专利名称：：一种手写汉字美化的骨架变换方法
技术领域：
：本发明属于模式识别与人工智能
技术领域：
，特别是涉及一种对计算机用户自由手写输入计算机的文字图像进行美化处理，使得显示出书法美化效果的方法。
背景技术：
：中国毛笔已经有数千年的历史，中国书法被认为是中国绘画的最高形式。手写体汉字比印刷体汉字更灵活、更有原创性，人们甚至认为手写字迹能反映一个人的性格、情绪和文化修养等个人特征。这使得手写体汉字成为这些亚洲国家生活和文化中不可分割、不可替代的艺术形式。近年来个性化的文字处理已开始受到关注，方正集团发布了"徐静蕾字体"，另外也有一些专利侧重与汉字美化方面。专利200810060767.8号专利《一种汉字书写形态美观度的计算机评估方法》给出了一种计算机对汉字书写心态美观度的评估方法。这种方法只是对利用图像处理和人工智能对汉字书写进行一个评价，并没有对字体进行美化处理。专利200810121201.1号专利《一种手写体汉字的计算机生成与美化方法》公开了一种手写体汉字的计算机生成与美化方法。该方法只是简单的利用线性插值，得到新的手写字体，所以美化效果方面还有待提高。专利200810028916.2号专利《一种手写汉字美化方法》提出一种手写汉字美化方法，在保留书写者书写风格基础上，对其手写汉字进行美化的手写轨迹处理方法。本方法利用基于速度的书法笔画模拟、笔画匹配以及模版融合，达到美化书写轨迹的目的。此发明和本发明很类似，但是由于字体众多，并没有针对特定字体来进行美化，虽然保留了个人风格，但是美化的目标并没有达到特定字体的效果。
发明内容本发明的目的在于利用计算机处理的方法，提供一种手写汉字美化的骨架变换方法，不仅保留手写者的手写风格，而且美化后的字体更贴近行楷风格。本发明采用的技术方案为首先从输入设备捕捉到用户的输入轨迹；进行重采样处理；获得采样均匀的用户输入的笔画的骨架信息，然后利用基于骨架变换的轨迹分析进行美化调整，最终生成行草书法风格的笔画轮廓，其特征在于，所述基于骨架变换的轨迹分析包括如下步骤(1)对输入样本进行倾斜变换，使得变换后的字体更靠近行楷字体的形状；(2)将倾斜变换后的样本进行笔画延伸及连笔变换，模拟真实书法中的拖笔效果；(3)利用B样条曲线实现轨迹拟合，进行草书变换，完成字体的美化处理。上述步骤具体为所述步骤(1)中的倾斜变换是纵向拉伸轨迹长宽比例和向右上倾斜样本点轨迹；所述步骤(2)中的笔画延伸及连笔变换，先是根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户的选择参数，确定笔画头尾延伸的端点；然后根据延伸规则进行头尾延伸处理，最后通过中点迭代方法将连线逼近于光滑弧线。所述步骤(3)中的草书变换，采用根据笔画复杂度大小选择不同的控制点数量的方法进行B样条曲线拟合，先计算适合的控制点个数，然后对样本点轨迹序列中每一笔画进行B样条拟合插值，得到相应的草书化变换结果。所述步骤(1)的倾斜变换目的是通过调整用户输入的整体轨迹的长、宽、位置、角度等属性，使样本序列在整体比例和结构上符合目标风格的一般特性。行楷字体风格是长宽比较大，整体外部轮廓修长；且纵向笔画竖直，横向笔画微向右上倾斜。因此，倾斜变换的步骤具体为假设样本点为Qi=(Xi，y》，进行倾斜变换后的样本点Q'i=fint(Qi)=(x'i，y'》=(Xi，(yi+(Xi-Xmid)tg9、》A+y迈J其中(Xniid，ymid)为输入区域的中心点，9和A分别是倾斜和纵向拉伸系数，fint是倾斜变换函数，将其写为矩阵形式，有儿(a):Q^—K=(A,y,一IX,凡l妙、J一l最优实施方式中，所述倾斜变换中倾斜系数e范围为IO。15°;纵向拉伸系数A=1.0。所述步骤(2)是笔画延伸及连笔变换，利用相邻笔画间的方向、位置信息，使笔画显得更自然、流畅，模拟真实书法中的拖笔效果。针对行楷书法风格笔画关联性的要求特点，需要模拟行楷书法中的"拖笔"现象，即对笔画的头部和尾部进行延伸，从而加强相邻笔画间的关联性。这一变换方法包括两个步骤笔画延伸端点的确定和延伸笔段的形成。首先，根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户的选择参数，确定笔画头尾延伸的端点。定义A、S2分别是第一笔和第二笔的基本笔画类型；ap^第一笔和第二笔的连接角度；d是第一笔末端与第二笔起始点之间的连线长度；eXl是第一笔尾部延伸的最长距离；e^是第二笔头部延伸的最长距离。