（信号与信息处理专业论文）基于数字图像处理的自动调焦算法研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学顺i j 学位论义 基于数字图像处理的自动调焦算法研究 摘要 自动调焦技术是计算机视觉、成像系统和各种精密仪器中的关键技术之 一。随着数字成像器件的实用化，近十年来人们对自动调焦技术的研究集中 在数字图像处理的方法上，并取得了大量成果。基于图像技术的自动调焦方 法采用了与传统调焦技术完全不同的方式进行调焦，传统的调焦方法是通过 传感器检测检点或者测量距离的方式实现的，而基于图像技术的调焦方法直 接根据图像分析出图像的质量，从而获得当前的成像状态，然后完成调焦操 作。图像质量分析是该调焦方法中关键的技术。 本文首先对数字成像系统的自动调焦的原理和研究现状进行了简单的介 绍，在此基础上，详细介绍了图像质量评价的过去与现状，然后，本文从两 种途径详细论述了图像质量分析方法的实现： ( 1 ) 基于灰度子图的图像质量评价，提出了一种基于灰度区域搜索、 对比的评价方法。将图像视为由具有不同狄度的区域组成的画面，寻找原始 图像中每个灰度子图的失真，比较每个灰度子图在原始图像与退化图像中的 变化，进而评价整幅图像的质量的退化。 ( 2 ) 基于小波分析的图像质量评价，以小波分析的方法对图像进行多 分辨率分解，对各小波分量做统计处理，分析了图像质量变化体现在小波能 量谱上的变化。通过分析小波系数的变化，可以确定图像质量的优劣。 调焦的实现对于对焦深度法是计算每次成像的调焦函数值，结合一维搜 索方法、f i b o n a c c i 搜索法、函数逼近法或爬山法，不断逼近正焦位置；对 于离焦深度法是根据评价出的图像质量和己知的系统参数，确切地改变焦距 调整量。在自动调焦理论的基础上提出了一种采用d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) + f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的自动调焦系统的架构，并 分析了系统的总体性能。 关键词自动调焦；图像质量评价；小波分析；调焦评价函数；灰度子图 t h es t u d yo fa u t o f o c u sa l g o r i t h m b a s e do nd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t a u t o f o c u si so n eo ft h ek e yp r o b l e m si nc o m p u t e rv i s i o n ，i m a g i n gs y s t e m s a n dv a r i o u sp r e c i s i o ni n s t r u m e n t s i nt h el a s tt e ny e a r s ，r e s e a r c ho na u t o 。f o c u s i n g t e c h n i q u e sh a sb e e nf o c u s e do nm e t h o d sr e l a t e dt od i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g o n a c c o u n t0 ft h em a t u r i n go fd i g i t a li m a g i n gd e v i c e s ，a n dal o to fa c h i e v e m e n t s h a v eb e e na c c o m p l i s h e d t h ea u t o - f o c u sm e a n sb a s e do ni m a g et e c h n o l o g y i s d i f f e r e n tf r o mt h o s et r a d i t i o n a la u t o f o c u sm e a n se n t i r e l y t h et r a d i t i o n a l o n e s m u s td e p e n do ns o m es p e c i a la s s i s t a n te q u i p m e n t t h e yu s et h e s ee q u i p m e n t st o m e a s u r ed i s t a n c eo rf i n df o c u sa n dr e a l i z ea u t o - f o c u s h o w e v e r , t h ea u t o f o c u s b a s e do ni m a g et e c h n o l o g yi sc