李 成

(長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

一種新的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

李 成

(長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

文中通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的鄰域差分算子圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的改進(jìn),提出一種新的評(píng)價(jià)算法。經(jīng)過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的鄰域算子評(píng)價(jià)算法相比,新算法具有更好的靈敏性和適時(shí)性。

清晰度評(píng)價(jià)算法;鄰域差分算子;自動(dòng)聚焦

1.引言

隨著數(shù)字成像技術(shù)向著自動(dòng)化、智能化方向快速發(fā)展,自動(dòng)聚焦技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,在自動(dòng)化、靈敏性和適時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、機(jī)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(píng)價(jià)算法。本文針對(duì)傳統(tǒng)的鄰域差分算子評(píng)價(jià)算法的弊端,通過(guò)對(duì)鄰域差分算子的改進(jìn),提出了一種新的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法,使得聚焦過(guò)程具有更好的靈敏性和適時(shí)性。

2.傳統(tǒng)的鄰域差分算子圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

清晰度評(píng)價(jià)算法是描述攝像頭對(duì)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(dòng)聚焦意味著系統(tǒng)自動(dòng)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(gè)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)該具有單峰性、無(wú)偏性、靈敏性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性等特點(diǎn)。

2.1 拉普拉斯 (8鄰域差分)算子

拉普拉斯算子[2][3][4]對(duì)圖像進(jìn)行二階微分運(yùn)算

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

評(píng)價(jià)因子的計(jì)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(diǎn)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(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算如下

3.改進(jìn)的鄰域差分算子圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

拉普拉斯評(píng)價(jià)算法利用拉普拉斯算子構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù),考慮了f(i,j)與周?chē)?8個(gè)相鄰像元位置的關(guān)系,其靈敏度非常高;但是,該算子在運(yùn)算過(guò)程中產(chǎn)生了相鄰像元關(guān)系的重復(fù)計(jì)算,從而導(dǎo)致該算法計(jì)算量大,適時(shí)性差。

四鄰域差分算子實(shí)際上是拉普拉斯算法的簡(jiǎn)化形式,計(jì)算量要小很多,但該算法沒(méi)有考慮對(duì)角相鄰像元位置之間的關(guān)系,同時(shí)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(jì)算,從而導(dǎo)致靈敏度下降。

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

算子模板形式:

4.實(shí)驗(yàn)及討論

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

圖 2是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)將本文提出的新圖像評(píng)價(jià)算法與傳統(tǒng)的鄰域算子法進(jìn)行對(duì)比而得到圖像清晰度評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)值,橫坐標(biāo)表示不同程度的離焦圖片的序號(hào)。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(shuō)明新算法在圖像聚焦過(guò)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(qiáng)得多。

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

圖 1 實(shí)驗(yàn)圖像Fig1 Experimental picture

圖 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig2 Comparison of experimental results

CPU—AMD Sempron(tm)3200+902Hz;內(nèi)存—512M;硬盤(pán)—80G;操作系統(tǒng)—W indows XP;編程語(yǔ)言—Matlab 7.0.1。在大量數(shù)字圖像處理時(shí),人們往往通過(guò)提高系統(tǒng)硬件配置來(lái)提高運(yùn)行速度,而硬件提升受到了許多因素的限制且價(jià)格高昂。通過(guò)對(duì)表中數(shù)據(jù)比較不難發(fā)現(xiàn),新算法的運(yùn)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(shí)性。

5.結(jié)論

本文提出的新圖像清晰度評(píng)價(jià)算法綜合了傳統(tǒng)鄰域算子法的優(yōu)點(diǎn)并克服了其缺點(diǎn),既考慮了像元與周?chē)邢嘣恢弥g的關(guān)系,又避免了相元位置之間關(guān)系的重復(fù)計(jì)算,比拉普拉斯評(píng)價(jià)算法具有更好的適時(shí)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(dòng)聚焦算法 [J].山東大學(xué)學(xué)報(bào),2006,41(5):119-123.

[2]李奇 .數(shù)字自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的理論及實(shí)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(dòng)調(diào)焦理論和技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2006.

TP391

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1671-5136(2010)03-0109-02

2010-08-25

李 成 (1984-),男,湖南長(zhǎng)沙人,長(zhǎng)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(dòng)視頻監(jiān)控研究。