摘 要 现有的图像抽象化绘制算法主要采用基于图像分割或边缘保持的平滑滤波技术导 致 所 生 成 的 抽 象 化 图 像经常存在明暗对比度较低 画 质 昏 暗 模 糊 画面色彩表现力不强等问题为此提出一种增强对比度的图像抽象化绘制 算 法首先利用结构张量平滑技术生成光滑连续显著特征保持的特征流场然后基于该流场对图像进行沿边缘切向流方向的自适应平滑和沿梯度方向的对比度增强处理最后使用改进的基于流场的双边滤波或者 滤波算法实现图像抽象化的实时绘制实 验 结 果 表 明 该算法可显著改善已有抽象化方法的绘制质量 抽 象 化 图 像 的边界特征明显增强 画 质 更 清 晰 层 次 感 更 分 明

关 键 词 非 真 实 感 绘 制 图 像 抽 象 化 边 缘 切 向 流 双 边 滤 波 滤 波

在很多应用场合人们通常只关注图像中最有意义的部分而不关心其他无足轻重的细节 真实感绘制总是希望产生和显示足够多的细节 然 而 过 多 的细节可能会干扰观察者的认知理解这也正是在影视动漫科技工程插图医学成像考古展示视频通信等领域广泛采用非真实感绘制效果图的原因 图 像抽象化是最常见 的 一 种 非 真 实 感 绘 制 技 术 它 将 真实感的图像或视 频 序 列 转 化 为 一 种 结 构 化 简 单 化的形式类似于艺术家手工创作的绘画或者卡通画风格的效果其中最能体现图像特征的视觉信息被保留甚至强调而其他无关紧要的细节被去除或减弱成功的抽象化绘制能够将观察者的注意力引导到最有意义的地 方 从而让他们不需要太多意识的努力就可以理解整个图像所表达的内容 由 于 抽象化图像主要强调艺术表现力 主观意识情绪的传递等同时也可以提高图像的可理解性促进视觉沟通因而抽象化绘制有着广泛的应用前景

现有的图像抽象化算法中较为常见的一类是基于图像分 割 的 思 想 等 设计了一个基于视觉感知的照片 抽 象 化 系 统用均值漂移分割算法构造图像的分层 表 示 然后根据人眼视觉注意力模型混合不同层次 的 颜 色 块 区 域最后形成类似卡通风格 的 抽 象 化 图 像 等 开 发 了 一 个 基 于 用户关键帧交互的 视 频 抽 象 化 系 统将视频看做三维体数据并将传统均值漂移分割算法的径向对称函数改进为各向异 性 核 函 数 可以将输入视频转换成时空域连续的卡通风格动画类 似 地等 提出的离线视频抽象化方法也用到了均值漂移的图像分割算法 同样很好地解决时空一致性问题等 提出一种交互式输入的抽象化绘制技术即通过交互式图 像 分 割 和 颜 色 漂 移 技 术 可 生 成 具有手绘风 格 的 颜 色 草 图 等 采 用 无 拘 束 三角参数化的图像分割方法提出一种新颖的图像抽象化算法可以将输入的位图转化为矢量图格式的抽象化图像虽然基于图像分割的抽 象化技术能够有效地提取形状信 息 和 简 化 颜 色 信 息 但 其 分 割 结 果不准确分割边界不光滑 以及算法处理时间较长等局限性限制了其在图像抽象化方面的应用

另 一 类 是 基 于 平 滑 滤 波 技 术 的 图 像 抽 象 化 绘制 等 提出了一个完全自动实时的图像和视频抽象化系统框架采用可扩展的非线性扩散滤波算法平滑低对比度区域的细节同 时 用 高 斯 差分算子提取边缘线条增强高对比度区域的显著特征由于该框架所用的平滑滤波和边缘检测算法都是作用在各向同 性 的 滤 波 核 上抽象化图像在去除噪声边界形状保持和连贯一致性方面都存在着一定的 局 限 性 等 扩 展 了的方法利用结构自适应的各向异性滤波方法实现了图像的实时抽象 化 滤 波 核 的 形 状 由 个 相 互 垂直轴对齐的梯度方向和切向方向决定 等 开发了一个类似的基于边缘切向流的实时图像抽象化系统所用的双边滤波器和高斯差分滤波器首先作用于梯度方向生 