一種新的圖像清晰度評價算法

李 成

(長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410004)

一種新的圖像清晰度評價算法

李 成

(長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410004)

文中通過對傳統(tǒng)的鄰域差分算子圖像清晰度評價函數(shù)的改進(jìn),提出一種新的評價算法。經(jīng)過大量的仿真實驗,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的鄰域算子評價算法相比,新算法具有更好的靈敏性和適時性。

清晰度評價算法;鄰域差分算子;自動聚焦

1.引言

隨著數(shù)字成像技術(shù)向著自動化、智能化方向快速發(fā)展,自動聚焦技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴大,在自動化、靈敏性和適時性方面都取得了非常大的進(jìn)展,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控、照相機、攝像機、顯微鏡、機器人等高新技術(shù)領(lǐng)域[1]。

聚焦性能的好壞在很大程度上取決于所采用的圖像清晰度評價算法。本文針對傳統(tǒng)的鄰域差分算子評價算法的弊端,通過對鄰域差分算子的改進(jìn),提出了一種新的圖像清晰度評價算法,使得聚焦過程具有更好的靈敏性和適時性。

2.傳統(tǒng)的鄰域差分算子圖像清晰度評價算法

清晰度評價算法是描述攝像頭對圖像的聚焦程度的函數(shù),鏡頭焦距的位置不同,獲得的圖像的清晰度也就不同。自動聚焦意味著系統(tǒng)自動將焦距調(diào)整到最佳聚焦位置即清晰度函數(shù)最大值位置。每個清晰度評價函數(shù)應(yīng)該具有單峰性、無偏性、靈敏性、實時性、抗干擾性等特點。

2.1 拉普拉斯 (8鄰域差分)算子

拉普拉斯算子[2][3][4]對圖像進(jìn)行二階微分運算

二階微分根據(jù)不同的微分方法對應(yīng)著不同的模板,對于下面的模板

評價因子的計算如下

式中,S表示清晰度函數(shù),f(i,j)表示圖像中(i,j)點的灰度值,m、n表示圖像分辨率。

2.2 四鄰域差分算子

四鄰域差分算子的模板形式[5]:

評價函數(shù)的計算如下

3.改進(jìn)的鄰域差分算子圖像清晰度評價算法

拉普拉斯評價算法利用拉普拉斯算子構(gòu)造評價函數(shù),考慮了f(i,j)與周圍 8個相鄰像元位置的關(guān)系,其靈敏度非常高;但是,該算子在運算過程中產(chǎn)生了相鄰像元關(guān)系的重復(fù)計算,從而導(dǎo)致該算法計算量大,適時性差。

四鄰域差分算子實際上是拉普拉斯算法的簡化形式,計算量要小很多,但該算法沒有考慮對角相鄰像元位置之間的關(guān)系,同時還在水平和垂直方向產(chǎn)生了相鄰相元關(guān)系的重復(fù)計算,從而導(dǎo)致靈敏度下降。

本文綜合二者之間的特點提出一種新的鄰域差分算法,其圖像清晰度評價函數(shù)如下:

算子模板形式:

4.實驗及討論

圖 1為九張 400×550pixel的不同焦距程度時拍下的圖片,中間那幅為聚焦時拍下的圖像,其它分別為不同程度離焦時拍下的圖像。

圖 2是通過仿真實驗將本文提出的新圖像評價算法與傳統(tǒng)的鄰域算子法進(jìn)行對比而得到圖像清晰度評價折線,縱坐標(biāo)表示進(jìn)行了歸一化處理后的各算法的圖像清晰度評價值,橫坐標(biāo)表示不同程度的離焦圖片的序號。分析圖中的波峰可知,新算法的波峰陡峭度和拉普拉斯算子法的相差不大,比四鄰域算子法要大得多,從而說明新算法在圖像聚焦過程中的靈敏性跟拉普拉斯算子相仿,但比四鄰域算子法要強得多。

為了證明新算法的適時性,在保證其它條件相同、只改變聚焦算法的情況下,分別對多組圖像進(jìn)行仿真實驗,表 1為三種算法下求出圖像清晰度值時平均用時。系統(tǒng)工作環(huán)境為:

圖 1 實驗圖像Fig1 Experimental picture

圖 2 實驗結(jié)果對比Fig2 Comparison of experimental results

CPU—AMD Sempron(tm)3200+902Hz;內(nèi)存—512M;硬盤—80G;操作系統(tǒng)—W indows XP;編程語言—Matlab 7.0.1。在大量數(shù)字圖像處理時,人們往往通過提高系統(tǒng)硬件配置來提高運行速度,而硬件提升受到了許多因素的限制且價格高昂。通過對表中數(shù)據(jù)比較不難發(fā)現(xiàn),新算法的運算速度跟四鄰域算子法相近,比拉普拉斯算子法要快,因此可知新算法具有非常好的適時性。

5.結(jié)論

本文提出的新圖像清晰度評價算法綜合了傳統(tǒng)鄰域算子法的優(yōu)點并克服了其缺點,既考慮了像元與周圍所有相元位置之間的關(guān)系,又避免了相元位置之間關(guān)系的重復(fù)計算,比拉普拉斯評價算法具有更好的適時性,比四鄰域差分算法具有更好的靈敏性。

[1]姜威,高贊,朱孔鳳 .一種改進(jìn)的自動聚焦算法 [J].山東大學(xué)學(xué)報,2006,41(5):119-123.

[2]李奇 .數(shù)字自動對焦技術(shù)的理論及實現(xiàn)方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2004.

[3]ChenGuojin.Study on Contrast Evaluation Function of CMOS Digital Camera[A].USA:Proceedings of the 2005 IEEE/AS ME InternationalConference on Advanced Intelligent Mechatronics[C].Monterey,2005.379-383.

[4]Roberto Cristi.Modern Digital Signal Processing[M].Texas:LC Engineering,2003:12-36.

[5]袁珂 .數(shù)字成像系統(tǒng)的自動調(diào)焦理論和技術(shù)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2006.

TP391

A

1671-5136(2010)03-0109-02

2010-08-25

李 成 (1984-),男,湖南長沙人,長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院殯儀系教師、碩士。研究方向:全自動視頻監(jiān)控研究。