专利名称：图像的方向投影方法
技术领域：
本发明涉及一种图像处理领域的投影方法，尤其是一种对图像沿任意方向投影的方法。
背景技术：
投影方法是图像处理中检测目标或提取目标特征常用的基本方法之一，它将二维数据转化为一维数据处理，因此具有快速性的优点。由于数字图像是对连续图像沿水平方向和垂直方向二维采样而生成的，所以在大多数应用中为了简单和易于实现，都采用了水平方向和垂直方向的投影。根据水平和垂直方向上的投影曲线可以快速分割出目标或提取目标在这两个方向上的特征。由于在水平和垂直方向或特殊方向上(如对角线方向)上像素的索引非常方便，因此在这些方向上的投影方法简单、快速。当待检测的目标出现了旋转或需要提取目标多个方向上特征的情况下，如果仍沿水平或垂直方向投影就可能检测不出目标或提取不到其有效的特征，这时就需要沿某个或多个非特殊方向的投影。在这种情况下，多数研究人员通过将图像区域沿投影方向旋转到水平或垂直方向，然后在水平或垂直方向上进行投影。
经对现有技术的文献检索发现，束为等在《清华大学学报(自然科学版)》，1999，39(1)，第98-100页上发表的“基于方向投影的自动掌纹基准点检测”，该文提及先从原图像中选定一点，作为投影坐标系原点，将投影方向作为一个坐标轴，其法线方向为另一个坐标轴，建立一个新的坐标系，在新的坐标系中选择一个投影的矩形区域，该矩形区域内像素的灰度值可以通过将该像素的坐标旋转到原坐标系，对原图像重采样获得，在本质上该方法相当于旋转了原图像。由于对图像的旋转操作需要对原图像进行重采样及插值操作，从而增加了算法的复杂度，特别是需要对多个方向投影时，更是如此。如何实现沿任意方向的快速投影而不旋转原图像是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种图像的方向投影方法，该方法不需要对原图像或图像区域进行旋转操作，就可以检测出图像区域包含的旋转目标或提取目标在任意方向上的特征。
本发明提出的方法包括以下几个步骤(1)确定包含目标的矩形区域和投影方向为了使投影结果不受图像中其它区域的影响，一般先粗略检测出包含目标的矩形区域，在该区域内进行投影。包含目标的矩形区域可根据目标的灰度特征或对阈值化后的二值图像标记出其外接矩形等方法检测出来。
由于投影的对称性，投影方向的变化范围是
。平行四边形区域在数字图像中可认为由平行的投影线组成，平行四边形区域内其它投影线与直线模板包含相同数目的像素，这些投影线上像素的坐标可以根据直线模板上对应像素的坐标加上或减去一个偏移量快速索引到。
(4)根据方向投影函数完成方向投影在步骤(3)快速索引平行四边形区域内像素的基础上，可定义两类投影函数以完成对图像区域的投影，从而可以检测出目标或提取出目标在投影方向上的特征。
方向积分投影函数(DIPF)定义了对每一投影线上像素灰度求和的投影方法。根据方向积分投影函数可进行沿投影方向的积分投影。
方向方差投影函数(DVPF)定义了对每一投影线上像素灰度的方差求和的投影方法。根据方向方差投影函数可进行沿投影方向的方差投影。
采用本发明的方法，不对图像区域进行旋转即可对图像区域进行任意方向的投影，在将原来的矩形区域扩展为平行四边形区域的基础上，基于一个直线模板，可以快速索引扩展的平行四边形区域内的所有像素。与一般的投影方法相比，省去了对图像旋转操作及相应的插值操作，降低了算法的复杂程度。
图1根据投影方向产生的两种平行四边形区域示意图其中，(a)保持矩形区域边界的垂直边不变构造的平行四边形区域，(b)保持矩形区域边界的水平边不变构造的平行四边形区域。
图2平行四边形区域内直线模板的产生示意3本发明在眼睛特征点检测中的实施例示意图其中，(a)从脸部图像中裁剪下来旋转了一定角度的眼睛及周围区域图像 (b)标记出了眼睛窗口和检测出了眼角点的图像，(c)用方向积分投影检测出了上眼皮边缘最高点和下眼皮边缘最低点所在直线的图像，(d)标记出了眼睛中心点的图像(e)图(c)的积分投影曲线，图中虚线与积分曲线的交点为所取的阈值。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明所提出的方法，结合附图和实施例作详细描述。
(1)确定包含目标的矩形区域和投影方向为了使投影结果不受图像中其它区域的影响，一般先粗略检测出包含目标的矩形区域，在该区域内进行投影。包含目标的矩形区域可根据目标的灰度特征或对阈值化后的二值图像标记出其外接矩形等方法检测出来。
由于投影的对称性，投影方向的变化范围是
