基于文档图像的圆弧分割方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于文档图像的圆弧分割方法，包括如下步骤：步骤1）确定圆弧的参数；步骤2）利用对称轴校正步骤1）中的参数；步骤3）判断是完整圆还是部分圆。该方法能提高文档图像的矢量化效率。为纸质文档的数字化，电子文档的管理，以及根据二维图纸构建三维模型提供强有力的支持。
【专利说明】基于文档图像的圆弧分割方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及图形分割，尤其涉及文档图像的圆弧分割。
【背景技术】
[0002]对文档图像的矢量化和数字化是信息时代的趋势，而图形识别是文档图像中的一个关键问题。只要能正确识别文档图像的内容就能处理很多文档图像。圆弧作为文档图像中很常见的一种形状，却是图形识别中的一个难点。快速准确的实现圆弧分割对处理文档
图像有重要意义。
[0003]圆弧识别与圆弧分割的区别:
[0004]圆弧识别:只需知道这个形状是一个完整的圆或者部分圆就可以了。不需要求出其半径大小，圆心坐标，和线宽。
[0005]圆弧分割:首先需要知道这个形状是一个完整的圆或者是部分圆。如果是完整的圆，需要准确求出其圆心坐标，半径，和线宽。如果是部分圆，不仅需要准确求出其圆心坐标，半径，和线宽，还需要准确求出这个部分圆的起始角度和终止角度。
[0006]在图像处理中，霍夫变换经常被用来对圆弧的识别，但是当图像的内容比较复杂时霍夫变换的分割效果非常差，而且该方法时间复杂度很高。各种改进的骨架方法也被用来分割圆弧，但是由于骨架方法的先天缺陷，这些方法分割出来的效果并不理想。因此，需要提出新的分割圆弧的方法。
【发明内容】
[0007]信息时代的到来让各种资源的数量激增，如何快速高效的传输和存储这些资源是一个亟需解决的问题。将纸质文件转成电子文件来建造数字图书馆，使之便于管理，存储和传输。通过将工程图纸文件，转换为电子文件可以构造三维模型。本发明提出的方法就是将包含各种图形的纸质文件，如建筑图纸，电路设计图，电气设计图等，转成矢量的形式存进计算机，以方便以后的文档管理和构造三维模型。其中对圆弧的分割是一个难点问题。如果能有效的分割圆弧将在很大程度上提高文档图像矢量化的质量。
[0008]为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于文档图像的圆弧分割方法，包括如下步骤:
[0009]步骤I)确定圆弧的参数:
[0010]首先需要找到圆弧上至少3个点，然后利用这些点计算圆弧的参数。其方法如下:逐行扫描图像，当遇到一个黑色像素点A时，以该点为圆心，利用两个固定长度的值为半径，画两个同心圆，此处的固定长度，选择的是两个不同数值的长度，这两个同心圆与周围的线段相交得到至少3个交点，如果只有两个交点，则将该A点舍弃，继续扫描，直到满足有至少3个交点为止；去除噪声点；用包括A点在内的被保留的点求出圆心坐标和半径；
[0011]步骤2)利用对称轴校正步骤I)中的参数:
[0012]在水平方向同时采用三条线扫描，在垂直方向上同时采用三条线扫描，如果三条扫描线同时遇到黑色像素点，并且三点所在的同一条直线都是黑色，则该线可能就是一条对称轴，将该对称轴的坐标存下；
[0013]结合步骤I)求得的圆弧参数的信息，如果将某条对称轴的坐标代入圆方程时求得误差较小，则用此坐标取代圆心坐标对应的坐标；
[0014]步骤3)判断是完整圆还是部分圆:
[0015]按照固定角度并且满足圆方程的原则来生成一些点，然后再来判断这些点的像素值:
[0016]采用只生成一部分点的策略，并且将这些点分布在圆周上，如果这些都是黑色像素，则该圆弧就是完整圆；如果这些点中就一部分是黑色像素，则该圆弧是部分圆，需要进一步求出其起始角度和终止角度。
[0017]作为本发明的进一步改进，步骤I)消除噪声点方法如下:
[0018]第一种策略是根据线宽来去掉这些噪声点:
[0019]在一条线或圆弧中，如果这些交点所在的线宽与A点所在的线宽是不同的，则将这些点去掉；
[0020]第二种策略是利用连续性来去除噪声点:
[0021]以A为源点向两边扩张，如果新加进的点和以前点形成的线段不是全黑色的点，则新加进的点必须去除，否则可以保留这个新加进的点；
[0022]第三种策略是利用与内圆形成的两个交点连成的直线必须在A点和与外圆的交点之间；
[0023]只有同时满足以上三种策略的交点才会被保留下来。
[0024]所处理的图像是二值图像，背景是白色，前景是黑色。
[0025]作为本发明的进一步改进，步骤2)中，三条线优选利用以下方法确定:设待扫描图像的长度或者宽度为L，中间一条扫描线为L/2处，另外两条扫描线距离中间这条扫描线的距离为。
