专利名称：一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器及方法
技术领域：
本发明属于图像处理技术领域，涉及图像插值方法，广泛应用于图像显示、图像传输、图像分析、图像编码、图像缩放、图像旋转、图像目标识别等民用的图像处理领域，更具体地说用于数码相机、数码摄像机、视频播放器和液晶电视中得到最佳图像质量的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器及方法。
背景技术：
在数字图像处理中，图像插值是一种最基本、最常用的几何运算，它是一个图像数据的再生过程，即由具有较低分辨率的原始图像数据再生出具有更高分辨率的图像数据， 是图像处理中重新采样过程中的第一个重要组成部分，它能把一个离散的矩阵转换成一幅连续图像，广泛应用于图像显示、图像传输、图像分析、图像编码、图像缩放、图像旋转、图像目标识别等民用的图像处理领域，插值的精度直接影响最终的图像处理结果，因此探求优于现有插值方法的图像插值方法在学术上和应用上都很重要。图像插值过程是在一个可得的低分辨率图像中，利用己知像素值估计出中间像素值的过程。图像插值过程是一个图像数据的建模过程，一般分为两步首先选择一种模型逼近源图像，再用所期望的采样率对该连续模型重新采样。传统的插值方法有最近邻插值法、双线性插值法、双三线性插值法、二元Newton-Thiele型向量有理插值曲面法、双三次插值有理样条法和曲面拟合插值法等。图像插值广泛应用于现实生活中，而且在放大数字照片、增加打印机的分辨率、把PAL或NTSC分辨率视频转换成HDTV分辨率视频等应用中非常重要。通常，图像插值方法是用一个基函数或插值核来逼近、刻画源图像。常用的插值核包括线性插值核、样条插值核、Lanczos插值核等。但目前国内外学者所研究的图像插值方法都存在这样或那样的问题，最近邻插值法取离它最近的像素点的像素值作为待插入点的像素值，该方法最简单，但是效果也最差，容易产生“锯齿”状边缘和“马赛克”现象；双线性插值法利用待插入点周围的4个已经存在的像素点的像素值，根据它们离待插入点距离的远近，给予不同的权值，效果比最近邻法要好很多，但它没有考虑周围4个像素的空间关系，还有不理想的地方；双三线性插值法是在双线性插值法的基础上把要参考的像素数由4个扩展为16个，效果有所改善和提高；二元Newton-Thiele型向量有理插值曲面法、双三次插值有理样条法和曲面拟合插值法等都是用统一的模型、统一的函数或统一的插值核进行插值，与双线性和双三线性插值法一样都没有考虑周围像素之间的空间关系，虽说插值效果取得了一些进展，但都存在一定的不足之处。到目前为止，国内外还没有发现和研究出图像的原始插值模型，只能用一个基函数或插值核来逼近、刻画源图像，从而不可能得到理想的图像插值方法，也就无法满足高质量图像处理的需求。数码照相机和数码摄像机受电子设备制造技术的限制，分辨率是一定的，要想得到分辨率高、尺寸大的图像，通过提高它们设备的分辨率一方面受制造技术的限制，另一方面也会提高成本；而视频播放器和液晶显示器则是将通过数码照相机和数码摄像机获得的图像或视频显示出来，如果传输过来的图像或视频分辨率较低，则显示的图像尺寸小且模
6糊，如在用视频播放器播放视频时，刚开始视频窗口的大小随视频分辨率的高低而不同， 分辨率高则窗口大，否则窗口则小，如果选择全屏播放模式，则原来分辨率低的视频就会出现图像模糊、“马赛克”(块状效应)和“锯齿”状边缘现象，这是由于它们采用的图像插值方法不合理而造成的。
发明内容
本发明目的在于解决现有图像插值方法所存在的用一个基函数或插值核来逼近、 刻画源图像的图像插值问题。本发明提出了一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器及方法，不需要用基函数或插值核来逼近、刻画原图像，从而设计出合理的图像插值方法， 得到理想的图像插值效果，可以满足高质量图像处理的需求；可以使国内外图像处理方面的专家和学者不必再进行图像插值方面的研究，而把有限的时间和精力应用到图像处理的其它领域；可以对数码相机和数码摄像机获得的低分辨率的图像和视频转换为高分辨率的图像和视频再保存；也可以对视频播放器和液晶电视接收到的低分辨率的图像和视频转换为高分辨率的图像和视频再播放和显示。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案
一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，步骤如下
(1).把一幅数字图像等效为空间坐标系中的一个点集，采用建立待插入点周围4个点的空间关系，使一幅数字图像中的一个像素点的行坐标？、列坐行及该点的像素值/Ij) 这三个要素，表示为空间坐标系中的一个点为；
检查待插入点的坐标(υ),如果它是整数点即χ是整数ι也是整数，这时不需要插值，直接取源图像中对应点的像素值即可，否则图像需要插值；
