一種多通道數(shù)字圖像處理的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法

一種多通道數(shù)字圖像處理的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法

1對(duì)偶窗口選擇選擇對(duì)齊窗口的直接原因是，使用對(duì)齊評(píng)估函數(shù)的操作基本上對(duì)應(yīng)于圖像的像素?cái)?shù)量。為了滿足實(shí)際要求，應(yīng)減少參與操作過(guò)程的像素?cái)?shù)量。為了達(dá)到這一目的,最初人們通常直接選取圖像中的中央?yún)^(qū)域作為對(duì)焦窗口。但是,根據(jù)攝影美學(xué)的要求,成像主目標(biāo)往往不是在圖像的正中央。所以后來(lái)出現(xiàn)了進(jìn)行多區(qū)域?qū)勾翱谶x擇的方法,在一定程度上兼顧了成像主目標(biāo)偏離圖像中央?yún)^(qū)域的情況。黃劍琪等提出的非均勻提取選擇對(duì)焦窗口的方法則利用了眼睛視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞的分布特點(diǎn),以強(qiáng)調(diào)圖像中央?yún)^(qū)域?yàn)橹?同時(shí)也兼顧了圖像邊緣。盡管以上方法可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間,但仍然沒(méi)有考慮到對(duì)焦窗口選擇的另一個(gè)重要原因:使成像目標(biāo)的成像質(zhì)量最佳化,對(duì)于自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就是要使成像主目標(biāo)準(zhǔn)確對(duì)焦。也就是說(shuō),進(jìn)行對(duì)焦窗口選擇的不僅僅是為了減少計(jì)算時(shí)間。如果對(duì)整幅圖像運(yùn)用對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù),圖像中不重要的部分(背景)會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面的影響,導(dǎo)致圖像中的重要部分(成像主目標(biāo))無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)焦。即使是按照中央?yún)^(qū)域選擇/多區(qū)域選擇的方法選擇對(duì)焦窗口,也可能存在這種問(wèn)題。如果成像主目標(biāo)是人或其他易于從圖像中分離出來(lái)的物體,可以用模式識(shí)別的方法將成像主目標(biāo)提取出來(lái)作為對(duì)焦窗口。但是,實(shí)際應(yīng)用中有大量成像主目標(biāo)難以從圖像中分離的情況。針對(duì)這種情況,本文提出一種眼控自動(dòng)對(duì)焦方法,將瞳孔跟蹤和對(duì)焦窗口的多區(qū)域選擇結(jié)合起,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焦窗口選擇的自動(dòng)化和智能化。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)表明,在人的頭部沒(méi)有明顯運(yùn)動(dòng)的情況下,當(dāng)注意力集中在不同的地方時(shí),正常人的瞳孔在眼睛中的位置會(huì)發(fā)生變化。因此,如果能夠跟蹤一個(gè)人眼中瞳孔所在的位置,就可以推斷出他的注意力集中的區(qū)域。由于眼睛形狀及運(yùn)動(dòng)情況的復(fù)雜性,要完全精確地由瞳孔位置確定人的注意目標(biāo)非常復(fù)雜,在自動(dòng)對(duì)焦裝置中這是不現(xiàn)實(shí)的。因此,本文將瞳孔跟蹤與多區(qū)域選擇對(duì)焦窗口的方法相結(jié)合,將景物劃分成3×3=9個(gè)大區(qū)域(圖1),只要根據(jù)瞳孔位置確定注意力集中在圖1所示的那個(gè)大區(qū)域中即可。顯然,對(duì)于瞳孔位置,只要進(jìn)行橫向左、中和右三個(gè)方位的判斷以及縱向上、中和下方位的判斷就可以確定相應(yīng)的注意力集中區(qū)域。最后選擇的對(duì)焦窗口為相應(yīng)的注意力區(qū)域中M×N個(gè)像素的中區(qū)域,與傳統(tǒng)方法中一樣,通常16≤M,N≤256且M,N=2k(k為正整數(shù))。為了驗(yàn)證上述方法的可行性,進(jìn)行了圖2所示的實(shí)驗(yàn):在普通取景器中放置半反半透玻璃片,為了使眼睛可以在CCD中清晰成像,在取景器后方放置一個(gè)光源,將劃分好區(qū)域的平板(按圖1所示的方法)置于正前方模擬景物,當(dāng)眼睛依次集中注意力于九個(gè)區(qū)域時(shí)CCD拍下眼睛的圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,其中Aij與圖1中的Aij相對(duì)應(yīng)。在瞳孔跟蹤的過(guò)程中,可能出現(xiàn)獲取眼睛圖像的瞬間人正在眨眼,由此時(shí)得到的圖像得不到瞳孔的位置信息(如圖4所示),此時(shí)需要重新獲取眼睛圖像。