結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法
2023-06-13 18:04:46 1
專利名稱：結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法
技術領域：
本發明屬於圖像超解析度(Super Resolution)重建技術領域。
背景技術：
圖像超解析度重建技術是指利用一幅或多幅低解析度圖像，通過估計低解析度圖像丟失的高頻信息來重建出一幅高解析度圖像。圖像超解析度重建技術廣泛應用於遙感衛星圖像、軍事偵察、醫學成像、安全監控以及交通管理等領域，具有廣泛的應用前景和重要的研究價值。插值放大作為圖像超解析度(Super Resolution, SR)重建的一個重要分支,具有實現簡單，運算速度快的特點。傳統的插值方法包括最近鄰，雙線性和雙三次插值等，這些方法利用鄰域已知點到待插值點的距離因素構造權重進行插值，雖然可以實現對低解析度 圖像的任意整數倍的插值放大；不過，由於忽略了低解析度圖像的局部紋理特徵，導致插值放大圖像的邊緣部分出現失真、模糊等效應。圖像的局部紋理特徵尤其是方向特徵描述了圖像在該區域的方向信息，如果能夠利用圖像的局部方向特徵對圖像進行插值，就可以使插值點更好的符合原始圖像的紋理方向特徵，從而使插值放大的圖像更準確。2001年Li等人首次利用局部紋理特徵對圖像進行插值，提出一種基於邊緣指導(NEDI)的圖像插值方法(X. Li,M. T. Orchard. New edge-directed interpolation [J]. IEEETransactions on Image processing, 2001,10 (10) : 1521-1527),其基本思想是利用低解析度圖像和高分辨圖像之間局部協方差的對偶關係估計權重係數進行插值。該方法對單一結構圖像的插值效果較好，而對紋理豐富的圖像進行插值時邊緣部分會出現混疊模糊現象。近幾年，研究學者利用局部方向特徵提出很多圖像插值方法=(I)Liu等人提出了一種基於插值細分(簡稱為 IEIS)的方法(C. Liu, X. Luo. Image enlargement viainterpolatory subdivision [J]. IET Image Processing, 2011, 5 (6) :567-571)。該方法根據插值點鄰域內水平或垂直方向的局部特徵，將插值點所處的區域分成四種情況，通過分別賦予不同的權重係數進行加權完成高分辨圖像的插值重建。(2)Andrea Giachetti等人提出了基於時域的人工圖像放大算法(文獻中簡稱為ICBI, Iteractive Curvature BasedInterpolation) (Giachetti A,Asuni N. Real time artifact-free image upscaling[J].IEEE Transactions on image processing, 2011, 20 (10) :2760-2768),該方法首先沿局部紋理方向對待插值點進行初始估計，然後不斷迭代通過最小化局部曲率來完成插值點的計算。(3)同時，申請人也提出了一種基於曲波紋理方向自適應(簡稱為TIBC)的圖像插值算法(趙亮，和紅傑，尹忠科.基於曲波的紋理方向自適應圖像插值[J].光電子 雷射.2012，23 (4) =798-804.)。該方法首先利用雙線性插值得到初始化高分辨圖像，然後利用曲波變換估計出插值點的方向特徵，根據方向特徵來修正待插值點的像素值。上述三種方法結合低分辨圖像的局部方向特徵對插值點進行估計，不僅提高了插值圖像紋理區域的清晰度，而且邊緣模糊現象也得到了有效的抑制。然而，現有結合方向特徵的插值放大方法都是針對圖像放大2n(n > O的整數)倍設計的。如果要實現低解析度圖像的3倍插值放大，則需先對低解析度圖像進行4倍放大，然後3/4下採樣得到3倍高解析度圖像；不僅計算過程冗餘而且插值圖像的誤差也較大。由於曲波估計出的方向特徵能較好地描述圖像的紋理方向特徵，因此，基於曲波的TIBC方法得到的高解析度圖像邊緣效果相對較好。不過，由於該方法在計算方向特徵時，需要先對低解析度圖像進行雙線性插值，不僅降低了運算速度，而且由於雙線性插值的低通平滑效果，使插值後的圖像不可避免的引入了誤差，從而導致局部紋理特徵的估計不準確，影響了後序插值重構的準確性。因此，如何快速且準確地估計出插值點的方向特徵，是提高低解析度圖像重建質量和重建效率必須解決的關鍵問題之一。
發明內容
本發明的目的在於提供一種結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法，該方法能夠有效抑制插值圖像邊緣模糊和鋸齒現象，重構出的圖像邊緣更清晰，視覺效果更銳利；且計算複雜度低，運算時間短。本發明解決其技術問題，所採用的技術方案為一種結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法，其步驟如下I)方向特徵提取利用梯度、方向濾波或超小波方法提取出低解析度圖像X = {XijJ|i = 1,2,……，m；j = 1,2,……，n}在O。、45。、90°和135°四個方向上的方向特徵Dk(k = 1，2，3，4):
