基于圖像處理技術(shù)的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

馬良華

摘 要： 為了提高藝術(shù)設(shè)計的人工智能性和面向?qū)ο笮?，提出基于圖像處理技術(shù)的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計方法。對藝術(shù)設(shè)計的圖像采用色差補償方法進行圖像亮度均衡修復(fù)處理，結(jié)合像素點量化跟蹤方法進行圖像融合，采用小波降噪技術(shù)實現(xiàn)圖像降噪處理，由此完成藝術(shù)設(shè)計中的圖像處理。在MapInfo軟件開發(fā)平臺中進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計，采用Creator開發(fā)藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的主界面，在Face Tools中選擇藝術(shù)設(shè)計的圖像處理類型函數(shù)，通過Map Texture Tools選擇貼圖方法，在程序加載模塊實現(xiàn)圖像處理算法加載，最后在嵌入式Linux的體系結(jié)構(gòu)中完成藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件集成開發(fā)設(shè)計。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)藝術(shù)中的圖像輸出，提高藝術(shù)設(shè)計圖像的輸出質(zhì)量，圖像的輸出信噪比較高，系統(tǒng)的人機交互性能較好。

關(guān)鍵詞： 圖像處理; 藝術(shù)設(shè)計; 系統(tǒng)設(shè)計; MapInfo; Creator; Face Tools

中圖分類號： TN911.73?34; TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0072?05

Abstract： In order to improve the artificial intelligence and object?oriented characteristic of the art design， a design method of art design system based on image processing technology is put forward. The color aberration compensation method is used to conduct the image brightness balance repair for the image of art design. The pixel quantization tracking method is combined for image fusion. The wavelet denoising technique is used to realize the image denoising， and accomplish the image processing in art design. The art design system was designed in the MapInfo software development platform. The Creator development technique is adopted to design the main interface of the system. The image processing type function of art design is selected in Face Tools. The chartlet method is selected by means of Map Texture Tools. The image processing algorithm is loaded in program loading module. The software integrated development design of art design system is accomplished in the architecture of embedded Linux. The results of system test show that the system can realize the image output in art effectively， improve the output quality of the art design image， has perfect human?computer interaction performance， and the output SNR of the image is high.

Keywords： image processing; art design; system design; MapInfo; Creator; Face Tools

0 引 言

藝術(shù)設(shè)計是城市規(guī)劃、設(shè)計美學(xué)以及環(huán)境生態(tài)學(xué)、人體行為學(xué)的綜合表達。以環(huán)境藝術(shù)設(shè)計為例，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計同時也是對建筑室內(nèi)外的空間環(huán)境的綜合利用，它通過藝術(shù)設(shè)計的方式以滿足人們的功能使用及視覺審美需求[1]。隨著計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展，將圖形與圖像處理技術(shù)應(yīng)用在藝術(shù)設(shè)計中，能提高藝術(shù)設(shè)計的人工智能性和實時處理能力。研究基于圖像處理技術(shù)的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

藝術(shù)設(shè)計中的圖像處理技術(shù)主要有圖像降噪和圖像融合濾波技術(shù)。通過小波降噪、中值濾波降噪等進行圖像提純處理[3]，能提高藝術(shù)設(shè)計中的圖像信息表達能力，結(jié)合圖像融合方法實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計中圖像信息跟蹤識別能力，采用自適應(yīng)角點檢測和校正方法進行藝術(shù)設(shè)計中的關(guān)鍵特征點檢測分析，能提高藝術(shù)設(shè)計中的特征信息表達能力[4]。在藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計中，當前方法主要有基于Hadoop云平臺的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計方法、基于ARM內(nèi)核的嵌入式藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)和基于軟件服務(wù)（Software?as?a?Service，SaaS）層的藝術(shù)設(shè)計方法，根據(jù)上述設(shè)計原理，相關(guān)文獻進行了基于圖像處理的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計研究，在提高藝術(shù)設(shè)計表達能力方面具有一定的實用價值。其中，文獻[5]提出一種基于圖像塊匹配修復(fù)的藝術(shù)設(shè)計方案，結(jié)合關(guān)聯(lián)維搜索方法進行圖像關(guān)聯(lián)特征點匹配，提高藝術(shù)設(shè)計中關(guān)鍵信息點的視覺表現(xiàn)能力，并在嵌入式Linux中進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件開發(fā)，但該系統(tǒng)和相應(yīng)的圖像處理算法存在計算開銷過大的問題，系統(tǒng)的實時跟蹤和圖像實時處理能力不好;文獻[6]提出基于Criminisi算法的圖像修復(fù)方法進行藝術(shù)設(shè)計中的圖像處理，采用優(yōu)先次序排列方法進行藝術(shù)設(shè)計中的三維圖形特征重構(gòu)，并以DSP為核心處理芯片進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的硬件開發(fā)和控制器設(shè)計，該系統(tǒng)沒有進行圖像的降噪處理，導(dǎo)致輸出圖像的質(zhì)量較差，藝術(shù)設(shè)計的效果不好。

