一种从曲线图形中提取曲线数据的方法与流程

本发明涉及计算机图形处理与识别领域，特别是涉及一种从曲线图形中提取曲线数据的方法。

背景技术：

从曲线图形中自动识别并提取曲线数据，在计算机图形处理与识别领域，特别是在科学计算与数据处理方面，具有非常重要的应用价值。

目前，相关领域的应用软件系统，主要采用人工手动拾取的方式，将曲线图形转换为数字化的二维曲线坐标。即：在一个预先定义的二维坐标空间里，依靠人工沿曲线图形走向逐点标记并拾取各节点坐标值。手动标记点的准确性与操作者的经验、软件系统反馈等密切相关。因此，这一标记方法的技术缺陷（特别是数值误差）是显而易见的。

对曲线图形进行自动识别的难点在于以下几个方面。（1）曲线自身的联通性可能很复杂。对于单一线段，通常比较容易识别。但对于存在复杂连接关系和拓扑属性的曲线图形来说，如何准确判定相邻线段之间的连接关系或重叠属性，是图形处理与自动识别技术的焦点和难点。（2）曲线线宽与图形栅格化像素之间不匹配，导致对曲线段线长与线宽的界定是比较模糊，因而很难构造具有普适性且鲁棒的自动识别方法。

本发明根据栅格化曲线图形灰度值的分布特点与联通性原则，提出了一种从曲线图形中提取曲线数据的方法，可以显著提高曲线图形数据转换的效率和数值精度。本方法可以不失一般性地拓展至对三视图（或等价的多视图）中三维曲线或曲面的自动识别与数据重建工作。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种从曲线图形中提取该曲线数据的方法，以避免人工抓取曲线节点的操作失误或数值分辨率误差。

本发明公开的从曲线图形中提取曲线数据的方法，包括以下步骤：

（1）以有限像素对曲线图形所在的二维区域进行栅格化标记；

（2）沿长（x）或宽（y）方向，逐列或逐行标记连续涂色的像素集合；

（3）根据边缘及相邻像素的灰度值分布特征，计算连续涂色像素集合的边界位置；

（4）精确计算上述集合所描述的曲线段或节点坐标；

（5）根据相邻涂色像素集合之间的连通性，依次输出上述曲线段集合或节点集合的坐标及其链式关系。

其中，步骤（1）对曲线图形进行栅格化标记，可细分为以下几步：

（1a）根据二维图形的最大范围，按指定的像素大小∆（∆与曲线线宽约为一个量级），将该曲线图形栅格化，分别记二维图形在长（x）、宽（y）方向的最大像素点数为n和m；

（1b）标记曲线图形在每个像素中的灰度值f1（f1=0~255），rgb彩色图可根据r、g、b分量法或加权平均法转换为灰度图；

（1c）遍历上述像素集合，以最大灰度值max{f1}为模，将所有涂色像素的灰度值归一化，即f2=0~1。

上述步骤（2），沿长（x）或宽（y）方向，逐列或逐行标记连续涂色的像素集合，可细分为以下几步：

（2a）记ε为预先设定的灰度阈值。从x方向的第一个像素点（x1,y1）开始，判定其灰度值是否大于ε；若大于ε，则将其记入第一个涂色像素队列x1_r1{}；

（2b）提取上述像素点沿y方向的相邻点，如（x1,y2），同上，若其灰度值大于ε，则将其记入队列x1_r1{}，否则不记入；

（2c）若（x1,y2）的灰度值ε且x1_r1{}非空，则第x1列的涂色像素集合数加1，记为x1_r2{}；

（2d）重复上述第（2b）至第（2c）步，遍历第x1列的所有像素点，得到所有线段对应的连续涂色像素队列集合{x1_ri}；

（2e）提取x1右侧的相邻像素x2，重复上述第（2a）至第（2d）步，得到曲线图在第x2列的所有连续涂色像素队列集合{x2_rj}；

（2f）遍历队列{x2_rj}，标记其与队列{x1_ri}之间的联通关系，例如：对涂色像素队列x2_rj，若其左侧相邻的涂色像素集合{x1_yk}分属于队列集合{x1_rm}，则标记x2_rj左侧与队列集合{x1_rm}联通；

