專利名稱：一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及圖像插值方法，廣泛應(yīng)用于圖像顯示、圖像傳輸、圖像分析、圖像編碼、圖像縮放、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像目標(biāo)識別等民用的圖像處理領(lǐng)域，更具體地說用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、視頻播放器和液晶電視中得到最佳圖像質(zhì)量的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器及方法。
背景技術(shù)：
在數(shù)字圖像處理中，圖像插值是一種最基本、最常用的幾何運(yùn)算，它是一個(gè)圖像數(shù)據(jù)的再生過程，即由具有較低分辨率的原始圖像數(shù)據(jù)再生出具有更高分辨率的圖像數(shù)據(jù)， 是圖像處理中重新采樣過程中的第一個(gè)重要組成部分，它能把一個(gè)離散的矩陣轉(zhuǎn)換成一幅連續(xù)圖像，廣泛應(yīng)用于圖像顯示、圖像傳輸、圖像分析、圖像編碼、圖像縮放、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像目標(biāo)識別等民用的圖像處理領(lǐng)域，插值的精度直接影響最終的圖像處理結(jié)果，因此探求優(yōu)于現(xiàn)有插值方法的圖像插值方法在學(xué)術(shù)上和應(yīng)用上都很重要。圖像插值過程是在一個(gè)可得的低分辨率圖像中，利用己知像素值估計(jì)出中間像素值的過程。圖像插值過程是一個(gè)圖像數(shù)據(jù)的建模過程，一般分為兩步首先選擇一種模型逼近源圖像，再用所期望的采樣率對該連續(xù)模型重新采樣。傳統(tǒng)的插值方法有最近鄰插值法、雙線性插值法、雙三線性插值法、二元Newton-Thiele型向量有理插值曲面法、雙三次插值有理樣條法和曲面擬合插值法等。圖像插值廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，而且在放大數(shù)字照片、增加打印機(jī)的分辨率、把PAL或NTSC分辨率視頻轉(zhuǎn)換成HDTV分辨率視頻等應(yīng)用中非常重要。通常，圖像插值方法是用一個(gè)基函數(shù)或插值核來逼近、刻畫源圖像。常用的插值核包括線性插值核、樣條插值核、Lanczos插值核等。但目前國內(nèi)外學(xué)者所研究的圖像插值方法都存在這樣或那樣的問題，最近鄰插值法取離它最近的像素點(diǎn)的像素值作為待插入點(diǎn)的像素值，該方法最簡單，但是效果也最差，容易產(chǎn)生“鋸齒”狀邊緣和“馬賽克”現(xiàn)象；雙線性插值法利用待插入點(diǎn)周圍的4個(gè)已經(jīng)存在的像素點(diǎn)的像素值，根據(jù)它們離待插入點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，給予不同的權(quán)值，效果比最近鄰法要好很多，但它沒有考慮周圍4個(gè)像素的空間關(guān)系，還有不理想的地方；雙三線性插值法是在雙線性插值法的基礎(chǔ)上把要參考的像素?cái)?shù)由4個(gè)擴(kuò)展為16個(gè)，效果有所改善和提高；二元Newton-Thiele型向量有理插值曲面法、雙三次插值有理樣條法和曲面擬合插值法等都是用統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的函數(shù)或統(tǒng)一的插值核進(jìn)行插值，與雙線性和雙三線性插值法一樣都沒有考慮周圍像素之間的空間關(guān)系，雖說插值效果取得了一些進(jìn)展，但都存在一定的不足之處。到目前為止，國內(nèi)外還沒有發(fā)現(xiàn)和研究出圖像的原始插值模型，只能用一個(gè)基函數(shù)或插值核來逼近、刻畫源圖像，從而不可能得到理想的圖像插值方法，也就無法滿足高質(zhì)量圖像處理的需求。數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)受電子設(shè)備制造技術(shù)的限制，分辨率是一定的，要想得到分辨率高、尺寸大的圖像，通過提高它們設(shè)備的分辨率一方面受制造技術(shù)的限制，另一方面也會提高成本；而視頻播放器和液晶顯示器則是將通過數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)獲得的圖像或視頻顯示出來，如果傳輸過來的圖像或視頻分辨率較低，則顯示的圖像尺寸小且模
