基于水面成像特征的圖像變形裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于水面成像特性的圖像變形裝置，包括：初始模塊創(chuàng)建初始模擬平面鏡；拉伸模塊對(duì)所述平面鏡進(jìn)行拉伸變形，形成曲面鏡；獲取模塊獲取輸入圖像；調(diào)整模塊調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置；變形模塊通過所述曲面鏡按鏡面成像規(guī)律對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行變形，以得到變形圖像，即為所述曲面鏡中所顯示的曲面圖像在X0Y平面的平行投影；顯示模塊調(diào)節(jié)所述變形圖像的大小并顯示；判斷模塊根據(jù)用戶輸入的指令判斷所述變形圖像是否為用戶所需的結(jié)果，其中所述顯示模塊在所述變形圖像為用戶所需的結(jié)果時(shí)輸出所述變形圖像。本發(fā)明降低了變形操作的復(fù)雜性，且實(shí)現(xiàn)了同種效果在不同圖像上的簡(jiǎn)單再現(xiàn)。
【專利說明】基于水面成像特征的圖像變形裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于水面成像特征的圖像變形裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圖像變形技術(shù)有兩種含義，一種是指在給定的兩幅圖像(源圖像和目標(biāo)圖像)之間，通過利用幾何變換將它們的特征融合，并將它們的顏色進(jìn)行混合插值，從而建立一種連續(xù)的形變過程；另一種即是指根據(jù)一定的變形函數(shù)將源圖像映射到目標(biāo)圖像以產(chǎn)生圖像的局部變形。
[0003]圖形變形在圖像處理領(lǐng)域中具有非常重要的地位，如在廣告、影視、動(dòng)畫、游戲等領(lǐng)域的夸張?zhí)匦е谱饕约瓣P(guān)鍵幀之間光滑連續(xù)變化處理中，圖像變形均起著關(guān)鍵作用。
[0004]圖像變形方法的研究最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，實(shí)現(xiàn)從一幅數(shù)字圖像到另一幅的平滑過渡，是交叉分解的過程，這種簡(jiǎn)單方法生成的圖像質(zhì)量一般，此后又有基于網(wǎng)格、域、點(diǎn)的變形技術(shù)。如下所列:
[0005]基于網(wǎng)格的圖像變形技術(shù):20世紀(jì)80年代末，Douglas Smythe在電影willow的制作中提出了網(wǎng)格扭曲的變形方法，圖像變形技術(shù)的研究取得突破性進(jìn)展。該方法在源圖像和目標(biāo)圖像上分別建立網(wǎng)格，通過拉動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格使得與之對(duì)應(yīng)的圖像發(fā)生變形。由此，用戶可以直接控制變形效果，但是，如果變到目標(biāo)圖像可能會(huì)非常費(fèi)事。
[0006]基于域的圖像變形技術(shù):T.Beier等人提出基于特征的簡(jiǎn)單辦法。該方法在兩圖像上指定特征點(diǎn)或者特征線，并建立局部坐標(biāo)系以產(chǎn)生特征的對(duì)應(yīng)，然后插值對(duì)應(yīng)像素的位置和顏色。該方法可使變形流暢，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鬼影，且由于采用全局的方法，計(jì)算量較大。
[0007]基于點(diǎn)的圖像變形技術(shù)=Rupercht等提出基于散亂點(diǎn)插值的圖像變形法，該方法在兩圖像上指定一定數(shù)量的初始對(duì)應(yīng)點(diǎn)，然后用徑向基函數(shù)插值這些點(diǎn)，從而得到圖像上其余點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，但是這種方法的計(jì)算量也較大。
[0008]綜上所述，現(xiàn)有圖像變形方法主要包括:
[0009]1、先在源圖像與目標(biāo)圖像上標(biāo)注網(wǎng)格或者特征線、特征點(diǎn)等特征；
[0010]2、移動(dòng)網(wǎng)格、特征點(diǎn)、特征線等特征的位置；
[0011]3、根據(jù)特征的位置，按照一定插值算法，計(jì)算得到變形圖像。
[0012]目前針對(duì)圖像變形的研究主要集中在針對(duì)不同特征變形的插值算法的研究上。
[0013]可知，現(xiàn)有的圖像變形技術(shù)幾乎都擺脫不了變形特征的控制，即在變形前需要先標(biāo)注特征，然后再通過改變特征位置而驅(qū)動(dòng)圖像變形，且變形效果只能在一組圖像內(nèi)使用，無法將其變形過程直接加到另外的圖像上，所以增加了操作的復(fù)雜性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明提供了一種基于水面成像特征的圖像變形裝置及其方法，旨在解決現(xiàn)有的圖像變形技術(shù)存在的問題:在變形前需要先標(biāo)注特征，然后再通過改變特征位置而驅(qū)動(dòng)圖像變形，且變形效果只能在一組圖像內(nèi)使用，無法將其變形過程直接加到另外的圖像上，導(dǎo)致操作復(fù)雜。
