一种新的图像清晰度评价算法

李 成

(长沙民政职业技术学院,湖南 长沙 410004)

一种新的图像清晰度评价算法

李 成

(长沙民政职业技术学院,湖南 长沙 410004)

文中通过对传统的邻域差分算子图像清晰度评价函数的改进,提出一种新的评价算法。经过大量的仿真实验,结果表明,与传统的邻域算子评价算法相比,新算法具有更好的灵敏性和适时性。

清晰度评价算法;邻域差分算子;自动聚焦

1.引言

随着数字成像技术向着自动化、智能化方向快速发展,自动聚焦技术应用范围不断扩大,在自动化、灵敏性和适时性方面都取得了非常大的进展,现在已广泛应用于视频监控、照相机、摄像机、显微镜、机器人等高新技术领域[1]。

聚焦性能的好坏在很大程度上取决于所采用的图像清晰度评价算法。本文针对传统的邻域差分算子评价算法的弊端,通过对邻域差分算子的改进,提出了一种新的图像清晰度评价算法,使得聚焦过程具有更好的灵敏性和适时性。

2.传统的邻域差分算子图像清晰度评价算法

清晰度评价算法是描述摄像头对图像的聚焦程度的函数,镜头焦距的位置不同,获得的图像的清晰度也就不同。自动聚焦意味着系统自动将焦距调整到最佳聚焦位置即清晰度函数最大值位置。每个清晰度评价函数应该具有单峰性、无偏性、灵敏性、实时性、抗干扰性等特点。

2.1 拉普拉斯 (8邻域差分)算子

拉普拉斯算子[2][3][4]对图像进行二阶微分运算

二阶微分根据不同的微分方法对应着不同的模板,对于下面的模板

评价因子的计算如下

式中,S表示清晰度函数,f(i,j)表示图像中(i,j)点的灰度值,m、n表示图像分辨率。

2.2 四邻域差分算子

四邻域差分算子的模板形式[5]:

评价函数的计算如下

3.改进的邻域差分算子图像清晰度评价算法

拉普拉斯评价算法利用拉普拉斯算子构造评价函数,考虑了f(i,j)与周围 8个相邻像元位置的关系,其灵敏度非常高;但是,该算子在运算过程中产生了相邻像元关系的重复计算,从而导致该算法计算量大,适时性差。

四邻域差分算子实际上是拉普拉斯算法的简化形式,计算量要小很多,但该算法没有考虑对角相邻像元位置之间的关系,同时还在水平和垂直方向产生了相邻相元关系的重复计算,从而导致灵敏度下降。

本文综合二者之间的特点提出一种新的邻域差分算法,其图像清晰度评价函数如下:

算子模板形式:

4.实验及讨论

图 1为九张 400×550pixel的不同焦距程度时拍下的图片,中间那幅为聚焦时拍下的图像,其它分别为不同程度离焦时拍下的图像。

图 2是通过仿真实验将本文提出的新图像评价算法与传统的邻域算子法进行对比而得到图像清晰度评价折线,纵坐标表示进行了归一化处理后的各算法的图像清晰度评价值,横坐标表示不同程度的离焦图片的序号。分析图中的波峰可知,新算法的波峰陡峭度和拉普拉斯算子法的相差不大,比四邻域算子法要大得多,从而说明新算法在图像聚焦过程中的灵敏性跟拉普拉斯算子相仿,但比四邻域算子法要强得多。

为了证明新算法的适时性,在保证其它条件相同、只改变聚焦算法的情况下,分别对多组图像进行仿真实验,表 1为三种算法下求出图像清晰度值时平均用时。系统工作环境为:

图 1 实验图像Fig1 Experimental picture

图 2 实验结果对比Fig2 Comparison of experimental results

CPU—AMD Sempron(tm)3200+902Hz;内存—512M;硬盘—80G;操作系统—W indows XP;编程语言—Matlab 7.0.1。在大量数字图像处理时,人们往往通过提高系统硬件配置来提高运行速度,而硬件提升受到了许多因素的限制且价格高昂。通过对表中数据比较不难发现,新算法的运算速度跟四邻域算子法相近,比拉普拉斯算子法要快,因此可知新算法具有非常好的适时性。

5.结论

本文提出的新图像清晰度评价算法综合了传统邻域算子法的优点并克服了其缺点,既考虑了像元与周围所有相元位置之间的关系,又避免了相元位置之间关系的重复计算,比拉普拉斯评价算法具有更好的适时性,比四邻域差分算法具有更好的灵敏性。

[1]姜威,高赞,朱孔凤 .一种改进的自动聚焦算法 [J].山东大学学报,2006,41(5):119-123.

[2]李奇 .数字自动对焦技术的理论及实现方法研究[D].杭州:浙江大学,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 .数字成像系统的自动调焦理论和技术研究[D].长沙:长沙理工大学,2006.

TP391

A

1671-5136(2010)03-0109-02

2010-08-25

李 成 (1984-),男,湖南长沙人,长沙民政职业技术学院殡仪系教师、硕士。研究方向:全自动视频监控研究。