所形成的行與列之間嵌入(52)象素以填充該網格(I2)限定的方形區。
2.如權利要求1的方法，其特徵在於，在所說的嵌入步驟(51)和/或嵌入步驟(52)中使用有理濾波。
3.如權利要求3的方法，其特徵在於，在上述有理濾波中考慮要嵌入的象素與周圍象素之間的距離。
4.一種圖像嵌入裝置，該裝置包括用於沿水平和垂直方向插入(51)所嵌入的象素以獲得一網格(I2)的裝置(51)，在所述網格中，所嵌入的線使它們自身在原始象素中相交叉；以及用於在上述網格(I2)所形成的行與列之間嵌入(52)象素以填充該網格(I2)限定的方形區從而獲得嵌入圖像(I3)的裝置(52)。
5.一種視頻顯示設備，該設備包括如權利要求4所限定的圖像嵌入裝置，它用於提供嵌入的圖像(I3)；以及顯示器(D)，它用於顯示嵌入的圖像(I3)。
6.一種列印設備，該設備包括如權利要求4所限定的圖像嵌入裝置，它用於提供嵌入的圖像(I3)；以及列印裝置(P)，用於列印嵌入的圖像(I3)。
全文摘要
在圖像嵌入方法中,沿水平和垂直方向插入(51)所嵌入的象素以獲得一網格(Ⅰ2),在該網格中,所嵌入的線使它們自身在原始象素中相交叉。在第二個步驟中,在網格(Ⅰ2)所形成的行與列之間嵌入(52)象素以填充網格(Ⅰ2)限定的方形區,從而獲得所嵌入的圖像。
文檔編號G06T3/40GK1266519SQ99800639
公開日2000年9月13日 申請日期1999年3月18日 優先權日1998年4月29日
發明者C·R·阿勒桑德雷蒂, P·卡賴, L·阿爾巴尼, V·羅徹利, G·拉姆波尼 申請人:皇家菲利浦電子有限公司