实验发现在某些情况下添加笔画的头尾延伸部分可能使笔画混淆或变形，反而破坏笔画美化的效果。因此，在进行笔画头尾延伸变换时，对笔画延伸部分的长度、是否进行延伸等进行总结，得到延伸端点计算规则，如下所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上表中前四列中的"_"表示对应参数可取任意值。根据笔画延伸系数所给定的笔画延伸端点，在最简单的情况下，只需要在相邻笔画的头部和尾部添加一段直线使之相连，但这样的方法所生成的笔画线条是非常生硬和不美观的。设计了一种"中点迭代"的方法，步骤(2)的中点迭代方法先是将笔画延伸与相邻笔画相交，找寻中点，然后下次迭代时，以中点为起点，找其与相邻笔画相交线的中点，依次迭代，最终逼近于一条光滑的弧线。所述步骤(3)是草书化变换，所述草书化变换的B样条曲线方程定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，Pi(i二o，L...，n)是控制多边形的顶点，Ni,k(t)(i=0，l，...，n)称为k阶B样条基函数，其中每一个称为B样条，它是一个称为节点矢量，即非递减的参数t序列T:t。《^《A《tn+k所决定的k阶分段多项式，也即为k阶多项式样条；然后采用根据笔画复杂度大小选择不同的控制点数量的方法，来进行B样条拟合，设笔画上拐点(不包括笔画起止点)数目为m，那么，B样条拟合所使用的控制点数量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>;其中，k是一个可调整的参量，k的取值范围是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>M为笔画轨迹的采样点数目，通过以上公式计算适合的控制点个数，对样本点轨迹序列中每一笔画进行B样条拟合插值，得到相应的草书化变换结果。本发明利用骨架变换的轨迹分析方法来达到美化手写汉字的效果，其中骨架变换的轨迹分析方法主要利用三种变换来实现，分别是倾斜变换、笔画延伸及连笔变换和草书化变换。与已有的手写汉字美化方法相比，具有如下的优点和有益效果(1)、保留了手写人的个性化信息。(2)、可以对手写人的字体进行行楷字体的转换。(3)、手写汉字的美化过程运算复杂度低，但效果佳。(4)、美化的强弱可以通过参数进行调节。图1是本发明的系统总体结构框图2是本发明的系统实现功能框图；图3是本发明步骤(2)中笔画头尾延伸规则所用参数示意图4是本发明步骤(2)中中点迭代算法示意图。具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明，实施本发明所用的美化识别设备可以采用手写板书写汉字，用计算机进行美化识别，用纯平型显示器显示用户图形界面，可采用C语言编制各类处理程序，便能较好地实施本发明。本发明的系统总体结构框图如附图l所示，汉字通过手写板书进行手写输入采样，然后利用计算机实现美化算法对输入的手写字体美化，最后利用纯平型显示器显示美化后的手写字体输出。本发明的系统实现功能框图如附图2所示，手写输入样本送入基于骨架变换的轨迹分析模块，步骤(1)首先对输入样本进行倾斜变换，纵向拉伸轨迹长宽比例和向右上倾斜样本点轨迹，使得变换后的字体更靠近行楷字体的形状。步骤(2)然后将倾斜变换后的样本送入头尾连笔变换，使笔画显得更自然、流畅，模拟真实书法中的拖笔效果。步骤(3)最后送入草书变换，利用B样条实现轨迹的拟合，最终完成字体的美化处理，并且在显示器上显示美化后的字体。在基于骨架变换的轨迹分析模块中，各种参数可以人为调节来达到所需的最终输出效果。下面具体对上述步骤(1)(3)进行详细说明。步骤(1)整体结构调整的目的是通过调整用户输入的整体轨迹的长、宽、位置、角度等属性，使样本序列在整体比例和结构上符合目标风格的一般特性。行楷字体风格是长宽比较大，整体外部轮廓修长；且纵向笔画竖直，横向笔画微向右上倾斜。从算法实现的角度来看，为赋予样本点序列以上特性，所需步骤可描述为1、纵向拉伸轨迹长宽比例；2、向右上倾斜样本点轨迹。综上所述，对样本点Qi=(Xi，y》，变换后的样本点Q'i=fint(Qi)=(x'i，y'》=(Xi，(y,(Xi-Xniid)tg9、》A+y迈J(1)其中(Xniid，ymid)为输入区域的中心点，9和A分别是倾斜和纵向拉伸系数。