成 中 间 结 果然后对中间结果沿切向流方向作平滑滤波处理得到最后的绘制效果 这些算法能够有效地平滑低对比度区域的高频特征噪声 并且保持高对比度区域的低频特征 显著边缘 但是由于使用的是统一的滤波阈值 常 常 造 成对于某些低对比度区域的低频特征过度抽象 而 对于某些高对比度区域的高频特征如稠密纹理部分却又不能很好地抽象简化等问题为了生成均匀一致的抽象 化 效 果 年 等 提 出 了一种基于 特 征 流 的 各 向 异 性 滤 波 算 法即滤波核窗口的 形 状 方向以及尺寸等由图像的局部结构特征决定 与其他滤波方法相比 该算法不仅能有效处理被噪 声 污 染 的 图 像还能保持和增强图像特征的方向性 整体抽象化效果更接近于艺术家的绘画风格尽管该算法能够自动生成高质量的抽象化效果但 经 过 滤 波 后 的 图 像 在 显 著特征区仍然造成了不同程度的模糊进 而 导 致 抽 象化图像的明暗对比度降低 画质昏暗模糊层次感不分明另外由于需要逐一计算滤波核窗口内的各分区的平均值和方差 算法效率受到很大影响 很难实时处理大分辨率输入图像本文提出了一种增强对比度的图像抽象化绘制算法能够获得较好的抽象化效果与现有抽象化算法 直接对输入图像做滤波处理不同 本 文 首 先对输入图像进行基于高斯差分掩模的对比度增强处理然后 使 用 基 于 特 征 流 的 双 边 滤 波 或 各 向 异 性滤波算法对增强后的图像进行抽象化绘制在绘制效果方面 本文的对比度增强算法结合了沿边缘切向流方向的自适应平滑和沿梯度方向的对比度增强因此所得结果的形状特征及其方向感明显增强层次感更 分 明 画 质 更 清 晰 在 绘 制 效 率 方面本文对 基 于 特 征 流 的 双 边 滤 波 和 滤波进 行 了 改 进 设 计 出 一 种 基 于 实 现 的 近 似可分离两遍绘制算法 因此可以达到实时绘制效率算法框架图 所示为本文提出的抽象化增强算法的基本流程输入为单幅图像或视频的帧序列 输出为其对应的抽象化结果 本文借鉴了文献 的基于特征流计算机辅助设计与图形学学报 第 卷场的各向异性滤波框架首先需要计算出一个光滑连续且特征保持的流场然后基于该流场先后对图像进行沿边缘切向流方向的自适应平滑和沿梯度方向的对比度增强处 理得 到 原 始 图 像 的 增 强 图 像 最 后 对增强图像应用 基 于 流 场 的 双 边 滤 波 或 者滤波处理得到最终的抽象化效果需 要 说 明 的 是本文算法中除了双边滤波是在图像的 颜 色空间进行其他算法都是在 颜色空间处理的图 本文算法基本框架图 边缘切向流场的可视化示意图估算边缘切向流场在非真实感绘制中已经有很多种计算图像边缘切向流场的方法 为了模拟油画效果 文献 基于径向基函数方法构造了一个粗糙的边缘切向流场用来指导笔 画 的 走 向 等 将构造方向场的问题定义为一种求 解 偏 微 分 方 程 问 题 通 过 迭 代 的 向量扩散算 法 产 生 平 滑 的 梯 度 场 等 使 用 结构张量来估算图 像 的 局 部 方 向 等 通过计算光滑结构张量的特征方向来计算图像的边缘切向流场考虑到算法的性能以及抽象化绘制目的本文借鉴 的方法生成满足需要的边缘切向流场已知一幅彩 色 图 像 其 结构张量被定义为其中 和表示 个 分 量 在 和 方向 上 的 一 阶 方 向 导 数 本 文 采 用 滤 波 算 子 计算式 计算出每个像素的 矩阵然后用高斯函数对该矩阵的各分量进行卷积得到平滑后的结构张量为其中 是 二 维 高 斯 函 数 由 于 高 斯 函 数 的 可 分 离性实验中采用分离滤波核的两步一维滤波方法来提高计算 效 率 式 的结果是一个对称正半定矩阵存在正交单 