• 图像放缩------双立方插值 分类: 视频图像处理 2015-07-24 09:18 34人阅读 评论(0) 收藏


    一:数学原理

    如果已知一个函数f(x)以及它在x=0,x=1处的导数,那么函数可以在[0,1]之间插值,当函数

    表达为三次多项式时我们称之谓立方插值。一个三次多项式及其导数:

            f(x) =ax^3 +bx^2 + cx + d

             f’(x)=3ax^2 + 2bx +c

    多项式在x=0, x=1处值及其导数值为:

             f(0)= d;

             f(1)= a + b + c + d;

             f’(0)=c

             f’(1)=3a + 2b + c

     

    上述的四个等式可以等价的变换为:

             a= 2f(0) – 2f(1) + f’(0) + f’(1)

             b= -3f(0) + 3f(1) – 2f’(0) – f’(1)

             c= f’(0)

             d= f’(1)

    假设你有四个点值p0, p1, p2, p3分别在x=-1, x=0, x=1, x=2, 把值分别指定到f(0), f(1), f’(0),

    f’(1)中为:

             f(0)= p1

             f(1)= p2

             f’(0)= (p2 – p0)/2

             f’(1)= (p3-p1)/2

     

    这个我们的立方插值公式变成:

    f(p0,p1,p2,p3, x) = (-1/2p0 + 3/2p1 -3/2p2+ 1/2p3)x^3 + (p0-5/2p1 + 2p2 -1/2d)x^2 + (-1/2p0 +

    1/2p2)x + p1

     

    双立方插值是立方插值在二维空间的表达, 插值公式可以表述为:

    G(x, y) = f (f (p00, p01, p02, p03, y), f(p10,p11, p12, p13, y), f(p20, p21, p22, p23, y), f(p30, p31, p32, p33, y), x)

    解出其中的16个参数,即可得带G(x, y)目标插值点的值。

     

    二:双立方插值优缺点

    双立方插值在图像放大过程可以保留更多的图像细节,放大以后的图像带有反锯齿的功能,

    同时图像和源图像相比效果更加真实, 缺点是计算量比较大,是常见的三种图像放大算法中

    计算量最大的一种,据说Photoshop的图像放大就是基本双立方插值的优化算法


    三:程序运行效果如下:


