一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法

1.本发明涉及一种矢量化方法，尤其是涉及一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法。


背景技术：

2.矢量图以线条及封闭图形的形式存储图像，该类图像在放大后不会影响清晰度，且易于二次编辑，但难以表现出复杂多变的色彩，且图像存储容量受图像内容复杂度影响较大。现在各大图像处理软件如adobe illustrator，coreldraw都集成了其专用的矢量化功能live trace及powertrace。尽管矢量化在产业中已经有了以上成熟的应用，但这些图形矢量化算法都是基于追踪图像中的连通域轮廓来实现的，最终生成的是以面为核心结构的矢量图形。
3.针对纹理线条图像矢量化算法的难点主要在于将光栅图中的点、线条、图形以及色彩信息进行提取，并转化为矢量图数据，即转化为相对应的矢量图描述代码；同时，由于图像中的线条往往会存在交错的情况以及复杂的走势，故在进行矢量化操作前如何分离线条成为一个核心难点，只有将纹理线条图像中所有线条提取转变为独立无分叉的路径，才能针对这些线条进行矢量化，并转换为矢量图数据写入矢量图文件。
4.中国专利cn111462023a公开了一种图像纹理线条矢量化系统和方法，利用了神经网络来进行线条分离，从而对每个线条进行贝塞尔曲线拟合。但是该方法依然存在矢量化的精度不高的问题，且仅限于处理简单纹理的非自然图像。
5.因此，如何实现一种矢量化精度高、处理范围广的印刷纹理图矢量化方法，成为需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，所述的方法包括以下步骤：
9.1)对初始图像进行预处理；
10.2)通过sobel算子和lbfgs++算法建立图像前景点的多向量场模型；
11.3)建立由前景点连接而成的曲线，根据多向量场模型进行曲线跟踪，形成拓扑图；
12.4)按拓扑图结果对每组曲线进行贝塞尔插值拟合，并进行平滑滤波处理，最终输出以线条骨架作为图元信息的svg格式矢量文件。
13.进一步地，所述的预处理具体为：对初始图像进行去噪和直方图变换操作，并利用基于暗通道的去雾模型对前景点进行增强处理。
14.进一步地，所述的去噪采用高斯滤波器实现线性平滑滤波，完成去噪。
15.进一步地，所述的利用基于暗通道的去雾模型对前景点进行增强处理采用如下公
式进行：
[0016][0017]
其中，a为大气光成分，t(x)为透射率，i(x)为当前图像，t0为透射率下限值。
[0018]
进一步地，所述的前景点为图像中灰度低于设定阈值的点。
[0019]
进一步地，所述的2)具体为：
[0020]
201)构建复数方程：
[0021]
f(z):＝(z
2-u2)(z
2-v2)＝z4+c2z2+c0[0022]
其中，u，v分别表示前景点的切向向量和法向向量，z表示复变量，c0，c2为常数；
[0023]
202)通过sobel算子设定目标函数：
[0024][0025]
其中，c代表向量u,v所在平面，θ
ɡ
代表大小为3的sobel算子计算得到的梯度，θ
τ
为该梯度加上90度的结果，λ和μ均为常数，x表示图像中的前景点位置；
[0026]
203)使用lbfgs++算法对目标函数优化得到每个前景点的c0和c2，以此映射得到前景点的切向向量u和法向向量v，并建立前景点的多向量场模型。
[0027]
进一步地，所述的3)具体为：
[0028]
301)从邻域内搜索切向向量u和法向向量v最相近的前景点，获取多条曲线束，进行曲线跟踪，每个前景点仅被跟踪一次；
[0029]
302)在8个相邻前景点上，使用标准最小角度匹配准则选择多向量场的匹配方向，然后跟踪一条与这个匹配方向垂直的曲线；
[0030]
303)从每个种子点开始跟踪一条测试曲线，记录它与曲线的交点，从一个种子点开始，将测试曲线上相邻且距离小于一个像素的点分组，形成一个个曲线束；
[0031]
304)将每个曲线束与图中的一个前景点关联起来，如果它们至少有一对交点沿着它们共享的曲线相邻，则将它们连接起来，形成拓扑图。
[0032]
进一步地，在302)中，当曲线离开窄带或与具有相同切线的曲线非常接近设定距离时，停止跟踪。
[0033]