（2g）重复上述第（2a）至第（2f）步，遍历x方向的所有像素点，得到曲线图对应的所有连续涂色像素队列集合{xi_rj}，并已从左至右，标记相邻两列涂色像素之间的联通关系。

上述步骤（3），根据边缘及相邻像素的灰度值分布特征，计算连续涂色像素集合的边界位置，可细分为以下几步：

（3a）若队列集合{x1_rj}非空，则取队列x1_r1，依次记其两个下边界点和两个上边界点p(-2)、p(-1)、p(1)、p(2)，且记初始值为0；

（3b）在队列x1_r1中，取第一个像素（x1,yj），若其归一化的灰度值f(j)>1-ε，则该队列下边界点p(-1)的坐标值为（∆/2,(j-1/2)∆）；

（3c）若元素（x1,yj）的灰度值f(j)<1-ε，且其相邻像素（x1,yj+1）的灰度值f(j+1)>1-ε，则下边界点p(-2)的坐标值为（∆/2,(j-f(j)/2)∆），下边界点p(-1)的坐标值为（∆/2,(j+1/2)∆）；

（3d）若元素（x1,yj）的灰度值f(j)<1-ε，且其相邻像素（x1,yj+1）的灰度值0<f(j+1)<1-ε，则继续查找在队列x1_r1中的相邻像素集合{（x1,yk）}，直至第一个灰度值满足条件f(k)>1-ε，此时记p(-1)的坐标值为（∆/2,(k-1/2)∆）、p(-2)的坐标值为（∆/2,(k-1-f(k-1)/2)∆）；否则，记p(-2)的坐标值为（∆/2,(j-1/2)∆）、p(-1)仍为初值0；

（3e）若元素（x1,yj）的灰度值f(j)<1-ε，且其相邻元素（x1,yj+1）不在队列x1_r1，则其下边界点p(-2)的坐标值为（∆/2,(j-1/2)∆）；

（3f）同理，取队列x1_r1的上边界像素（x1,yj）及其相邻元素（x1,yj-1），计算其上边界点p(1)、p(2)的坐标值；

（3g）遍历队列集合{x1_rj}，重复上述第（3a）至第（3f）步；

（3h）遍历队列集合{xi_rj}，重复上述第（3a）至第（3g）步。

上述步骤（4）：精确计算上述集合所描述的曲线段或节点坐标，可为以下几步：

（4a）若队列集合{x1_rj}非空，则取队列x1_r1，其灰度像素区的上、下边界点依次为p(-2)、p(-1)、p(1)、p(2)，记拟提取的线段数据上、下边界点为q1、q2；

（4b）若p(-2)、p(-1)、p(1)、p(2)均大于0，则q1的坐标为p(-2)和p(-1)基于灰度值的加权平均值，q2的坐标为p(1)和p(2)基于灰度值的加权平均值；

（4c）若p(-1)与p(1)中有且仅有一个为0，则q1和q2的坐标值分别为p(-2)、p(2)与非0坐标点p(-1)或p(1)基于灰度值的加权平均值；

（4d）若p(-1)与p(1)都为0，则q1和q2为同一点，且等于p(-2)和p(2)基于灰度值的加权平均值；

（4e）若|q1-q2|<∆，则令g=（q1+q2）/2，q1=q2=g；

（4f）遍历{x1_rj}，得到曲线图在第x1列所有线段的上、下边界点坐标；

（4g）遍历队列集合{xi_rj}，得到曲线图在各列像素中标记的线段边界点坐标。

上述步骤（5）：根据相邻涂色像素集合之间的连通性，依次输出上述曲线段集合或节点集合的坐标及其链式关系，可细分为以下几步：

（5a）若涂色队列集合{xi_rj}非空，则取其第1个元素（队列）x1_r1，记第1条线段l1，其端点即为x1_r1的上、下边界点q1和q2；

（5b）若x1_r1的左侧相邻涂色队列非空，记为x0_r0，且记x0_r0的上、下边界点为q0_1、q0_2；计算q1、q2与q0_1、q0_2之间的距离值，即：d1=|q1-q0_1|、d2=|q1-q0_2|、d3=|q2-q0_1|、d4=|q2-q0_2|；