或(90°，135°]时，应该在矩形区域的上下两侧扩展出两个三角形区域，在投影方向属于[45°，90°)或[135°，180°)时，应该在矩形区域的左右两侧扩展出两个三角形区域，投影方向为45°时有两种扩展方式，可任选一种。图1中投影方向小于45°，应选择图1(a)所示的扩展方式。
在对灰度图像的投影中，每条投影线上应该有相同数量的像素，分析投影得到的一维向量得出的结果才有意义，扩展的平行四边形区域保证了每条投影线有相同数量的像素。在二值图像中没有这样的要求，在扩展出的两个三角形区域内的像素可被看作是背景像素，从而这些区域内的像素不会影响投影结果。
(3)平行四边形区域内像素的快速索引图2示出了沿小于45°方向投影时的直线模板产生方法和像素的索引方法。如图2所示，在平行四边形区域边界的一条垂直边与矩形区域边界的交集部分上选择一点(x1，y1)，并算出过该点的投影线在与其平行的平行四边形区域边界上的交点(xn，yn)，用图形学中的直线产生算法(如Bresenham直线产生算法)产生一个以这两点为端点的直线模板[x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)]。基于这个直线模板和矩形区域的顶点坐标，可以计算出扩展的平行四边形区域顶点的坐标。产生的直线模板的两端点在垂直方向上有Δy＝yn-y1的偏移。原来矩形区域中的两个顶点(x1，ymax)和(xn，ymin)保持不动，另两顶点(x1，ymin)和(xn，ymax)沿垂直方向移动到(x1，ymin-Δy)和(xn，ymax+Δy)，这样的四个顶点构成了用来方向投影的平行四边形区域。其它投影角度范围对应的平行四边形区域的顶点可以类似地算得。
在直线模板[(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)]的基础上，平行四边形区域内其它平行投影线上像素的坐标可以根据直线模板上的对应像素的坐标加上或减去一个偏移量得到，因此平行四边形区域内的像素的索引非常快，从而保证了方向投影的快速性。
基于直线模板[(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)]，图2中的平行四边形区域内像素的坐标如下(x1,ymax)(x2,y2+(ymax-y1))···(xn-1,yn-1+(ymax-y1))(xn,ymax+Δy)···············(x1,y1+1)(x2,y2+1)···(xn-1,yn-1+1)(xn,yn+1)(x1,y1)(x2,y2)···(xn-1,yn-1)(xn,yn)(x1,y1-1)(x2,y2-1),···(xn-1,yn-1-1)(xn,yn+1)···············(x1,ymin-Δy)(x2,y2-(y1-ymin))···(xn-1,yn-1-(y1-ymin))(xn,ymin)]]>
可见，基于产生的直线模板可以快速地索引平行四边形区域内的其它像素。其它投影角度范围对应的平行四边形区域内像素的索引可类似地实现。
(4)根据方向投影函数完成方向投影在步骤(3)快速索引平行四边形区域的基础上，可定义两类投影函数对图像区域投影，以检测出目标或提取出目标在某个方向上的特征。两种投影方式各有特点，可以根据实际情况选用。
方向积分投影函数(DIPF)定义了对每一投影线上像素灰度求和的投影方法。根据方向积分投影函数可进行方向积分投影。
方向方差投影函数(DVPF)定义了对每一投影线上的像素灰度的方差求和的投影方法。根据方向方差投影函数可进行方向方差投影。
方向积分投影函数，平均方向积分投影函数(MDIPF)，和方向方差投影函数分别在公式(1)，(2)，和(3)中定义。其中N是每个投影线中包含的像素数，(xi，yi)是该投影线中的第i个像素，I(xi，yi)是它的灰度值。
DIPF=Σi=1NI(xi,yi)---(1)]]>MDIPF=1NΣi=1NI(xi,yi)---(2)]]>DVPF=1NΣi=1N[I(xi,yi)-MDIPF]2---(3)]]>实施例图3给出了基于方向投影方法在检测旋转的眼睛的特征中的示例。
(1)确定包含眼睛的区域，及眼睛的旋转方向用多阈值二值化的方法对图像二值化，用连通成分标记的方法标记出二值图像中连通区域并计算其几何特征，根据面积和宽高比等滤除非眼睛区域，从而得到眼睛的外接矩形，将该外接矩形适当放大作为投影的矩形区域。