o m p l e t e db yi m a g eq u a l i t ya n a l y s i s i tc a n 】u d g e t h ei m a g i n gs t a t ef r o mt h ec u r r e n ti m a g eq u a l i t y ，a n dt h e nt h es y s t e mc a na d j u s t f o c u sd i s t a n c ec o r r e c t l ys u p e r v i s e db yi m a g i n gs t a t e t h ei m a g eq u a l i t ya n a l y s i s i st h ek e yt e c h n o l o g y f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o nb r i e f st h ep r i n c i p l e sa n dr e s e a r c hs t a t u so fa u t o f o c u s i nd i g i t a li m a g i n gs y s t e m s t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ep a s ta n dp r e s e n t s t a t eo fi m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o n f o l l o w i n gt h a t ，t w oi m a g eq u a l i t ya n a l y s l s m e t h o d sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l i nt h et h e s i s ： ( 1 、o n ei s t h ea s s e s s m e n to fi m a g eq u a l i t yt h r o u g hg r a y s c a l ea r e a i t d e s c r i b e san e wm e t h o dw h i c he v a l u a t e sq u a l i t yo fi m a g et h r o u g hs e a r c h i n ga n d c o n t r a s t i n gg r a ys c a l ea r e a i nt h i sm e t h o d ，i m a g ew a s t r e a t e da sb e i n gc o m p o s e d o fm a n yd i f f e r e n tg r a ys c a l ea r e a s d i s t o r t i o no f e a c hg r a ys c a l ea r e aw a s c o m p u t e d t h e nt h ei m a g eq u a l i t yw a sa s s e s s e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a r e p r e s e n t e d a n di ti n d i c a t e st h a tt h i sa l g o r i t h mw o r k se f f e c t i v e l y - f 2 1t h eo t h e ro n ei st h ew a v e l e tb a s e di m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o n i ta n a l y z e s i m a g ef r o md i f f e r e n tf r e q u e n c yr e s o l u t i o n st h r o u g h w a v e l e tt h e o r y ，a n da n a l y z e s t h ec h a n g eo fw a v e l e tc o e f f i c i e n t st h r o u g hs t a t i s t i c sa n a l y s i s ，a n dt h e na s s e s s e s n 一 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 t h ei m a g eq u a l i t y t h er e a l i z a t i o no fa u t o f o c u s ，f o rt h ed f f ( d e p