基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法
2023-06-13 15:39:01
專利名稱：基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法
技術領域：
本發明涉及數碼成像自動對焦方法，尤其是涉及一種基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法。
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。基於數字圖像的成像系統採用自動對焦方法，其關鍵在於對焦評價函數。理想的對焦評價函數曲線表現為類拋物線形狀，其峰值對應於最佳成像位置，當離開最佳點時對焦評價函數值降低。因此自動對焦的過程實質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圖像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於圖像的高頻成份。當圖像清晰時，細節豐富，在空域上表現為相鄰像素的特徵值(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、Sobel算子、Prewitt算子以及能量方差算子等。基於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需要先對圖像進行傅立葉變換或者其它變換，再根據變換係數來評價圖像的清晰度。頻域的對焦評價方法利用圖像的整體特性，但是計算量往往很大。因此，如何降低計算複雜度是頻域對焦評價方法的一個關鍵問題。
本發明提供一種基於Hadamard變換的快速自動對焦方法，該方法不僅具備頻域對焦評價方法的優點，而且計算量小，易於硬體實現。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種計算量小、易於硬體實現的數碼顯微成像自動對焦方法。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，它包括以下步驟①對於數碼顯微成像系統，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Hadamard變換，獲得Hadamard變換係數矩陣H＝hnfhn，其中hn為Hadamard變換矩陣；③定義對焦評價函數F為區域Range內Hadamard變換係數的加權能量和F=(i,j)RangewkHi,j2,]]>式中，Hi，j為Hadamard變換係數，wk為Hi，j的權重，k＝1，2，...，K，K為Range中Hadamard變換係數的個數，Range代表Hadamard變換係數矩陣H中所選定的若干變換係數的坐標集合，對每幅圖像的輸入信號計算其對焦評價函數F的值；④當連續調焦後對焦評價函數F值的變化趨勢變化時，回調焦距直至對應於對焦評價函數F極大值的圖像輸入信號出現，然後結束調焦過程；⑤取對應於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。
為了降低計算複雜度，達到快速對焦的目的，也可採用如下的對焦評價函數F=(i,j)Rangewk|Hi,j|.]]>二維輸入信號f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採樣信號。
區域Range可以是Hadamard變換係數矩陣H中所選定的若干高頻變換係數的坐標集合。
可以將Hadamard變換係數矩陣H細化為4×4的劃分形式，並選取第3行第3列的區域作為Hadamard變換的對焦評價函數F計算所選取的區域Range。
與現有的經典對焦評價方法相比，本發明的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法不僅具有單峰性、無偏性、能反映離焦的極性等基本特性，而且具有良好的抗噪性能。同時，由於Hadamard變換隻有加減運算，無需進行乘法運算，變換本身計算量很低，因此本發明方法還具備算法簡單、運算速度快等特點。
圖1(a)為對焦模糊的植物莖切片的顯微圖像；圖1(b)為對焦清晰的植物莖切片的顯微圖像；圖2為Hadamard變換係數矩陣H的4×4劃分形式；圖3為不同對焦評價方法對1024×1280輸入圖像的對焦評價結果；圖4為不同對焦評價方法對截取原圖像的512×512中心區域的對焦評價結果；圖5為不同對焦評價方法對截取原圖像的512×512中心區域含噪圖像的對焦評價結果。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