針對上述問題，本文提出一種改進的基于圖像處理技術(shù)的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計方法。首先對藝術(shù)設(shè)計的圖像采用色差補償方法進行圖像亮度均衡修復(fù)處理，結(jié)合像素點量化跟蹤方法進行圖像融合，采用小波降噪技術(shù)實現(xiàn)圖像降噪處理。然后在MapInfo軟件開發(fā)平臺中進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計，在程序加載模塊實現(xiàn)圖像處理算法加載。最后在嵌入式Linux的體系結(jié)構(gòu)中完成藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件集成開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計和仿真分析，得出有效性結(jié)論。

1 圖像處理算法設(shè)計

1.1 圖像亮度均衡修復(fù)處理

采用圖像處理技術(shù)進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)改進設(shè)計，需要先進行圖像處理算法設(shè)計。圖像處理主要包括圖像降噪處理、圖像融合處理和圖像邊緣輪廓特征提取處理[7]。采用網(wǎng)格化矩陣分塊方法進行藝術(shù)設(shè)計圖像的網(wǎng)格分塊，分塊方法主要采用矩形分塊和套索分塊方法，按藝術(shù)設(shè)計的待分塊圖像根據(jù)仿射不變矩將塊劃分為若干子塊，圖像子塊的個數(shù)一樣為[M16+1*N16+1]，藝術(shù)設(shè)計中圖像矩形分塊示意圖如圖1所示。

1.2 圖像融合及小波降噪處理

在進行了藝術(shù)設(shè)計中的圖像亮度均衡處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合像素點量化跟蹤方法進行圖像融合和小波降噪處理[8]，在藝術(shù)設(shè)計圖像區(qū)域分布的網(wǎng)格點中，假定新提取的藝術(shù)圖像特征表達方程為：

建立藝術(shù)設(shè)計圖像輪廓分布的梯度信息模型，當降噪輸出圖像的信噪比滿足閾值條件時，返回當前搜索路徑，由此完成藝術(shù)設(shè)計中圖像的降噪和圖像融合處理。根據(jù)上述圖像處理結(jié)果，進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，將圖像處理算法加載到系統(tǒng)的程序加載模塊中，進行交叉編譯控制，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

2 藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件開發(fā)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計描述和開發(fā)環(huán)境描述

在MapInfo軟件開發(fā)平臺中進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計，采用B/S架構(gòu)的UDP協(xié)議通信時，需要鏈接建立Internet中的FTP，定義一個SOCKADDER_IN類型的變量作為藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的圖像處理控制變量。藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)包括對象域、圖形渲染層和圖形生成層，在三維圖像觀察器中實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計的動畫軟件轉(zhuǎn)換，在感知信息服務(wù)層進行三維圖形重構(gòu)，設(shè)計面向?qū)ο蟮膱D形處理軟件系統(tǒng)[9]。根據(jù)上述分析，得到基于圖像處理的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架，如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于MapInfo軟件開發(fā)平臺進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計，藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的圖像渲染過程是實現(xiàn)圖形實時讀取和3D圖形輸出的過程，通過Map Texture Tools選擇藝術(shù)系統(tǒng)的圖像融合程序進行代碼加載，在程序加載模塊實現(xiàn)圖像處理算法加載，系統(tǒng)選擇MBM29LV400BC作為其Flash存儲器，讀、寫信號和片選信號通過DSP進行總線控制[10]。本文設(shè)計的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件模塊主要有程序加載模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀寫模塊、總線傳輸模塊以及人機交互模塊等，對各個模塊的設(shè)計描述如下：

1） 程序加載模塊。藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的程序加載模塊具有進行圖像處理算法和控制指令的程序加載功能，采用 MVC（Model View Controller）模型構(gòu)建圖形渲染系統(tǒng)的控制組件，采用MySQL 作為藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)程序加載的默認系統(tǒng)。系統(tǒng)程序加載的引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）主要由面向圖的管理模塊（Management Module）的用戶應(yīng)用程序（Application）構(gòu)成，系統(tǒng)選用SuperViVi作為BootLoader，通過開源的Linux內(nèi)核進行算法讀寫和圖像的自適應(yīng)處理，根據(jù)如下交叉編譯指令執(zhí)行程序加載和數(shù)據(jù)更新。