位 特 征 向 量 分 别 记 为 和 其 中指向图像颜 色 的 最 大 对 比 度 方 向 即 平 滑 后 的 梯度向 量相 应 地 指 向 图 像 颜 色 的 最 小 对 比 度 方向即所求边缘切向流场的构成向量图 所示为高斯平滑前后的边缘切向流场利用线性卷积分技 术 可 视 化 的 效 果可以看出滤波核的空间尺度越大方向场越光滑但过度的平滑也会造成显著细节的丢失本文实验中取可以获得较为满意的结果 对应的特征值分别记 为 和这 个值可以作为图像局部几何结构的描述因子第 期 王 山 东 等图像抽象化的实时增强型绘制在平滑区域 在 边 缘 区 域 在角型区 域 局 部 各 向 异 性 衡 量 因 子其 取 值 范 围 为 表 示各向 同 性无 明 显 方 向 特 征 而 表 示 各 向 异性有强烈方向特征各向异性图像增强图 像 增 强 的 目 的 是 为 了 改 善 图 像 的 视 觉 效 果使得增强后的图像比原始图像更适合人眼的观察或机器的分析处理 增强图像的对比度有利于丰富图像的色彩表现力 提 高 清 晰 度 改善视觉感知效果为了生成对比度 强 烈 的 抽 象 化 图 像 同 时 保 证 对 噪声处理的鲁棒性 本文使用基于特征流场的各向异性增强方法对输 入 图 像 进 行 预 处 理 首 先 沿 边 缘 切向流方向对图像 作 自 适 应 的 平 滑 滤 波 然 后 沿 梯 度方向对平滑结果进行对比度增强处理沿边缘切向流的自适应平滑滤波沿边缘切向流方向对图像进行平滑滤波处理既能有效去除噪声 又能增强图像特征的方向感 该算法在执行时类似于经典的 算法 根 据 边 缘 切向流场数据对输入图 像 进 行 卷 积假 设 是 经过点 的 边 缘 切 向 流 线 上 的 采 样 点 的 集 合 那 么处的输出值为流线上所有采样点按照高斯核函数进行积分的结果其中 是加权平均的归一化因子 表示 像素的 值组成的三维向量 是一 维 高斯函数影响 算法 效 率 和 精 度 的 个 主 要 因 素是积分步长和积 分 步 数 步长太大导致较少的采样点用于积分计算 造成边缘区域的模糊 步数太多又会导致采样点的浪费 降低计算效率同时固定步长和步数又会使得所有的流线轨迹过于生硬 积 分 过程不能很好地适应局部特征变化本文实验中借鉴文献 的方法利 用 第 节计算的局部各向异性衡量因子 自动调节高斯 滤 波 器 的 空 间 尺 度 因 子从而 实 现 可 变 积 分 范 围 的 自 适应平滑效果在 用 户 给 定 参 数 默 认 取 值后实际有 效 积 分 范 围 是 对 于 固 定 的积分步长假设为 一 个 像 素 的 距 离 该 方 法 可 以 根据局部各向异性情况动态改变积分步数 在 方 向 变化较平坦的区域采用较少的积分步数 使 用 较 少 的采样点进行积分 计 算 从而提高计算效率 在 方 向变化剧烈的区域采用较多的积分步数 使 用 较 多 的采样点进行积分计算 从 而 保 持 较 好 的 精 度 有 利于边缘特征的保 持 另 外为了获得高质量的平滑效果防止 跨 边 界 区 域 的 模 糊相 比 于 常 见 的 一 阶欧拉方 法本 文 采 用 二 阶 龙 格 库 塔 方 法 确 定 边 缘 切向流线上的采样点位置 具体实现请参照文献图 所 示 为 自 适 应 平 滑 效 果墙 壁 上 的 一 些 高 频噪声被去除前景人物头发的流线型方向感被明显增强同时整体形状特征保持较好但是不同颜色块区域之间的过渡也变得更模糊了为此本文提出了一种基于高斯差分的反锐化掩模图像增强方法图 基于特征流的各向异性增强示意图沿梯度方向的对比度增强反 锐 化 掩 模 技 术 是 最 常 用 的 图 像 增 强 方 法 