一種基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，其特徵在於它包括以下步驟①對於數碼顯微成像系統，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Hadamard變換，獲得Hadamard變換係數矩陣H＝hnfhn，二維信號的Hadamard變換矩陣hn可由核心矩陣h1=12111-1]]>遞推得到hn=hn-1h1=h1hn-1=12hn-1hn-1hn-1-hn-1,]]>其中是矩陣直基(Kronecker)的符號；③定義對焦評價函數F為區域Range內Hadamard變換係數的加權能量和F=(i,j)RangewkHi,j2,]]>式中，Hi，j為Hadamard變換係數，即Hi，j為H中位於位置(i，j)的係數，wk為Hi，j的權重，k＝1，2，...，K，K為Range中Hadamard變換係數的個數，Range代表Hadamard變換係數矩陣H中所選定的若干變換係數的坐標集合，對每幅圖像的輸入信號計算其對焦評價函數F的值；④當連續調焦後對焦評價函數F值的變化趨勢變化時(由遞增變為遞減或由遞減變為遞增)，回調焦距直至對應於對焦評價函數F極大值的圖像輸入信號出現，然後結束調焦過程；⑤取對應於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。
為了降低計算複雜度，達到快速對焦的目的，上述方法中的對焦評價函數也可以採用如下定義F=(i,j)Rangewk|Hi,j|.]]>在上述方法中，二維輸入信號f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採樣信號。
由於圖像的高頻成份表徵了圖像輪廓的銳度和細節的豐富度，因此通常可以選取Hadamard變換係數矩陣的高頻係數來計算對焦評價函數，即令Range為Hadamard變換係數矩陣H中某些高頻變換係數的坐標集合。但是考慮到對焦評價函數F的抗噪性能，也可適當選擇部分中頻和低頻係數加權計入對焦評價函數F中，即選取Range為Hadamard變換係數矩陣H中某些高頻和中低頻變換係數的坐標集合。
本發明的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法選取了Hadamard頻域的部分係數特別是高頻係數來計算對焦評價函數，既有頻域對焦方法的優點，又利用了Hadamard變換無需乘法運算、計算量很低的特點，克服了傅立葉變換、離散餘弦變換、正弦變換、小波變換等通用頻域對焦方法計算量大的缺點。
對於一組連續調焦所獲得的清晰度各不相同的南瓜莖切片的顯微圖像(圖像尺寸為1024×1280)進行了對焦測試，圖1(a)和圖1(b)給出了其中的2幅對焦程度不同的圖像，圖1(a)模糊、圖1(b)清晰。實際應用中，由於採集的圖像往往尺寸較大，為加速自動對焦速度，可從原始圖像中選擇部分區域作為對焦區域。本實施例中，將Hadamard變換係數矩陣H細化為如圖2所示的4×4的劃分形式，並選取其中的區域11作為Hadamard變換域的中高頻部分，即對焦評價函數F計算中所選取的區域Range。
在圖像採集過程中，由於實際成像條件的關係，往往會引入一定的噪聲，因此好的對焦評價方法需要具備良好的抗噪性能。本實施例在以下三種情況下，給出利用本發明的基於Hadamard變換的自動對焦評價方法與經典的對焦評價方法的對比實驗結果情況-1.採用原始圖像，圖像尺寸為1024×1280；情況-2.截取原始圖像512×512的中央區域；情況-3.截取原始圖像512×512的中央區域，並施加歸一化後方差為0.1的高斯白噪聲。
圖3、圖4、圖5分別給出了上述三種情況下，本發明的基於Hadamard變換的自動對焦方法與經典自動對焦方法的實驗結果對比。
本實施例選用的經典對焦評價方法包括Laplacian算子，Sobel算子，Prewitt算子，能量方差算子以及基於小波變換的對焦評價方法。在圖3、圖4、圖5中，曲線hadamard表示本發明對焦評價方法，laplacian表示採用Laplacian算子的對焦評價方法，sobel表示採用Sobel算子的對焦評價方法，prewitt表示採用Prewitt算子的對焦評價方法，standard表示採用能量方差算子的對焦評價方法，wavelet表示基於小波變換的對焦評價方法。