（5c）根据最短联通路径，构建线段l1左侧的链式关系，如d1=min{d1,d2,d3,d4}，则将q0_1嵌入q1的左侧连接链表中；

（5d）同理，若x1_r1的右侧相邻涂色队列非空，则重复（5b）至（5c），建立l1的右侧链式关系；

（5e）遍历{xi_rj}，建立所有曲线段{lk}各节点间的链式关系（链表），并予以输出。

附图说明

图1是本发明一种从曲线图形中提取曲线数据的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，详细阐述本发明的具体实施方式。图1给出了本发明一种从曲线图形中提取曲线数据的方法的流程图，包括以下步骤：

步骤1：以有限像素对曲线图所在的二维区域进行栅格化标记；

步骤2：沿长（x）或宽（y）方向，逐列或逐行标记连续涂色的像素集合；

步骤3：根据边缘及相邻像素的灰度值分布特征，计算连续涂色像素集合的边界位置；

步骤4：精确计算上述集合所描述的曲线段或节点坐标；

步骤5：根据相邻涂色像素集合之间的连通性，依次输出上述曲线段集合或节点集合的坐标及其链式关系，也即该曲线图形在无限细分像素空间中的精确数学描述。

上述步骤1，对曲线图形所在的二维区域进行栅格化标记，旨在以有限像素对数字化的曲线图形进行离散化，并利用图形灰度值来标记曲线所占据的有效像素空间。该步骤的操作流程可细分为以下几步：

步骤101：根据二维图形的最大范围，按指定的像素大小∆（∆与曲线线宽约为一个量级），将该曲线图形栅格化，分别记二维图形在长（x）、宽（y）方向的最大像素点数为n和m；

步骤102：标记曲线图形在每个像素中的灰度值f1（f1=0~255），rgb彩色图可根据r、g、b分量法或加权平均法转换为灰度图；

步骤103：遍历上述像素集合，以最大灰度值max{f1}为模，将所有涂色像素的灰度值归一化，即f2=0~1。

上述栅格化的像素大小∆与曲线图形线宽约为一个量级。因此，步骤2，沿长（x）或宽（y）方向，逐列或逐行标记连续涂色的像素集合，将可以准确记录曲线图形在当前列或行上的线段集或点集合。步骤2的操作流程，可细分为以下几步：

步骤201：记ε为预先设定的灰度阈值。从x方向的第一个像素点（x1,y1）开始，判定其灰度值是否大于ε；若大于ε，则将其记入第一个涂色像素队列x1_r1{}；

步骤202：提取上述像素点沿y方向的相邻点，如（x1,y2），同上，若其灰度值大于ε，则将其记入队列x1_r1{}，否则不记入；

步骤203：若（x1,y2）的灰度值ε且x1_r1{}非空，则第x1列的涂色像素集合数加1，记为x1_r2{}；

步骤204：重复上述第201步至第203步，遍历第x1列的所有像素点，得到所有线段对应的连续涂色像素队列集合{x1_ri}；

步骤205：提取x1右侧的相邻像素x2，重复上述第201步至第204步，得到曲线图在第x2列的所有连续涂色像素队列集合{x2_rj}；

步骤206：遍历队列{x2_rj}，标记其与队列{x1_ri}之间的联通关系，例如，对涂色像素队列x2_rj，若其左侧相邻的涂色像素集合{x1_yk}分属于队列集合{x1_rm}，则标记x2_rj左侧与队列集合{x1_rm}联通；

捕捉207：重复上述第201步至第206步，遍历x方向的所有像素点，得到曲线图对应的所有连续涂色像素队列集合{xi_rj}，并已从左至右，标记相邻两列涂色像素之间的联通关系。

上述步骤3是基于图形边缘灰度值线性变化的原则，来定义图形边缘、与边缘相邻的内点（针对线段）等图形属性，即：根据边缘及相邻像素的灰度值分布特征，精确计算连续涂色像素集合的边界位置。该步骤的操作流程可细分为以下几步：

