專利名稱：基于Contourlet變換的數碼成像自動對焦方法
技術領域：
本發明涉及數碼成像自動對焦方法，尤其是涉及一種基于Contourlet變換的數碼成像 自動對焦方法。
背景技術：
在成像系統中，鏡頭對物體成像有一個最佳像面位置，偏離這個位置將導致圖像模 糊，成像質量下降；因此，能否精確對焦對一個成像系統是十分重要的。基于數字圖像 的成像系統采用自動對焦方法，其關鍵在于對焦評價函數。理想的對焦評價函數曲線表 現為類拋物線形狀，其峰值對應于最佳成像位置，當離開最佳點時函數值降低。因此自 動對焦的過程實質上是求取對焦評價函數最大值的過程。通常，圖像的能量大部分集中在頻域的低頻和中頻段，但圖像輪廓的銳度和細節的 豐富度則取決于圖像的高頻成份。當圖像清晰時，細節豐富，在空域上表現為相鄰像素 的特征值(如灰度、顏色等)變化較大，在頻域則表現為頻譜的高頻分量多。常用的對 焦評價函數分為兩種空域的和頻域的。常用的幾種空域對焦評價函數包括laplacian算 子、sobd算子、prewitt算子以及能量方差算子等。基于空域的對焦評價方法所需的運 算量相對較小，但其缺點是受噪聲的影響比較大，即抗噪性較差。頻域對焦評價方法則 利用了圖像的整體特性，抗噪性相對較好，但這種方法通常需要先對圖像進行傅立葉變 換或其它變換，再根據變換系數來評價圖像的清晰度。Contourlet變換的多方向多尺度特性使其可以很好地捕捉自然圖像中的紋理、細節 及邊緣信息，而數字圖像的自動對焦的過程正是對紋理細節等信息的清晰度進行評價并 求極值點的過程，因此，Contourlet變換是一種適合進行自動對焦評價的工具。數字 Contourlet變換分為兩個步驟，首先使用拉普拉斯塔式濾波器組(Laplacian Pyramid, LP) 對圖像進行多分辨率分解來捕捉奇異點，然后使用二維方向濾波器組(Directional Filter Bank, DFB)將位置相近的奇異點根據其不同的方向特性匯集成輪廓段。每一級的 Contourlet系數有多個方向子帶，這些子帶即為含有高頻分量的邊緣圖像。在對圖像進 行一級Contourlet分解后，即能得到相應的邊緣特征圖像。如圖l(b)即為圖l(a)進行2 級Contourlet變換后的Contourlet變換系數圖。但是對成像系統而言，這只是得到了一個離散的邊緣特征圖像序列，要實現精確對焦，還必須建立一個目標函數，對離散圖像 給出統計特性，用來判斷最佳的對焦位置。對焦的過程是一個圖像能量變化的過程，一 般精確對焦的圖像具有最大的能量。發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種準確有效的基于Contourlet變換的數碼成像 自動對焦方法。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為 一種基于Contourlet變換的數碼成像自動對焦方法，它包括以下步驟①對于數碼顯微成像系統，連續調焦以獲得清晰度各不相同的圖像的輸入信號；②對每幅圖像的二維輸入信號/進行多級Contourlet變換， 獲得Contourlet變換系數集合{(:^}，這里表示Contourelet域第/層(/=1, ...， /， J為 分辨率最高的層)第A個子帶的系數矩陣;③根據各方向子帶的能量大小分析確定需對焦 的圖像的重要方向，使得包含重要方向信息的子帶在對焦評價函數中占主導成分，包含 方向信息較少的子帶占較少份額，并通過加權方式來確定不同方向子帶的重要性，即定義對焦評價函數為F:Z,f]vt^xll《f一12，其中&為第y'層的子帶數，H^為權值， l巧'y'fi^'『表示contourelet域第y層第A個子帶中重要系數的能量總和，即 |￡f|2 =玄(c-一' )2或|￡"礎1|2 =力c:—"'l ， c-一,為Cont。urelet域第y層第A個子帶中的重要系數，即C;Xf""'eC^， 7V為該子帶中選取的重要系數的個數，對每幅圖像的輸入信號計算其對焦評價函數F的值;④當連續調焦后對焦評價函數F值的變 化趨勢變化時，回調焦距直至對應于對焦評價函數F極大值的圖像輸入信號出現，然后 結束調焦過程；⑤取對應于輸入信號的對焦評價函數F極大值的圖像即獲得正確對焦的 清晰度最佳的圖像。所述的重要方向包括主導方向，可以僅采用主導方向所確定的子帶的重要系數計算 對焦評價函數。上述方法中的二維輸入信號/可以是數碼顯微成像圖像的全部區域或局部區域或局 部區域的組合或下采樣信號。與現有的經典對焦評價方法相比，本發明的基于Contourlet變換的數碼成像自動對焦 方法很好地利用了 Contourlet變換的對圖像方向信息捕捉和可能的方向數目的靈活性， 可以有效地提取圖像的高頻信息，判斷圖像序列中具有最大能量的圖像，從而確定數碼 成像系統的精確對焦位置。