f旭写为矩阵形式，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>经过变换后，样本点序列以输入区域的中心点为基准点，向右上方倾斜角度e，在纵向拉伸A倍。事实上，样本点轨迹在经过向右上倾斜的变换后，其纵向长度会相应地有所增加(增量为轨迹总宽度的tge倍)。实验发现当e=io°-15°，A二i.o的时候，整体结构变换能够达到最好的美化效果。步骤(2)是笔画延伸及连笔变换，该步骤以笔画为单位对样本点轨迹进行进一步变换，利用相邻笔画间的方向、位置信息，使笔画显得更自然、流畅，模拟真实书法中的拖笔效果。根据资料分析，行楷风格的笔画延伸变换规则要求如下每一笔画的尾端反映下一笔画书写的趋势；每一笔画的起始端反映上一笔画的延续；用一条直线把相邻笔画的头尾相接，整个笔画段应该是光滑(可导)的；每一笔画的起始、主体、结尾各部分平滑相连。针对以上行楷书法风格笔画关联性的要求特点，本文提出了笔画头尾延伸变换的笔画美化方法，模拟行楷书法中的"拖笔"现象，即对笔画的头部和尾部进行延伸，从而加强相邻笔画间的关联性。步骤(2)包括笔画延伸端点的确定和延伸笔段的形成。其中的受笔画延伸端点的确定是系统根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户的选择参数，确定笔画头尾延伸的端点。首先定义Sl、s2分别是第一笔和第二笔的基本笔画类型；apa2第一笔和第二笔的连接角度；d是第一笔末端与第二笔起始点之间的连线长度；eXl是第一笔尾部延伸的最长距离；ex2是第二笔头部延伸的最长距离，上述定义参数的如图3所示。实验和观察发现在某些情况下添加笔画的头尾延伸部分可能使笔画混淆或变形，反而破坏笔画美化的效果。因此，在进行笔画头尾延伸变换时，对笔画延伸部分的长度、是否进行延伸等进行总结，得到延伸端点计算规则，具体规则下表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中的笔画延伸笔段生成是根据笔画延伸系数所给定的笔画延伸端点，在最简单的情况下，只需要在相邻笔画的头部和尾部添加一段直线使之相连，但这样的方法所生成的笔画线条是非常生硬和不美观的。根据弧线逼近原理(在外接圆中，多边形的边数越大，它就越逼近于外接圆)，为此提出了"中点迭代"的算法，此方法将笔画延伸与相邻笔画相交，找寻中点，然后下次迭代时，以中点为起点，找其与相邻笔画相交线的中点，依次迭代，最终逼近于一条光滑的弧线。具体过程可以参加说明书图4。步骤(3)草书化变换是骨架变换的最后一个步骤，草书程度是相对于书写的规范程度而言的。草书程度越大，书写轨迹显得越流畅，也更"潦草"。在笔画轨迹上，草书程度集中体现在笔画转折处的锐角程度或曲率值的大小。转折角度越明显，曲率值越大，则草书程度越小。在用户输入较为正规的汉字轨迹时，通过前面的整体结构调整、笔画延伸变换和连笔形成，样本点序列已基本具有行楷书法的骨架风格。但笔画转折角度比较明显，较偏向于规范的书写。为了调整样本点轨迹的草书程度，需要平滑转折角度，增强轨迹的流畅性。本文采用了B样条曲线来实现样本点轨迹的草书化变换。B样条曲线方程定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，Pi(i=O，l，...，n)是控制多边形的顶点，Ni,k(t)(i=0，1，...，n)称为k阶(k-l次)B样条基函数，其中每一个称为B样条，它是一个称为节点矢量，即非递减的参数t序列T:t。《^《A《tn+k所决定的k阶分段多项式，也即为k阶(k-l次)多项式样条。在具体实现上，系统对样本点轨迹的每一笔画进行一个B样条曲线的拟合。拟合时使用的控制点数量应该自适应于该笔画的特性。因此，本文采用根据笔画复杂度大小选择不同的控制点数量的方法，来进行B样条拟合。设笔画上拐点(不包括笔画起止点)数目为m，那么，B样条拟合所使用的控制点数量为n=2(m+l)-k(4)其中，k是一个可调整的参量，k的取值范围是[p-2m-l，M/1.5-2(m+l)]，M为笔画轨迹的采样点数目。通过以上公式计算适合的控制点个数，对样本点轨迹序列中每一笔画进行B样条拟合插值，得到相应的草书化变换结果。实验结果如图6所示。从图中可以看出，所提出的基于B样条拟合插值的草书化变换方法能够有效地平滑样本点轨迹，形成美观、流畅的书写风格，并具有良好的用户可控性。