基于区域协方差去除国画纹理的方法及输出质量评价方法

1.本发明涉及国画复制领域，尤其是涉及国画复制去纹理领域，具体为一种基于区域协方差去除国画纹理的方法及输出质量评价方法。


背景技术：

2.国画真迹由于其高昂的价格，易损伤的特性，无法满足寻常百姓对艺术品的需求。国画复制技术则能以较低的成本达到最为接近的效果，手工临摹、木雕版水印、胶印、珂罗版等复制技术，都曾作为国画复制方案，但存在复制精度低或成本高昂等问题。而以艺术微喷为代表的数字印刷复制技术以其出色的复制效果和较低的复制成本，满足了人们对于国画复制品市场的需求。书画纸作为艺术微喷复制领域最适合复制中国传统书画作品的承印材料，也得到了广泛的应用。
3.由于国画是绘制在宣纸之上，其自身便带有帘纹。当前的国画复制工艺，直接将原稿中的图像与纸张纹理作为图像信息一并输出，而忽略了作为承印物的书画纸表面帘纹与原稿帘纹二次叠加造成图像失真等问题。
4.传统的图像去噪技术以纹理与图像主结构分布在不同频率范围为前提，而国画原稿上的帘纹信息与原稿中的有效结构进行了广泛的混合，而且原稿图像中包含有非帘纹的其他纹理，甚至有些纹理是构成画面主要内容的纹理。因此去除国画扫描原稿上的表面帘纹是十分具有挑战性的。
5.从图像处理角度来看，可将图像视为为纹理与结构两大部分，“帘纹”是手工宣纸以及现代机制书画纸所具有的特有表面特征，由于采用了竹帘捞纸成型工艺纸，纸张在抄造成型的过程中，表面会形成具有明暗相间、规则分布的条纹，称之为“帘纹”，如图8所示，与常见的打印纸相比，书画纸表面具有明显的条状纹理。在传统书画作品中，水墨颜料也无法完全掩盖纸张的表面帘纹。该纹理现象与遥感领域中的条带噪声类似，同样具有单向性与方向性。
6.目前国画复制，常以艺术微喷技术作为输出手段、书画纸作为承印材料。国画原稿通过扫描仪等输入设备转化为数字原稿，再使用书画纸通过打印设备进行复制输出，该方法全过程中，未对数字原稿进行处理，质量控制由色彩管理模块进行保障。由于复制过程中所使用的书画纸具有帘纹，数字原稿由于传感器在反复扫描成像过程中，受到探测元正反扫描响应差异、机械抖动等多因素干扰下，形成的周期性、条带状分布噪声也可视为帘纹，摄像头采集显示设备屏幕是也会出现摩尔纹图像，也与国画帘纹相似；两处帘纹信息在输出时会发生叠加现象，会影响到国画复制的清晰度，甚至出现类似莫尔条纹等现象。


技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于区域协方差去除国画纹理的方法，用于解决现有技术的难点。
8.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于区域协方差去除国画纹理
的方法，包括以下步骤：
9.步骤s1：从国画数字原稿i提取特征图像f：
[0010][0011]
式中定义为一个映射函数，该映射函数从每一个来自图像i中的像素i中(i∈i)提取一个d维特征向量；
[0012]
步骤s2：将特征图像f中的一个区域r利用协方差矩阵cr定义：
[0013][0014]
式中μ为区域特征向量的均值，n是区域像素数，zk表示r中的d维特征向量，k表示特征统计补丁值；
[0015]
步骤s3：对区域协方差进行相似度测量，由于c定义为一个d x d协方差矩阵，一组特定点e＝{ei}，计算公式为：
[0016][0017]
其中li为下三角矩阵l中的第i列；α为设定的标量，其中由于c为协方差矩阵，c＝ll
t
；
[0018]
步骤s4：提取图像的主结构：
[0019][0020]
式中n(p,r)表示以p为中心，半径为(2r 1)的正方形领域，权重值ω