[0026]作为本发明的进一步改进，步骤3)中，进一步求出其起始角度和终止角度，方法如下:首先求出圆周上白色像素和黑色像素的分界点，这个分界点只是一个比较粗略的值，在这个点的附近需要再次生成密集的点，再一次求得的值才是该圆弧的起始角度或者终止角度。
[0027]作为本发明的进一步改进，步骤3)中，固定的角度如下:相邻两个点的之间的角度值范围是360/5.6R至360/5.7R，R为半径，以像素的个数为长度，角度取弧度制。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]该方法能提高文档图像的矢量化效率。为纸质文档的数字化，电子文档的管理，以及根据二维图纸构建三维模型提供强有力的支持。
【具体实施方式】
[0030]本方法主要包括三个方面的内容:
[0031]I)确定圆弧的参数，即圆心坐标和半径；
[0032]2)利用对称轴来校正这些参数；
[0033]3)在圆弧上生成一系列的点，并判断这些点所在的圆弧是完整的圆还是部分圆。[0034]所有处理的图像都是二值图像，背景是白色，前景是黑色。
[0035]I)确定圆弧的参数
[0036]根据不共线的三点可以确定一个圆方程的思想，首先需要找到几个点，然后利用这些点计算圆弧的参数。具体方法如下:逐行扫描图像，当遇到一个黑色像素点A时，以该点为圆心，利用两个固定长度的值为半径，画两个同心圆，此处的固定长度，选择的是两个不同数值的长度，长度的大小的确定，所属【技术领域】的技术人员根据图像的分辨率和经验进行调整和确定。这两个同心圆与周围的线段相交得到几个交点，一般情况下是四个交点，最少也需要三个交点。说明:如果只有两个交点，则将该A点舍弃，继续扫描，直到满足有至少3个交点为止。为了计算的方便只使用两个同心圆来求交点。为了尽可能的提高准确率，计算圆参数的点的个数最好大于三个。在这个求点的过程中，可能会遇到很多噪声点。本发明采用三种策略来消除这些噪声点。第一种策略是根据线宽来去掉这些噪声点。在一条线或圆弧中，各个点所在的线宽应该是相等的，如果这些交点所在的线宽与A点所在的线宽是不同的，则将这些点去掉。第二种策略是利用连续性来去除噪声点。在一幅图像中，不同的线条或圆弧很有可能是相同的线宽，但是这些交点并不是和A是在同一条线或圆弧上。根据相邻点之间的线段必须是连续黑色像素的原理，以A为源点向两边扩张，如果新加进的点和以前点形成的线段不是全黑色的点，则新加进的点必须去除，否则可以保留这个新加进的点。第三种策略是利用与内圆形成的两个交点连成的直线必须在A点和与外圆的交点之间。只有同时满足这三种策略的交点才会被保留下来。用这些(包括A点在内)被保留的点求出圆心坐标和半径。
[0037]2)利用对称轴来进行校正
[0038]根据不共线的三点可以确定一个圆的思想，不共线的三个点是可以确定一个圆方程，但是这三个点不一定可以确定唯一的一个圆，由于像素误差，计算距离很近的3个点可能会得到多个圆。由于在求圆参数的时候，同心圆的半径是固定的，并且不能保证这些交点的距离足够的大，以至于求得圆参数不是很准确。当这些交点的相对位置满足什么关系的时候，求得的圆参数才是最准确的。通过实验发现，当三个点形成的圆弧是半圆时，求得的圆参数是比较准确的。但是在实际的操作中，想让这三个点的位置分布在半圆上是不现实的。因此需要利用周围的信息来校正这些参数值。通过分析这些图纸，发现对称轴是普遍存在于图纸中的，这些对称轴通常都是经过圆心的，而且都是水平对称轴和垂直对称轴居多，所以利用对称轴的信息可以校正这些参数。由于部分图没有对称轴，或者是在图的某个局部有局部对称轴。综合这些情况，从时间和效率的角度考虑，在水平方向同时采用三条线扫描，在垂直方向上同时米用三条线扫描，此处的水平方向和垂直方向即被扫描平面的横坐标和纵坐标方向，如果三条扫描线同时遇到黑色像素点，并且三点所在的同一条直线都是黑色，则该线可能就是一条对称轴，将该对称轴的坐标存下。三条线优选利用以下方法确定:设待扫描图像的长度或者宽度为L，中间一条扫描线为L/2处，另外两条扫描线距离中间这条扫描线的距离为。使用同样的方法，直到水平方向和垂直方向都扫描完成。结合上面求得的圆弧参数的信息，如果将某条对称轴的坐标代入圆方程时求得误差较小，则可用此坐标取代圆心坐标对应的坐标。
[0039]3)判断是完整圆还是部分圆