6糊，如在用視頻播放器播放視頻時(shí)，剛開始視頻窗口的大小隨視頻分辨率的高低而不同， 分辨率高則窗口大，否則窗口則小，如果選擇全屏播放模式，則原來分辨率低的視頻就會出現(xiàn)圖像模糊、“馬賽克”(塊狀效應(yīng))和“鋸齒”狀邊緣現(xiàn)象，這是由于它們采用的圖像插值方法不合理而造成的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有圖像插值方法所存在的用一個(gè)基函數(shù)或插值核來逼近、 刻畫源圖像的圖像插值問題。本發(fā)明提出了一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器及方法，不需要用基函數(shù)或插值核來逼近、刻畫原圖像，從而設(shè)計(jì)出合理的圖像插值方法， 得到理想的圖像插值效果，可以滿足高質(zhì)量圖像處理的需求；可以使國內(nèi)外圖像處理方面的專家和學(xué)者不必再進(jìn)行圖像插值方面的研究，而把有限的時(shí)間和精力應(yīng)用到圖像處理的其它領(lǐng)域；可以對數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)獲得的低分辨率的圖像和視頻轉(zhuǎn)換為高分辨率的圖像和視頻再保存；也可以對視頻播放器和液晶電視接收到的低分辨率的圖像和視頻轉(zhuǎn)換為高分辨率的圖像和視頻再播放和顯示。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，步驟如下
(1).把一幅數(shù)字圖像等效為空間坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)集，采用建立待插入點(diǎn)周圍4個(gè)點(diǎn)的空間關(guān)系，使一幅數(shù)字圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)的行坐標(biāo)？、列坐行及該點(diǎn)的像素值/Ij) 這三個(gè)要素，表示為空間坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)為；
檢查待插入點(diǎn)的坐標(biāo)(υ),如果它是整數(shù)點(diǎn)即χ是整數(shù)ι也是整數(shù)，這時(shí)不需要插值，直接取源圖像中對應(yīng)點(diǎn)的像素值即可，否則圖像需要插值；
(2).空間坐標(biāo)系中XOY平面上的任何一個(gè)單位正方形(邊長a=l)，通過旋轉(zhuǎn)和平移使它的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0)、(cu)、(1,0)和CU)；使空間坐標(biāo)系中的4個(gè)點(diǎn)在XOY平面上的投影為單位正方形的4個(gè)頂點(diǎn)，則它們的空間坐標(biāo)設(shè)為4(0,0, ) , S1(O1IiZ1) , S2(IiO3Z2),
(3).建立待插入點(diǎn)與周圍4個(gè)點(diǎn)的空間關(guān)系使周圍4個(gè)點(diǎn)不在同一平面上，就在同一球面上；采用判斷巧+ - - 的值，如果A + - - = 0成立，按平面插值，否則
5+zI-巧- = 0不成立按球面插值；
(4).當(dāng)待插入點(diǎn)周圍的4個(gè)點(diǎn)在同一平面上，采用平面方程判斷法，求出平面方程， 確定待插入點(diǎn)(U)處的像素值ζ ；
1)、如果Z0= ^ = Z2 ,此時(shí)巧肯定與它們也相等，則待插入點(diǎn)的像素值Z=A ；
2)、如果Z0= Z1 = O,則待插入點(diǎn)的像素值ζ = Ax ；
3)、如果Z0= 0Λ式0 ,則待插入點(diǎn)的像素值ζ =；
4)、如果,則待插入點(diǎn)的像素值2= ( + 抄+ ；
(5).當(dāng)待插入點(diǎn)周圍4個(gè)點(diǎn)不在同一平面上，采用球面方程判斷法，求出球面方程，確定待插入點(diǎn)(U)處的像素值
1 )、根據(jù)式(11)求得球心坐標(biāo)的Z ；
2)、把Z代入式(9)求得球心坐標(biāo)的X；
3)、把Z代入式(8)求得球心坐標(biāo)的Y；
4)、把X，Y，Z代入式(1)求得球面半徑的平方—；
5)、根據(jù)式(24)求得待插入點(diǎn)的兩個(gè)候選插入值；
6)、求得點(diǎn)(Λ為的最近鄰點(diǎn)的像素值^^.；
7)、求得^4. 而的最小值越《Κ ^和最大值！faxValue
8)、取兩個(gè)候選插入值中在區(qū)間[滅《Κ ^-Ι,Μ^Κ ^+ Ι]內(nèi)且與^iir最接近的一個(gè)作為待插入點(diǎn)的像素值；
(6)、用步驟(4)、(5)求插入點(diǎn)的像素值，要求0忘1,7€1,令 為;^的整數(shù)部分，
Λ為的整數(shù)部分，則它周圍的4個(gè)點(diǎn)即為(W0J0)、(χ0,γ0 +U1)、( +1!Λ,ζ2)和 (χ0 + 1,70+1,Ζ3)使它們分別對應(yīng)S0(OAZ0)、S1(OjIjZi)、S2O1OjZ2)和 S3(IJiZ3),再讓；^,少分別取各自的小數(shù)部分?！N平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，平面方程判斷法: 為22+6-23-4 = 0,則以點(diǎn)CU0)和為端點(diǎn)的線段的中點(diǎn)坐標(biāo)