pq
表示p和q之间的相似性，∑
g ω
pq
为规范化因子，z为归一化参数。
[0021]
根据优选方案，步骤s1中，每个像素由图像灰度，x和y方向的一阶和二阶梯度范数，像素位置7个特征表示，公式如下：
[0022][0023]
其中，图像梯度通过[-1 0 1]
t
和[-1 2
ꢀ‑
1]
t
滤波器来计算。
[0024]
根据优选方案，步骤s2中的协方差矩阵根据步骤s4的公式中s定义提取后，通过包含特征μ的平均向量进行表示，并入一阶统计量，获得的特征向量为：
[0025]
ψ(c)＝(μ,s1,
…
sd,s
d 1
,
…
,s
2d
)
t
。
[0026]
根据优选方案，步骤s4中，使用亮度信息计算权重值ω
pq
，并在相应的rgb上取加权平均值，来处理彩色图像，根据ψ(c)将权重值ω
pq
定义为：
[0027][0028]
其中c
p
和cq分别表示从补丁中心点的像素p和q中提取的协方差描述符，σ为平滑参数。
[0029]
根据优选方案，σ的取值区间为0.05～1。
[0030]
一种基于国画复制品的输出及质量评价方法，包括以下步骤：
[0031]
步骤s1：根据权利要求1中步骤s4的公式，在matlab中对国画数字原稿图像进行分层处理，将其分为纹理层与结构层；
[0032]
步骤s2：对结构层的数字文件周边添加彩色控制条，包括c，m，y，r，g，b六色；
[0033]
步骤s3：对结构层的数字文件周边添加矩形黑色图像边界定位，黑色矩形边界的每一条边中间，向外扩充一块黑色矩形；
[0034]
步骤s4：筛选承印用书画纸，将选取与数字原稿帘纹最为接近的书画纸作为承印纸张；
[0035]
步骤s5：使用色彩管理流程软件对承印用书画纸和打印机进行线性化和墨量控制进行打印输出；
[0036]
步骤s6：对输出后的打印稿，使用扫描仪进行采集获得数字稿，并对输出的数字稿进行质量评价。
[0037]
根据优选方案，步骤s4中筛选方法为测量书画纸的帘纹深浅与帘纹密度，具体包括以下步骤：
[0038]
步骤s1：由同一参数条件的扫描仪采集承印用书画纸，并将图像转换为灰度图；
[0039]
步骤s2：获取帘纹深浅值：测量纸张帘纹中明暗条纹中心点明度值，取其差值δl，并分别测量每种书画纸中心与四角共五处的明度差值，取其均值表示最终纸张帘纹的深浅值，δl＝l
明
—l
暗
；
[0040]
步骤s3：获取帘纹密度：由每厘米内分布的帘纹数量表示。
[0041]
根据优选方案，在步骤s6中，还包括对数字稿进行角点检测，在参考图像与评价图像外设计添加一个矩形黑色矩形边界用于图像的准确定位。
[0042]
根据优选方案，对数字稿进行角点检测时，将参考图像与评价图像转换为灰度图像，并沿黑色图像边界外沿检测角。
[0043]
根据优选方案，在黑色矩形边界的每一条边中间，向外扩充一块黑色矩形，这样图像边界的四个黑块就将原本的4个对应点增加到了20个。
[0044]
本发明采用的基于区域协方差去除国画纹理的方法能够有效避免常规国画复制方法中出现的帘纹叠加现象，消除图像中的纹理，并保留图像主结构，结合承印用书画纸的选取方法，使得区域协方差模型去帘纹后的输出图像与原始国画视觉效果最为接近，平均色差δelab*小于5，复制质量最佳；
[0045]
此外，本发明还提供了基于国画复制品的输出及质量评价方法，采用图像质量评价模型和计算输出后的色差，并使用其他去纹理模型作为对照组，从纹理和颜色两大角度验证该方案的合理性。
[0046]
下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更详尽的描述，以便能容易地理解本发明的特征和优点。