[0015]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:一種基于水面成像特性的圖像變形裝置，包括:初始模塊、拉伸模塊、獲取模塊、調(diào)整模塊、變形模塊、顯示模塊以及判斷模塊。其中，初始模塊用于創(chuàng)建初始模擬平面鏡；拉伸模塊用于對(duì)所述平面鏡進(jìn)行拉伸變形，形成曲面鏡；獲取模塊用于獲取輸入圖像；調(diào)整模塊用于調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置；變形模塊用于通過所述曲面鏡按鏡面成像規(guī)律對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行變形，以得到變形圖像，即為所述曲面鏡中所顯示的曲面圖像在XOY平面的平行投影；顯示模塊用于調(diào)節(jié)所述變形圖像的大小并顯示；判斷模塊用于根據(jù)用戶輸入的指令判斷所述變形圖像是否為用戶所需的結(jié)果；輸出模塊用于在所述變形圖像為用戶所需的結(jié)果時(shí)輸出所述變形圖像。
[0016]本發(fā)明的另一技術(shù)方案為:一種基于水面成像特性的圖像變形方法，包括:
[0017]步驟S1:創(chuàng)建初始模擬平面鏡；
[0018]步驟S2:對(duì)所述平面鏡進(jìn)行拉伸變形，形成曲面鏡；
[0019]步驟S3:獲取輸入圖像；
[0020]步驟S4:調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置；
[0021]步驟S5:通過所述曲面鏡按鏡面成像規(guī)律對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行變形，以得到變形圖像1ut (X，y)，即為所述曲面鏡中所顯示的曲面圖像在XOY平面的平行投影；
[0022]步驟S6:調(diào)節(jié)所述變形圖像的大小并顯示；
[0023]步驟S7:根據(jù)用戶輸入的指令判斷所述變形圖像是否為用戶所需的結(jié)果；
[0024]若是，則在步驟S8:輸出所述變形圖像。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果:本發(fā)明中的基于水面成像特征的圖像變形裝置及其方法通過創(chuàng)建初始模擬平面鏡并對(duì)平面鏡進(jìn)行變形得到曲面鏡，然后利用曲面鏡成型規(guī)律對(duì)圖像進(jìn)行變形得到變形圖像，有效的降低了變形操作的復(fù)雜性，且實(shí)現(xiàn)了同種效果在不同圖像上的簡(jiǎn)單再現(xiàn)。
[0026]圖說明
[0027]圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式中的基于水面成像特征的圖像變形裝置的模塊圖；
[0028]圖2是本發(fā)明中笛卡爾坐標(biāo)系圖；
[0029]圖3是初始的模擬平面鏡圖；
[0030]圖4為曲面鏡在P點(diǎn)處的光路圖；
[0031]圖5為輸出圖形的Po處的RGB得來過程；
[0032]圖6為曲面鏡上的成像的示意圖；
[0033]圖7是本發(fā)明一實(shí)施方式中的基于水面成像特征的圖像變形方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0035]請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式中的基于水面成像特征的圖像變形裝置10的模塊圖。
[0036]在本實(shí)施方式中，基于水面成像特征的圖像變形裝置10包括:初始模塊102、拉伸模塊104、獲取模塊106、調(diào)整模塊108、變形模塊110、顯示模塊112、判斷模塊114、存儲(chǔ)器116以及處理器118。其中，初始模塊102、拉伸模塊104、獲取模塊106、調(diào)整模塊108、變形模塊110、顯示模塊112以及判斷模塊114存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器116中，處理器118用于執(zhí)行存儲(chǔ)器116中的各個(gè)模塊。
[0037]在本實(shí)施方式中所有的涉及的坐標(biāo)系都默認(rèn)笛卡爾坐標(biāo)系且其X、y、z方向標(biāo)識(shí)如圖2所示。
[0038]在本實(shí)施方式中，初始模塊102用于創(chuàng)建初始模擬平面鏡Mi (X，y, z)。
[0039]在本實(shí)施方式中，初始模擬平面鏡為圖3所示，初始模擬平面鏡的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)0，位于XOY平面上，四邊分別平行于X、Y軸的矩形，其中，矩形的寬和高分別為W和H。在本發(fā)明其他實(shí)施方式中，初始模擬平面鏡也可以為圓形或者是其他形狀，不僅限于四邊形。
[0040]在本實(shí)施方式中,模擬平面鏡的數(shù)學(xué)表達(dá)式為=Mi (X，y, ζ)=0,滿足條件ζ (X，y)=0,X e [-ff/2, ff/2]，y e [-H/2, H/2]。
[0041]在本實(shí)施方式中，拉伸模塊104用于對(duì)所述平面鏡進(jìn)行拉伸變形，形成曲面鏡Mf
(X, y,z)0