步骤301：若队列集合{x1_rj}非空，则取队列x1_r1，依次记其两个下边界点和两个上边界点p(-2)、p(-1)、p(1)、p(2)，且记初始值为0；

步骤302：在队列x1_r1中，取第一个像素（x1,yj），若其归一化的灰度值f(j)>1-ε，则该队列下边界点p(-1)的坐标值为（∆/2,(j-1/2)∆）；

步骤303：若元素（x1,yj）的灰度值f(j)<1-ε，且其相邻像素（x1,yj+1）的灰度值f(j+1)>1-ε，则记下边界点p(-2)的坐标值为（∆/2,(j-f(j)/2)∆），下边界点p(-1)的坐标值为（∆/2,(j+1/2)∆）；

步骤304：若元素（x1,yj）的灰度值f(j)<1-ε，且其相邻像素（x1,yj+1）的灰度值0<f(j+1)<1-ε，则继续查找在队列x1_r1中的相邻像素集合{（x1,yk）}，直至第一个灰度值满足条件f(k)>1-ε，此时记p(-1)的坐标值为（∆/2,(k-1/2)∆）、p(-2)的坐标值为（∆/2,(k-1-f(k-1)/2)∆）；否则，记p(-2)的坐标值为（∆/2,(j-1/2)∆）、p(-1)仍为初值0；

步骤305：若元素（x1,yj）的灰度值f(j)<1-ε，且其相邻元素（x1,yj+1）不在队列x1_r1，则其下边界点p(-2)的坐标值为（∆/2,(j-1/2)∆）；

步骤306：同理，取队列x1_r1的上边界像素（x1,yj）及其相邻元素（x1,yj-1），计算其上边界点p(1)、p(2)的坐标值；

步骤307：遍历队列集合{x1_rj}，重复上述第301步至第306步；

步骤308：遍历队列集合{xi_rj}，重复上述第301步至第307步。

上述步骤4，采用加权平均算法，精确计算由步骤3标记的曲线段端点或节点坐标。该步骤的操作流程可细分为以下几步：

步骤401：若队列集合{x1_rj}非空，则取队列x1_r1，其灰度像素区的上、下边界点依次为p(-2)、p(-1)、p(1)、p(2)，记拟提取的线段数据上、下边界点为q1、q2；

步骤402：若p(-2)、p(-1)、p(1)、p(2)均大于0，则q1的坐标为p(-2)和p(-1)基于灰度值的加权平均值，q2的坐标为p(1)和p(2)基于灰度值的加权平均值；

步骤403：若p(-1)与p(1)中有且仅有一个为0，则q1和q2的坐标值分别为p(-2)、p(2)与非0坐标点p(-1)或p(1)基于灰度值的加权平均值；

步骤404：若p(-1)与p(1)都为0，则q1和q2为同一点，且等于p(-2)和p(2)基于灰度值的加权平均值；

步骤405：若|q1-q2|<∆，则令g=（q1+q2）/2，q1=q2=g；

步骤406：遍历{x1_rj}，得到曲线图在第x1列所有线段的上、下边界点坐标；

步骤407：遍历队列集合{xi_rj}，得到曲线图在各列像素中标记的线段边界点坐标。

在确定曲线段端点或节点坐标后，上述步骤5，根据相邻涂色像素集合之间的连通性，依次输出上述曲线段集合或节点集合的坐标及其链式关系。该步骤的具体操作流程，可细分为以下几步：

步骤501：若涂色队列集合{xi_rj}非空，则取其第1个元素（队列）x1_r1，记第1条线段l1，其端点即为x1_r1的上、下边界点q1和q2；

步骤502：若x1_r1的左侧相邻涂色队列非空，记为x0_r0，且记x0_r0的上、下边界点为q0_1、q0_2，计算q1、q2与q0_1、q0_2之间的距离值，即：d1=|q1-q0_1|、d2=|q1-q0_2|、d3=|q2-q0_1|、d4=|q2-q0_2|；

步骤503：根据最短联通路径，构建线段l1左侧的链式关系，如d1=min{d1,d2,d3,d4}，则将q0_1嵌入q1的左侧连接链表中；

步骤504：同理，若x1_r1的右侧相邻涂色队列非空，则重复第502步至第503步，建立l1的右侧链式关系；

步骤505：遍历{xi_rj}，建立所有曲线段{lk}各节点间的链式关系（链表），并予以输出。