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1、仲恺农业工程学院毕 业 论 文图像素描生成算法研究姓 名 XXX院（系） 信息学院专业班级 XXXXX学 号 4指导教师 XX老师职 称 副教授论文答辩日期 2012年05月13日 仲恺农业工程学院教务处制村民建房委员会应建立村级农房建设质量安全监督制度和巡查制度，选聘有责任心和具有一定施工技术常识的村民作为义务巡查监督员，开展经常性的巡查和督查。学生承诺书本人郑重承诺此论文是在老师的指导下独立完成的，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。相关文献的引用已在论文中作了明确的说明。论文与资料若有不实之处，本人愿意承担责任。特此声明！ 签名：_摘 要图像素描
2、生成算法是计算机科学与艺术的有效融合，是以计算机为工具搭建各种数学模型并设计各种算法来模拟艺术式的绘制风格，它强调人们的主观感受，而不追求真实感，旨在给人以美的享受。本文研究了基于空间域和频域的几种图像素描生成算法，在此基础上提出改进算法，并在MATLAB平台上分析比较各种算法的处理效果。图像素描生成算法的研究，可为在图像处理软件中实现图像素描效果提供参考。关键词：MATLAB 素描生成算法 空间域 频域 边缘检测目 录1 前言11.1 课题研究目的及意义11.2 国内外研究的概况21.3 论文组织及整体安排32 图像素描的简介32.1 非真实感绘制概念32.2 什么是素描42.3 图像素描的
3、应用43 Matlab基本知识介绍53.1 Matlab的概述53.2 Matlab的发展历程53.3 Matlab语言的特点53.4 Matlab在图像处理中的应用64 图像素描生成算法的研究与实现74.1 一些现有的算法概述74.1.1 传统的图像素描生成算法74.1.2 一种改进的图像素描生成算法74.1.3 基于傅里叶变换的图像素描生成算法84.2 算法研究与实现84.2.1 基于空间域的素描算法研究与现实84.2.2 基于频域的素描算法的研究与实现115 素描算法比较分析185.1 两大类算法对比分析185.2 算法实验效果对比图186 总结与展望206.1 总结206.2 展望20
4、参考文献22英文摘要23附录24致谢36仲恺农业工程学院毕业论文成绩评定表371 前言近年来，三维技术的广泛使用，让我们领略到了前所未有的视觉效果。计算机图形学也正在我们追求这种视觉真实感中慢慢发展，并取得了巨大的成功。然而，人们在这研究过程中却希望通过有趣的方式去探索这种真实场景，开始借助于计算机的辅助来模拟画家生成诸如油画、炭笔画、水墨画等等不同艺术风格的图片，就是说利用计算机生成不具有照片真实感，具有手绘风格的图形技术，这称之为非真实感绘制技术(Non-photorealistic Rendering，NPR)。其目标在于表现图像的艺术特质、模拟艺术作品，而不在乎图像的真实性。其中，图像
5、素描正是非真实感绘制的一个很重要的部分。常用的图像素描生成算法生成的图像常常会导致画面不够细腻，轮廓损失较大的现象，本文先分析了常用的图像生成算法技术，然后对该算法进行了相关的改进。该课题将最新的计算机视觉技术与人们喜爱的艺术形式图像素描结合在有机地组织一起，是运用计算机视觉技术对图像素描艺术模拟的一次积极而有意义的探索。该课题的研究是学习和爱好素描艺术的人们的福音，将会吸引更多人走向学习、研究、欣赏这门艺术的殿堂，同时会吸引更多人投身于对图像素描生成算法的研究之中，让图像素描生成算法走向成熟，性能更好。1.1 课题研究目的及意义随着图像采集设备的不断普及，普通数码照片已不再能满足人们的需要，