t hf r o mf o c u s ) ，i ss i m i l a r w i t ht h e1 - d e m e n s i o ns e a r c h ，f i b o n a c c is e a r c h ，f u n c t i o na p p r o a c h i n go rm c s ( m o u n t a i nc l i m b i n gs e l v o ) ，c a l c u l a t e st h ea u t o f o c u sf u n c t i o nv a l u e ，c o m p a r e si t w i t ht h ep r e v i o u so n ea n dd e c i d e st h en e x tp o s i t i o n ；f o rt h ed f d ( d e p t hf r o m d e f o c u s ) ，m o v e sas p e c i a ld i s t a n c er e l a t i v et ot h ei m a g eq u a l i t yl e v e la n ds y s t e m p a r a m e t e r sd i r e c t l y d e p e n d i n go na b o v ea u t o - f o c u st h e o r i e s ，t h et h e s i sp u t s f o r w a r da na u t o f o c u ss y s t e ma r c h i t e c t u r ea n da n a l y z e si t sp e r f o r m a n c e ，w h i c hi s c o n s t r u c t e db yh i g hs p e e dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n df p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) k e y w o r d sa u t o f o c u s ；w a v e l e ta n a l y s i s ；i m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o n ；f o c u s m e a s u r e ；g r a y - s c a l ea r e a 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于数字图像处理的自 动调焦算法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外 不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 仞厂 作者签名：毕节侗胡离期：坼 弓月圹日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于数字图像处理的自动调焦算法研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密酬 ( 请在以上相应方框内打) 埘 作者签名：；净f 也彩仁一日期：砂哪年月圹同 导师签名： 夕也 日期：啡多月哕日 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论义 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 调焦系统是光电成像系统的关键装置。光电成像系统已广泛应用于工业、 农业、医学、军事等领域，作为一种获取图像信息的工具，它可以用于生产过 程监控、工况检测、图像拍摄、显微观察、医学图像分析、地质遥感和军事遥 感等等。无论哪个光电成像系统，都会遇到对焦的问题，用相机拍摄物体 时，如果焦距没调节好，也即离焦时，拍摄出来的像是模糊的，这是我们所不 希望的，拍摄者会调节焦距找到物体成像的对焦点，从而得到最清晰的图像。 同样，每个光电成像系统在成像时也会有类似的对焦过程。实现对焦的方法有 传统的手动调焦和控制器控制的自动调焦( a u t o f o c u s ，a f ) 1 2 1 。手动调焦的方法 主要是根据人的主观感觉对焦距做出调整，这种方法在专业人士的操作下可以 达到非常高的精度，但在需要捕捉瞬间画面或画面切换频繁的场合下，由于手 动调节方法的效率极低，因而它根本不能满足要求。而使用自动调焦的方法， 如果控制器采用的控制策略很好，那么不仅可以得到较高的对焦精度，而且可 以满足实时对焦的要求。 