专利名称：基于频域扰动的艺术图案生成方法
技术领域：
本发明涉及一种利用计算机生成艺术图案的方法，属计算机应用及电子信息处理技术领域。
艺术图案在现代社会中应用极广，其创作是设计者发挥想象力和创造力，并逐步探索的过程。目前，艺术图案大都是由专业美工人员手绘或进一步用电脑协作处理产生，这种方法需耗用较多材料，由专业美工人员试探性地模拟出艺术图案，整个过程烦琐，耗用创作人员劳动及精力大，且一般人无法完成，创作的图案种类也有限。曾有日本人在水面上滴入颜料，利用水的表面张力及颜料在水面上呈现的吸引和排斥等作用产生出许多丰富的图案；这种方法简化了人的劳动，同时丰实了图案的类型，但试探性很强，为产生一幅满意图案需大量的颜料进行创作，为保存及使用水面上生成的图案，还需用特殊手段将其吸附到其它固定载体上，既耗材料，图案又不稳定，保存图案更加困难，因而不具备实用性。
近年来，随着计算机应用技术及电子信息技术的发展，利用计算机来产生艺术图案已被广泛应用。但目前利用计算机产生艺术图案多是根据分形学的原理，采用不同的分形集和参数来模拟出和自然界事物相似的图案。由于目前所研究出的分形集较少(用得较多的分形集是julia集和Mandelbort集，它们都是由关系式zn+1=z2n+c所定义的不同复数序列产生的图形，式中c是一个复常数。julia集的定义是固定c，让z0在复数域中变动，而Mandelbort集的定义是固定z0而让参数c变化)，能产生图形的参数也有限，因而图形不丰富。同时，用分形集产生出的图案不够自然和谐，常带有人工雕琢的痕迹。这此缺点都大在限制了利用计算机产生艺术图案的应用。
本发明的目的在于克服现有计算机生成艺术图案方法之不足，提供一种能产生丰富自然的艺术图案、方便快捷、节省创作材料和时间的基于频域扰动的艺术图案生成方法。
本发明的技术方案是基于频域扰动的艺术图案生成方法，利用计算机，根据分形理论产生分形图案，其特殊之处在于以分形图案作为基本模板图形，对分形图形进行频域随机扰动，得到(显示、保存、打印)更加自然和谐的艺术图案。由计算机根据分形理论，产生的图形具有随机性强的特点，其形态较好，但缺乏自然度，不够自然和谐。以分形图为其础作频域随机扰动，可改变原图案的形态，增加其自然度，并丰富图案的类型。对分形图形进行频域随机扰动的过程为在分形基本模版图形的基础上，用普通频域变换方法将分形图形作频域正变换，得到图像频谱D(为一个M×N的距阵)，在D中任意选取L个分量作为待扰动的频谱向量V，同时用普通程序任意构造一个长为L的随机数序列W=w1，w2，…，wL，作为对图像频谱D进行扰动的参量；然后用W对V进行扰动，得到扰动后的频谱V′，再将V′返回到原图像频谱中，得到扰动后的图像频谱D′，最后利用普通频域交换方法将D′进行频域逆变换到空域，恢复图像，即得到更加自然和谐、丰富的艺术图案。整个频域扰动过程均由计算机采用普通的频域扰动程序随机进行，W对V的扰动可用公式表现为νi′=vi(1+αwi)，式中，α为一个比例因子，可根据实际需要任意确定，i=1，2，…，L，与数序列w1，w2，…，wL对应，W可以是任意分布的随机数序列。数序列的长度L以及比例因子α视实际需要W对V扰动的强度而定，L或α大些，则W对V的扰动就大，原基本图像(分形图形)的改变就大；L或α小，则W对V的扰动就小，原基本图像的改变就，这可根据分形模版具体情况来选择。一般地，如果分形模版图案具有较好的形态和色彩，而只是缺少自然的成分，则可选取较小的L或α，使图案改变小些，尽量保持原图的形态，仅通过频谱的扰动加入自然的成分，使得到的图案更自然；如果模版图案的形态和色彩均缺乏艺术性，则应选取较大的L或α，使图案改变大些，使图案显得随机性大而弥补原图的不足。D中的L个分量也是随机选取，而没有特殊要求，例如可取D中能量最大的L个分量组成V，也可选D中能量大小不一的L个分量组成V。W、L、α以及V的不同，其产生的图像都会有很大的差异，只需改变W、L、α和V，就可方便、快捷地生成变化万千的丰富、自然、和谐的艺术图案。W、L、α和V可据实际需要随意选定，而不受限制；实际操作中，图像的创作者可随意设定这四种参数、在不同参数下生成不同的图案，再比较各幅图案选出需要的艺术图案，并通过计算机将选定的图案保存或打印出来而应用于各种需要的场合。
实现频域随机扰动的计算机程序为普通的频域扰动程序，它由计算机将分形模板图形以文件名作为函数参数传递到函数中进行处理，最后显示产生的图形。而频域变换的方法及程序也为普通的频域变换及程序，如FFT变换、DCT变换及WHT变换等及相应程序均可。
图1为本发明流程图，图2为本发明计算机程序流程图，图3、4、5为实施例图案。
以下进一步阐述
