一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法技術

本發明專利技術公開了一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，該方法首先在書法背景的彩色圖像中選取包含噪聲較少的部分背景進行背景重建，同時分割出書法作品中背景、文字和印章信息，并對背景、文字以及印章信息進行像素級的融合，得到最終的重建圖像。本發明專利技術很好的解決了傳統去噪方法導致藝術信息損失的問題，提高了書法作品的藝術信息的完整性；另外，本發明專利技術有效的解決了傳統方法無法處理書法作品中墨跡擴散、自然風化等噪聲的問題，得到了高質量的書法背景圖像，提高了書法作品藝術信息的觀賞價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于圖像處理
，涉及一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，用于中國書法藝術研究和歷史文化遺產保護中，對包含大量噪聲的書法作品的背景圖像進行修復。
技術介紹
在中國書法藝術研究和歷史文化遺產保護領域中，為能夠使中國古代書法作品具有更好的觀賞價值，去除圖像背景中由于人為因素或自然風化造成的墨跡擴散，紙質污染等噪聲，一般采用圖像去噪的方法。目前對書法圖像的去噪主要是針對一般的圖像，如均值濾波、引導濾波等。但是這些去噪方法對書法背景中的噪聲去除并不完全，并且會對文字和印章這些藝術信息造成損失，因此傳統的這些去噪方法不能很好地應用于書法作品中背景的去噪過程。
技術實現思路
針對上述現有技術中存在的問題，本專利技術的目的在于，提供一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，以解決現有的去噪技術無法有效去除書法作品中由于風化和人為因素造成的大量噪聲的缺點，提高書法作品的觀賞價值。為了實現上述任務，本專利技術采用以下技術方案：一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，包括以下步驟：步驟一，利用軟件讀取待處理的書法作品的彩色圖像；步驟二，在彩色圖像中，選取包含較少噪聲的背景區域；步驟三，對步驟二得到的背景區域進行背景重建，得到重建后的背景圖像；步驟四，分割書法作品彩色圖像的背景、文字和印章，得到文字信息與印章信息；步驟五，對步驟三得到的重建后的背景圖像和步驟四中的文字信息、印章信息進行像素級的融合，完成。進一步地，所述的步驟三中，對背景區域進行背景重建的方法包括：步驟S30，定義圖像退化模型為：Y＝DPX+N上式中，X為重建后的背景圖像，Y為背景區域圖像，D和P分別為衍射效應和欠采樣的操作算子，而N為加性高斯白噪聲；步驟S31，利用分層思想，記X′＝PX，則退化模型轉化為：Y=DX′+NX′=PX]]>步驟S32，為了求解步驟S31中的方程組，構造帶約束的能量函數：L2(X′)=12(||Y-DX′||22+T||NX′||22)]]>上式中，T為數值型參數，用于限制約束條件對能量函數的影響；對上式進行求導并令其等于0，可得：DTDX'+ΤNTNX'-DTY＝0對上式進行轉換，得到：D'AX'＝N'其中，D'＝DTD+ΤNTN，N'＝DTY；通過基于梯度的迭代，對X'1賦予隨機初值，令X'k+1＝ρX'k,k＝1,2,3…，ρ∈(1,5]；直至滿足收斂條件D'AX'-N'＜103，即求得X'；其中(X'1,X'2,...,X'k+1)∈X'；步驟S33，將步驟S32求得的X′代入X′＝PX，同樣利用基于梯度的迭代，對X1賦予隨機初值，令Xk+1＝λXk,k＝1,2,3…，λ∈(1,5]直至滿足收斂條件X'-PX＜103，即求得X；其中(X1,X2,...,Xk+1)∈X。進一步地，所述的步驟四中得到文字信息與印章信息的具體方法包括：步驟S40，利用彩色圖像的顏色和位置信息提取特征向量，公式如下：X(i)＝(cos(h),sin(h),s,v,x,y)i上式中，X(i)是特征向量，h，s，v分別是彩色圖像HSV顏色的空間的三個分量，x，y為像素的位置坐標；步驟S41，定義核函數：k(i,j)＝1-||X(i)-X(j)||/C在上式中，k(i,j)為核函數，X(i)和X(j)為不同的特征向量，C為權值調節系數，k(i,j)∈(0,1)；將核函數k(i,j)代入相似矩陣A中，即Aij＝k(i,j)，得到拉普拉斯矩陣：L＝D-A上式中，D為對角矩陣，D的對角線上的元素Dii是對角矩陣D上第i行，第i列的元素，Aij是相似矩陣A中第i行，第j列的元素；步驟S42，加入用戶約束信息得到封閉解α1：α1＝(L+λM)-1(λV)上式中，M為對角矩陣，表示用戶對已知像素點的標記，V為向量，表示用戶對書法作品中文字的標記，λ為約束系數，范圍為[10,1000]；利用封閉解α1，得到書法中文字信息C：C＝α1I上式中，I為步驟一中所述的書法作品的彩色圖像；步驟S43，利用步驟S41得到的結果，再加入用戶約束信息，得到封閉解α2：α2＝(L+λM)-1(λN)上式中，M為對角矩陣，表示用戶對已知像素點的標記，N為向量，表示用戶對書法作品中印章的標記，λ為約束系數，范圍為[10,1000]；利用封閉解α2，得到印章信息S：S＝α2I本專利技術與現有技術相比具有以下技術特點：1.