[0040]由于部分圆还需要求出其起始角度和终止角度，所以需要判断这段圆弧是属于完整圆还是属于部分圆。有些研究人员采用经典的Bresenham(直译:博瑞森汉姆)画圆方法来“重绘”这个圆弧。本发明用实验验证得出该方法的效率有待提高。通过Bresenham画圆方法画出的圆弧中存在很多冗余的像素点。当需要进行判断时，事先将圆周上的所有像素点按照角度大小的顺序存进一个数组中，当需要找到圆弧上的下一个点时，就需要扫描这个数组，相邻的像素值通常都是有相同角度值，为了得到一个不同的角度的像素点，就必须逐一判断相同角度的像素点。当圆弧的半径越大时，需要判断的冗余点就越多。因为圆周对应的角度都是360度，半径越大，对应的圆周就越长，圆周上点的个数就越多。本发明采用的方法是“判断”这些点，如果某个点是黑色像素并且该点的坐标满足圆方程，则该点就在圆周上。开始时本发明是随机生成一些点，在后来的实验中本发明发现这些随机点会产生一些错误。于是本发明按照固定角度(计算方法说明见下文)生成一些点，然后再来判断这些点的像素值。为了提高效率，本发明可以只生成一部分点。如果这些都是黑色像素，则该圆弧就是完整圆；如果这些点中就一部分是黑色像素，则该圆弧是部分圆，需要进一步求出其起始角度和终止角度。首先求出圆周上白色像素和黑色像素的分界点，这个分界点只是一个比较粗略的值，在这个点的附近需要再次生成密集的点，再一次求得的值才是该圆弧的起始角度或者终止角度。
[0041]固定角度的计算方法如下:通过实验得到半径的大小与圆周上点的个数的关系，如下表1。例如，如果半径R是10个像素长度，则这个圆周上共有56个点，这些点的角度值都互不相同。当求出某个圆弧的半径时，就根据下面的这个表找出比较接近的半径值，然后得到对应的圆周上点的个数。360除以这个数，就是固定的角度，即相邻两个点的之间的角度值(弧度制)。[0042]表1半径大小与圆周上点的个数的关系
[0043]
【权利要求】
1.一种基于文档图像的圆弧分割方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤I)确定圆弧的参数: 首先需要找到圆弧上至少3个点，然后利用这些点计算圆弧的参数，逐行扫描图像，当遇到一个黑色像素点A时，以该点为圆心，利用两个固定长度的值为半径，画两个同心圆，此处的固定长度，选择的是两个不同数值的长度，这两个同心圆与周围的线段相交得到至少3个交点，如果只有两个交点，则将该A点舍弃，继续扫描，直到满足有至少3个交点为止；去除噪声点；用包括A点在内的被保留的点求出圆心坐标和半径； 步骤2)利用对称轴校正步骤I)中的参数: 在水平方向同时采用三条线扫描，在垂直方向上同时采用三条线扫描，如果三条扫描线同时遇到黑色像素点，并且三点所在的同一条直线都是黑色，则该线可能就是一条对称轴，将该对称轴的坐标存下； 结合步骤I)求得的圆弧参数的信息，如果将某条对称轴的坐标代入圆方程时求得误差较小，则用此坐标取代圆心坐标对应的坐标； 步骤3)判断是完整圆还是部分圆: 按照固定角度并且满足圆方程的原则来生成一些点，然后再来判断这些点的像素值: 采用只生成一部分点的策略，并将这些点分布到圆周上，如果这些都是黑色像素，则该圆弧就是完整圆；如果这些点中就一部分是黑色像素，则该圆弧是部分圆，需要进一步求出其起始角度和终止角度。
2.根据权利要求1所述的基于文档图像的圆弧分割方法，其特征在于:步骤I)消除噪声点方法如下: 第一种策略是根据线宽来去掉这些噪声点: 在一条线或圆弧中，如果这些交点所在的线宽与A点所在的线宽是不同的，则将这些点去掉； 第二种策略是利用连续性来去除噪声点: 以A为源点向两边扩张，如果新加进的点和以前点形成的线段不是全黑色的点，则新加进的点必须去除，否则可以保留这个新加进的点； 第三种策略是利用与内圆形成的两个交点连成的直线必须在A点和与外圆的交点之间； 只有同时满足以上三种策略的交点才会被保留下来。
3.根据权利要求1所述的基于文档图像的圆弧分割方法，其特征在于:所处理的图像是二值图像，背景是白色，前景是黑色。
4.根据权利要求1所述的基于文档图像的圆弧分割方法，其特征在于:步骤2)中，三条线优选利用以下方法确定:设待扫描的图像的长度或者宽度为L，中间一条扫描线为L/2处，另外两条扫描线距离中间这条扫描线的距离为。
5.根据权利要求1所述的基于文档图像的圆弧分割方法，其特征在于:步骤3)中，进一步求出其起始角度和终止角度，方法如下:首先求出圆周上白色像素和黑色像素的分界点，这个分界点只是一个比较粗略的值，在这个点的附近需要再次生成密集的点，再一次求得的值才是该圆弧的起始角度或者终止角度。
6.根据权利要求1所述的基于文档图像的圆弧分割方法，其特征在于:步骤3)中，固定的角度如下:相邻两个点的之间的角度值范围是360/5.6R至360/5.7R，R为半径，以像素的个数为长度，角 度取弧度制。
【文档编号】G06T7/00GK103679731SQ201310700137
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】王轩, 张自力, 于成龙, 李鑫鑫, 张加佳, 刘猛, 赵海楠, 李晔, 漆舒汉, 关键, 张江涛, 刘博
申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院