之一其原理是首先计算出原图像的一个非锐化的或者是平滑的图像 然后用原图像减去非锐化图像得到细节图像最后把细节图像乘以某个系数叠加到原图像上以达到锐化增强的目的用公式可表示为其 中 为 原 图 像的细节图像或高 频 图 像为原图 像 为原图像的模糊图像或近似图像 为 增 强 后 的 图 像 为 用 户 自 定 义 常 数计算机辅助设计与图形学学报 第 卷用来控制锐化程度 图 所示为一维信号的算法示意图 中 显 示 了 包 含 一 部 分 剧 烈 噪 声 的 原 始 信号即 图 中的红色曲线为原始信号的细节信息即 其 中 是 原始信号的高斯平滑 滤 波 结 果取 图 中 的红色曲线是 增 强 后 的 信 号取 这 种 反 锐 化掩模方法可以增强图像的边缘细节但 同 时 对 噪 声和某些不希望增强的区域同样增强很明显 在 边 缘处的急速突变易 造 成 光 晕 现 象为此本文提出一种改进的反锐化掩 模 方 法 在增强边缘细节的同时有效地避免了噪声 信 号 的 放 大同时还能尽量减弱光晕现象图 反锐化掩模增强技术示意高斯差分滤波算子能够有效地抑制噪声 提 取边缘特征常被用来生成高质量的 线条画以及其他风格化图像 在低对比度 区 域 的 平 坦 区 域 和 高 频特征区域高斯差分滤波结 果 趋 近 在 高 对 比 度 区域的低频特征区 域 高斯差分滤波结果的正负值分布于中心边缘的两侧 如 图 中 蓝 色 部 分 所 示 基于该性质高斯差分滤波结果可以 作为原始信号的细节信息用在反锐化掩模技术中其中 式 中的 为可扩展的高斯差分滤波 结 果 本 文 实 验 中 默 认 取值 图 显示了使用本文算法的增强结果取 可 以 看 出在 非 边 缘 区 域增强信号和原始 信 号 几 乎 完 全 重 合 在 边 缘 区 域 增强信号的变化也 是 平 缓 过 渡 的因而有效地避免了增强图像中的光晕现象本文对沿边缘切向流平滑后的图像应用这种反锐化掩模技术实现各向异性增强效果 首 先 使 用 一维高斯差分函数沿像素的梯度方向进行卷积运算然后将卷积结果缩放后叠加到初始像素值上得到增强结果图 显示了各向异性增强效果可以看出图像中的 边 界 更 清 晰 整 体 明 暗 对 比 度 明 显 提 高图 所示为图 与图 的亮度差值各向异性滤波本文提示的基于特征流的图像增强技术可以作为现有图像抽象化技术的有效补充首 先 对 输 入 图像进行增强处理 然后进行抽象化绘制 从而生成对比度增强的抽象化效果下面主要介绍基于特征流的双边滤 波 的改进算法和基于特征流的滤波 的改进算法改进的双边滤波双边滤波 器 最 早 由 等 提 出是 一 种第 期 王 山 东 等图像抽象化的实时增强型绘制可以保持边缘特 征 的 平 滑 滤 波 器该滤波器在加权平均邻域内像素值时不仅考虑像素间的空间距离关系还考虑了像素颜色值的相似程度对图像进行双边滤波处理可用离散形式表示为其中 为基于空间 距 离 的 高斯权重离目标像 素 越 远 的 像 素 对 滤 波 结 果 的 贡献越小 为基于颜色相似度 的 高 斯 权 重与 像 素 颜 色 越 相 近的像素对滤波结果的贡献就越大 是 像 素 的邻域像 素 集 邻 域 窗 口 通 常 定 义 为 的 方 形 窗口参数 决定了邻域窗 口 的 空 间 尺 寸 越 大滤波效果就越模糊 参数 控 制 着 颜 色 差 异 对 滤 波 结果的影响程度 越大滤波结果越模糊标 准 的 双 边 滤 波 器 使 用 各 向 同 性 的 滤 波 核 在对滤波核邻域窗口内的像素进行加权平均时忽略了形成颜色差异的 方 向 性 因而有可能造成某些非常重要的微小边缘信息的丢失 另外各向同性的滤波核还会导致边缘区域出现粗糙的锯齿如 图 