光电成像系统是集光、机、电一体化的产品，随着电子技术特别是微电子 技术的快速发展，大规模集成电路和中央处理器已应用到光电成像系统中，使 光电成像系统在功能和精度上得到了巨大的发展，并且使光电成像系统走向数 字化，成为数字成像系统。最具说服力的就是数码相机，经短短十几年的发 展，逐渐取代了传统胶片相机。 自动调焦是伴随着照相机的发展而f 式出现的【3 1 ，至今已有上百年的历史 了。它在传统的相机中应用的非常普遍，而现在更加流行于数码相机上，自动 调焦技术应用的更加广泛。由于数码相机差不多全部数字化了，特别是高性能 微处理器的使用，自动调焦功能就更容易嵌入，这样使自动调焦技术发展的更 加迅速，在档次稍微高点的相机上，自动调焦已经成为一项技术指标。 国外一些著名的照相机公司，如柯达、奥林巴斯、潘太克司在相机中使用 的自动调焦技术相当成熟，但由于我国在这方面起步比较晚，目前还没有真正 意义上的自动调焦相机。从当前的照相机行业来说，无论是从价格还是功能方 面，我国是没法与国外的大公司竞争的。但从长远来看，由于目前中国的照相 哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论义 机普及率只有1 7 ，大城市高一些，也仅为4 1 ，数码相机的普及率更低， 而一些发达国家和地区的这一数字则高达7 5 ，这意味着中国相机市场的潜力 仍然是非常巨大的，未来几年都会被国外看好，我们自己也要尽力占有一块份 额，所以现在继续做自动调焦方面的研究及实践还是有十分重要的意义。要想 使自己国家的照相机行业发展下去，这方面的努力是必要的。 同时，由于工业领域、研究机构等的需求，不仅照相机，我们经常见到的 显微镜也增加了自动调焦的装置，而且越来越多，现在已经能买到具有自动调 焦或者半自动调焦功能的显微设备了。 基于图像技术的自动调焦方法是从与传统的自动调焦技术完全不同的角度 出发，它是直接针对拍摄的图像采用图像处理技术，对图像进行成像质量分 析，得到系统当前的对焦状态，然后通过驱动机构调整成像系统镜头的焦距， 从而实现自动调焦。 数字化的最大优势是能够将所摄入的图像直接输入到计算机，进行图像处 理、编辑与传输，或直接通过打印机输出，或通过互联网传送到世界各地。随 着科学技术的进步和信息产业、现代光机电一体化产业的发展，数字化的未来 发展趋势是低价位、低功耗、高性能、先进的关键部件以及性能优良的图像处 理技术。在基于c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 像传感器的数字化采集方式朝 高分辨率、高性能方向发展的同时，基于c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 像传感器的数字化采集方式朝低价位、低功耗、大众化发现 发展。随着c m o s 技术的发展，它的成像质量已得到很大的提高而且正朝着 单片成像系统的趋势发展m 1 1 1 2 自动调焦技术的研究现状及存在问题 1 2 1 传统的自动调焦方式 自动调焦技术原理虽然古老，但实现的方法都是最新科技成果。对照相摄 影提出自动调焦最早可追溯到1 8 9 8 年，当时法国人已完成过对放大镜头的自 动调焦，其后有1 9 6 0 年的自动调焦测距器、1 9 6 3 年的佳能自动调焦照相机样 机，但终因当时电子技术还跟不上，虽然原理上可行，但实际上却生产不出， 由于2 0 世纪7 0 年代微电子技术上的突破，给自动调焦相机的生产创造了条 件，如大规模集成电路和中央处理器的丌发，才使a f 相机水到渠成。不管现 在自动调焦技术发展到如何高的水平，其基本结构原理不外乎以下几种| 9 “： 一2 一 哈尔滨理t 人学t 学顾f j 学位论文 1 2 1 1 测距法测距法有三角测距法、红外测距法和超声波测距法等。它们的 共同特点都是通过接收主动发射的光波或声波的反射波来测量目标的距离和方 位，然后通过计算机来控制自动调焦，因此称为主动法，采用这些方法的仪器 般体积较大，价钱较贵，且对于近距离不太适用。 1 三角测距法三角测距法测距原理如图1 - 1 所示。左侧的反射镜的向下 表面是中心镀膜的，即中间有- d , 块反射右边来的光线，其余大部分视场透射 上方直接入射的光线，这样在调焦平面上得到的图像如图1 - 1 左下角所示。右 侧的反射镜在电路控制下转动，调焦平面上有光电元件进行探测；当透射和反 射的两部分图像重合的时候，右侧反射镜的摆动角a 2 和目标a 的距离d 之 间有如下关系： 詈= 三去(1-1)arc|an = 22d 其中，b 为基线长度。于是，被摄目标和镜头之间的距离就可以计算出，驱动 镜头运动到合适的位置，完成调焦。 2 图1 - 1 三角法测距原理 f i g 1 1t r i a n g u l a t i o nm e t h o d 2 红外线测距法红外线测距法的原理类似于三角测距法，所不同的是由 照相机主动发射红外线作为测距光源，并用红外发光二极管的转动代替可动反 光镜的转动。 