6、将照片处理成素描、卡通、油画等艺术风格逐渐成为一种娱乐方式。素描是一种以铅笔、粉笔等为媒介，用线条来表现物体或景象的艺术，可分为线条结构画和精细写实素描两种。它是一种正式的艺术创作，可以用单色线条（也可以用两种或两种以上的颜色）或涂抹成面等方式来表现直观世界中的事物的造型、色调和灰度对比效果，甚至可以表达思想、概念、态度、感情、幻想、象征甚至抽象形式。作为一切造型艺术的基础，素描能准确的表达出物体的明暗，形状，体积，质感，量感等固有属性。它不像绘画那样重视总体和彩色，而是着重结构和形式。素描的表现内容通常为静物，动物，风景以及人物等。而其中的人物素描往往具有更大的艺术魅力。手工创作素描画是一项
7、复杂的艺术劳动，因此，基于真实图像高效地模拟出具有素描艺术特征的图像，也就是图像素描风格化，具有重要的应用价值。目前的图像素描生成算法或者未遵循素描风格创作的艺术特点，或者需要大量人机交互，同时运算量较大，无法做到实时或者准实时。该研究课题通过实现几种图像素描生成算法，在MATLAB平台上对比分析，并做相关改进，得出一种或几种图像素描生成方法：这些方法能有效地保留了输入图像的细节特征，并且能够实时生成具有良好素描艺术效果的风格化图像。1.2 国内外研究的概况图像素描生成算法的研究最早可上溯到在20世纪80年代末，一直是计算机视觉领域中图像艺术效果研究方向的重要研究分支，并随着图像艺术效果研究技
8、术的高速发展而逐步受到人们关注和研究。人们的研究致力于使算法计算量较少，实时性好，易于现实，能较好的保留图像的细节特征，生成具有良好素描艺术效果的风格化图像。近年来，随着喜欢艺术形式图像素描的人们对这方面的研究，图像素描生成算法已经有不少的实现方法。何伟强6给出一种改进的图像素描生成算法。首先对图像进行梯度和反相处理，再将图像灰度化，从而产生图像素描结果，该算法快速有效。李熏7等人基于傅里叶变换的图像素描效果生成算法，提出首先将真彩色图像转换为灰度图像，通过傅里叶正变换后将所有像素点的幅值设定为一常数，进行傅里叶逆变换，得到像素点的新灰度值；然后将每点灰度值倒置求反，再对图像进行锐化和平滑等处
9、理来实现图像的素描效果。王海晖9等人基于计算机视觉的自然图像自动线描系统，介绍一种自然图像的自动线描算法，使计算机能模拟人类素描绘画的过程。该系统包括线描提取及线描渲染两步骤。在线描提取过程中，采用一种综合低层及中层视觉信息的边缘检测方法提取线描，在传统边缘检测结果基础上，根据计算机视觉理论对边缘进行精简及连接等处理；在线描渲染过程中，采用尺度、亮度等特征作为渲染画刷的属性，对边缘曲线进行拟合后采用纹理映射等非真实感渲染的方法产生线描图像。基于计算机视觉理论的自动线描方法切实可行。冯捷11等人基于灰度合成的图像素描效果生成算法，提出一种采用灰度合成的图像素描效果快速生成算法，实现真实感图像的艺
10、术化生成。不同于已有算法只是利用经典的边缘检测方法来提取图像的边缘特征，本算法通过灰度信息分布来控制素描图像的细节特征，通过灰度合成得到图像边缘特征的加强和柔化，形成素描效果。算法首先得到输入图像的灰度反色图，并对其进行高斯模糊滤波，平滑边缘特征。然后采用灰度合成将滤波后的反色图和输入图像的灰度图进行合成，并同时起到对混合的图像的亮度进行自适应调整的作用，形成图像素描艺术风格。王会芹13基于图像空间的素描效果生成技术，提出了一种基于图像空间的无笔画的素描效果生成算法，只需将一幅数字图像作为输入，然后对其进行滤波处理，使得处理后的图像在去噪的同时可以消除光照所带来的影响，同时可以将特征像素进行分