所示为了更好地保持图像的形状特征生成更加平滑连续的滤波效果 等 提出了一种基于特征 流的双边滤波算法 效果如 图 所 示标 准 的 双 边 滤波和基于特征流的双边滤波的本质区别主要表现在滤波核的邻域窗 口 形 状 不 同前者的窗口是以目标像素为中心的圆 形 或 方 形 窗 口而后者的窗口是由沿着目标像素的切向流方向和垂直于切向流方向的梯度方向铺展而成的弯曲窗口图 双边滤波效果比较双边滤波 器 的 时 间 复 杂 度 是 当 窗 口 半径过大时其计算 时 间 是 令 人 无 法 接 受 的 为 了 提 高计算效率近年来出现了很多双边滤波的改进算法如 等 使用傅里叶变换将双边滤波从非线性的空域转换到线性的频域上 从而实现快速计算等 用 个一维双边滤波器先后作用于 和方向上从而将时间复杂度降为 等提出 了 一 种 基 于 的 双 边 网 格 数 据 结 构可 以实现高分辨率图 像 的 实 时 处 理本文采用类似于文献 的分离滤波核的方法 不同的是本文先将一维双边滤波作用于梯度方向得到一个滤波结果 然后沿边缘切向流方向对该滤波结果进行高斯平滑其中 表 示 以 像素为中心的沿梯度方向上的像素采样点集合 表示 流 经 像 素 的 边 缘 切向流线上的像素采样点集合为了避免滤波后的 图 像颜色出现 偏 差 等 建议双边滤波作用于颜色空 间 中 本 文 采 纳 该 建 议 所 以 式中的 表示增强图 像 的 颜 色 值由 式 中的 从 颜 色 空 间 转 换 而 来 本 文 的 滤 波 方法充分结合了双边滤波和高斯滤波的优势 在 梯 度方向上应用双边滤波能够最大程度地保护边缘特征不被模糊在边缘切向流方向上应用高斯滤波可以增强图像特征的方向感 图 所示为本文方法生成的双边滤波增强效果 与图 相比图 的 边界特征更突出颜色对比度也更鲜明 总体视觉效果更好改进的 滤波与双边 滤 波 器 类 似 滤 波 器 也 是 一种保持边缘特征的非线性扩散滤波器 其 基 本 思 想是将滤波核的邻域窗口分为相同的 个 分 区分 别计算各分区内像素的平均值和方差然 后 选 择 最 小方差对应的平均值作为滤波结果或者由方差作为其对应平均值的权重系数进行加权平均得到最后的滤波结果这类方法虽然可以得到不错的滤波结果但是不能有效地突出特征的方向性在 视 觉 效 果 上表现出聚集的块 状 瑕 疵 为了生成高质量的抽象化计算机辅助设计与图形学学报 第 卷效果 等 提出了一种基于特征流的各向异性 滤 波 算 法 不仅能有效地去除噪声还能保持和增强图像的显著特征及其方向感与标准的 滤波器采用统一的圆形滤波核窗口如 图 所 示不 同基 于 特 征 流 的 各 向 异 性滤波器的窗口形状由图像的局部结构特征决定在均匀平坦的区域窗口形状是圆形 在非均匀突变的边缘区域窗口形状则是椭圆形 其 长 轴 的方向平行于 局 部 切 方 向 如 图 所 示可 以 看 出这种椭圆形的滤波核窗口在边缘特征区域并没有很完美地顺从于边 缘 切 向 流 因而在特征保持方面仍有改进的空间图 滤波核窗口形状比较本文将 滤波核窗口从椭圆形改变为一个弯 曲 的 近 似 矩 形其 形 状 由 边 缘 切 向 流 方 向和梯 度 方 向 铺 展 而 成如 图 所 示整个窗口分为 个 分 区各分区的平均值及方差计算公式为其中 即 和 即和 分别表示 个分量的平均值和方差 为 第 个 分 区 的 像 素 集 合 分 区 内像素权重系数采用双边滤波的方法归 一 化 变 量滤波器的输出被定义为其中 为 第 分 区 的 权 重 系 数 与 该 分 区 的三通道的方差和有关 参数 控制抽象化程度 本 文中取注意到上述方法的算法复杂度是其 中 是图像的像素数量 是 梯 度 方 向 上 的采样点数量 