具体实施例方式例1该基于领域扰动的艺术图案生成方法是利用计算机，根据分形理论，采用现有Julia分形集及相应程序，以(-0．481762，-0．531657，1．5，1．5)为参数产生一分形图形作为基本模板。在此基本模板的基础上，采用普通DCT频域变换方法及程序将分形图形作频域正变换，得到图像频谱D。在D中任意选取能量最大的1000个分量作为待扰动的频谱向量V，同时任意构造一个长度为1000、服从N(0，1)正态分布的随机数序列W=w1，w2，…，w1000，然后按式νi′=νi(1+αwi)，α=0．1，用W对V进行扰动，得到扰动后的频谱V′，再将V′返回到原图像频谱中，得到扰动后的图像频谱D′，最后再用普通DCT频域变换方法及程序将D′进行频域逆变换，恢复图像到空域，在计算机显示器上显示(或经计算机打印机打印、或保存)得到自然和谐的艺术图案。图3最后得到的扰动图案。采用Matlab实现该过程的程序为function disturb_dct(varargin)[filename，msg]=parse_inputs(varargin{∶})；if(～isempty(msg))error(msg)；end％Initial DataN=1000；arpha=0.1；data=randn(1，N)；％Read in Image[OrgIm，map]=imread(filename)；imshow(OrgIm，map)；OrgIm=double(OrgIm)/255；[R，C]=size(OrgIm)；ImageSize=R*C；％Frequency TransformIm2Dct=dct2(OrgIm)；％Find the frequency Vector to be disturbedDisturbDct=Im2Dct；temp=abs(Im2Dct)；temp=temp1；temp=temp()；temp=temp1；[Y，I]=sort(temp)；rl=zeros(1，N)；cl=zeros(1，N)；for k=1Nrl(k)=ceil(I(ImageSize-k)／C)；cl(k)=mod(I(ImageSize-k)，C)；ifcl(k)=0cl(k)=C；endend％Frequency Disturbingfor k=1NDisturbDct(rl(k)，cl(k))=Im2Dct(rl(k)，cl(k))*(1+arpha*data(k))；end％Inverse Frequency TransformDisturbed=idct2(DisturbDct)；Disturbed=uint8(round(Disturbed))；％Show the Resultfigure，imshow(Disturbed，map)；function[filename，msg]=parse_inputs(varargin)％Parase the input parpameut is right or not．filename=＂；msg=＂；switch(nargin)case 0msg=1Too few input arguments1；return；case 1filename=Varargin{1}；otherwisemsg=1Too many input arguments1；return；end例2该基于领域扰动的艺术图案生成方法是利用计算机，根据分形理论，采用现有Mandelbort分形集及相应程序，以(-1．254024，-1．252861，0．046252，0．047125)为参数产生一分形图形作为基本模板。在此基本模板的基础上，采用普通FFT频域变换方法及程序将分形图形作频域正变换，得到图像频谱D。在D中选取前1000个分量作为待扰动的频谱向量V，同时构造一个长度为1000，在(0，10)间服从均匀分布的随机数序列W=w1，w2，…，w1000。然后按vi′=vi(1+αwi)，α=0．1，用W对V进行扰动，得到扰动后的频谱V′，再将V′返回到原图像频谱中，得到扰动后的图像频谱D′，最后再用普通FFT频域变换方法及程序将D进行频域逆变换，恢复图像到空域，在计算机显示器上显示(或经计算机打印机打印、或保存)得到自然和谐的艺术图案。图4是最后得到的扰动图像。采用Matlab实现该过程的程序为function disturb_fft(varargin)[filename，msg]=parse_inputs(varargin{:})；if(～isempty(msg))error(msg)；end％Initial DataN=1000；arpha=0.1；data=rand(1，N)；[OrgIm，map]=imread(filename)；imshow(OrgIm，map)；OrgIm=double(OrgIm)/255；[R，C]=size(OrgIm)；ImageSize=R*C；Im2Fft=fft2(OrgIm)；DisturbFft=Im2Fft；fori=1: Rforj=1:Cifi*R+j＜=NDisturbFfft(i，j)=Im2Fft(i，j)*(1+arpha*data(i*(R-1)+j)；endendendDisturbed=ifft2(DisturbFff)；DisturbedIm=abs(Disturbed)；DisturbedIm=uint8(round(DisturbedIm))；figure，imshow(DisturbedIm，map)；例3该基于领域扰动的艺术图案生成方法是利用计算机，根据分形理论，采用现有Julia分形集及相应程序，以(O．11031，—0．67037，1．5，1．5)为参数产生一分形图形作为基本模板。在此基本模板的基础上，采用普通DCT频域变换方法及程序将分形图形作频域正变换，得到图像频谱D。