[0042]在本實(shí)施方式中，所述拉伸模塊104按照調(diào)節(jié)參數(shù)拉伸所述平面鏡，形成所述曲面鏡，所述曲面鏡的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Mf (X，y, z) =0,滿足條件z (X，y) =f (x, y),X e [-W/2, ff/2], y e [-H/2，H/2]，其中，f(x，y)表示點(diǎn)(x，y)處的 z 值大小。
[0043]在本實(shí)施方式中，f(x，y)要求在定義域內(nèi)處處連續(xù)，所以拉伸模塊104拉伸平面鏡的本質(zhì)在于改變初始平面鏡在每點(diǎn)(X，y)處的深度值Z，使其由一面平面鏡轉(zhuǎn)換成曲面鏡。
[0044]按要求調(diào)節(jié)平面鏡，就是調(diào)整平面鏡的凹凸，讓其產(chǎn)生預(yù)期的效果。據(jù)光學(xué)原理知，凹面鏡成放大的像，凸面鏡成縮小的像，因此可以通過調(diào)節(jié)凹、凸面鏡的個(gè)數(shù)、位置與半徑大小等參數(shù)，讓其產(chǎn)生一定類似于哈哈鏡的效果，或者模擬水面波動(dòng)的波紋。
[0045]在本發(fā)明其他實(shí)施方式中，凹、凸面鏡可以推廣到二次曲面鏡。
[0046]在本實(shí)施方式中，拉伸模塊104拉伸平面鏡一般有三種方法:1、利用現(xiàn)有的圖形處理軟件，如MATLAB等；2、創(chuàng)建專門針對(duì)此類曲面變形的調(diào)節(jié)工具；3、直接利用曲面方程，通過設(shè)定參數(shù)，在定義域計(jì)算得到Z=f (X，y)的值。
[0047]獲取模塊106用于獲取輸入圖像。
[0048]在本實(shí)施方式中，所述輸入圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:Iin(x，y)，所述輸入圖像Iin(X，y)的寬和高分別為Wi和Hi，其函數(shù)值類型為顏色RGB型。
[0049]調(diào)整模塊108用于調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置。
[0050]在本實(shí)施方式中，所述圖像Iin (x，y)的參數(shù)包括圖像的中心位置0i，圖像繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度Θ，圖像距離XOY平面的距離d，觀察點(diǎn)用S (x，y，z)表示，其中，默認(rèn)圖像參數(shù)設(shè)置為:I (X，y, z) =I in (x, y)，滿足條件 z (x, y)=d, x e [-ffi/2, ffi/2], y e [-Hi/2, Hi/2],默認(rèn)觀察點(diǎn)的位置為所述圖像的中心(0，0，d)。
[0051]變形模塊110用于通過所述曲面鏡按鏡面成像規(guī)律對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行變形，以得到變形圖像lout (x，y)，即為所述曲面鏡中所顯示的曲面圖像在XOY平面的平行投影。
[0052]在本實(shí)施方式中，變形模塊110按照?qǐng)D4以及圖5所示的過程，將輸出圖像lout (x, y)在定義域內(nèi)任意一點(diǎn)Po(x, y)對(duì)應(yīng)到曲面鏡上的一點(diǎn)P(x, y, z),應(yīng)滿足條件P0.x=P.X, P0.y=P.y,然后按照?qǐng)D4所示鏡面在P點(diǎn)出的光路圖，過點(diǎn)P(x, y.z)做曲面鏡
Mf (x, y, z)=0的法向量，再以勺反射光線，找出入射光線，如果入射光線與輸入圖像有交點(diǎn)Ps (X，，y’),則把輸入圖像在點(diǎn)Ps(x’，y’ )處的函數(shù)值Iin(x’，y’)賦給輸出圖像在點(diǎn)Po(x, y)處的U(x，y)，如果入射光線與輸入圖像無交點(diǎn)，則輸出圖像在該點(diǎn)的函數(shù)值置O。
則輸出圖像的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
[0053]

【權(quán)利要求】
1.一種基于水面成像特性的圖像變形裝置，其特征在于，包括: 初始模塊，用于創(chuàng)建初始模擬平面鏡； 拉伸模塊，用于對(duì)所述平面鏡進(jìn)行拉伸變形，形成曲面鏡； 獲取模塊，用于獲取輸入圖像； 調(diào)整模塊，用于調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置； 變形模塊，用于通過所述曲面鏡按鏡面成像規(guī)律對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行變形，以得到變形圖像，即為所述曲面鏡中所顯示的曲面圖像在XOY平面的平行投影； 顯示模塊，用于調(diào)節(jié)所述變形圖像的大小并顯示； 判斷模塊，用于根據(jù)用戶輸入的指令判斷所述變形圖像是否為用戶所需的結(jié)果，其中所述顯示模塊還用于在所述變形圖像為用戶所需的結(jié)果時(shí)輸出所述變形圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水面成像特性的圖像變形裝置，其特征在于，所述調(diào)整模塊還用于在所述變形圖像不是用戶所需的結(jié)果時(shí)繼續(xù)調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水面成像特性的圖像變形裝置，其特征在于，所述模擬平面鏡的長(zhǎng)和寬分別為W和H，所述模擬平面鏡的數(shù)學(xué)表達(dá)式為=Mi (x, y, z)=0，滿足條件z (X, y)=0，X e [-W/2, ff/2]，y e [-H/2, H/2]。