是梯度方向上的采样点数量 表 示邻域内每个像素要 使 用 次分别用来计算平均值和方差为了提高算法执行效率本文借鉴双边滤波分离滤波核的实 现 方 法 通过两遍绘制可以快速计算出各 分 区 的 平 均 值 和 方 差 算 法 复 杂 度 也 降 为在第 一 遍 绘 制 中 针 对 每 个 像 素 以 当前像素 为例如图 所 示 沿 梯 度 正 方 向计算出该区域 内 的 平 均 值 方 差 及 权 重 系 数共计 个 分 量同 理沿 梯 度 负 方 向 也计算出 个分量至此每个像素计算出 个变量本文使 用 的 多 渲 染 目 标技术将这 个变量绘制到 张纹理中在第二遍绘 制 中 以 第 一 遍 绘 制 结 果 作 为 输 入沿切线流正 方 向 进 行 累 积 得 到 左 上 分 区 的和右上分区的 同 理沿 切 线流负方向 累 积 得 到 左 下 分 区 的和右下分区的 然后计算各分区平均值和方差 最 后 的 输出结果为图 所 示 为 滤 波 增 强 前 后 的 效 果 对比图 所示为是直接对输入图像应用基于特征流的 各 向 异 性 滤 波 的 效 果 尽 管 显著特 征 保 持 较 好 但 整 体 视 觉 效 果 略 显 昏 暗 模 糊图 所示为 滤波的增强效果 首先对原始图像进行各向 异 性 增 强 然后对增强后的图像应用各向异性 滤 波可 以 看 出图 像 的 明 暗第 期 王 山 东 等图像抽象化的实时增强型绘制对比度明显提高 形 状 特 征 也 更 突 出 图 所 示 为是采用本节介绍的加速算 法 实 现 的 滤 波增强效果其视觉效果与 图 类 似但 算 法 运 行 时间更短图 滤 波 效 果 比 较图 双边滤波的渐变增强效果实验结果及分析本文 算 法 实 现 的 硬 件 实 验 环 境 是 一 台酷睿 四 核显 卡 的 机程 序 编译环 境 为 操 作 系 统 下 的为了实 现 算 法 的 快 速 并 行 计 算 本 文 使用基于 执 行 的 绘 制 算 法 利 用 的 帧缓 存对象 技术将输入图像绘制到纹 理 中 然 后 利 用 着色语言的像素着色器函数实现算法的并行处理 关于算法效率由于需要计算分区的平均值和方差等 数据滤波通常比双边 滤 波 耗 费 更 多 时 间 对 于 分 辨 率 为的输入图像本文 的 双 边 滤 波 算 法 的 实 现效率可以达到 帧 本 文 的 滤 波 算 法的实现效率约为 帧 而文献 算法 的 执 行 效率是 帧 对于 的图像本文的滤 波 算法最慢也能 达 到 帧 因 此 从 算 法 运 行 效 率 的 角度本文方法已经能够满足实时抽象化的应用需求本文提出的抽象化绘制算法最重要的贡献之一是提出了一种基于特征流的各向异性增强算法 从而使抽象化图像的对比度明显增强图 所 示 为 双边滤波的渐变增 强 效 果 其对比度增强程度取决于式 中的锐 化 调 节 参 数 图 所 示 为 是 一 幅 对比度较低的原始图像 当 时图 所示为未增强的基于特征流的双边滤波效果其对比度更低许多 特征都无法分辨 图 所示为使用本文方法式 生成的双边滤波增强效果其 取 值 依 次 为可 以 看 出 随 着 值 逐 渐 增大抽象化图像的明暗对比度逐渐增大 形状特征更清晰本文提出的反锐化掩模增强技术使用高斯差计算机辅助设计与图形学学报 第 卷分滤波结果作为 被 增 强 的 细 节 特 征 可 以 有 效 地 避免高频噪声被放 大 的 现 象 同时也能淡化边缘区域的光晕现象但 是 当 取 值 过 大 时 会 出 现 某 些 高 频细节被过度增强的情况 如 图 中 人 物 额 头 上的噪声点这是因为剧烈的高频噪 声的高斯差分滤波结 果 并 不 为 该结果被过度放大然后叠加到原始图像上才会产生此类问题 