3 超声波测距法超声波测距法是根据超声波在摄像机和目标之间传播的 哈尔滨理丁人学t 学硕j j 学位论文 时间进行测距的。照相机上分别装有超声波的发射和接收装置，工作时由超声 波发生器发出持续时间约0 0 0 1 s 的超声波，覆盖整个画面的1 0 。超声波到达 目标后，反射波被接收器感知，然后由处理电路根据超声波的往返时间来确定 调焦距离。 1 2 1 2 聚焦检测方法聚焦检测方法主要有对比度法和相位法。 1 对比度法对比度法是通过检测影像的轮廓边缘实现自动调焦的。像的 轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说边缘处景物和背景之间的对 比度就越大。反之，离焦的像，轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或对比度下降； 离焦越远，对比度越低。利用这个原理，将两个光电检测器放在底片位置的前 后相等距离处，被摄景物的像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其 成像的对比度。当两个检测器所输出的对比度相等时，说明调焦的像面刚好在 两个检测器中间，即和底片的位置重合，于是调焦完成。 2 相位法相位法是通过检测像的偏移量实现自动调焦的。如图1 2 所 示，在感光底片的位置放置一个由平行线条组成的网格板，线条相继为透光和 不透光。在实际中，通常用光栅作为网格板，如图1 2 中的所标示。在网格 板后的适当位置上，与光轴对称地放置两个受光元件。网格板在与光轴垂直方 向上往复振动。从图1 2 中可以看出，当聚焦面与网格板重合时，通过网格板 透光线条的光同时到达其后的两个受光元件。而当系统离焦时，光束无法同时 到达两个受光元件，于是它们的输出信号之间有了相位差。相位差信号经电路 处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置，使聚焦面与网格板的平面重合。 焦后 孤艋戮 j 蚣 图1 - 2 相位法自动调焦 f i g 1 - 2p h a s ed e t e c t i o nm e t h o d s 一4 一 哈尔滨理t 人学丁学硕 j 学位论文 各种自动对焦方式各有其局限性。例如红外测距和超声测距的对焦方法， 当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时，将使测距系统失灵或对焦 不准确：而对比度法聚焦检测受光照条件的制约，当光线暗弱或被摄体与背景 明暗差别很小时，调焦就会有困难，甚至失去作用。 1 2 2 基于数字图像处理的自动调焦方法1 聚焦检测的自动调焦方法是依据被测物的光学图像。在用计算机作数字图 象采集时，可充分利用计算机处理数字信号的高速度和灵活性，针对数字图像 进行自动调焦。随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发展，图像的实时处理 已经成为可能。计算机通过镜头和c c d 采集到一系列的数字图像，对每一帧 图像进行实时处理，判断对焦是否准确，成像是否清晰，并给出反馈信号控制 镜头的运动，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动调焦。 基于图像处理的自动调焦具有以下两大优点： 第一，调焦更加智能化，聚焦判据更加灵活和多样。基于模拟图像的聚焦 检测方法只利用被测物和背景之间的对比度( 轮廓边缘的梯度) 作为判断是否 成像清晰的判据。而通过数字图像处理，不仅可以利用梯度信息，还可以提取 图像中各种其它的有效信息进行判断，例如频率、相位等。对于具有高频信息 的图像，一般而言，对焦越准确，图像信号的频率越高，边缘越尖锐；离焦时 则频率降低，边缘相对平滑。此外，由于计算机处理图像的灵活性，可以针对 不同的使用要求，选择不同的判据进行调焦。例如，有时候我们所关心的目标 只是图像中的某一个局部，而不是整幅图像的清晰程度。这时应该针对图像中 这一局部进行处理和提取判据，用该局部的对比度作为调焦的依据。 第二，利用计算机可以很方便地对运动执行机构进行控制，从而避开复杂 的调焦电路和机构。计算机接口和总线技术已经非常成熟，通过软件给出控制 信号，直接控制电机驱动物镜的运动，不仅灵活方便，响应速度符合调焦要 求，还能大大简化电路和运动机构。 缺点是，由于图像处理需要占用大量的计算机资源，这种自动调焦方法对 计算机硬件提出了较高的要求。此外，和前面所介绍的对比度法一样，也受到 光照条件的限制。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题针对自动调焦的实际情况，着重研究了基于数字图像处理的自动调 一5 一 哈尔滨理丁人学丁学硕卜学位论文 焦方法中的图像质量评价的方法。