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于水面成像特性的圖像變形裝置，其特征在于，所述曲面鏡的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 Mf (X，y, z)=0,滿足條件 z (x, y)=f (X，y)，x e [-ff/2, ff/2], y e [-H/2,H/2],其中，f (x, y)表示點(diǎn)(x, y)處的z值大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水面成像特性的圖像變形裝置，其特征在于，所述輸入圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為=Iin(X，y)，所述輸入圖像的寬和高分別為Wi和Hi，所述輸入圖像的參數(shù)包括圖像的中心位置Oi，圖像繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度Θ，圖像距離XOY平面的距離d，觀察點(diǎn)用S(x, y, z)表示,其中，默認(rèn)圖像參數(shù)設(shè)置為:1 (X，y, z)=Iin(x, y),滿足條件z (x, y) =d,X e [-ffi/2,ffi/2],y e [_Hi/2，Hi/2]，默認(rèn)觀察點(diǎn)的位置為所述圖像的中心(0，0，d)。
6.一種基于水面成像特性的圖像變形方法，包括: 步驟S1:創(chuàng)建初始模擬平面鏡； 步驟S2:對(duì)所述平面鏡進(jìn)行拉伸變形，形成曲面鏡； 步驟S3:獲取輸入圖像； 步驟S4:調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置； 步驟S5:通過所述曲面鏡按鏡面成像規(guī)律對(duì)所述輸入圖像進(jìn)行變形，以得到變形圖像，即為所述曲面鏡中所顯示的曲面圖像在XOY平面的平行投影； 步驟S6:調(diào)節(jié)所述變形圖像的大小并顯示； 步驟S7:根據(jù)用戶輸入的指令判斷所述變形圖像是否為用戶所需的結(jié)果； 若是，則在步驟S8:輸出所述變形圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于水面成像特性的圖像變形方法，其特征在于，還包括:若所述變形圖像不是用戶所需的結(jié)果，則返回步驟S4:繼續(xù)調(diào)整所述輸入圖像的參數(shù)與觀察點(diǎn)的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于水面成像特性的圖像變形方法，其特征在于，步驟SI中的所述模擬平面鏡的長(zhǎng)和寬分別為W和H，所述模擬平面鏡的的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:MiU, y, z)=0,滿足條件 z(x, y)=0, X e [-ff/2, ff/2], y e [_H/2，H/2]。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于水面成像特性的圖像變形方法，其特征在于，在步驟S2中，曲面鏡的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Mf (X，y, z)=0,滿足條件z (X，y)=f (x, y), x e [-ff/2, ff/2], y e [-H/2，H/2],其中，f (x, y)表示點(diǎn)(x, y)處的z值大小。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于水面成像特性的圖像變形方法，其特征在于，步驟S4中的所述輸入圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:Iin(x，y)，所述輸入圖像的寬和高分別為Wi和Hi，所述輸入圖像Iin (X，y)的參數(shù)包括圖像的中心位置Oi，圖像繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度Θ，圖像距離XOY平面的距離d，觀察點(diǎn)用S (x，y，z)表示，其中，默認(rèn)圖像參數(shù)設(shè)置為:I (X，y, z) =I in (x, y)，滿足條件 z (x, y)=d,x e [-ffi/2, ffi/2] ,y e [-Hi/2, Hi/2],默認(rèn)觀察點(diǎn)的位置為所述圖像的中心(0，0，d)。
【文檔編號(hào)】G06T1/00GK104182924SQ201310190644
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】王守覺, 張曉盟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所