事实上在图像抽象化应 用中通常并不需要将 值设置过高如图 所示的抽象化效果并 未 受 到 此 方 面 的 影 响 依 然 具 有 较高的对比度较强的画面表现力图 分别对应着原始图像和增强图像的各向异性 滤波 结 果再 次 证 明 了 本 文 提 出 的各向异性增强算法的有效性图 所 示 为 使 用本文的加速算法式 生 成 的 滤 波 增 强效果抽象化的程度取决于 式 中 的 参 数 当 取值太小如 时 滤 波 核 窗 口 内 的 个分区平均值对应的权重相同因而最后的输出结果较为模糊如 图 所 示当 取 值 太 大如 时滤波器的输出偏向于有着较小方差的窗口分区内的平均 值因 而 所 得 结 果 呈 现 了 过 多 的 细 节抽象化程度偏低如图 所示当 取值适中如时 滤波核窗口内的 个分区平均值根据方差大小均有一定的贡献所得结果最接近于原始的各向异性 滤波效果如图 所示图 不 同 参 数 的 滤 波 实 现 效 果图 抽象化效果的增强前后对比图 所示为图像增强及其抽象化效果的对比图 所示为对图 进行基于特征流的双边滤波的结果 可以看出松鼠的毛发中有些被过度模糊有些则保持 不 变整 体 视 觉 效 果 不 是 很 匀 称图第 期 王 山 东 等图像抽象化的实时增强型绘制所示为对图 应用基于特征流的 滤 波方法 获 得 的 结 果 尽 管 该 方 法 生 成 的 结 果 整 体抽象化程度均匀 一 致 但较低的颜色对比度降低了图像的视觉效果质 量 图 所 示 为 对 图 进 行各向异性增强的效果 可以看出图像的整体明暗对比度形 状 特 征 及 其 方 向 感 都 明 显 增 强 与 图相比本文算法生成的抽象化结果如 图所 示的 边 界 特 征 明 显 增 强 画 质 更 清 晰 层 次感更分明图 所 示 为 本 文 算 法 与 其 他 抽 象 化 算 法 的 比较对于方向感较强的特征形 状 简 化 算 法 与 连贯性增强滤波算法 能获 得 很 好 的 抽 象 化 效 果由于它们都是基于 多 次 迭 代 的 滤 波 实 现 因 而 可 以 自由控制抽象化程度 图 所 示 分 别 为 这 种算法的绘制效果 从特征保持的角度看 本文改进的滤波算法所生成的 效 果 如 图 所 示更忠实于原始图像 人物的轮廓特征更清晰准确 细节更丰富从风格化的角度看 本文效果也更接近于艺术家的创作风格图 所 示 为 另 外 一 些 基 于 滤 波 的抽象化效果当然从这些效果图可以看出与 艺 术家手工创作的卡通画或者油画相比本 文 算 法 仍 然存在着一定的差 距 由于本文算法是全自动实时生成的并且算法都是基于局部滤波核处理 因而很难生成具有全局主观感受的抽象化效果 这 也 是 我 们未来需要继续研究的目标

结 语

针 对 已 有 的 基 于 边 缘 切 向 流 的 图 像 抽 象 化 工作本文提出了一种改进的增强绘制算法在运算效率和绘制效果方 面 都 有 明 显 的 改 善 与 已 有 抽 象 化系统不同本文引入了各向异性增强处理步骤沿边缘切向流的自适应平滑操作去除了噪声强 化 了 方向特征作用于梯度方向的基于高斯差分的反锐化掩模算法增强了明暗对比度优 化 了 形 状 特 征 使 用 基于流场的双边滤波算法作用于本文生成的各向异性增强图像上可显著地改善整体抽象化程度抽象化计算机辅助设计与图形学学报 第 卷效果更匀称基于切 向 流 的 各 向 异 性 滤 波改进算法可显著 增 强 图 像 的 方 向 特 征 艺 术 化 风 格更浓重在 算 法 实 现 上 本 文 使 用 基 于 并 行 运算的快速绘制技术 可以达到实时绘制效率

    参考文献第 期 王 山 东 等图像抽象化的实时增强型绘制