圖l(a)為辣椒原圖像；圖l(b)為辣椒的2級Contourlet變換域系數圖；圖2(a)為對焦模糊的纖毛上皮細胞切片的顯微鏡圖片；圖2(b)為對焦清晰的纖毛上皮細胞切片的顯微鏡圖片；圖3為2級Contouriet變換的分辨率最高層的各方向子帶的編號圖；圖4為選用不同子帶系數的基于Contourlet變換的自動對焦方法的對比；圖5為基于Contouriet變換的自動對焦方法與經典對焦方法的對比。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。一種基于Contouriet變換的數碼成像自動對焦方法，它包括以下步驟①對于數碼 顯微成像系統，連續調焦以獲得清晰度各不相同的圖像的輸入信號；②對每幅圖像的二 維輸入信號/進行多級Contourlet變換，獲得Contourlet變換系數集合{(:#}，這里 表示Contourdet域第j'層(^1,丄 /為分辨率最高的層)第A個子帶的系數矩陣；③ Contourlet變換具有稀疏性，即僅用少量的變換域系數進行反變換就可以有效地逼近原 始圖像。就Contouriet變換高頻系數而言，其幅值絕大多數都聚集在零附近，僅有極少 量系數的幅值較大，這部分幅值較大的系數稱之為"重要系數"(significant),描述了圖 像的細節紋理信息。因此，可以在不同分辨率下的不同方向子帶中選取一定數量的重要系數進行對焦評價，即定義對焦評價函數y=E72LI《rf'12，其中，l巧T'f'咖f表示Contourelet域第/層第A個子帶中重要系數的能量總和，即||巧，"1|2 = S(C^f 。"' f ，qjf。"'為Contourelet域第y層第A:個子帶中的重要系數，即C-ff""'eCM ， iV為該子帶中選取的重要系數的個數，對每幅圖像的輸入信號計算其對焦評價函數F的值； 當 連續調焦后對焦評價函數F值的變化趨勢變化(由遞增變為遞減或由遞減變為遞增)時， 回調焦距直至對應于對焦評價函數F極大值的圖像輸入信號出現，然后結束調焦過程； ⑤取對應于輸入信號的對焦評價函數F極大值的圖像即獲得正確對焦的清晰度最佳的 圖像。為了降低計算復雜度，達到快速對焦的目的，上述對焦評價函數F中的1l司'j"^12也可以定義為ificam I = J] I c)y，。"' I 。上述方法中的二維輸入信號/可以是數碼顯微成像圖像的全部區域或局部區域或局 部區域的組合或下采樣信號。與小波變換、傅立葉變換等頻域評價方法相比，Contourlet變換的最大優點在于對 圖像的方向信息的捕捉和可能的方向數目的靈活性。小波變換的方向子帶數目恒定，只 有水平、垂直和對角方向三個方向。在Contourlet變換域內，方向子帶的數目更多了， 方向信息的捕捉也更加靈活。為了更好地利用Contourlet變換的這種多方向特性，可以 根據各方向子帶的能量大小分析確定需對焦的圖像的幾個重要方向，使得包含重要方向 信息的子帶在對焦評價函數中占主導成分，包含方向信息較少的方向子帶則給予較少的 份額，這種不同方向子帶的不同重要性可以通過加權方式來實現。另夕卜，由于Contourlet 變換的稀疏性，上述方向子帶能量的衡量可以通過僅選取部分"重要"的系數來實現。即對焦評價函數也可以定義為F-Z,f]M^xll《:f'wl12，其中《為第7層的子帶數，，為權值。此外，在參與計算對焦評價函數的方向子帶的選取上，也可以根據各方向子帶的能 量大小分析確定需對焦的圖像的主導方向，僅采用主導方向所確定的若干子帶的重要系 數來進行對焦評價函數的計算。通過聚焦鏡頭等距離前進，每前進一個步距，拍攝一幅圖像的方式，本實施例采集 了 18幅"纖毛上皮細胞"截片的顯微圖像，圖像的尺寸為512x512。圖像質量經歷了從模 糊到清晰再到模糊的過程，對于采用的對焦評價函數則應該呈現從小到大再減小的變化 規律。圖2(a)和圖2(b)給出了對焦準確程度不同的兩幅圖像，即較模糊和較清晰的"纖毛 上皮細胞"截片的顯微鏡觀測結果。該系列圖像包含的紋理邊緣信息主要分為兩大類 一是大量的或大或小的圓形區域和圓點。由于圓的方向信息均勻分布于每個方向上，因 此不存在某個特定的主導方向；二是條紋狀的脈絡，這些脈絡的走向大致一致，接近45.0。 方向，表現在Contourlet變換域，則是能量相對集中在對應于如圖3所示的2級Contourlet 變換的最高分辨率層的第5個方向子帶上。