    四:关键代码解析

    不想解释太多,最重要的是代入计算的是浮点数坐标的小数部分,即 x, y的取值范围均在[0,1]之间


    五:基于Java的程序完全源代码

    1. public class BiCubicInterpolationScale implements ImageScale {  
    2.   
    3.     private double a00, a01, a02, a03;  
    4.     private double a10, a11, a12, a13;  
    5.     private double a20, a21, a22, a23;  
    6.     private double a30, a31, a32, a33;  
    7.     private int srcWidth;  
    8.     private int srcHeight;  
    9.       
    10.     @Override  
    11.     public int[] imgScale(int[] inPixelsData, int srcW, int srcH, int destW, int destH) {  
    12.         double[][][] input3DData = processOneToThreeDeminsion(inPixelsData, srcH, srcW);  
    13.         int[][][] outputThreeDeminsionData = new int[destH][destW][4];  
    14.         double[][] tempPixels = new double[4][4];  
    15.         float rowRatio = ((float)srcH)/((float)destH);  
    16.         float colRatio = ((float)srcW)/((float)destW);  
    17.         this.srcWidth = srcW;  
    18.         this.srcHeight = srcH;  
    19.         for(int row=0; row<destH; row++) {  
    20.             // convert to three dimension data  
    21.             double srcRow = ((float)row)*rowRatio;  
    22.             double j = Math.floor(srcRow);  
    23.             double t = srcRow - j;  
    24.             for(int col=0; col<destW; col++) {  
    25.                 double srcCol = ((float)col)*colRatio;  
    26.                 double k = Math.floor(srcCol);  
    27.                 double u = srcCol - k;  
    28.                 for(int i=0; i<4; i++) {  
    29.                     tempPixels[0][0] = getRGBValue(input3DData,j-1, k-1,i);  
    30.                     tempPixels[0][1] = getRGBValue(input3DData,j-1, k, i);  
    31.                     tempPixels[0][2] = getRGBValue(input3DData, j-1,k+1, i);  
    32.                     tempPixels[0][3] = getRGBValue(input3DData, j-1, k+2,i);  
    33.                       
    34.                     tempPixels[1][0] = getRGBValue(input3DData, j, k-1, i);  
    35.                     tempPixels[1][1] = getRGBValue(input3DData, j, k, i);  
    36.                     tempPixels[1][2] = getRGBValue(input3DData, j, k+1, i);  
    37.                     tempPixels[1][3] = getRGBValue(input3DData, j, k+2, i);  
    38.                       
    39.                     tempPixels[2][0] = getRGBValue(input3DData, j+1,k-1,i);  
    40.                     tempPixels[2][1] = getRGBValue(input3DData, j+1, k, i);  
    41.                     tempPixels[2][2] = getRGBValue(input3DData, j+1, k+1, i);  
    42.                     tempPixels[2][3] = getRGBValue(input3DData, j+1, k+2, i);  
    43.                       
    44.                     tempPixels[3][0] = getRGBValue(input3DData, j+2, k-1, i);  
    45.                     tempPixels[3][1] = getRGBValue(input3DData, j+2, k, i);  
    46.                     tempPixels[3][2] = getRGBValue(input3DData, j+2, k+1, i);  
    47.                     tempPixels[3][3] = getRGBValue(input3DData, j+2, k+2, i);  
    48.                       
    49.                     // update coefficients  
    50.                     updateCoefficients(tempPixels);  
    51.                     outputThreeDeminsionData[row][col][i] = getPixelValue(getValue(t, u));  
    52.                 }  
    53.   
    54.             }  
    55.         }  
    56.           
    57.         return convertToOneDim(outputThreeDeminsionData, destW, destH);  
    58.     }  
    59.       
    60.     public double getRGBValue(double[][][] input3DData, double row, double col, int index) {  
    61.         if(col >= srcWidth) {  
    62.             col = srcWidth - 1;  
    63.         }  
    64.           
    65.         if(col < 0) {  
    66.             col = 0;  
    67.         }  
    68.           
    69.         if(row >= srcHeight) {  
    70.             row = srcHeight - 1;  
    71.         }  
    72.           
    73.         if(row < 0) {  
    74.             row = 0;  
    75.         }  
    76.         return input3DData[(int)row][(int)col][index];  
    77.     }  
    78.       
    79.     public int getPixelValue(double pixelValue) {  
    80.         return pixelValue < 0 ? 0: pixelValue >255.0d ?255:(int)pixelValue;  
    81.     }  
    82.       
    83.     public void updateCoefficients (double[][] p) {  
    84.         a00 = p[1][1];  
    85.         a01 = -.5*p[1][0] + .5*p[1][2];  
    86.         a02 = p[1][0] - 2.5*p[1][1] + 2*p[1][2] - .5*p[1][3];  
    87.         a03 = -.5*p[1][0] + 1.5*p[1][1] - 1.5*p[1][2] + .5*p[1][3];  
    88.         a10 = -.5*p[0][1] + .5*p[2][1];  
    89.         a11 = .25*p[0][0] - .25*p[0][2] - .25*p[2][0] + .25*p[2][2];  