在现有图像质量评价方法的基础上，通过进 一步的分析、探讨、改进及创新，本文提出了一种根据灰度子图进行图像质量 的方法和一种基于小波变换的图像质量评价方法，并通过编程实现图像质量评 价的仿真实验，并对仿真结果进行分析、评价并出结论。 本论文的主要内容包含以下几个方面： ( 1 ) 论述了光学成像的基本原理、图像离焦模糊的原理、自动调焦的原理 和基本方法、图像质量评价的方法； ( 2 ) 研究了通过灰度子图进行图像质量的方法。i ( 3 ) 研究了基于小波变换的图像质量评价方法； ( 4 ) 论述了自动调焦系统的组成。 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 第2 章自动调焦的原理和方法 2 1 光学成像的基本原理 光学成像是人们获取图像最常用、最重要的手段。与视觉在人类获取外界 信息中的主导地位相对应，光学成像在信息获取中占据着不可替代的地位。 在光学成像系统中，成像目标通过光学镜头的作用变换成图像接收器件上 的二维图像，这一过程可表示为 i = f ( o ) ( 2 - 1 ) 其中o 为成像目标，f ( o ) 表示光学镜头的作用，是成像目标经过光学镜头作 用后所成的像，通常情况下f ( o ) 的作用可表示为 丁；f - ： ，1( 2 2 ) h 如k 。 也就是说，f ( o ) 将三位空间的成像目标变换n - 维空间的像。如果用( x , y ，z ) 表示成像目标中的一点，( 甜，v ) 表示相应的像点，则上述变换可以表示为 ： 圳1 1 2 司 ( 2 - 3 ) 往往成像目标是一个三维景象，图像接收器件上得到的却又是一个二维图 像。依据图2 - 1 所示的光学成像模型，只有正确对焦时，所形成的图像才是清 晰的。 图2 - 1 成像模型 f i g 2 1i m a g i n gm o d e l 一7 一 i 工 哈尔滨理t 人学丁学硕f ：学位论文 一个理想的薄透镜成像时有： ! + ! ；一1 但z - 4 ) 一+ 一；一 il u 在实际应用中，如果物体p 对焦不准确，则在图像探测器上会形成一个模 糊像。根据几何光学原理，这个模糊像的形状与镜头孔径相似，在一般情况 下，镜头的孔径是圆形的，所以这个模糊像是一个模糊圆。 假设在曝光时l 日j 内从点p 发出的光能量是一个单位，那么模糊像就是一个 单位点光源的响应，即点扩散函数( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ，p s f ) h 。从图2 - 1 的相似关系可见，缩放因子 g ：2 r ，型；5 ( ! 一! ) ( 2 - 5 )口= = z5 i i1 dy、，j 7 将公式( 2 - 4 ) 带x 。( 2 - 5 ) ，有 尺= g 罢= s 罢( 专一i 1 一詈) ( 2 - 6 ) 如果s v ，则q 0 ，r 为正值，这意味着图像探测器位于正焦位置后方；若 s 。 ( 3 ) 寻找 q ，q ，q ) 与 d l ，d 2 ，q 的最佳相似对；q 卜坳! - d ，定 义为：在 d l ，0 2 ，d ，】- 集合之中，q 与d ，的重叠区域最大，并且在 d 1 ，砬，q 】集合之中，d ，与p 的重叠区域最大。按照上面最佳相 似对的定义，在寻找相似对时，还可能出现“1 对1 ”、“1 对多”、“多 对1 、“多对多”和“1 对o ”五种情况。我们把“1 对1 ”和“1 对 多 作为找到最佳相似；把“多对1 ”、“多对多 和“1 对0 ”都视为 丢失。 ( 4 ) 对于“原始图像中的每个灰度区域，在“退化图像中找到最佳相 似的，其退化程度的计算公式为公式( 3 1 ) ；所有的丢失区域对“原始 图像”产生退化影响的计算公式为公式( 3 2 ) ；最后“退化图像”相对 于“原始图像”的退化程度为公式( 3 3 ) 。 尺朋：距一 d ( o , ( r e g i o n ) ) - d j ( g r a y ) xo , ( r e g i o n ) 1 2 ( 3 1 ) 删g r a y 二。， 肚傩丁。n u m ( l o s t p , n t ) x n u m 一( l o s t g , o ) 一2 ( 3 2 ) m n g r a y ：。 、7 其中： d ( o ，( r e g i o n ) ) 口( g r a y ) ”“m ( l o s t p 剧) 玎甜m ( l o s t 嘲。) ( p v z s e ) 、 ， 删= l o l o g 酉而1 面 3 - 3 ) ：表示矩阵d m 。v 中在q ( r e g i o n ) 坐标范围内的数据； ：表示当p _ 堂咝一d ，时，g r a y 为d ，区域的灰度值或 灰度值的平均值( 当d 为多个区域时) ； ：表示所有丢失区域的像素点数； ：表示所有丢失的区域个数； ：所有找到最佳相似区域的r m s e 之和。