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的方法。
[0034]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0036]
一、本发明提出一种基于多向量场的拓扑分析及矢量化模型，首次将多向量场模型应用于矢量化领域，配合曲线跟踪算法进行拓扑提取，极大地提高了矢量化的精度和还原度。
[0037]
二、本发明采用了暗通道去雾模型对图像中的前景点进行了增强，提高前景线条的连续性及可见性，避免大量断点影响最终矢量化结果。
[0038]
三、本发明的矢量化方法适用范围广，可处理包括以印刷纹理图为主的所有通过相机、扫描仪获取的自然纹理图，同时也能处理非自然图像。
附图说明
[0039]
图1为本发明的流程示意图；
[0040]
图2为本发明的暗通道增强效果图；
[0041]
图3为本发明的输出矢量图与输入图像对比效果图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0043]
实施例
[0044]
如图1所示，一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，所述的方法包括以下步骤：
[0045]
1)对初始图像进行预处理。
[0046]
初始图像大多由印刷成品经扫描仪获得，图像存在噪声，会影响矢量化效果，对初始图像进行去噪和直方图变换操作，并利用基于暗通道的去雾模型对前景点进行增强处理；所述的去噪采用高斯滤波器实现线性平滑滤波，完成去噪，并采用直方图变换和高通滤波器对于图像的空域和频域进行增强处理，使得图像的灰度层次更加鲜明，边缘轮廓更加清晰。
[0047]
如图2所示，所述的利用基于暗通道的去雾模型对前景点进行增强处理采用如下公式进行：
[0048][0049]
其中，a为大气光成分，t(x)为透射率，i(x)为当前图像，t0为透射率下限值，一般取0.1，默认取暗通道窗口为81，并利用导向滤波获取透射率图提高前景线条的连续性及可见性，避免大量断点影响最终矢量化结果
[0050]
所述的前景点为图像中灰度低于设定阈值的点。
[0051]
2)通过sobel算子(一阶微分算子)和lbfgs++算法(优化的拟牛顿算法)建立图像前景点的多向量场模型。
[0052]
201)构建复数方程：
[0053]
f(z):＝(z
2-u2)(z
2-v2)＝z4+c2z2+c0[0054]
其中，u，v分别表示前景点的切向向量和法向向量，z表示复变量，c0，c2为常数；
[0055]
202)通过sobel算子设定包含校准项、平滑项和正则项的目标函数：
[0056][0057]
其中，c代表向量u,v所在平面，θ
ɡ
代表大小为3的sobel算子计算得到的梯度，θ
τ
为
该梯度加上90度的结果，λ和μ均为常数，x表示图像中的前景点位置；
[0058]
203)使用lbfgs++算法对目标函数优化得到每个前景点的c0和c2，以此映射得到前景点的切向向量u和法向向量v，并建立前景点的多向量场模型。
[0059]
3)建立由前景点连接而成的曲线，根据多向量场模型进行曲线跟踪，形成拓扑图。
[0060]
301)从邻域内搜索切向向量u和法向向量v最相近的前景点，获取多条曲线束，进行曲线跟踪，每个前景点仅被跟踪一次；
[0061]
302)在8个相邻前景点上，使用标准最小角度匹配准则选择多向量场的匹配方向，然后跟踪一条与这个匹配方向垂直的曲线，当曲线离开窄带或与具有相同切线的曲线非常接近设定距离时，停止跟踪，防止多次跟踪情况；设定距离为0.01；每次移动到邻近的前景点时都用同样的程序扩展多向量场
[0062]
303)从每个种子点开始跟踪一条测试曲线，记录它与曲线的交点，从一个种子点开始，将测试曲线上相邻且距离小于一个像素的点分组，形成一个个曲线束；
[0063]
304)将每个曲线束与图中的一个前景点关联起来，如果它们至少有一对交点沿着它们共享的曲线相邻，则将它们连接起来，形成拓扑图。
[0064]
4)如图3所示，按拓扑图结果对每组曲线进行贝塞尔插值拟合，并进行平滑滤波处理，最终输出以线条骨架作为图元信息的svg格式矢量文件。
[0065]
本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的方法。
