基于雙樹(shù)復(fù)小波變換的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院　鄒一帆

基于雙樹(shù)復(fù)小波變換的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院鄒一帆

圖像清晰度評(píng)價(jià)是數(shù)字圖像處理中的一個(gè)重要組成部分，圖像清晰度評(píng)價(jià)算法在圖像特征提取、圖像質(zhì)量評(píng)估及圖像復(fù)原等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。本文算法利用雙樹(shù)復(fù)小波變換系數(shù)能更精確地表征圖像特征的特點(diǎn)，結(jié)合FISH和FISHbb算法，提出一種多尺度、多方向的圖像清晰度快速評(píng)價(jià)算法，對(duì)圖像的清晰度予以數(shù)字化的度量。在實(shí)驗(yàn)中，以S3算法為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比算法改進(jìn)前后的準(zhǔn)確率。最終得出結(jié)果：相較于原FISH和FISHbb算法，本算法在保證運(yùn)算速度的基礎(chǔ)上，提高了算法的準(zhǔn)確率。

圖像清晰度評(píng)價(jià)；雙樹(shù)復(fù)小波變換；FISH；FISHbb

1.引言

盡管人眼可以輕易地區(qū)分出不同清晰度的兩幅圖像，但圖像清晰度卻并沒(méi)有一個(gè)客觀的定義，清晰的圖像一般具備更明顯的細(xì)節(jié)和更強(qiáng)對(duì)比度的紋理或邊緣。盡管如此，圖像清晰度評(píng)價(jià)仍然是數(shù)字圖像處理中的一個(gè)重要組成部分，圖像清晰度評(píng)價(jià)算法在圖像特征提取、圖像質(zhì)量評(píng)估及圖像復(fù)原等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

目前圖像清晰度評(píng)價(jià)有兩種途徑：主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)方法是以人的視覺(jué)效果作為評(píng)判準(zhǔn)則，由觀察者對(duì)圖像清晰度提出判斷；客觀評(píng)價(jià)方法是指用可定量分析的數(shù)學(xué)模型表達(dá)出人對(duì)圖像的主觀感受。主觀評(píng)價(jià)方法需要對(duì)圖像判讀人員進(jìn)行專門的訓(xùn)練，評(píng)價(jià)過(guò)程費(fèi)時(shí)耗力，經(jīng)濟(jì)性差。而客觀評(píng)價(jià)方法從理論出發(fā)，快速穩(wěn)定，能給出定量數(shù)據(jù)，但它忽略了人的視覺(jué)特性，有時(shí)與人的主觀感受不一致。因此開(kāi)發(fā)出與人對(duì)圖像的主觀感受相一致的客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法顯得尤為重要［1］。

本文提出的是一種基于雙樹(shù)復(fù)小波變換的圖像清晰度快速客觀評(píng)價(jià)算法，該算法是在Phong V. Vu提出的FISH（Fast Image Sharpness，F(xiàn)ISH）和FISHbb（Fast Image Sharpness Block Based，F(xiàn)ISHbb）算法上進(jìn)行改進(jìn)而得來(lái)的［2］。雙樹(shù)復(fù)小波變換系數(shù)能更精確地表征圖像特征的特點(diǎn)，相較于FISH和FISHbb算法，本算法在保證運(yùn)算速度的基礎(chǔ)上一定程度地提高了圖像清晰度估計(jì)的準(zhǔn)確率。

2.現(xiàn)有的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

現(xiàn)有的圖像清晰度算法大致可分為三類［3］：（1）基于圖像邊緣處理的算法，該類算法主要著重于圖像的邊緣檢測(cè)；（2）基于像素的算法，該類算法主要著重于圖像空間域的特性而不涉及圖像的邊緣檢測(cè)；（3）基于數(shù)學(xué)變換的算法，該類算法主要著重于圖像的頻域特性。

1）基于圖像邊緣處理的算法

分析圖像的邊緣是圖像清晰度算法中一項(xiàng)常用的技術(shù)，因?yàn)榫哂懈鼜?qiáng)對(duì)比度邊緣的圖像會(huì)使人感覺(jué)更清晰。

Marziliano等人提出了一種圖像清晰度算法，在該算法中他們首先識(shí)別圖像垂直方向上的邊緣，然后通過(guò)檢測(cè)這些邊緣的寬度來(lái)計(jì)算圖像清晰度［4］。在Ong等人提出的算法中同時(shí)檢測(cè)圖像邊緣和圖像梯度方向，然后圖像的清晰度取決于圖像梯度方向和反方向的邊緣寬度的平均值［5］。

2）基于像素的算法

也有很多圖像清晰度算法利用圖像在空間域的特性而不涉及與圖像邊緣相關(guān)的假設(shè)。

Wee等人認(rèn)為一幅圖像的特征值包含這幅圖像最大方差方面的信息，從而用主導(dǎo)特征值來(lái)估計(jì)清晰度。他們首先計(jì)算圖像的協(xié)方差矩陣的特征值，然后將前幾個(gè)特征值作為圖像的清晰度指標(biāo)［6］。用類似的方法，Zhu和Milanfar根據(jù)圖像的梯度矩陣的奇異值分解來(lái)估計(jì)圖像清晰度。他們的觀點(diǎn)是，由于奇異值反映圖像沿主導(dǎo)方向和垂直方向的梯度強(qiáng)度，所以奇異值會(huì)敏感于圖像清晰度。因此，局部圖像梯度矩陣的奇異值可以用來(lái)估計(jì)圖像的清晰度［7］。