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 3 3 仿真实验及分析结果 根据上面所述的算法的原理，在m a t l a b 中编写程序进行了仿真实验。 流程图如图3 - 1 所示。实验中采用了5 1 2 5 1 2 的灰度图像l e n a 、p e p p e r s 、 b r i d g e 、b a b o o n 四幅图像作为实验图像。如图3 2 所示。将实验图像通过不同 类型的退化，生成多组图像，然后使用该算法计算各组图像中的每幅图像的质 量，进行数据的分析。 ( 开始 ) t 读取原始图像和退化图像 上 分别将两幅图像数据按灰度值分层 上 寻找所有最佳相似对 0 计算每对的差别程度 上 - - _ 一- ， 0 计算 r p s n r ( 结束 ) 图3 - 1 算法流科图 f i g 3 - 1a l g o r i t h mf l o w c h a r t 哈尔滨理t 大学t 学硬士学位论文 幽3 - 2 实验蚓像 f i g3 2e x p e r i m e n t a li m a g e s 在仿真实验中，主要考察了这四幅图像在三种退化类型下的质量评价结 果：高斯噪声、高斯模糊和j p e g 压缩。首先对原始图像分别在不同级别上加 入高斯噪声、进行高斯模糊和进行j p e g 压缩，从而每幅图像产生三组图像序 列，然后计算所有图像的r p s n r 值，考察退化后的图像的质量。 对于每种退化类型，都选择了五个退化级别，来测试在不同退化程度下的 效果。如表3 - 1 所示。 表3 - 1 测试类型及级别 t a b l e3 - 1t y p ea n dl e v e lo f t e s t i n g 高斯噪声( ) 高斯模糊( 象索点) j p e g ( 质量数) 对于三组图像序列的生成，可以使用m a t l a b 或者成熟的图像处理软件 进行图像退化的处理，此处使用p h o t o s h o p9 0 制作了测试图像。表3 - 1 中高斯 噪声度量方法为噪声百分比、高斯模糊度量方法为像素点数、j p e g 压缩度量 方法为j p e g 质量数。 坫5 0 2 i 9 3 4 6 2 6 i 哈尔滨理t 大学t 学硕l 学位论文 对于测试的这四幅图像的三种不同类型的退化，此算法都能明显的区别出 质量的优劣。图3 3 为这四幅图像分别在三种退化类型下五个不同退化级下绘 出的评价曲线。可见，此算法对于同类型退化图像间的质量的评价是有效的。 a ) j p e g 压缩退化曲线 b 1 高斯模糊退化曲线 c 1 高斯噪声退化曲线 图3 3 每种类型的退化曲线 f i g 3 3c u r v eo fe a c ht y p ed i s t o r t i o n 对于不同类型退化图像间的质量评价，此算法进行评价的结果与人眼判断 的结果也有惊人的相似。 对于l e n a 图像在三种不同的退化类型的五个不同级别下的具体退化效果 如图3 - 4 所示( 由于在文章中的图像被缩小了，可能看起来退化的不是那么严 荤) 。 哈尔滨理t 大学丁学砸上学位论立 e v e l ll e v e l 2l e v e l 3l e v e l 4l e v e l 5 铈 l 瓯i 瓯蜕；酝范蜕 l t j f 模 剁 越 强 ；瓯瓯l 瓯；落范i 麟 化 斯 图 噪 像 ，：t ：瓯i 醚i 瓯蜕i 皖 图3 4 l e n a 图像的退化 f i g 3 - 4 d i s t o r t i o no f l e n a 对于l e n a 图像在三种退化类型的五种不同级别下退化的图像质量如表3 2 所示。 表3 - 2l e n a 图像实验结果 t a b l e3 - 2 e x p e r i m e n t a lr e s u l t s o f l e n a 高斯噪声 2 9 5 3 2 52 3 9 8 8 91 9 9 4 8 41 7 6 9 9 61 6 1 3 0 9 高斯模糊 2 9 6 6 2 92 8 6 8 4 92 6 2 2 7 82 3 9 0 7 82 25 9 1 2 j p e g4 0 3 3 0 93 9 4 5 13 72 7 7 43 3 4 9 4 63 1 0 8 7 6 表3 - 2 中的数据不仅能明显区别同一退化类型的图像质量的优劣：而且， 也能区别不同退化类型的图像质量的优劣。例如，j p e g 压缩造成的退化明显 要好于其他类型的退化：l e v e l 5 的j p e g 要比l e v e l l 的高斯噪声和高斯模糊的 质量都要好。图3 - 5 显示了r p s n r 和主观评价之阳j 的关系。 对于同一系列图像，r p s n r 与p s n r 的性能的比较如图3 - 6 所示。从图 中可以看出，相比较p s n r 而占，r p s n r 有更加陡峭的曲线，说明r p s n r 对图像质量更加敏感。 哈尔滨理丁人学丁学硕i 。