(2).空间坐标系中XOY平面上的任何一个单位正方形(边长a=l)，通过旋转和平移使它的四个顶点坐标为(0,0)、(cu)、(1,0)和CU)；使空间坐标系中的4个点在XOY平面上的投影为单位正方形的4个顶点，则它们的空间坐标设为4(0,0, ) , S1(O1IiZ1) , S2(IiO3Z2),
(3).建立待插入点与周围4个点的空间关系使周围4个点不在同一平面上，就在同一球面上；采用判断巧+ - - 的值，如果A + - - = 0成立，按平面插值，否则
5+zI-巧- = 0不成立按球面插值；
(4).当待插入点周围的4个点在同一平面上，采用平面方程判断法，求出平面方程， 确定待插入点(U)处的像素值ζ ；
1)、如果Z0= ^ = Z2 ,此时巧肯定与它们也相等，则待插入点的像素值Z=A ；
2)、如果Z0= Z1 = O,则待插入点的像素值ζ = Ax ；
3)、如果Z0= 0Λ式0 ,则待插入点的像素值ζ =；
4)、如果,则待插入点的像素值2= ( + 抄+ ；
(5).当待插入点周围4个点不在同一平面上，采用球面方程判断法，求出球面方程，确定待插入点(U)处的像素值
1 )、根据式(11)求得球心坐标的Z ；
2)、把Z代入式(9)求得球心坐标的X；
3)、把Z代入式(8)求得球心坐标的Y；
4)、把X，Y，Z代入式(1)求得球面半径的平方—；
5)、根据式(24)求得待插入点的两个候选插入值；
6)、求得点(Λ为的最近邻点的像素值^^.；
7)、求得^4. 而的最小值越《Κ ^和最大值！faxValue
8)、取两个候选插入值中在区间[滅《Κ ^-Ι,Μ^Κ ^+ Ι]内且与^iir最接近的一个作为待插入点的像素值；
(6)、用步骤(4)、(5)求插入点的像素值，要求0忘1,7€1,令 为;^的整数部分，
Λ为的整数部分，则它周围的4个点即为(W0J0)、(χ0,γ0 +U1)、( +1!Λ,ζ2)和 (χ0 + 1,70+1,Ζ3)使它们分别对应S0(OAZ0)、S1(OjIjZi)、S2O1OjZ2)和 S3(IJiZ3),再让；^,少分别取各自的小数部分。—种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，平面方程判断法: 为22+6-23-4 = 0,则以点CU0)和为端点的线段的中点坐标
为(^=〒)；以点^(CUJ1)和S2(I1CU2)为端点的线段的中点坐标为 ；因所以22+巧=巧+% ；显然两条线段的中点坐
^ Z Z
标相同，也就是说两条线段相交，而相交的两条直线必定在同一平面内；由上确定点 S0(0,0，Z0)，S1 (0,1, Z1X S2 (1，CU2)，S3α 1，Z3)在同一平面上。一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，球面方程判断法为 Z2+Z1-Z3-Z0 ^ O 时，点 S0(OAz0) , S1(O1IsZ1) , S2(l，0’22) ,在同一球面上，当且仅
当这4个点同时满足同一球面方程；
将点 S0(C),O,Z0),S1(CUA),S2ClO,z2),^3(1,1, )代入球心坐标为(JdZ)、半径为r 的球面方程得到
权利要求
1. 一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，其特征在于步骤如下 (1).把一幅数字图像等效为空间坐标系中的一个点集，采用建立待插入点周围4个点的空间关系，使一幅数字图像中的一个像素点的行坐标|、列坐标J及该点的像素值/(LJ)这三个要素，表示为空间坐标系中的一个点为釓J,/釓J))；检查待插入点的坐标(U),如果它是整数点即χ是整数，>’也是整数，这时不需要插值，直接取源图像中对应点的像素值即可，否则图像需要插值；空间坐标系中XOY平面上的任何一个单位正方形(边长a=l)，通过旋转和平移使它的四个顶点坐标为(0,0)、(OJ)、(1,0)和(U)；使空间坐标系中的4个点在XOY平面上的投影为单位正方形的4个顶点，则它们的空间坐标设为^(0,0, ) , S1(OjIjZ1) , S2(IjOjZ2),%(XU3)；建立待插入点与周围4个点的空间关系使周围4个点不在同一平面上，就在同一球面上；采用判断巧+ - - 的值，如果巧+ - - = 0成立，按平面插值，否则Z2 + - -^0 = O不成立按球面插值；当待插入点周围的4个点在同一平面上，采用平面方程判断法，求出平面方程，确定待插入点(U)处的像素值ζ ；1 )、如果匈=4 = Z2 ,此时与肯定与它们也相等，则待插入点的像素值ζ = Z0 ；2)、如果％= Z1 = O ,则待插入点的像素值ζ = z2x ；3)、如果％= 0,Z1式0 ,则待插入点的像素值ζ = Z2X+巧7 ；4)、如果，则待插入点的像素值2= ( - ^ + ^-%抄+ ；当待插入点周围4个点不在同一平面上，采用球面方程判断法，求出球面方程，确定待插入点(U)处的像素值1)、根据式(11)求得球心坐标的Z；2)、把Z代入式(9)求得球心坐标的X；3)、把Z代入式(8)求得球心坐标的Y；4)、把X，Y，Z代入式(1)求得球面半径的平方r2；5)、根据式(24)求得待插入点的两个候选插入值；6)、求得点(U)的最近邻点的像素值^sir；7)、求得Z0 ,Z1^z2 , 的最小值Mm Value和最大值M SK Vaius8)、取两个候选插入值中在区间Ι,Μ χΚΛδ+Ι；!内且与^^最接近的一个作为待插入点的像素值；(6)、用步骤(4)、(5)求插入点的像素值，要求OS为；f的整数部分，>'o为7的整数部分，则它周围的4个点即为(x。,7D，％)、+1 )、( +1^0, )和 (λ·0 + 1,Λ + 1,Ζ3)使它们分别对应S0(0,0,Z0)、S1(OjIjZ1)、S2(1,0,Z2)和 S3(Uz3),再让;^, j分别取各自的小数部分。