本專利技術中使用的摳圖算法，對復雜墨跡變化和模糊的印章敏感，邊緣識別準確，有效的將文字和印章與背景分離，很好的解決了傳統去噪方法導致藝術信息損失的問題，提高了書法作品的藝術信息的完整性；2.本專利技術中使用的背景重建方法，利用書法作品背景中含有較少噪聲的區域，通過圖像超分辨率重建得到新的書法背景，有效的解決了傳統方法無法處理書法作品中墨跡擴散、自然風化等噪聲的問題，得到了高質量的書法背景圖像，提高了書法作品藝術信息的觀賞價值。附圖說明圖1為本專利技術方法的整體流程圖；圖2為張旭《古詩四首》的局部圖像(包含噪聲)；圖3為本背景重建和背景、文字、印章分割的示意圖，其中(a)為提取出的文字信息，(b)為提取出的印章信息，(c)為重建后的背景圖像；圖4為對步驟三得到的結果進行像素級融合后的結果圖；圖5為董其昌《冊頁》實驗結果對比；圖6和圖7為黃庭堅《松風閣詩》中不同片段的實驗結果對比；圖8為懷素《古詩四首》實驗結果對比；在圖5至圖8中，(a)表示原始圖像，(b)表示采用均值濾波方法對原始圖像進行處理后得到的圖像，(c)表示采用中值濾波方法對原始圖像進行處理后得到的圖像，(d)表示采用高斯濾波方法對原始圖像進行處理后得到的圖像，(e)為采用本專利技術方法對原始圖像處理后得到的圖像。具體實施方式一、步驟詳解本專利技術的流程圖如圖1所示，具體過程如下：一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，包括以下步驟：步驟一，在計算機中使用軟件讀取待處理的書法作品的彩色圖像；所述的軟件可以采用Matlab軟件；步驟二，觀察書法作品的彩色圖像，從彩色圖像中選取包含較少噪聲的背景區域；這里的噪聲是指外界因素對原圖像背景的影響，如模糊點、污點等；而這個步驟需要整體觀察書法作品，在除了文字信息、印章信息之外的背景中，找出相對于其他背景中包含噪聲較少的背景區域；例如在圖5(a)給出的這個示例圖像中，除了文字信息和圖像中的三個印章信息之外，還存在一些污點和模糊點，而背景的整體色彩是淺黃色。通過對整個書法作品的觀察，發現左下角上下兩個印章之間的區域背景色彩一致，其中的污點、模糊點相對于其他的背景較少，整體色澤單一，因此可選擇這部分區域。步驟三，以步驟二得到的背景區域作為輸入樣本圖像，對背景區域進行重建，得到重建后的背景圖像，重建算法具體過程如下：步驟S30，定義圖像退化模型為：Y＝DPX+N上式中，X為重建后的背景圖像，Y為背景區域圖像，D和P分別為衍射效應和欠采樣的操作算子，而N為加性高斯白噪聲；步驟S31，利用分層思想，記X′＝PX，則退化模型轉化為：Y=DX′+NX′=PX]]>步驟S32，為了求解步驟S31中的方程組，構造如下的能量函數：L1(X′)=12||Y-DX′||22]]>則將退化模型轉化為求上本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，利用軟件讀取待處理的書法作品的彩色圖像；步驟二，在彩色圖像中，選取包含較少噪聲的背景區域；步驟三，對步驟二得到的背景區域進行背景重建，得到重建后的背景圖像；步驟四，分割書法作品彩色圖像的背景、文字和印章，得到文字信息與印章信息；步驟五，對步驟三得到的重建后的背景圖像和步驟四中的文字信息、印章信息進行像素級的融合，完成。

【技術特征摘要】
1.一種基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，利用軟件讀取待處理的書法作品的彩色圖像；步驟二，在彩色圖像中，選取包含較少噪聲的背景區域；步驟三，對步驟二得到的背景區域進行背景重建，得到重建后的背景圖像；步驟四，分割書法作品彩色圖像的背景、文字和印章，得到文字信息與印章信息；步驟五，對步驟三得到的重建后的背景圖像和步驟四中的文字信息、印章信息進行像素級的融合，完成。2.如權利要求1所述的基于圖像超分辨率的書法背景重建方法，其特征在于，所述的步驟三中，對背景區域進行背景重建的方法包括：步驟S30，定義圖像退化模型為：Y＝DPX+N上式中，X為重建后的背景圖像，Y為背景區域圖像，D和P分別為衍射效應和欠采樣的操作算子，而N為加性高斯白噪聲；步驟S31，利用分層思想，記X′＝PX，則退化模型轉化為：步驟S32，為了求解步驟S31中的方程組，構造帶約束的能量函數：上式中，T為數值型參數，用于限制約束條件對能量函數的影響；對上式進行求導并令其等于0，可得：DTDX'+TNTNX'-DTY＝0對上式進行轉換，得到：D'AX'＝N'其中，D'＝DTD+TNTN，N'＝DTY；通過基于梯度的迭代，對X'1賦予隨機初值，令X'k+1＝ρX'k,k＝1,2,3…，ρ∈(1,5]；直至滿足收斂條件D'AX'-N'＜103，即求得X'；其中(X'1,X'2,...,X'k+1)∈X'；步驟S33，將步驟S32求得的X′代入X′＝PX，同樣利用基于梯度的迭代，對X1賦予隨機初值，令Xk+1＝λXk,k＝1,2,3…，λ∈(1,5]直至滿足收斂條件X'-PX＜1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：龔曉慶，王磊，許鵬飛，湯戰勇，章勇勤，陳曉江，房鼎益，
申請(專利權)人：西北大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61