11、离；在此基础上再分别进行边缘检测和二值化；最后将边缘检测结果和二值图像相结合，从而得到相应的素描效果。1.3 论文组织及整体安排本文讨论两大类图像素描生成算法，分别是基于空间域的素描算法和基于频域的素描算法。为了尽量使论文的内容丰富而又不失严谨，现将论文作安排如下。本文第一部分为前言，介绍了课题研究目的及意义和国内外研究现状。本文第二部分为图像素描的简介，介绍了非真实感绘制和素描的基本概念，以及它们之间的关系，并概述了图像素描的一些应用，使读者对图像素描进一步了解。第三部分为MATLAB基本知识介绍，介绍了MATLAB仿真工具基本知识，包括MATLAB的概述、发展历程、MATLAB的语言特点以
12、及MATLAB在图像处理中的应用。第四部分为素描算法的研究与实现，该部分讨论两大类素描算法的具体实现，并给出了每种算法的具体实现步骤。第五部分为素描算法的比较分析，该部分分析了两大类素描算法的优缺点，并给出各个算法的实验结果比较图。第六部分为总结与展望，对在本次论文进行简要总结以及对未来工作的展望。2 图像素描的简介非真实感绘制（Non-photorealistic rendering，NPR）是计算机图形学的一类，主要模拟艺术式的绘制风格，也用于发展新绘制风格。而图像素描则是非真实感绘制很重要的一个部分，生成素描效果的非真实感绘制技术大致可以分为基于空间域的和基于频域的两大类技术。2.1 非
13、真实感绘制概念非真实感绘制指的是利用计算机生成不具有照片般真实感，而具有手绘风格的图形的技术。其目标不在于图形的真实性，而主要在于表现图形的艺术特质、模拟艺术作品或作为真实感图形的有效补充。非真实感绘制，亦称为风格绘制(Stylistic Rendering)，并不追求完全的真实感，主要目的是将某个对象以简洁、含蓄、带有美学特征的方式借助计算机表现出来，也即能在形式上指定一种可展现绘画作品的方式并随之编写生成非真实感绘画作品的计算机程序。其中，素描、油画、浮雕等都是非真实感绘制的一个很重要的部分。2.2 什么是素描由木炭，铅笔，钢笔等，以线条来画出物象明暗的单色画，称做素描。单色水彩和单色油画
14、也可以算作素描；中国传统的白描和水墨画也可以称之为素描。通常讲的素描多元化指铅笔画和炭笔画。素描是一切绘画的基础，这是研究绘画艺术所必须经过的一个阶段。素描是一种正式的艺术创作，以单色线条来表现直观世界中的事物，亦可以表达思想、概念、态度、感情、幻想、象征甚至抽象形式。它不像带色彩的绘画那样重视总体和彩色，而是着重结构和形式。它只强调明度而不强调色彩的绘画形式，通常用单色来完成的绘画。注重结构和明暗，并用明暗关系在二维平面上表现三维立体的艺术效果。如图1、图2。 图1 The wonderful girl 图2 The Lottery Ticket2.3 图像素描的应用在图像非真实感艺术效果处
15、理中，素描风格是一种非常典型的效果，并且应用也是越来越广泛，受到了广大人士的喜爱。对图像进行素描效果的处理，一方面可以用于图像的识别，一方面可以达到艺术效果。图像素描效果处理技术在印刷业、广告业、影视业、遥感和医学成像等方面都有广泛的应用。尤其现在的一些具有拍照功能的手机都已经集成了图像素描化处理功能。3 MATLAB基本知识介绍由于MATLAB有强大的图片处理能力，本文用MATLAB进行图像素描生成算法的分析比较和仿真实现。下面对MATLAB作基本的介绍。3.1 MATLAB的概述MATLAB是MATrix LABoratory（“矩阵实验室”）的缩写，是由美国MathWorks公司开发的集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的，功能强大、操作简单的语言。是国际公认的优秀数学应用软件之一。MATLAB的基
