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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 离焦图像清晰区域分割方法研究 姓名：孙涛 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：那彦 20090101 摘要 摘要 本文主要讨论了离焦模糊图像清晰区域的分割及应用。本文首先从光学成像 原理上分析了离焦模糊的形成原因，并建立了基于区域的离焦模糊模型。由于图 像离焦模糊主要反映在图像边缘特征上，所以本文在经典“s o b e l ”边缘提取方法 的基础上，提出了基于边缘最大梯度的边缘细化方法。接着，本文先是使用边缘 最大梯度和过渡区宽度这两个特征对图像的细节区域进行分类：再依据就近原则， 使用竞争型神经网络对图像的平坦区域进行分类；然后根据图像的锐利分布情
2、况 和地域性原则，实现了图像的清晰区域分割和排序。最后，本文把清晰区域分割 方法应用到图像复原领域，实现了基于区域的图像复原；又应用到多焦点图像融 合领域，提出了一种新的融合规则，实现了多焦点图像间的融合，得到了非常理 想的融合效果。 关键字：离焦模糊边缘提取清晰区域分割图像复原多焦点图像融合 A b s t r a c t T h ec l e a rr e g i o ns e g m e n t a t i o no fo u t o f - f o c u sd e g r a d e di m a g ea n di t sa p p l i c a t i o n s a r em
3、 a i n l vd i s c q s s e di nt h i sp a p e r A tf i r s t ，t h ec a u s eo fo u t o f - f o c u sb r u ri si n t r o d u c e d ， a n dar e g l o r t s b a s e do u t o f - f o c u sd e g r a d e dm o d e li se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r B e c a u s e o u t o f ：f o c u sb l u ri sc l o
4、 s e l yr e l a t e dt oe d g ec h a r a c t e r s ，an o v e lm a x i m u mg r a d i e n tb a s e d e d g et h i n n i n gm e t h o d i sp r e s e n t e da f t e rd e t e c t i n gi m a g ee d g e s u s i n gs o b e lo p e r a t o r T h e nam a x i m u mg r a d i e n ta n dt h ew i d t ho ft r a n s
5、 i t i o nr e g i o nb a s e dd e t a i l a r e a c l a s s i f i c a t i o nm e t h o da n dap r i n c i p l eo fp r o x i m i t y - b a s e df i a ta r e ac l a s s i f i c a t i o nm e t h o d b yu s i n gc o m p e t e da r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ka l ep r o p o s e di nt h i sp a
6、 p e r N e x tt h e a l g o r i t h mo fc l e a rr e g i o n ss e g m e n t a t i o nb a s e do ns h a r p n e s sd i s t r i b u t i o n a n d r e g i o n p r i n c i p l e i sg i v e n A tl a s t ，t h ec l e a rr e g i o ns e g m e n t a t i o n Sa p p l i c a t i o n si no t h e rl m a g ep r o c
7、 e s s i n g f i e l d sa r ed i s c u s s e d Ar e g i o n s b a s e di m a g er e s t o r a t i o na l g o r i t h ma n d an e wm u l t i _ f o c u s i m a g e sf u s i o na l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d i d e a l i nt h i sp a p e r T h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ev e r y K e y
8、w o r d s ：O u t - o f - f o c u s b l u r e d g e e x t r a c t i o nc l e a rr e g i o ns e g m e n t a t i o n i m a g er e s t o r a t i o n m u l t i f o c u si m a g e sf u s i o n 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研