附图说明
[0047]
图1显示为本发明中关于将国画数字原稿视为由国画图文内容(图像主结构s)和纸张表面帘纹(纸张纹理t)两大部分组成的示意图；
[0048]
图2显示为本发明中采用区域协方差去纹理后的效果图；
[0049]
图3显示为本发明中关于评价方法的流程图；
[0050]
图4显示为本发明中关于纸张表面帘纹深浅与帘纹密度的放大示意图；
[0051]
图5显示为本发明中关于用于角点检测的黑色图像边界的放大示意图；
[0052]
图6显示为本发明中关于图像定位效果示意图，第二行左边为经过去纹理处理并添加黑色图像边界的国画图像局部，其余为输出后的扫描电子稿；
[0053]
图7显示为本发明中关于不同国画特征的图像在不同方法下的对比复制结果图；
[0054]
图8显示为普通喷墨打印纸与国画复制用书画纸的表面差异。
具体实施方式
[0055]
为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
与附图所展示的实施例相比，本发明保护范围内的可行实施方案可以具有更少的部件、具有附图未展示的其他部件、不同的部件、不同地布置的部件或不同连接的部件等。此外，附图中两个或更多个部件可以在单个部件中实现，或者附图中所示的单个部件可以实现为多个分开的部件。
[0057]
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0058]
本发明提出一种基于区域协方差去除国画纹理的方法，如图1所示将原始输入图像i可以视为图像的主结构s与图像纹理t的叠加，用于解决国画复制过程中的帘纹叠加问题，需要将原始图像进行分层处理，去除原始图像中的纹理层，仅采用主结构作为复制的原稿，本发明对国画的类型不做限制，但该去除国画纹理的方法特别适用于手工宣纸以及现代机制书画纸的艺术品复制中；
[0059]
此外，本发明还提出对应在手工宣纸以及现代机制书画纸上复制国画后输出画稿的评价方法。
[0060]
在本实施例中提供了一种基于区域协方差去除国画纹理的方法，基于区域协方差矩阵，以图像亮度、颜色和方向等特征，评估两个补丁间的相似性，该方法能够有效提取图像中的纹理，并且不损伤结构，具体的，包括以下步骤：
[0061]
步骤s1：从原始图像i提取特征图像f：
[0062]
[0063]
式中定义为一个映射函数，该映射函数从每一个来自图像i中的像素i中(i∈i)提取一个d维特征向量；
[0064]
此外，由于每个像素可以由图像灰度，x和y方向的一阶和二阶梯度范数，像素位置7个特征表示，为此，f(x,y)还可以通过如下公式定义：
[0065][0066]
其中，图像梯度通过[-1 0 1]
t
和[-1 2
ꢀ‑
1]
t
滤波器来计算；
[0067]
步骤s2：将特征图像f中的一个区域r利用协方差矩阵cr定义：
[0068][0069]
式中μ为区域特征向量的均值，n是区域像素数，zk表示r中的d维特征向量，k表示特征统计补丁值，参数k控制用于计算特征统计数据补丁的大小，该值需要获取局部结构信息进行计算，因此，该值更接近于计算纹理元素的尺度；
[0070]
步骤s3：由于协方差矩阵不存在于欧几里得空间，而是存在于riemannian manifold上，需要对区域协方差进行相似度测量，让c定义为一个d x d协方差矩阵，一组特定点e＝{ei}，计算公式为：
[0071][0072]
其中li为下三角矩阵l中的第i列；α为设定的标量，其中由于c为协方差矩阵，c＝ll
t
；
[0073]