眼睛图像在垂直方向上有较大的变化，因此用眼睛区域图像的垂直差分图像在垂直方向上的积分投影检测两眼角点。在投影曲线上取阈值得到两眼角点所在的列，并搜索在这两列中的灰度最低的点即为两眼角点。取两眼角点的连线的方向为眼睛的旋转方向。
以上结果如图3(b)所示。
(2)方向积分投影检测眼睛的特征点用前述的方法，将检测出的眼睛区域扩展为一个平行四边形区域作为方向投影区域，用图形学中的直线产生一个直线模板，基于这个模板索引平行四边形区域内的像素，沿眼睛旋转方向上对垂直差分图像作方向积分投影，投影曲线如图3(e)所示，取投影曲线的均值为阈值，可以检测出眼睛上眼皮最高点和下眼皮最低点所在的直线，得到眼睛的外接平行四边形区域如图3(c)所示。取眼睛的中心为其外接平行四边形的重心，可以检测出眼睛的中心，如图3(d)所示。
实验结果表明本发明提出的方法能有效地检测出旋转的眼睛的特征点。
权利要求
1.一种图像的方向投影方法，其特征在于，包括以下几个步骤(1)确定包含目标的矩形区域和投影方向包含目标的矩形区域根据目标的灰度特征或对阈值化后的二值图像标记出其外接矩形检测出来，由于投影的对称性，投影方向的变化范围是[0°，180°)，根据检测目标或者提取目标特征的需要来选择投影方向；(2)投影平行四边形区域的产生根据步骤(1)检测出的包含目标的矩形区域和确定的投影方向，将矩形区域扩展为平行四边形区域作为投影的区域，扩展的平行四边形区域的边界对应的平行四边形应有一对平行边沿水平方向或垂直方向，另一对平行边沿投影方向，当投影方向为水平方向或垂直方向时，投影区域即为原来的矩形区域；(3)平行四边形区域内像素的索引用图形学中的直线产生算法产生一个沿投影方向的直线模板，基于这个直线模板索引平行四边形区域内的所有像素；(4)定义方向投影函数在步骤(3)快速索引平行四边形区域内像素的基础上，定义方向积分投影函数、方向方差投影函数以完成对图像区域的投影，从而检测出目标或提取出目标在投影方向上的特征。
2.根据权利要求1所述的图像的方向投影方法，其特征是，步骤(2)中，将矩形区域扩展为平行四边形区域有两种方式一种方式是取矩形区域边界的一对垂直平行边及其延长部分作为扩展的平行四边形区域边界的一对垂直平行边，另一对平行边分别沿原矩形区域的顶点旋转至投影方向，并将这两对平行边延长以使整个区域闭合构成平行四边形区域；另一种方式是取矩形区域边界的一对水平平行边及其延长部作为扩展的平行四边形区域边界的一对水平平行边，另一对平行边分别沿原矩形区域的顶点旋转至投影方向，并将这两对平等边延长以使整个区域闭合构成平行四边形区域；
3.根据权利要求2所述的图像的方向投影方法，其特征是，在将矩形区域扩展为平行四边形区域的两种方式中，有一种平行四边形区域边界对应的平行四边形的内角都大于或等于45°，选择该类平行四边形区域作为投影区域。
4.根据权利要求1所述的图像的方向投影方法，其特征是，步骤(3)中，在平行四边形区域边界的一条水平或垂直边与矩形区域边界的交集部分上选择一点，并算出过该点的投影线在与其平行的平行四边形区域边界上的交点，用图形学中的直线产生算法产生以这两点为端点的直线模板，平行四边形区域在数字图像中由平行的投影线组成，平行四边形区域内其它投影线与直线模板包含相同数目的像素，这些投影线上像素的坐标根据直线模板上对应像素的坐标加上或减去一个偏移量快速索引到。
5.根据权利要求1所述的图像的方向投影方法，其特征是，步骤(4)中，所述的方向积分投影函数定义了对每一投影线上像素灰度求和的投影方法，根据方向积分投影函数进行沿投影方向的积分投影；
6.根据权利要求1所述的图像的方向投影方法，其特征是，步骤(4)中，所述的方向方差投影函数定义了对每一投影线上像素灰度的方差求和的投影方法，根据方向方差投影函数进行沿投影方向的方差投影。
全文摘要
一种图像处理领域的方向投影的方法，步骤为(1)确定图像中包含目标的矩形区域和投影方向；(2)投影平行四边形区域的产生将矩形区域扩展为平行四边形区域作为投影的区域；(3)平行四边形区域内像素的索引用图形学中的直线产生算法产生一个沿投影方向的直线模板，基于这个直线模板索引平行四边形区域内的所有像素；(4)根据方向投影函数完成对图像区域的投影，从而检测出目标或提取出目标在投影方向上的特征。本发明省去了对图像旋转操作及相应的插值操作，降低了算法的复杂程度。
文档编号G06K9/46GK1617165SQ20041008928
公开日2005年5月18日 申请日期2004年12月9日 优先权日2004年12月9日
发明者王铁生, 施鹏飞 申请人:上海交通大学