在D中任意选取能量最大的1500个分量作为待扰动的频谱向量V，同时任意构造一个长度为1500、服从N(0，1)正态分布的随机数序列W=w1，w2，…，w1500，然后按式νi′=νi(1+αwi)，α=0．5，用W对V进行扰动，得到扰动后的频谱V′，再将V′返回到原图像频谱中，得到扰动后的图像频谱D′，最后再用普通DCT频域变换方法及程序将D′进行频域逆变换，恢复图像到空域，在计算机显示器上显示(或经计算机打印机打印、或保存)得到自然和谐的艺术图案。图5是最后得到的仿大理石扰动图案。采用Matlab实现该过程的程序为function disturb_dct(varargin)[filename，msg]=parse_inputs(varargin{:})；if(～isempty(msg))error(msg)；end％Initial DataN=1500；arpha=0.5；data=randn(1，N)；％Read in Image[OrgIm，map]=imread(filename)；imshow(OrgIm，map)；OrgIm=double(OrgIm)／255；[R，C]=size(OrgIm)；ImageSize=R*C；％Frequency TransformIm2Dct=dct2(OrgIm)；％Find the frequency Vector to be disturbedDisturbDct=Im2Dct；temp=abs(Im2Dct)；temp=temp1；temp=temp()；temp=temp1；[Y，I]=sort(temp)；rl=zeros(1，N)；cl=zeros(1，N)；for k=1Nrl(k)=ceil(I(ImageSize-k)／C)；cl(k)=mod(I(ImageSize-k)，C)；ifcl(k)=0cl(k)=C；endend％Frequency Disturbingfor k=1NDisturbDct(rl(k)，cl(k))=Im2Dct(rl(k)，cl(k))*(1+arpha*data(k))；end％Inverse Frequency TransformDisturbed=idct2(DisturbDct)；Disturbed=uint8(round(Disturbed))；％Show the Resultfigure，imshow(Disturbed，map)；一般地，在频域中对图像频谱的局部处理对应到空域中就成为对图像的全局处理，即对图像频谱某个分量所作的修改变换到空域中即是对整幅图像像素点的处理。这样，频域中对单个频谱分量确定性的修改在空域中就是对所有象素点的随机扰动。各种艺术图案大都具有随机性和不确定性形态和色彩的特点，正是由于这种不确定性，使我们可能利用频域处理方法来对艺术图案加以摸拟。通过在频域中对图像频谱的分量有目的的修改，将使图案的不确定性在空域中呈现出来。这样，艺术图案的不确定性模拟可以转化到频域中的确定性处理，通过普通频域处理方法，在频域中对图像频谱作随机扰动，使扰动在空域中分布到整图像中，从而得到更自然、和谐、丰富的图像。采用普通频域干扰技术，经计算机对现有分形图形进行处理可方便、快捷地实现这一过程。这样就避免了为使图像自然而直接在空域中对图像作处理的盲目性，以及由此而带来的劳动量大，财力、物力耗费大，图形不够丰富，非专业美术人员无法创作等现有方法的缺点。
本发明具有巧妙快捷，产生的艺术图案类型丰富，自然和谐，具有较高艺术性，消耗原材料少，产生的图案可方便地保存、复制，普通计算机及普通人即可操作，便于推广应用等优点。
权利要求
1.一种基于频域扰动的艺术图案生成方法，利用计算机，根据分形理论产生分形图形，其特征在于以分形图形作为基本模板图形，用普通频域变换方法及相应程序对该分形图形进行频域随机扰动处理，得到丰富、自然、和谐的艺术图案。
2.根据权利要求1所述的基于频域扰动的艺术图案生成方法，其特征在于对分形图形进行频域随机扰动处理的过程为在分形图形基本模版的基础上，用普通频域变换方法及程序将分形图形作频域正变换，得到图像频谱D，再在D中任意选取L个分量作为待扰动的频谱向量V，同时任意构造一个长为L的随机数序列W=w1，w2，…，wL，然后用W对V进行扰动，得到扰动后的频谱V′，再将V′返回到原因像频谱中，得到扰动后的图像频谱D′，最后再用普通频域变换方法将D′进行频域逆变换，恢复图像到空域，得到艺术图案；整个过程均由计算机用普通频域扰动程序及方法进行。
3.根据权利要求2所述的基于频域扰动的艺术图案生成方法，其特征在于V′与W的关系式为νi′=νi(1+αwi)其中，i=1，2，…，L，α为比例因子。
全文摘要
本发明提供一种用计算机基于频域扰动生成艺术图案的方法,属计算机应用技术领域。先产生分形图形,再以其作为基本模板图形,将其作频域正变换,得图像频谱D,在D中任选L个分量作为待扰动的频谱向量V,同时任意构造L长的随机数序列W,用W对V进行扰动得频谱V’,再将V’返回到原频谱中,得图像频谱D’,最后将D’频域逆变换,恢复图像到空域,得到自然和谐的艺图案。具有巧妙快捷、图案类型丰富、自然和谐等优点。
文档编号G06T15/10GK1278632SQ9910996
公开日2001年1月3日 申请日期1999年6月22日 优先权日1999年6月22日
发明者刘兵, 梁勇, 李海燕, 李天牧 申请人:云南大学