理想的對焦評價函數不僅應具有單峰性、無偏性，能反映離焦的極性(在焦前位置還是焦後位置)等基本特性，而且應對受噪聲幹擾的圖像具有良好的抗噪性能，同時還應具備算法簡單、運算速度快等特點。對圖3、圖4和圖5的實驗結果分析可得在上述的前兩種情況(即情況-1、情況-2)下，經典的對焦評價函數及本發明的基於Hadamard變換的對焦評價函數的峰值都對應於第8幅圖像，可認為該圖像即為該系列顯微圖像的精確對焦位置，其中基於Hadamard變換的自動對焦評價方法的對焦評價函數曲線最為陡峭，表明其對焦性能最優。在第三種情況下(即情況-3)，當輸入圖像受到噪聲幹擾的情況下，由圖5所示的實驗結果表明，經典的對焦評價方法普遍受到不同程度的影響，甚至發生峰值偏移，即評價結果偏離了實際精確對焦的圖像序號，而本發明的基於Hadamard變換的對焦評價方法則保持了良好的單峰性和準確性，顯示出本發明的基於Hadamard變換的自動對焦方法具有良好的抗噪性。
綜上所述，與現有的經典對焦評價方法相比，本發明的基於Hadamard變換的對焦評價方法不僅具有單峰性、無偏性、能反映離焦的極性等基本特性，而且具有良好的抗噪性能。同時，由於Hadamard變換隻需進行加減法運算，沒有乘法運算，變換本身計算量很低，因此本發明方法還具備算法簡單、運算速度快等特點。
顯而易見，本發明所述的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法並不僅限於數碼顯微成像領域，在影像掃描儀、攝像機、數位相機等數字取像裝置都可以很好地利用本發明，因此在不背離權利要求及同等範圍所限定的一般概念的精神和範圍的情況下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的示例。
權利要求
1.一種基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，其特徵在於它包括以下步驟①對於數碼顯微成像系統，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Hadamard變換，獲得Hadamard變換係數矩陣H＝hnfhn，其中hn為Hadamard變換矩陣；③定義對焦評價函數F為區域Range內Hadamard變換係數的加權能量和F=(i,j)RangewkHi,j2,]]>式中，Hi，j為Hadamard變換係數，wk為Hi，j的權重，k＝1，2，...，K，K為Range中Hadamard變換係數的個數，Range代表Hadamard變換係數矩陣H中所選定的變換係數的坐標集合，對每幅圖像的輸入信號計算其對焦評價函數F的值；④當連續調焦後對焦評價函數F值的變化趨勢變化時，回調焦距直至對應於對焦評價函數F極大值的圖像輸入信號出現，然後結束調焦過程；⑤取對應於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。
2.如權利要求1所述的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，其特徵在於對焦評價函數為R=(i,j)Rangewk|Hi,j|.]]>
3.如權利要求1或2所述的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，其特徵在於二維輸入信號f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採樣信號。
4.如權利要求1或2所述的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，其特徵在於區域Range為Hadamard變換係數矩陣H中所選定的高頻變換係數的坐標集合。
5.如權利要求1或2所述的基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，其特徵在於將Hadamard變換係數矩陣H細化為4×4的劃分形式，並選取第3行第3列的區域作為Hadamard變換的對焦評價函數F計算所選取的區域Range。
全文摘要
本發明公開了一種基於Hadamard變換的數碼顯微成像自動對焦方法，對每幅圖像的二維輸入信號進行Hadamard變換，獲得Hadamard變換係數矩陣並定義對焦評價函數F為所選取的區域內Hadamard變換係數的加權能量和，對每幅圖像的輸入信號計算其對焦評價函數F的值並判斷變化趨勢進行調整選擇，可以獲得最清晰的圖像，優點在於與現有的經典對焦評價方法相比，本發明的對焦評價方法不僅具有單峰性、無偏性、能反映離焦的極性等基本特性，而且具有良好的抗噪性能，同時，由於Hadamard變換本身計算量很低，因此本發明方法還具備算法簡單、運算速度快、易於硬體實現等特點。
文檔編號H04N5/232GK1908801SQ20061005305
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月22日 優先權日2006年8月22日
發明者蔣剛毅, 鬱梅, 易文娟 申請人:寧波大學