    90.         a12 = -.5*p[0][0] + 1.25*p[0][1] - p[0][2] + .25*p[0][3] + .5*p[2][0] - 1.25*p[2][1] + p[2][2] - .25*p[2][3];  
    91.         a13 = .25*p[0][0] - .75*p[0][1] + .75*p[0][2] - .25*p[0][3] - .25*p[2][0] + .75*p[2][1] - .75*p[2][2] + .25*p[2][3];  
    92.         a20 = p[0][1] - 2.5*p[1][1] + 2*p[2][1] - .5*p[3][1];  
    93.         a21 = -.5*p[0][0] + .5*p[0][2] + 1.25*p[1][0] - 1.25*p[1][2] - p[2][0] + p[2][2] + .25*p[3][0] - .25*p[3][2];  
    94.         a22 = p[0][0] - 2.5*p[0][1] + 2*p[0][2] - .5*p[0][3] - 2.5*p[1][0] + 6.25*p[1][1] - 5*p[1][2] + 1.25*p[1][3] + 2*p[2][0] - 5*p[2][1] + 4*p[2][2] - p[2][3] - .5*p[3][0] + 1.25*p[3][1] - p[3][2] + .25*p[3][3];  
    95.         a23 = -.5*p[0][0] + 1.5*p[0][1] - 1.5*p[0][2] + .5*p[0][3] + 1.25*p[1][0] - 3.75*p[1][1] + 3.75*p[1][2] - 1.25*p[1][3] - p[2][0] + 3*p[2][1] - 3*p[2][2] + p[2][3] + .25*p[3][0] - .75*p[3][1] + .75*p[3][2] - .25*p[3][3];  
    96.         a30 = -.5*p[0][1] + 1.5*p[1][1] - 1.5*p[2][1] + .5*p[3][1];  
    97.         a31 = .25*p[0][0] - .25*p[0][2] - .75*p[1][0] + .75*p[1][2] + .75*p[2][0] - .75*p[2][2] - .25*p[3][0] + .25*p[3][2];  
    98.         a32 = -.5*p[0][0] + 1.25*p[0][1] - p[0][2] + .25*p[0][3] + 1.5*p[1][0] - 3.75*p[1][1] + 3*p[1][2] - .75*p[1][3] - 1.5*p[2][0] + 3.75*p[2][1] - 3*p[2][2] + .75*p[2][3] + .5*p[3][0] - 1.25*p[3][1] + p[3][2] - .25*p[3][3];  
    99.         a33 = .25*p[0][0] - .75*p[0][1] + .75*p[0][2] - .25*p[0][3] - .75*p[1][0] + 2.25*p[1][1] - 2.25*p[1][2] + .75*p[1][3] + .75*p[2][0] - 2.25*p[2][1] + 2.25*p[2][2] - .75*p[2][3] - .25*p[3][0] + .75*p[3][1] - .75*p[3][2] + .25*p[3][3];  
    100.     }  
    101.       
    102.     public double getValue (double x, double y) {  
    103.         double x2 = x * x;  
    104.         double x3 = x2 * x;  
    105.         double y2 = y * y;  
    106.         double y3 = y2 * y;  
    107.   
    108.         return (a00 + a01 * y + a02 * y2 + a03 * y3) +  
    109.                (a10 + a11 * y + a12 * y2 + a13 * y3) * x +  
    110.                (a20 + a21 * y + a22 * y2 + a23 * y3) * x2 +  
    111.                (a30 + a31 * y + a32 * y2 + a33 * y3) * x3;  
    112.     }  
    113.   
    114.     /* <p> The purpose of this method is to convert the data in the 3D array of ints back into </p> 
    115.      * <p> the 1d array of type int. </p> 
    116.      *  
    117.      */  
    118.     public int[] convertToOneDim(int[][][] data, int imgCols, int imgRows) {  
    119.         // Create the 1D array of type int to be populated with pixel data  
    120.         int[] oneDPix = new int[imgCols * imgRows * 4];  
    121.   
    122.         // Move the data into the 1D array. Note the  
    123.         // use of the bitwise OR operator and the  
    124.         // bitwise left-shift operators to put the  
    125.         // four 8-bit bytes into each int.  
    126.         for (int row = 0, cnt = 0; row < imgRows; row++) {  
    127.             for (int col = 0; col < imgCols; col++) {  
    128.                 oneDPix[cnt] = ((data[row][col][0] << 24) & 0xFF000000)  
    129.                         | ((data[row][col][1] << 16) & 0x00FF0000)  
    130.                         | ((data[row][col][2] << 8) & 0x0000FF00)  
    131.                         | ((data[row][col][3]) & 0x000000FF);  
    132.                 cnt++;  
    133.             }// end for loop on col  
    134.   
    135.         }// end for loop on row  
    136.   
    137.         return oneDPix;  
    138.     }// end convertToOneDim  
    139.       
    140.     private double [][][] processOneToThreeDeminsion(int[] oneDPix2, int imgRows, int imgCols) {  
    141.         double[][][] tempData = new double[imgRows][imgCols][4];  
    142.         for(int row=0; row<imgRows; row++) {  
    143.               
    144.             // per row processing  
    145.             int[] aRow = new int[imgCols];  
    146.             for (int col = 0; col < imgCols; col++) {  
    147.                 int element = row * imgCols + col;  
    148.                 aRow[col] = oneDPix2[element];  
    149.             }  
    150.               
    151.             // convert to three dimension data  
    152.             for(int col=0; col<imgCols; col++) {  
    153.                 tempData[row][col][0] = (aRow[col] >> 24) & 0xFF// alpha  
    154.                 tempData[row][col][1] = (aRow[col] >> 16) & 0xFF// red  
    155.                 tempData[row][col][2] = (aRow[col] >> 8) & 0xFF;  // green  
    156.                 tempData[row][col][3] = (aRow[col]) & 0xFF;       // blue  
    157.             }  
    158.         }  
    159.         return tempData;  
    160.     }  
    161. }  

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