3基于傳感器的鏡頭跟蹤瞳孔跟蹤有著廣泛的應(yīng)用,在最近幾年得到了廣泛的研究,對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用,市場(chǎng)上已經(jīng)有專門的瞳孔跟蹤儀器。遺憾的是,這些瞳孔方法都很復(fù)雜,對(duì)硬件要求也很高,不適合在數(shù)碼相機(jī)中應(yīng)用。為了在幾乎不提高數(shù)碼相機(jī)成本的條件下滿足自動(dòng)對(duì)焦的實(shí)時(shí)性要求,本文提出利用數(shù)碼相機(jī)自身的圖像傳感器和光學(xué)元件來(lái)跟蹤瞳孔的方法。該方法利用取景器的光路對(duì)拍攝者眼睛成像,只需對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行很小的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn),所增加的硬件都是價(jià)格低廉的常用器件。例如,圖5和圖6給出了對(duì)于單反相機(jī)的一種改進(jìn)方案,其中圖5為普通單反相機(jī)的原理圖,圖6為改進(jìn)后的單反相機(jī)原理圖。改進(jìn)后的單反相機(jī)只增加了一個(gè)紅外光源(圖6中IRED)、一片紅外反光鏡(圖6中M1)、一片對(duì)可見(jiàn)光高透過(guò)對(duì)紅外光高反射的特殊玻璃(圖6中M2)和相應(yīng)的簡(jiǎn)單控制和裝配機(jī)構(gòu),即可利用數(shù)碼相機(jī)中的CCD/CMOS圖像傳感器對(duì)拍攝者的眼睛成像。改進(jìn)后的單反相機(jī)要求所用圖像傳感器能夠?qū)λ眉t外光源相應(yīng)波段的紅外光敏感。使用紅外光源進(jìn)行照明的目的是使獲取眼睛圖像對(duì)拍攝者取景沒(méi)有影響,同時(shí)所獲得的眼睛圖像清晰度較高,以便提取瞳孔。4圖像腐蝕和膨脹獲得拍攝者眼睛的圖像后,關(guān)鍵的問(wèn)題是對(duì)圖像進(jìn)行處理以確定瞳孔在眼睛中的位置。由于眼睛和瞳孔部位在圖像中的特征明顯,因此確定瞳孔在眼睛中位置不難實(shí)現(xiàn)。如果改進(jìn)后的數(shù)字成像系統(tǒng)中紅外光源不在眼睛的軸線上,則所成的眼睛圖像中瞳孔部分為黑(圖7);否則,所成的眼睛圖像中瞳孔部分為白(圖8)。兩種情況下的圖像都容易將瞳孔從中分離出來(lái)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以選定兩個(gè)閾值Gep和Gp,用式(1)和式(2)分別得到眼睛的二值化圖像Iep和瞳孔的二值化圖像Ip。Iep(i,j)={1I(i,j)＞Gep0I(i,j)≤Gep(1)Ip(i,j)={1I(i,j)＞Gp0I(i,j)≤Gp(2)Ιep(i,j)={1Ι(i,j)＞Gep0Ι(i,j)≤Gep(1)Ιp(i,j)={1Ι(i,j)＞Gp0Ι(i,j)≤Gp(2)為了去除所得圖像中噪聲和其他無(wú)用的眼睛信息,本文了利用形態(tài)學(xué)操作中的腐蝕和膨脹,先腐蝕N1次,再膨脹N2次,然后再腐蝕(N2-N1)次,如式(3)所示。I′ep=eroteN2?N1{dilateN2[eroteN1(Iep)]}(3)Ιep′=eroteΝ2-Ν1{dilateΝ2[eroteΝ1(Ιep)]}(3)例如,對(duì)圖7進(jìn)行二值化和適度腐蝕和膨脹后可得到圖9和圖10所示的結(jié)果。如果二值化和腐蝕膨脹后所得瞳孔圖像為一條線,可認(rèn)為出現(xiàn)圖4所示的失效情況,需要重新獲取眼睛圖像。得到瞳孔的圖像后可用式(4)求得其重心(x,y)。(x,y)=[∑i*I(i,j)∑I(i,j),∑j*I(i,j)∑I(i,j)](4)(x,y)=[∑i*Ι(i,j)∑Ι(i,j),∑j*Ι(i,j)∑Ι(i,j)](4)當(dāng)拍攝者使用瞳孔跟蹤模式時(shí),首先獲取拍攝者正視前方時(shí)的眼睛圖像并求得此時(shí)的瞳孔重心(x0,y0),然后獲取他拍攝時(shí)的眼睛圖像并求得此時(shí)的瞳孔重心(x1,y1)。如果兩次所得重心間的距離滿足式(5)(式中r0為一門限值),則認(rèn)為瞳孔在眼睛中央(圖1中的A22區(qū)域);否則,用式(6)求得瞳孔偏轉(zhuǎn)角θ即可判斷拍攝者的注意力區(qū)域。r=(x1?x0)2+(y1?y0)2??????????????????√＜r0(5)r=(x1-x0)2+(y1-y0)2＜r0(5)θ=arctan(y1?y0x1?x0)(6)θ=arctan(y1-y0x1-x0)(6)圖11的流程圖表示了以上利用瞳孔跟蹤確定人的注意力范圍的算法。5軟件方法對(duì)數(shù)碼系統(tǒng)中芯片的應(yīng)用。根據(jù)初步本文提出了一種利用圖像處理方法進(jìn)行瞳孔跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦算法中選擇對(duì)焦窗口的方法。該方法只需要對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改進(jìn)后即可用軟件方法實(shí)現(xiàn)。由于瞳孔跟蹤需要一定的時(shí)間,實(shí)際應(yīng)用時(shí)