学位论文 3 刁 吝 z ( 力 蛊 篁 里 堙 $ 肚 叫 但 图3 - 5r - p s n r 与主观评价( m o s ) 关联图 f i g 3 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr - p s n r a n ds u b j e c t i v ea s s e s s i n g 图像序列号 图3 6p s n r 与r p s n r 性能比较 f i g 3 - 6c o m p a r i s o nb e t w e e np s n r a n dr p s n r 一3 0 哈尔滨理t 人学t 学硕j j 学位论文 3 4 本章小结 图像质量的下降，是跟退化的类型和数量或程度是有关系的，本文测试了 三种退化类型在五种不同级别上的退化效果。通过对实验数据的分析，本算法 能够客观地体现出质量的优劣：很好的评价了同类退化类型之间的图像质量； 对于不同类型退化图像间的质量，也可以进行评价；与p s n r 相比较，有更加 陡峭的评价曲线。 相对于基于频域的方法，此算法消除了高频部分的细节和噪声无法区分的 固有缺陷。 可以发现，此算法没有考虑亮度。这里不考虑亮度的原因有二：第一、一 幅图像在给人眼看时，进行亮度调节是很平常的事情，而且很容易做到；第 二、亮度应该为多少，主要是为了人眼而调节的，图像本身的信息并没有变 化。 该算法可以用于灰度图像的整幅或某个局部区域的质量评价。基于此算法 的彩色图像、视频图像的质量评价，有待进一步研究。 哈尔滨理t 人学t 学顾 ：学位论文 第4 章基于小波分析的图像质量评价 近些年来，小波变换倍受科技界的重视，它不仅在数学上已形成一个新的 分支，而且在工程应用上，如信号处理、图像处理、模式识别、语音识别与合 成、量子物理、分形以及众多非线性科学领域都产生了深远的影响。 小波变换是介于函数的时间域( 空间域) 表示和频率域表示之间的一种表 示方法，在时间域和频率域上同时具有良好的局部化性质，可以实现时问域和 频率域的步调统一。它能够将一个信号分解成具有不同空间分辨率和频域特性 的子信号，同时又不丢失原信号所包含的信息，并且可以找到正交基实现无冗 余的信号分解。目前常用的是二进小波变换。 4 1 小波分析基础 4 1 1 小波变换产生背景 传统的用于信号处理和信号分析的主要工具是f o u r i e r 分析。f o u r i e r 分析 适合从时域上分析信号的频谱信息，不适合分析信号在局部的频率变化情况。 为了使f o u r i e r 变换能同时刻画函数的局部特征，人们引入了窗口f o u r i e r 变 换。窗口f o u r i e r 变换的目的是要在每一点“处开一个窗口以便观察函数在该 点附近的变化情况。但是窗口f o u r i e r 变换的窗口大小( 宽度) 是固定不变的，而 实际上人们需要的是一种随原函数的频率变化而变化的窗口函数，这就导致了 小波的产生。与f o u r i e r 分析相比，小波分析具有刻画函数局部性质的能力， 具有多尺度分析函数的能力。 小波分析的发展史可以追溯到1 9 1 0 年h a r r 提出的规范正交基( h a r t 函数系) 的概念。1 9 8 4 年，法国地球物理学家m o r l e t 和理论物理学家g r o s s m a n 第一次 提出“小波”概念口引。 4 1 2 连续小波变换 小波函数的确切定义为：设妒( ，) 为一平方可积函数，也即o ( t ) e l e ( r ) ， 若其傅罩叶变换l l ，( ) 满足条件 正学 ( 4 1 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 则函数妒( ，) 被称为是一个母小波函数。其中l 2 ( r ) 是一个可测的、平方可积的 一维函数空间，尺为实数集。对满足公式( 4 1 ) 的母小波函数缈( x ) 进行伸缩、平 移得 ( x ) 。 妒( 型) ( 4 2 ) v a “ 其中：b g r ，a er 。 公式( 4 2 ) 表示的函数妒础( x ) 被称为小波函数，简称小波。口和b 分别称为 伸缩和平移因子。一般情况下，母小波函数 f ，( x ) 能量集中在原点。而小波函数 l f ，a , b ( x ) 能量集中在b 点。 函数f ( x ) 在2 ( 尺) 上的连续小波变换定义如下： r v f o 广 f ( x ) 砒( 咖= l 口r j 仁m 砂( 等) a x ( 4 - 3 ) 函数f ( x ) 在小波基的展丌具有多分辨率的特性，这种特性正是通过伸缩因 子a 和平移因子b 来实现的。根据a 、b 的不同取值，可以得n d , 波变换下不同 的时、频宽度的信息，从而实现对信号的局部信息提取和分析。 4 1 3 离散小波变换 通过小波变换对信号进行分析的应用过程中，通常是采用离散的形式，即 离散小波和离散小波变