步骤s4：提取图像的主结构：
[0074][0075]
式中n(p,r)表示以p为中心，半径为(2r 1)的正方形领域，权重值ω
pq
表示p和q之间的相似性，∑
q ω
pq
为规范化因子，z为归一化参数。
[0076]
由于将步骤s2中的协方差矩阵cr根据步骤s4的公式中s定义提取后，通过包含特征μ的平均向量进行表示，并入一阶统计量，获得的特征向量为：
[0077]
ψ(c)＝(μ,s1,
…
sd,s
d 1
,
…
,s
2d
)
t
；
[0078]
其中，提取主结构的关键便是如何定义权值σ
pq
，根据步骤s4，通常使用亮度信息计算权重值σ
pq
，并在相应的rgb上取加权平均值，来处理彩色图像，根据ψ(c)将权重值ω
pq
定义为：
[0079][0080]
其中c
p
和cq分别表示从补丁中心点的像素p和q中提取的协方差描述符，σ为平滑参数。
[0081]
平滑参数σ控制图像的平滑程度，因为该参数能控制领域窗口的大小。当该值较小
时，图像的平滑程度有限，而过度的增加该值，会导致图像过度模糊，σ的取值区间为0.05～1。由于在本实施例中，不需要将图像中的结构与纹理信息完全分离，只需要提取出条状的帘纹信息，因此无需过大的σ值。
[0082]
如图2所示，该原始图像不仅含有纸张帘纹，也包含有其他的细节特征，例如山、树木、石头等，从本实施例提供的区域协方差去纹理后的效果，可以看出图像主结构已经有效去除了原稿中的帘纹，并尽可能的保留了图像中的细节信息。
[0083]
本实施例中还提供了一种用于对基于区域协方差去除国画纹理的方法后输出的国画复制品的质量评价方法，具体如下所述：
[0084]
在上述模型的基础上，对经过本实施例提供的方法进行国画输出的验证，结合图3所示，验证流程如下：
[0085]
步骤s1：根据基于区域协方差去除国画纹理的方法，在matlab中对来源于各博物馆提供的开源书画类馆藏扫描图库的国画原稿图像进行分层处理，将其分为纹理层与结构层；
[0086]
步骤s2：对结构层的数字文件周边添加彩色控制条，包括c，m，y，r，g，b六色；
[0087]
步骤s3：为了解决图像在进行输出和扫描后位置发生改变、无法满足图像客观评价方法中需要参考图像与评价图像逐点对应等问题，对结构层的数字文件周边添加矩形黑色图像边界定位，黑色与纸张底色差异最大，在进行角点检测时，更易被识别，此外，为提高识别的准确性，在黑色矩形边界的每一条边中间，向外扩充一块黑色矩形，这样图像边界的四个黑块就将原本的4个对应点增加到了20个，使用这个20个对应角点来计算投影矩阵，进一步对齐参考图像与评价图像，如图5所示为用于角点检测的黑色图像边界示意图，如图6所示为经过去纹理处理并添加黑色图像边界的国画图像局部示意图以及输出后的扫描电子稿；
[0088]
步骤s4：不同国画原稿与复制用书画纸具有不同的帘纹属性，为确保复制稿在视觉感官上最大程度接近原稿，需要在输出前，筛选承印用书画纸，将选取与数字原稿帘纹最为接近的书画纸作为承印纸张筛，选方法为测量书画纸的帘纹深浅与帘纹密度，如图4所示，具体包括以下步骤：
[0089]
s4.1：由同一参数条件的扫描仪采集承印用书画纸，并将图像转换为灰度图；
[0090]
s4.2：获取帘纹深浅值：测量纸张帘纹中明暗条纹中心点明度值，取其差值δl，并分别测量每种书画纸中心与四角共五处的明度差值，取其均值表示最终纸张帘纹的深浅值，δl＝l
明
—l
暗
，所采用的6种书画打印宣纸表面帘纹深浅如表1所示：
[0091]
表1书画打印宣纸帘纹深浅
[0092][0093]
注：上表中δl为多点取样后所得δl的均值；