2） 數(shù)據(jù)存儲和讀寫模塊。數(shù)據(jù)存儲和讀寫模塊具有實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存和信息讀取功能，實現(xiàn)腳本和服務(wù)器配置，通過Grid DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對藝術(shù)設(shè)計的圖像數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換，創(chuàng)建藝術(shù)設(shè)計的3D模型數(shù)據(jù)庫，用Creator的Terrain菜單模塊構(gòu)建藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的Flash，使用批處理模塊（Batch）進行藝術(shù)設(shè)計過程中圖形的顏色、紋理、材質(zhì)屬性的渲染以及圖形圖像的自適應(yīng)讀取?；贛apInfo的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的圖形渲染過程主要包含應(yīng)用（APP）、剔除（CULL）和繪制（DRAW）三個主要過程。首先從藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的緩存器中讀取圖形原始數(shù)據(jù)，從而在設(shè)備控制器中讀入數(shù)據(jù)，計算當前視點，之后進入下一幀的渲染循環(huán)，最后繪制多邊形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取和存儲過程如圖4所示。

3） 總線傳輸和圖形加載模塊。總線傳輸模塊是整個藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。采用OpenFlight和VIX總線傳輸技術(shù)實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，總線傳輸?shù)腟ink節(jié)點實現(xiàn)對藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的圖像處理代碼原始記錄、輔助記錄數(shù)據(jù)庫頭層次（Header level）的輔助記錄和數(shù)據(jù)庫建造歷史控制記錄等，在對象層次（Object Level）結(jié)構(gòu)模塊中實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計對象的動態(tài)三維重建，為MultiGen提供層次結(jié)構(gòu)視圖。在圖形繪制中通過Geometry Tools把面變換為體，實現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計的圖形轉(zhuǎn)換和三維重建。這一實現(xiàn)過程描述如圖5所示。

4） 人機交互模塊。人機交互模塊是藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)面向?qū)ο笤O(shè)計的核心，在嵌入式Linux的體系結(jié)構(gòu)中完成藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的軟件集成開發(fā)設(shè)計與人機交互設(shè)計。新建一目錄filesystem，在/lib目錄下建立需要的設(shè)備節(jié)點，構(gòu)建人機交互模塊的YAFFS映像文件。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為了測試本文設(shè)計的系統(tǒng)在實現(xiàn)圖像處理和藝術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用性能，進行仿真實驗。實驗的開發(fā)環(huán)境是Windows 10操作系統(tǒng)，利用Visual C++7.0，Vega Prime，Multigen Creator等多種圖像處理工具進行圖像處理算法設(shè)計，藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的3D模型庫包括MFC42D.DLL，MFCD42D.DLL。在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置中，服務(wù)器的IP地址的端口號為192.168.6.69。在圖像處理算法的參量設(shè)定中，選擇圖像的大小是600×400和1 200×1 200，邊緣融合誤差[ε=0.12，]傳導(dǎo)系數(shù)[σx=0.26，]色差補償對比度為0.28，結(jié)構(gòu)信息的相似度為3.89，像素級視差[D=]180。根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)定進行藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)圖像處理測試分析，首先進行藝術(shù)設(shè)計的圖形加載，仿真過程如圖6所示。

在進行圖形加載的基礎(chǔ)上，采用本文設(shè)計的系統(tǒng)進行藝術(shù)設(shè)計過程的圖像處理，待設(shè)計圖像的原始輸入如圖7所示。

由圖7得知，原始圖像受到大量的椒鹽噪聲干擾，導(dǎo)致在藝術(shù)設(shè)計中的可視性效果不好。采用本文方法進行圖像降噪和融合處理，得到改善后的圖像處理效果如圖8所示。

4 結(jié) 語

本文研究了藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的人工智能設(shè)計方法，提出基于圖像處理技術(shù)的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計方法。首先設(shè)計了圖像處理算法，實現(xiàn)對藝術(shù)設(shè)計圖像的融合和降噪處理，然后進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計，重點對程序加載模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀寫模塊、總線傳輸模塊以及人機交互模塊進行設(shè)計。由系統(tǒng)測試結(jié)果得知，本文設(shè)計的藝術(shù)設(shè)計系統(tǒng)具有很好的圖形圖像處理能力，提高了圖像輸出質(zhì)量，改善了藝術(shù)設(shè)計視覺效果。

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