2.根据权利要求1所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，其特征在于平面方程判断法为^ + -巧-A = 0 ,则以点而(0，0, )和S3(1,1,为端点的线段的中点坐标为(H；以点&和&Oj2)为端点的线段的中点坐
3.根据权利要求1所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，其特征在于球面方程判断法为时，点S0(JXOj0) , S1(OAz1) , ^2(IfO1Z2),5CU，A)在同一球面上，当且仅当这4个点同时满足同一球面方程；将点而(0,0,^)4(0,1, ),6(1,0, ),芍(1,1,巧)代入球心坐标为(U,Z)、半径为r的球面方程得到
4.根据权利要求1所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，其特征在于在同一平面上的图像插值方法,即确定待插入点(U)处的像素值ζ ；如果50(0,0,2 ),S1(OAz1XS2CIAz2),S3(Uz3)在同一平面上则按如下步骤进行 设％(0，0,20)4(0,1,^),^(1,0,22),53(1,1, )所在平面方程为
5.根据权利要求1所述的一种平面插值和球面插值相结合的四像插值方法，其特征在于在同一球面上的图像插值方法，即确定待插入点(U)处的像素值
6.根据权利要求1所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值方法，其特征在于所述图像插值包括黑白图像插值和彩色图像插值，所述彩色图像插值，是彩色图像中任一个像素点的像素值都是由红(Red)、绿 (Green)、蓝(Blue)三个分量组成的，分别对三个分量进行图像插值；所述黑白图像插值即灰度图像插值，它的红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三个分量的值相等，故对于待插入点的红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三个分量分别进行图像插值。
7.如权利要求1所述方法的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器，其特征在于由平面插值模块与球面插值模块组成，平面插值模块输入端与图像局部判别器输出平面模型信号的接口相连接；球面插值模块输入端与图像局部判别器输出球面模型信号的接口相连接；图像局部判别器输入端与低分辨率图像的信号处理器相连，信号处理器与数码传感器相连；平面插值模块与球面插值模块图像插值处理后的高分辨率图像信号输出端接口与存储器或视频显示设备相连接。
8.如权利要求7所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器，其特征在于 数码传感器包括数码照相传感器和数码摄像传感器。
9.如权利要求7所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器，其特征在于 视频显示设备包括视频播放屏或液晶显示屏。
10.如权利要求7所述的一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器，其特征在于 图像局部判别器输入端与低分辨率视频信号的数码摄像传感器相连或与低分辨率图像的视频信号相连。
全文摘要
本发明属于图像处理技术领域，公开一种平面插值和球面插值相结合的图像插值器及方法，所述图像插值器由平面插值模块与球面插值模块组成，平面插值模块输入端和球面插值模块输入端分别与图像局部判别器输出端相连；平面插值模块与球面插值模块图像插值处理后的高分辨率图像信号输出端与图像显示屏或存储器相连。其方法是把一幅数字图像等效为空间坐标系中的一个点集，采用建立待插入点周围4个点的空间关系判别在同一平面上，或在同一球面上；确定待插入点的像素值；本发明避免了现有的图像插值方法用同一的基函数或插值核来逼近原图像的缺点，本发明插值后得到的图像效果最好，图像清晰、分辨率高，且不会引起失真。
文档编号G06T5/00GK102289799SQ20111025316
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者于素萍, 康牧, 张果, 李永亮, 毛伟伟, 田斌, 郭岗, 陈向奎 申请人:洛阳师范学院