toon] Dk = {dfj Ik = 1,2,3,4}其中，k代表方向，k = 1，2，3，4分別對應0°、45。、90。和135。的方向；m，n為低分辨圖像X的尺寸，方向特徵Dk與X的大小相同Cf代表低解析度圖像X相應像素點Xi,j的第k個方向的方向特徵；
2)三倍插值點的估計2. I 分類低解析度圖像的2X2子塊為三倍插值的最小插值單元，每個2X2子塊中的橫向豎向斜向均插入兩個插值點，即每個2X2子塊中含有4個已知點Xi,」、Xi, j+1、xi+1,」、xi+1, J+1和12個插值點，12個插值點分為同行插值點(X' ijJ+1,x/ ijJ+2,x/ i+3,j+1、x' i+3,j+2)、同列插值點 U1i+2jJ> x' i+ljJ+3> x' i+2,j+3)和非同行非同列插值點 U1 i+i.j+^X' i+2,j+1、X i+l,j+2、x i+2, j+2) 二類；2. 2非同行非同列插值點的值估計任意2X2子塊中已知點\,」+1和\+1,」的0°、45°、90°和135°方向特徵分別為I j+i1 1 1^i+!,j ^1+1,j I 』2. 2. I初始化非同行非同列插值點的值令，X"! = Xiij ;X" 2 = XiJ1 ;X" 3 = Xi+1,j ;X" 4 = Xi+1,J+1，及 B1 — X i+1. i+1 ;a2 — X i+1, j+2 ;a3 — X i+2, j+1 >a4 — X i+2, j+2
4貝' q = 1,2,3,4,
P=^
權利要求
1.一種結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法，其步驟如下 .1)方向特徵提取 利用梯度、方向濾波或超小波方法提取出低解析度圖像X= IxmU = I, 2，……，m;j=1,2,……，n}在O。、45。、90。和135。四個方向上的方向特徵Dk(k = 1，2，3，4): D1= 其中，k代表方向，k = 1，2，3，4分別對應0°、45°、90°和135°的方向；m，n為低分辨圖像X的尺寸，方向特徵Dk與X的大小相同4代表低解析度圖像X相應像素點Xi, j的第k個方向的方向特徵； .2)三倍插值點的估計 .2.I分類 低解析度圖像的2X2子塊為三倍插值的最小插值單元，每個2X2子塊中的橫向豎向斜向均插入兩個插值點，即每個2X2子塊中含有4個已知點Xi,」、Xi, j+1、xi+1,」、xi+1, j+1和12個插值點，12個插值點分為同行插值點(X' w+px'i+3,j+1、x' i+3,j+2)、同列插值點(X' i+1, j> x' i+2j j> x' i+lj J+3> x' i+2,j+3)和非同行非同列插值點(X' i+lj J+1> x' i+2, j+1、X i+l,j+2、X i+2, j+2) 二類； . 2.2非同行非同列插值點的值估計 任意2X2子塊中已知點\,」+1和\^的0°、45°、90°和135°方向特徵分別為W j.+l, ^i,,/+I，，《j+1 }和 W+l'/，^1+1,J , ^1+1,/，^1+1,/ ); .2.2. I初始化非同行非同列插值點的值
2.根據權利要求I所述的一種結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法，其特徵在於，所述的步驟I)中用超小波方法提取低解析度圖像的四個方向特徵Dk(k= 1，2，3，.4)的具體做法為 .1. 1對低解析度圖像X進行超小波方法中的曲波變換得到曲波係數矩陣集合Mu,v，其中U G [I, N]為尺度參數，V G
為方向參數； .1. 2將曲波係數矩陣Mu,v中的第二尺度層以上的從-22. 5°到157. 5°的範圍內的曲波係數按方向劃分為0° ,45° ,90°和135°四個矩陣集合，分別記為E1, E2, EjP E4: IV1G [-22.5°,22.5°), mg [2,7V]}.l':2 = n I v2 e [22.5°,67.5°), we [2,/V]J/,=丨,.: I v, e L67.5°,l 12.5°),mg L2,/VJ)Ka = SM11.I V4 G [112.5°, 157.5°),M G [2, N]} .1.3分別將曲波係數矩陣1〃中屬於民&=1，2，3，4)矩陣的係數保留而將其餘係數置0，再進行曲波逆變換，得到相應的四個方向特徵矩陣Dk(k = 1，2，3，4)， P1 = [d]；. |/ = 12 …m;j = \ 2 . …2,3,4!。
全文摘要
本發明公開了一種結合局部方向特徵的數字圖像三倍插值放大方法。該方法首先提取低解析度圖像的四個方向特徵，然後將插值點按位置關係分成三類分別進行插值。對非同行非同列類插值點，首先利用已知點與待插值點之間的距離和相應的方向特徵作為權重係數進行插值，然後利用鄰域已知點的方向特徵判斷子塊是否為45°和135°強紋理區域，如果是則沿紋理方向對相應插值點按線性插值方法進行更新；估計同行、同列類待插值點時，對0°和90°強紋理區域的插值點沿相應方向進行插值，對其他點則按照傳統的線性插值方法進行重構。該方法能夠在有效抑制插值圖像邊緣模糊和鋸齒現象的同時縮短運算時間，使得重構出的圖像邊緣更清晰，視覺效果更銳利。
文檔編號G06T3/40GK102750668SQ20121022992
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者和紅傑, 尹忠科, 趙亮, 陳帆 申請人:西南交通大學