图像插值技术综述_符祥

原算法引起的阶梯效应。
吴锡生等 首 [3] 先通过阈值法分类图像的边缘和平坦区域。
对 于 平 坦 区 域 直 接 用 双 线 性 插 值 算 法 ，而 对 于 边 缘 区 域 的 像
素点，利用与边缘像素点相邻的 6 个降采样像素局部结构方
向 信 息 特 征 ，估 计 高 分 辨 率 像 素 的 值 。
1 传统图像插值算法
在 传 统 图 像 插 值 算 法 中 ，最 近 邻 插 值 较 简 单 ，容 易 实 现 ， 早期的时候应用 比较普遍。但是，该方法 会在新图像中 产生 明显的锯齿边缘和马赛克现象。双线性插值法具有平滑功 能，能有效地 克服最近邻法 的不足，但会 退化图像的高 频部 分，使图像细节变 模糊。在放大倍数比 较高时，高阶插值 ，如 双三次和三次样条插值等比低阶插值效果好。这些插值算 法可以使插值生成的像素灰度值延续原图像灰度变化的连 续性，从 而使放大图像 浓淡变化自然平 滑。但是在图像 中， 有 些 像 素 与 相 邻 像 素 间 灰 度 值 存 在 突 变 ，即 存 在 灰 度 不 连 续 性。这些具有灰度值突变的像素就是图像中描述对象的轮 廓或纹理图像的 边缘像素。在图像放大 中，对这些具有 不连 续 灰 度 特 性 的 像 素 ，如 果 采 用 常 规 的 插 值 算 法 生 成 新 增 加 的 像 素 ，势 必 会 使 放 大 图 像 的 轮 廓 和 纹 理 模 糊 ，降 低 图 像 质 量 。 由 于 篇 幅 有 限 ，人 们 已 经 熟 知 的 传 统 图 像 插 值 算 法 这 里 不 再 详细介绍。
这类插值方法一般采用如图 1 所示原理图，首先检测低 分 辨 率 图 像 的 边 缘 ，然 后 根 据 检 测 的 边 缘 将 像 素 分 类 处 理 ，对 于 平 坦 区 域 的 像 素 ，采 用 传 统 方 法 插 值 ；对 于 边 缘 区 域 的 像 素 ，设 计 特 殊 插 值 方 法 ，以 达 到 保 持 边 缘 细 节 的 目 的 。
低分辨 率图像 边缘检测
边缘区域 平坦区域
特殊方 法插值
传统方 法插值
插值 +
图像
图 1 基于原始低分辨率图像边缘的方法原理
杨云峰等[1]采用的方法是，对于插值节点 = { , , =
0,1,…, }，记 = | +1
1 | | +2
|，如果 = 0，则为平
坦 区 域 的 点 ，采 用 双 线 性 插 值 ；否 则 为 边 缘 点 ，采 用 双 三 次 样
摘 要：图像插值是 图像处理中最基 本的技术之一，得到了广泛研究 和应用。将图像插 值技术分为传统 插值、基于边缘 的插 值和 基于区域的插值 3 类，介绍了各类技 术的一般实现 方法和典型算法 ；从原理 上分析了各类算 法的科学性；并对不同 算法 进行 了对比实验和讨 论。实验结果 表明，基于区 域的插值方法原 理更科学，插 值图像的主观 和客观质量最好 ；最后，给 出了 图像插值的发展形式及前景。 关键 词：图像插值; 插值原理; 边缘 指导; 区域指导 ; 科学性 中图 法分类号：TN911.73 文献标 识码：A 文章编号：1000-7024 (2009) 01-0141-04
目 前 文 献 中 已 经 提 出 了 很 多 软 件 实 现 插 值 的 方 法 。传 统 的 插 值 方 法 侧 重 于 图 像 的 平 滑 ，从 而 取 得 更 好 的 视 觉 效 果 。 但 这 类 方 法 在 保 持 图 像 平 滑 的 同 时 ，常 常 导 致 图 像 的 边 缘 模 糊 。 而 图 像 的 边 缘 信 息 是 影 响 视 觉 效 果 的 重 要 因 素 ，同 时 也 是目标识别与跟踪、图像匹配、图像配准等图像处理问题的关 键 因 素 。因 此 ，基 于 边 缘 的 插 值 技 术 成 为 近 年 来 研 究 的 热 点 。 同 样 是 为 了 保 持 图 像 的 边 缘 信 息 ，近 年 来 又 出 现 了 一 些 基 于 区域一致性的图像插值方法。
Abstract：Image interpolation is widely studied and used in digital image processing. Firstly, the image interpolation technologies are classified into three types, including traditional interpolation, edge-based interpolation and area-based interpolation. Then, the basic principle and typical algorithms for each type are introduced. Furthermore, their scientificity is analyzed. Comparison and discussion are made. The result is found that the area-directed interpolation methods are more scientific and reasonable in theory, and the interpolated images have the best quality in both subjective visual evaluation and objective numerical comparison. Finally, the future research direction in this field is given. Key words：image interpolation; principle; edge-directed; area-directed; scientificity
分辨率图像中的边缘像素，根据边缘的连续性，认为 2 ,2 亦
为边缘像素，所以，用两点的均值对点 2 ,2 赋值，即
2 ,2
=
1 2
[
2
1,2 1 + 2 +1,2 +1wenku.baidu.com]
=