[0094]
s4.3：获取帘纹密度：由每厘米内分布的帘纹数量表示，为避免误差，同样采用五点取样法进行采样，所采用的6种书画打印宣纸表面帘纹疏密度如表2所示：
[0095]
表2书画打印宣纸帘纹疏密度
[0096][0097]
步骤s5：使用efi color proof xf色彩管理流程软件以及exact分光光度计，对不同书画纸与epson stylus pro 7910艺术微喷机进行线性化、墨量控制等操作，使其达到最佳输出状态，并在书画纸上进行打印输出；
[0098]
步骤s6：对输出后的打印稿，使用artixscan m2扫描仪进行采集获得数字稿，并对输出的数字稿进行质量评价；
[0099]
s6.1：使用exact分光光度计测量各输出样张上的c，m，y，r，g，b六色色块，以未经去纹理处理的输出图像上的色块值为参考值，通过色差公式计算各模型(wls加权最小二乘法、rtv模型、subr、双边滤波等其他模型进行对比实验)在不同国画图像输出后的色差值，数据图表3所示：
[0100]
表3色差值
[0101][0102]
从上表可以看出，rtv模型与本实验所采用的区域协方差法在去除书画纸表面帘纹后颜色输出色差平均值处于5左右，处于人眼无法准确识别的色差范围内，满足印刷品色差标准值，其余模型在去除帘纹后的色差值较大；
[0103]
s6.2：选择多幅不同种类的国画扫描稿进行输出实验进行整体对比，并选用色域最广的书画纸进行输出，由于扫描仪扫描画幅限制，所展示的图像皆为原稿中的局部图，图7展示了包含不同国画特征的图像在不同方法下的对比复制结果；
[0104]
s6.2.1：从(a)—(i)行看国画各自分别带有以下特点：
[0105]
(a)为陈少梅所绘人物图中的局部，该原稿底纸基本为白色，所选用的局部图基本为水墨晕染效果，中间略微包含红色；
[0106]
(b)为李可染绘制的《春雨江南图》，该原稿底纸基本为白色，但画中大部分被浅浅的墨色覆盖，选用的局部图中包含梅花，颜色艳丽且层次复杂；
[0107]
(c)至(g)都为王蒙所绘《青卞隐居图》中选取的局部图，该原稿底纸由于年久老化泛黄其中，(c)图中的暗调部分包含许多细节，(d)画面简单主要展示纸张表面帘纹，(e)为水墨画山石，其中分布许多颜色较浅的细节内容，中国画中除了绘制的内容，画面中包含的题字与印章同样为组成中国画的重要元素，因此挑选的局部图中也包含了该元素的两幅图像(f)和(g)；
[0108]
(h)为底纸同样老化泛黄，画面整体阶调平稳，对比度较小的山水画；
[0109]
(i)为原稿底纸为白色，图像层次丰富，对比度较高，明暗阶调都有所体现的彩色泼墨山水画；
[0110]
s6.2.2：从(a)—(i)列看本实施例提供的基于区域协方差去除国画纹理的方法的复制结果与现有方法的对比：
[0111]
第一列为原始图像扫描稿；
[0112]
第二列为未经过任何处理直接输出的图像，由于帘纹的叠加现象，图像中的条状纹理信息会更加突出，过高的纹理锐度，造成了复制结果的失真；
[0113]
第三列为双边滤波算法去纹理效果；
[0114]
第四列为相对全变分算法去纹理效果；
[0115]
第五列所采用的本实施例提供的区域协方差方法，在去除帘纹后复制的图像在视觉感官上与其他模型相比，各类图像的整体复制效果在纹理、颜色以及层次细节的再现方面均更接近原稿；
[0116]
第六列为加权最小二乘滤波算法去纹理效果；
[0117]
第七列为非局部均值图像去噪算法去纹理效果。
[0118]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。