9、究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子
10、科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：缈彳， 日期：垒竺么至 第一章绪论 第一章绪论 1 1 离焦图像清晰区域分割的意义 照相机是使用摄像镜头和胶片或其它感光板把景物拍摄下来的摄影器材。它 的发明经历了漫长的岁月。 中国对光和影像的研究，有着十分悠久的历史。早在公元前四百多年，中国 的墨经一书就详细记载了光的直线前进、光的反射，以及平面镜、凹面镜、 凸面镜的成像现象。到了宋代，在沈括所著的梦溪笔谈( 1 0 3 1 至1 0 9 5 年) 一书 中，还详细叙述了“小孔成像匣”的原理。 在1 6 世纪文艺复兴
11、时期，欧洲出现了供绘画用的“成像暗箱“ 。一直到1 8 3 9 年8 月1 9 同法国画家达盖尔公布了他发明的“达盖尔银版摄影术”，于是世界上 诞生了第一台可携式木箱照相机。 自从第一台照相机问世以，柬，照相机性能就不断发展，由木箱式到会属式， 再到彩色照片，胶卷和闪光灯等许多拍摄技术的发明和改进，使得照相机的拍摄 效果更好，使用更加方便。尤其是同本的小西六摄影公司生产出世界上第一台自 动调焦照相机一柯尼卡C 3 5 A 型1 3 5 照相机，自动调焦相机的发明使得拍摄不再需 要很高的专业知识，大大普及了相机的使用。 现如今，人们工作和生活中广泛使用的数码照相机就是自动调焦照相机。数 码相机是
12、通过发射红外线接触到相机I j i 面的景物，然后反射回相机，相机再根据 红外线反射的时问算出距离，然后自己调节焦距。其实我们平常所说的“焦点 就是说一张相片上最清楚的地方，也就是说我们能够在相片上看到的完全清楚的 区域。虽然相机的性能越来越好，但是人们经常会发现拍摄出来的相片中远 处的景物比较模糊，这是因为远处的景物距离相机的焦点比较远，我们把这种 模糊称之为离焦模糊。 离焦模糊指的是由于景物目标不在焦点位置上所引起的成像模糊，并且随着 景物与焦点的距离越来越大，所成的像也会逐渐模糊加剧。离焦模糊现象是光学 成像系统自身原理造成的。因为相机的镜头是一个凸透镜，当点光源发出的光线 经过透镜时，
13、其中经过凸透镜中心的光线会直线传播，而穿过凸透镜其它位置的 光线都会发生一定的折射。这样在光线穿过凸透镜后，会聚焦于一点，如果这个 时候的感光板正好处在聚焦点的位置上，那么在感光板上就会看到一个清晰的点， 此时，我们称景物目标处于焦点位置。如果景物目标不在焦点位置上，那么此时 穿过透镜的光线在感光板的位置处可能还未会聚或已经发散，这样景物目标所成 的像就是模糊的。由于光学自身原理的限制，使得所有的光学相机都不得不面对 2离焦图像清晰区域分割方法研究 这一问题。 当我们要处理一幅离焦模糊图像时，如果对图像中的焦点区域感兴趣，为了 突出图像中的焦点目标，或简化图像处理过程的工作量，就需要对图像的清
14、晰区 域进行提取，这属于“感兴趣目标提取【卜3 】的范畴：如果对图像中的模糊区域感 兴趣，要对图像进行“图像复原【4 卅“ 或者“多聚焦图像融合【7 】，这就需要对图像 的模糊区域进行提取和排序。所以对离焦模糊图像清晰区域分割研究作为其它图 像处理的前期工作，具有十分重要的作用，分割质量的好坏直接影响到对图像的 后续处理。 1 2 本文主要工作 本文主要讨论了离焦模糊图像清晰区域的分割及应用。 首先本文从光学成像原理上丌始探讨和分析离焦模糊的形成原因；并在原有 的离焦模糊模型的基础上，建立了基于区域的离焦模糊模型：还分析了图像离焦 模糊与图像边缘的关系，找出了反映图像离焦模糊程度的两个特征。
15、其次本文探讨了图像清晰区域的分割方法。因为图像的模糊主要体现在图像 的边缘细节信息上，所以本文在经典“s o b e l ”边缘提取方法的基础上，提出了基 于“边缘最大梯度”的边缘细化方法；接着使用由边缘提取获得的“边缘最大梯 度“ 和“过渡区宽度“ 这两个特征对图像的细节区域进行分类；再依据“就近原 则”，使用竞争型神经网络对图像的平坦区域进行分类；然后根据图像的锐利分布 情况和“地域性原则“ ，实现了对图像的清晰区域分割和排序。 最后本文介绍了图像清晰区域分割方法在其它图像处理领域的应用。在“图 像复原”领域，本文在清晰区域分割的基础上，通过对各区域模糊程度的量化和 评估，在找到了“逆离焦
16、P S F 的近似模板情况下，实现了基于区域的图像复原， 取得了很好的恢复效果。在“多聚焦图像融合“ 领域，本文同样在清晰区域分割 的基础上，提出了一种“细节区域按照锐利程度取大，平坦区域依据距离加 权求和“ 的融合规则，实现了多聚焦图像的融合，得到了非常理想的融合效果。 1 3 本文章节安排 第一章绪论主要介绍了课题研究的意义和本文完成的主要工作。 第二章从光学原理上分析了离焦模糊形成的原因，并建立了基于区域的离焦 模糊模型，还找出了反映图像离焦模糊程度的两个特征。 第三章在分别对图像的细节区域和平坦区域分类的基础上，依据图像锐利分 布和“地域性原则“ ，实现了对图像的清晰区域分割和排序。 第四章的工作是把清晰区域分割方法应用到图像复原领域，实现了基于区域 第一章绪论 的图像复原；应用到多聚焦图像融合领域，得到了非常理想的融合结果。 第五章为总结，总结了本文所做的研究工作和创新点，并列举了研究工作的 不足之处，对今后的努力方向做出了展望。 第二章离焦模糊原理介绍5 第二章离焦模糊原理介绍 本章首先从光学成