1 2
[
,+
+1, +1 ]
(1)
其余边缘像素点以此类推。
处 理 完 边 缘 像 素 后 ，再 对 其 余 零 填 充 像 素 用 双 三 次 插 值
0引言
图像插值是图像处理的重要内容之一，普遍应用于军事、 航 空 、医 学 、通 讯 、气 象 、遥 感 、动 画 制 作 和 电 影 合 成 等 领 域 。 图像插值就是利用已知邻近像素点的灰度值来产生未知像素 点的灰度值，以便由原始图像再生出具有更高分辨率的图像。 从硬件上着手实现图像的缩放，可以获得较高的图像质量，但 一 般 对 硬 件 的 改 进 将 需 要 付 出 较 昂 贵 的 代 价 ，而 从 软 件 方 面 改进，采用插值技术实现数字图像的分辨率变换则很有意义。
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计算机工程与设计 Computer Engineering and Design
2 基于边缘的图像插值算法
为 了 克 服 传 统 方 法 的 不 足 ，近 年 来 提 出 了 许 多 边 缘 保 护 的插值方法，对插值图像的边 缘有一定的增 强，使得图像 的 视觉效果更好 ，边缘保护的插 值方法可以分 为两类：基于 原 始低分辨图像边缘的方法和基于插值后高分辨率图像边缘 的方法。 2.1 基 于 原 始 低 分 辨率 图 像 边 缘 的 方 法
条插值。
罗毅等 首 [2] 先对低分辨率图像进行简单的一阶微分运算，
通过阈值门限分离图像的边缘和平坦区域。对于平坦区域，
采 取 三 次 样 条 进 行 插 值 。 对 边 缘 的 插 值 ：首 先 将 边 缘 像 素 赋
值为放大图像中的(奇，奇) 像素，然后判断边缘的方向，对于
水 平 边 缘 和 垂 直 边 缘 ，沿 着 边 缘 方 向 进 行 线 性 插 值 ，避 免 产 生
张雄等 首 [4] 先采用传统的边缘检测算子提取图像的边缘，
先对边缘像素插值，以水平和垂直方向图像放大倍数均为 2 为
例，图 2 为边缘插值示意图，黑白点阵构成高分辨率图像像素
阵 列。黑 点 为 低 分 辨 率 图 像 像 素 点 的 复 制，如 像 素 点
2 1,2 1 对应低分辨率图像中的像素点 , ，白点为零填
缘 的 方 向 ，最 后 将 过 渡 带 像 素 和 其 修 正 方 向 指 向 的 平 坦 区 域
收稿日期：2008-01-11 E-mail：fxfb163@163.com 基金项目：国家自然科学基金项目 (60572152)；国家 863 高技术研究发展计划项目 (2006AA01Z127)；陕西省自然科学基金资助项目 (2005F26)； 教育部博士点基金 (20060701004)。 作者简介：符祥 (1980－)，男 (土家族)，湖北鹤峰人，博士研究生，研究方向为视频对象分割、错误隐藏，图像插值； 郭宝龙 (1962－)，男， 陕西长安人，教授，博士生导师，研究方向为图像处理和图像通信、神经网络与模式识别、智能信息处理。
附近像素
图像
图 3 基于插值后高分辨率图像边缘的方法原理
高岚等 [5] 首先 基于双线 性插值将 图像放大， 然后采用
Krisch 算子确定图像边缘像素点的位置和方向，最后根据边缘 两侧的像素增强边缘像素的值。
党向盈等 [6] 首先以 bilinear 或 bicubic 对原始图像进行放 大，然后选用 canny 算子进行边缘检测。取 3× 3 的内邻域和 5× 5 的外邻域，内邻域的八点邻接点中，有两个也是边缘点， 因此有 6 个边缘邻接点。该算法的目的就是优化插值内邻域 6 个像素，扩大其与边缘像素点的差值，使边缘颜色生阶跃变
化 或 屋 顶 状 变 化 。具 体 方 法 是 将 内 邻 域 像 素 值 和 与 其 相 邻 的
某 外 邻 域 像 素 值 平 均 ，然 后 赋 给 内 邻 域 像 素 。
党向盈等在文献 [7] 中又介绍了一种的方法，同样以 bili-
near 或 bicubic 对原始图像进行放大，然后选用 canny 算子进行 边 缘 检 测 。 确 定 过 渡 带 内 像 素 的 修 正 方 向 ，一 般 为 垂 直 于 边
充插值像素点，实线段 A、B、C、D 所连接的黑点为低分辨率图
像中检测出的边缘像素。
2 1,2 1 2 ,2
A B
D C
2 +1,2 +1
图 2 Zhang 算法边缘插值
在 对 零 填 充 像 素 进 行 赋 值 时 ，首 先 对 边 缘 像 素 点 赋 值 。 在图示中，以边缘像素点连接线段 B 中的零填充点 2 ,2 为 例，对该点进行插值时，由于 2 1,2 1 与 2 +1,2 +1 均为低
赋值。
2.2 基 于 插 值 后 高 分辨 率 图 像 边 缘 的 方法
这类插值方法一般采用如图 3 所示 原理图，首先采用传
统方法插值低分 辨率图像，然后检测高分 辨率图像的边缘 ，
最后对边缘及附 近像素进行特 殊处理，以去除 模糊，增强图
像的边缘。
低分辨 传统方法插值
率图像
边缘及
插值
边缘检测
特殊处理
符祥，郭宝龙：图像插值技术计综算述机工程与设计 Computer Engineering and Design
多媒体技术
图像插值技术综述
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符 祥 ， 1,2 郭宝龙 2 (1. 南昌航空大学 计算机学院，江西 南昌 330063；2. 西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071)
Overview of image interpolation technology
FU Xiang1,2, GUO Bao-long2 (1. School of Computing, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2. School of Electromechanical Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)