权利要求一种手写汉字美化的骨架变换方法，首先从输入设备捕捉到用户的输入轨迹；进行重采样处理；获得采样均匀的用户输入的笔画的骨架信息，然后利用基于骨架变换的轨迹分析进行美化调整，最终生成行草书法风格的笔画轮廓，其特征在于，所述基于骨架变换的轨迹分析包括如下步骤(1)对输入样本进行倾斜变换，使得变换后的字体更靠近行楷字体的形状；(2)将倾斜变换后的样本进行笔画延伸及连笔变换，模拟真实书法中的拖笔效果；(3)利用B样条曲线实现轨迹拟合，进行草书变换，完成字体的美化处理。2.根据权利要求1所述的手写汉字美化的骨架变换方法，其特征在于所述基于骨架变换的轨迹分析具体为所述步骤(1)中的倾斜变换是纵向拉伸轨迹长宽比例和向右上倾斜样本点轨迹；所述步骤(2)中的笔画延伸及连笔变换，先是根据笔画的类型、相对位置、角度信息以及用户的选择参数，确定笔画头尾延伸的端点；然后根据延伸端点规则进行头尾延伸处理，最后通过中点迭代方法将连线逼近于光滑弧线。所述步骤(3)中的草书变换，采用根据笔画复杂度大小选择不同的控制点数量的方法进行B样条曲线拟合，先计算适合的控制点个数，然后对样本点轨迹序列中每一笔画进行B样条拟合插值，得到相应的草书化变换结果。3.根据权利要求2所述的手写汉字美化的骨架变换方法，其特征在于所述步骤(1)具体操作如下假设样本点为Qi=(Xi，y》，进行倾斜变换后的样本点Q'i=f旭(Qi)=(x'i，y'》=(Xi，(yi+(Xi-xmid)tge-ymid)A+ymid)其中(xmid，ymid)为输入区域的中心点，e和A分别是倾斜和纵向拉伸系数，f旭是倾斜变换函数，将其写为矩阵形式，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>4.根据权利要求3所述的手写汉字美化的骨架变换方法，其特征在于所述倾斜变换中倾斜系数9范围为10°15°;纵向拉伸系数A二1.0。5.根据权利要求2所述的手写汉字美化的骨架变换方法，其特征在于所述步骤(2)中的延伸端点规则具体如下定义Sl、S2分别是第一笔和第二笔的基本笔画类型；apa2为第一笔和第二笔的连接角度；d是第一笔末端与第二笔起始点之间的连线长度；eXl是第一笔尾部延伸的最长距离；ex2是第二笔头部延伸的最长距离，则延伸端点计算规则定义如下<table>tableseeoriginaldocumentpage2</column></row><table>上表中前四列中的"_"表示对应参数可取任意值。6.根据权利要求2所述的手写汉字美化的骨架变换方法，其特征在于所述步骤(2)的中点迭代方法先是将笔画延伸与相邻笔画相交，找寻中点，然后下次迭代时，以中点为起点，找其与相邻笔画相交线的中点，依次迭代，最终逼近于一条光滑的弧线。7.根据权利要求2所述的手写汉字美化的骨架变换方法，其特征在于步骤(3)所述的草书化变换的B样条曲线方程定义为^W=tsW',^)其中，Pji=O，l，...，n)是控制多边形的顶点，Ni,k(t)(i=0，1，...，n)称为k阶B样条基函数，其中每一个称为B样条，它是一个称为节点矢量，即非递减的参数t序列T:t。《^《A《tn+k所决定的k阶分段多项式，也即为k阶多项式样条；所述步骤(3)采用根据笔画复杂度大小选择不同的控制点数量的方法，来进行B样条拟合，设笔画上不包括起止点的拐点数目为m，那么，B样条拟合所使用的控制点数量为n=2(m+l)-k;其中，k是一个可调整的参量，k的取值范围是[p-2m-l，M/1.5-2(m+l)]，M为笔画轨迹的采样点数目，通过以上公式计算适合的控制点个数，对样本点轨迹序列中每一笔画进行B样条拟合插值，得到相应的草书化变换结果。全文摘要本发明是一种手写汉字美化的骨架变换方法，利用骨架变换的轨迹分析方法来达到美化手写汉字的效果，其中骨架变换的轨迹分析方法主要利用三种变换来实现，分别是倾斜变换、笔画延伸及连笔变换和草书化变换。与已有的手写汉字美化方法相比，具有如下的优点和有益效果(1)保留了手写人的个性化信息；(2)可以对手写人的字体进行行楷字体的转换；(3)手写汉字的美化过程运算复杂度低，但效果佳；(4)美化的强弱可以通过参数进行调节。文档编号G06T11/80GK101699517SQ20091019351公开日2010年4月28日申请日期2009年10月30日优先权日2009年10月30日发明者朱星华,毛慧芸,金连文申请人:华南理工大学