為(^=〒)；以點(diǎn)^(CUJ1)和S2(I1CU2)為端點(diǎn)的線段的中點(diǎn)坐標(biāo)為 ；因所以22+巧=巧+% ；顯然兩條線段的中點(diǎn)坐
^ Z Z
標(biāo)相同，也就是說兩條線段相交，而相交的兩條直線必定在同一平面內(nèi)；由上確定點(diǎn) S0(0,0，Z0)，S1 (0,1, Z1X S2 (1，CU2)，S3α 1，Z3)在同一平面上。一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，球面方程判斷法為 Z2+Z1-Z3-Z0 ^ O 時(shí)，點(diǎn) S0(OAz0) , S1(O1IsZ1) , S2(l，0’22) ,在同一球面上，當(dāng)且僅
當(dāng)這4個(gè)點(diǎn)同時(shí)滿足同一球面方程；
將點(diǎn) S0(C),O,Z0),S1(CUA),S2ClO,z2),^3(1,1, )代入球心坐標(biāo)為(JdZ)、半徑為r 的球面方程得到
權(quán)利要求
1. 一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，其特征在于步驟如下 (1).把一幅數(shù)字圖像等效為空間坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)集，采用建立待插入點(diǎn)周圍4個(gè)點(diǎn)的空間關(guān)系，使一幅數(shù)字圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)的行坐標(biāo)|、列坐標(biāo)J及該點(diǎn)的像素值/(LJ)這三個(gè)要素，表示為空間坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)為釓J,/釓J))；檢查待插入點(diǎn)的坐標(biāo)(U),如果它是整數(shù)點(diǎn)即χ是整數(shù)，>’也是整數(shù)，這時(shí)不需要插值，直接取源圖像中對應(yīng)點(diǎn)的像素值即可，否則圖像需要插值；空間坐標(biāo)系中XOY平面上的任何一個(gè)單位正方形(邊長a=l)，通過旋轉(zhuǎn)和平移使它的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0)、(OJ)、(1,0)和(U)；使空間坐標(biāo)系中的4個(gè)點(diǎn)在XOY平面上的投影為單位正方形的4個(gè)頂點(diǎn)，則它們的空間坐標(biāo)設(shè)為^(0,0, ) , S1(OjIjZ1) , S2(IjOjZ2),%(XU3)；建立待插入點(diǎn)與周圍4個(gè)點(diǎn)的空間關(guān)系使周圍4個(gè)點(diǎn)不在同一平面上，就在同一球面上；采用判斷巧+ - - 的值，如果巧+ - - = 0成立，按平面插值，否則Z2 + - -^0 = O不成立按球面插值；當(dāng)待插入點(diǎn)周圍的4個(gè)點(diǎn)在同一平面上，采用平面方程判斷法，求出平面方程，確定待插入點(diǎn)(U)處的像素值ζ ；1 )、如果匈=4 = Z2 ,此時(shí)與肯定與它們也相等，則待插入點(diǎn)的像素值ζ = Z0 ；2)、如果％= Z1 = O ,則待插入點(diǎn)的像素值ζ = z2x ；3)、如果％= 0,Z1式0 ,則待插入點(diǎn)的像素值ζ = Z2X+巧7 ；4)、如果，則待插入點(diǎn)的像素值2= ( - ^ + ^-%抄+ ；當(dāng)待插入點(diǎn)周圍4個(gè)點(diǎn)不在同一平面上，采用球面方程判斷法，求出球面方程，確定待插入點(diǎn)(U)處的像素值1)、根據(jù)式(11)求得球心坐標(biāo)的Z；2)、把Z代入式(9)求得球心坐標(biāo)的X；3)、把Z代入式(8)求得球心坐標(biāo)的Y；4)、把X，Y，Z代入式(1)求得球面半徑的平方r2；5)、根據(jù)式(24)求得待插入點(diǎn)的兩個(gè)候選插入值；6)、求得點(diǎn)(U)的最近鄰點(diǎn)的像素值^sir；7)、求得Z0 ,Z1^z2 , 的最小值Mm Value和最大值M SK Vaius8)、取兩個(gè)候選插入值中在區(qū)間Ι,Μ χΚΛδ+Ι；!內(nèi)且與^^最接近的一個(gè)作為待插入點(diǎn)的像素值；(6)、用步驟(4)、(5)求插入點(diǎn)的像素值，要求OS為；f的整數(shù)部分，>'o為7的整數(shù)部分，則它周圍的4個(gè)點(diǎn)即為(x。,7D，％)、+1 )、( +1^0, )和 (λ·0 + 1,Λ + 1,Ζ3)使它們分別對應(yīng)S0(0,0,Z0)、S1(OjIjZ1)、S2(1,0,Z2)和 S3(Uz3),再讓;^, j分別取各自的小數(shù)部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，其特征在于平面方程判斷法為^ + -巧-A = 0 ,則以點(diǎn)而(0，0, )和S3(1,1,為端點(diǎn)的線段的中點(diǎn)坐標(biāo)為(H；以點(diǎn)&和&Oj2)為端點(diǎn)的線段的中點(diǎn)坐