圖4給出了對于圖2所示圖像序列的基于 Contourlet變換的五種對焦評價函數曲線，為方便比較，進行了歸一化的處理，這五種 方法是Ml:即Contourlet域分辨率最高層上所有方向子帶的能量和；M2:即Contourlet域分辨率最高層上所有方向子帶的重要系數的能量和，這里取了每個方向子帶上幅值最大的1%系數；M3:即采用對Contourlet域分辨率最高層上不同方向子帶根據其重要性不同加權求取對焦評價函數的方式，對于本實施例而言，采用如下的對焦評價函數<formula>formula see original document page 7</formula>其中A為方向子帶的序號，W為權值，主導方向所對應的5號子帶 占具較大的權重；M4:僅采用主導方向所對應的5號子帶的能量大小來評價對焦情況，即對焦評價 函數為尸=||￡/5『；M5:僅選取主導方向所對應的5號子帶中重要系數求能量和，即對焦評價函數為 F = ||《';fW||2 ，這里選取了 5號子帶中幅值最大的1%的系數。圖4表明這五種評價方式的對焦評價函數曲線都呈拋物線狀的單峰曲線，函數峰值 點都出現在第9幅圖像處，即該系列顯微圖像的精確對焦點。函數曲線的不同之處在于 曲線的鋒銳程度不同，五條對焦評價曲線中，以M5的曲線最為陡峭，曲線峰值比較尖 銳，而M1和M2的曲線比較接近，峰值處都比較平坦，M3和M4的尖銳度則介于中 間。五條曲線的尖銳程度依次為M1-M2<M3<M4<M5。五種方法的歸一化曲線圖表明， 基于Contourlet變換的自動對焦方法是有效可行的，尤其是對于包含較多特定方向的紋 理邊緣信息的圖像而言，采用主導方向子帶的系數不僅可以提高自動對焦的靈敏度，而 且由于僅采用部分系數，減少了計算復雜度。圖5給出基于ContmMet變換的自動對焦方法與一些經典對焦評價方法的比較，采 用的對焦評價算法包括Laplacian算子、Sobel算子、Prewitt算子、能量方差算子(standard) 以及小波變換(wavelet)對焦評價算法。由圖5可見，歸一化曲線都呈現為單峰拋物線狀， 但Sobel算子和Prewitt算子的峰值出現在第IO幅圖像，與其余方法不符，即未能精確 對焦。其余的經典對焦方法都能達到精確對焦的目的，而基于Contourlet變換的方法 Ml和M2的曲線最為陡峭。綜上所述，由于Contourlet變換具有多分辨率多方向特性，基于Contourlet變換的 對焦評價函數可以有效地提取圖像的高頻信息，判斷圖像序列中具有最大能量的圖像， 從而確定數碼成像系統的精確對焦位置。對于包含大量走向較為一致的紋理的圖像，利 用紋理邊緣的主導方向確定Contourlet域主導方向子帶的方法則可以更好地利用圖像的 方向信息，從而提高對焦靈敏度，降低計算復雜度。在不背離權利要求及同等范圍所限定的一般概念的精神和范圍的情況下，本發明并 不限于特定的細節和這里示出與描述的示例。
權利要求
1、一種基于Contourlet變換的數碼成像自動對焦方法，它包括以下步驟①對于數碼顯微成像系統，連續調焦以獲得清晰度各不相同的圖像的輸入信號；②對每幅圖像的二維輸入信號f進行多級Contourlet變換，獲得Contourlet變換系數集合{Cj，k}，這里Cj，k表示Contourelet域第j層(j＝1，...，J，J為分辨率最高的層)第k個子帶的系數矩陣；③根據各方向子帶的能量大小分析確定需對焦的圖像的重要方向，使得包含重要方向信息的子帶在對焦評價函數中占主導成分，包含方向信息較少的子帶占較少份額，并通過加權方式來確定不同方向子帶的重要性，即定義對焦評價函數為
2、 如權利要求1中所述的一種基于Contourlet變換的數碼成像自動對焦方法，其特 征在于所述的重要方向包括主導方向，僅采用主導方向所確定的子帶的重要系數計算對 焦評價函數。
3、 如權利要求1或2所述的一種基于Contoui"let變換的數碼成像自動對焦方法，其 特征在于二維輸入信號/是數碼顯微成像圖像的全部區域或局部區域或局部區域的組合 或下采樣信號。
全文摘要
本發明公開了一種基于Contourlet變換的數碼成像自動對焦方法，利用了Contourlet變換所具有的多分辨率多方向特性，選取可以表征圖像輪廓銳度和細節豐富度的Contourlet域的重要系數來計算對焦評價函數，從而確定數碼成像系統的精確對焦位置，對于包含大量走向較為一致的紋理的圖像，利用紋理邊緣的主導方向確定Contourlet域主導方向子帶的方法則可以更好地利用圖像的方向信息，從而提高對焦靈敏度，并降低計算復雜度。
文檔編號H04N5/232GK101266390SQ20081009229
公開日2008年9月17日 申請日期2006年8月24日 優先權日2006年8月24日
發明者易文娟, 蔣剛毅, 梅 郁 申請人:寧波大學