一種新的圖像清晰度評價算法

李 成

(長沙民政職業技術學院,湖南 長沙 410004)

一種新的圖像清晰度評價算法

李 成

(長沙民政職業技術學院,湖南 長沙 410004)

文中通過對傳統的鄰域差分算子圖像清晰度評價函數的改進,提出一種新的評價算法。經過大量的仿真實驗,結果表明,與傳統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

隨著數字成像技術向著自動化、智能化方向快速發展,自動聚焦技術應用范圍不斷擴大,在自動化、靈敏性和適時性方面都取得了非常大的進展,現在已廣泛應用于視頻監控、照相機、攝像機、顯微鏡、機器人等高新技術領域[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,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,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自動將焦距調整到最佳聚焦位置即清晰度函數最大值位置。每個清晰度評價函數應該具有單峰性、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]對圖像進行二階微分運算

二階微分根據不同的微分方法對應著不同的模板,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,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]:

評價函數的計算如下

3.改進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造評價函數,考慮了f(i,j)與周圍 8個相鄰像元位置的關系,其靈敏度非常高;但是,該算子在運算過程中產生了相鄰像元關系的重復計算,從而導致該算法計算量大,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系,同時還在水平和垂直方向產生了相鄰相元關系的重復計算,從而導致靈敏度下降。

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的鄰域算子法進行對比而得到圖像清晰度評價折線,縱坐標表示進行了歸一化處理后的各算法的圖像清晰度評價值,橫坐標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。系統工作環境為:

圖 1 實驗圖像Fig1 Experimental picture

圖 2 實驗結果對比Fig2 Comparison of experimental results

CPU—AMD Sempron(tm)3200+902Hz;內存—512M;硬盤—80G;操作系統—W indows XP;編程語言—Matlab 7.0.1。在大量數字圖像處理時,人們往往通過提高系統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。通過對表中數據比較不難發現,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.結論

本文提出的新圖像清晰度評價算法綜合了傳統鄰域算子法的優點并克服了其缺點,既考慮了像元與周圍所有相元位置之間的關系,又避免了相元位置之間關系的重復計算,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 .一種改進的自動聚焦算法 [J].山東大學學報,2006,41(5):119-123.

[2]李奇 .數字自動對焦技術的理論及實現方法研究[D].杭州:浙江大學,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 .數字成像系統的自動調焦理論和技術研究[D].長沙:長沙理工大學,2006.

TP391

A

1671-5136(2010)03-0109-02

2010-08-25

李 成 (1984-),男,湖南長沙人,長沙民政職業技術學院殯儀系教師、碩士。研究方向:全自動視頻監控研究。