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，其特征在于球面方程判斷法為時(shí)，點(diǎn)S0(JXOj0) , S1(OAz1) , ^2(IfO1Z2),5CU，A)在同一球面上，當(dāng)且僅當(dāng)這4個(gè)點(diǎn)同時(shí)滿足同一球面方程；將點(diǎn)而(0,0,^)4(0,1, ),6(1,0, ),芍(1,1,巧)代入球心坐標(biāo)為(U,Z)、半徑為r的球面方程得到
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，其特征在于在同一平面上的圖像插值方法,即確定待插入點(diǎn)(U)處的像素值ζ ；如果50(0,0,2 ),S1(OAz1XS2CIAz2),S3(Uz3)在同一平面上則按如下步驟進(jìn)行 設(shè)％(0，0,20)4(0,1,^),^(1,0,22),53(1,1, )所在平面方程為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的四像插值方法，其特征在于在同一球面上的圖像插值方法，即確定待插入點(diǎn)(U)處的像素值
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值方法，其特征在于所述圖像插值包括黑白圖像插值和彩色圖像插值，所述彩色圖像插值，是彩色圖像中任一個(gè)像素點(diǎn)的像素值都是由紅(Red)、綠 (Green)、藍(lán)(Blue)三個(gè)分量組成的，分別對三個(gè)分量進(jìn)行圖像插值；所述黑白圖像插值即灰度圖像插值，它的紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)(Blue)三個(gè)分量的值相等，故對于待插入點(diǎn)的紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)(Blue)三個(gè)分量分別進(jìn)行圖像插值。
7.如權(quán)利要求1所述方法的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器，其特征在于由平面插值模塊與球面插值模塊組成，平面插值模塊輸入端與圖像局部判別器輸出平面模型信號的接口相連接；球面插值模塊輸入端與圖像局部判別器輸出球面模型信號的接口相連接；圖像局部判別器輸入端與低分辨率圖像的信號處理器相連，信號處理器與數(shù)碼傳感器相連；平面插值模塊與球面插值模塊圖像插值處理后的高分辨率圖像信號輸出端接口與存儲器或視頻顯示設(shè)備相連接。
8.如權(quán)利要求7所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器，其特征在于 數(shù)碼傳感器包括數(shù)碼照相傳感器和數(shù)碼攝像傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器，其特征在于 視頻顯示設(shè)備包括視頻播放屏或液晶顯示屏。
10.如權(quán)利要求7所述的一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器，其特征在于 圖像局部判別器輸入端與低分辨率視頻信號的數(shù)碼攝像傳感器相連或與低分辨率圖像的視頻信號相連。
全文摘要
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，公開一種平面插值和球面插值相結(jié)合的圖像插值器及方法，所述圖像插值器由平面插值模塊與球面插值模塊組成，平面插值模塊輸入端和球面插值模塊輸入端分別與圖像局部判別器輸出端相連；平面插值模塊與球面插值模塊圖像插值處理后的高分辨率圖像信號輸出端與圖像顯示屏或存儲器相連。其方法是把一幅數(shù)字圖像等效為空間坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)集，采用建立待插入點(diǎn)周圍4個(gè)點(diǎn)的空間關(guān)系判別在同一平面上，或在同一球面上；確定待插入點(diǎn)的像素值；本發(fā)明避免了現(xiàn)有的圖像插值方法用同一的基函數(shù)或插值核來逼近原圖像的缺點(diǎn)，本發(fā)明插值后得到的圖像效果最好，圖像清晰、分辨率高，且不會引起失真。
文檔編號G06T5/00GK102289799SQ20111025316
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者于素萍, 康牧, 張果, 李永亮, 毛偉偉, 田斌, 郭崗, 陳向奎 申請人:洛陽師范學(xué)院