[0066]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
[0067]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：1)对初始图像进行预处理；2)通过sobel算子和lbfgs++算法建立图像前景点的多向量场模型；3)建立由前景点连接而成的曲线，根据多向量场模型进行曲线跟踪，形成拓扑图；4)按拓扑图结果对每组曲线进行贝塞尔插值拟合，并进行平滑滤波处理，最终输出以线条骨架作为图元信息的svg格式矢量文件。2.根据权利要求1所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的预处理具体为：对初始图像进行去噪和直方图变换操作，并利用基于暗通道的去雾模型对前景点进行增强处理。3.根据权利要求2所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的去噪采用高斯滤波器实现线性平滑滤波，完成去噪。4.根据权利要求2所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的利用基于暗通道的去雾模型对前景点进行增强处理采用如下公式进行：其中，a为大气光成分，t(x)为透射率，i(x)为当前图像，t0为透射率下限值。5.根据权利要求1所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的前景点为图像中灰度低于设定阈值的点。6.根据权利要求1所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的2)具体为：201)构建复数方程：f(z):＝(z
2-u2)(z
2-v2)＝z4+c2z2+c0其中，u，v分别表示前景点的切向向量和法向向量，z表示复变量，c0，c2为常数；202)通过sobel算子设定目标函数：其中，c代表向量u,v所在平面，θ
ɡ
代表大小为3的sobel算子计算得到的梯度，θ
τ
为该梯度加上90度的结果，λ和μ均为常数，x表示图像中的前景点位置；203)使用lbfgs++算法对目标函数优化得到每个前景点的c0和c2，以此映射得到前景点的切向向量u和法向向量v，并建立前景点的多向量场模型。7.根据权利要求6所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，所述的3)具体为：301)从邻域内搜索切向向量u和法向向量v最相近的前景点，获取多条曲线束，进行曲线跟踪，每个前景点仅被跟踪一次；302)在8个相邻前景点上，使用标准最小角度匹配准则选择多向量场的匹配方向，然后跟踪一条与这个匹配方向垂直的曲线；303)从每个种子点开始跟踪一条测试曲线，记录它与曲线的交点，从一个种子点开始，
将测试曲线上相邻且距离小于一个像素的点分组，形成一个个曲线束；304)将每个曲线束与图中的一个前景点关联起来，如果它们至少有一对交点沿着它们共享的曲线相邻，则将它们连接起来，形成拓扑图。8.根据权利要求7所述的一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，其特征在于，在302)中，当曲线离开窄带或与具有相同切线的曲线非常接近设定距离时，停止跟踪。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～8中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种印刷纹理图拓扑分析及矢量化方法，所述的方法包括以下步骤：1)对初始图像进行预处理；2)通过Sobel算子和LBFGS++算法建立图像前景点的多向量场模型；3)建立由前景点连接而成的曲线，根据多向量场模型进行曲线跟踪，形成拓扑图；4)按拓扑图结果对每组曲线进行贝塞尔插值拟合，并进行平滑滤波处理，最终输出以线条骨架作为图元信息的svg格式矢量文件。与现有技术相比，本发明具有矢量化精度高、处理范围广等优点。处理范围广等优点。处理范围广等优点。


技术研发人员：张新鹏 严凌霄 冯国瑞
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/12