3）基于數(shù)學(xué)變換的算法

另一些算法利用圖像的譜域變換如離散余弦變換或散傅里葉變換來(lái)估計(jì)圖像清晰度。

Marichal等人將圖像分解為8×8的小塊，然后通過(guò)計(jì)算這些小塊的非零離散小波變換系數(shù)來(lái)計(jì)算圖像清晰度［8］。同樣利用離散小波變換，Caviedes和Gurbuz提出一種基于塊的算法，利用小波系數(shù)的峰值來(lái)計(jì)算圖像清晰度。該算法由每個(gè)小塊的邊緣輪廓的平均清晰度值得出整體圖像的清晰度［9］。

3.雙樹(shù)復(fù)小波變換

傳統(tǒng)的二維離散小波變換它的方向選擇性是十分有限的，在每一個(gè)尺度空間中只能被分解成三個(gè)方向的細(xì)節(jié)信息：即水平方向、垂直方向和斜方向，然而在某些特定的情況下，需要對(duì)圖像的某些方向上的紋理或邊界進(jìn)行增強(qiáng)，此時(shí)傳統(tǒng)的二維小波變換由于自身缺乏方向選擇性就無(wú)法滿足分析的需要。

為了克服二維離散小波方向選擇性差的缺點(diǎn)，1998年英國(guó)劍橋大學(xué)的Kingsbury等人提出了雙樹(shù)復(fù)小波變換（The Dual-Tree Complex Wavelet Transform，DTCWT），它是在復(fù)小波變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，不僅具有傳統(tǒng)小波變換的優(yōu)良特性還能夠更多地描述圖像的方向性信息。雙樹(shù)復(fù)小波變換是通過(guò)實(shí)數(shù)小波變換來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)小波變換，它將復(fù)小波的實(shí)部和虛部分離開(kāi)，通過(guò)兩組并行的實(shí)數(shù)濾波器組來(lái)獲取實(shí)部和虛部的小波變換系數(shù)［10］。

一維雙樹(shù)復(fù)小波變換的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)二維的圖像，可通過(guò)分離的濾波器內(nèi)積進(jìn)行變換。

圖1　雙樹(shù)復(fù)小波變換的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

雙樹(shù)復(fù)小波變換不僅保持了傳統(tǒng)的實(shí)小波變換多分辨率特性和時(shí)頻局部化的分析能力，而且具有更好的方向選擇性、平移不變性、有限的數(shù)據(jù)冗余和高效的計(jì)算效率。

4.基于雙樹(shù)復(fù)小波變換圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

Phong V.Vu提出了一種基于小波變換的圖像清晰度評(píng)價(jià)快速算法FISH。該算法首先將輸入圖像經(jīng)過(guò)一次三層離散小波分解，然后對(duì)離散小波的各子帶進(jìn)行對(duì)數(shù)能量計(jì)算，最后將這些對(duì)數(shù)能量進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到一個(gè)圖像清晰度值。在此基礎(chǔ)上Phong V. Vu又提出了基于圖像分割的FISHbb算法，F(xiàn)ISHbb通過(guò)計(jì)算分割后的圖像FISH值得到最終整幅圖像的清晰度值。

本文的算法是雙樹(shù)復(fù)小波變換在FISH和FISHbb算法基礎(chǔ)上的改進(jìn)。

對(duì)于一幅輸入灰度圖像，DTCWT FISH算法共含三個(gè)個(gè)步驟：

1）步驟一：雙樹(shù)離散小波變換計(jì)算：通過(guò)Cohen Daubechies Fauraue 9/7濾波器對(duì)輸入圖像進(jìn)行三層雙樹(shù)復(fù)小波變換，得到S15n，S45n，S75n，S-15n，S-45n，S-75n分別代表DTCWT第n層的±15°，±45°，±75°子帶的小波系數(shù)。

圖2　三層雙樹(shù)復(fù)小波變換

2）步驟二：計(jì)算每層離散小波變換的對(duì)數(shù)能量：由于較清晰的圖像包含更多的高頻分量。為利用這一結(jié)論，對(duì)每一層雙樹(shù)復(fù)小波變換子帶進(jìn)行對(duì)數(shù)能量計(jì)算，算法如下：

其中XY代表±15°，±45°或±75°，n代表雙樹(shù)復(fù)小波變換層數(shù)，San代表雙樹(shù)復(fù)小波變換第n層的±15°，±45°，±75°子帶的小波系數(shù)。Nn代表第n層小波系數(shù)個(gè)數(shù)，加1的目的是避免結(jié)果為負(fù)數(shù)。

然后計(jì)算每層雙樹(shù)復(fù)小波變換的總對(duì)數(shù)能量，算法如下：

其中a為比例系數(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到最佳結(jié)果為0.7。

3）步驟三：計(jì)算圖像清晰度值：將三層雙樹(shù)復(fù)小波變換對(duì)數(shù)能量結(jié)合起來(lái)得到圖像的總清晰度值，算法如下：

其中，F(xiàn)ISH代表圖像總清晰度值，數(shù)值越大代表圖像越清晰。n代表雙樹(shù)復(fù)小波變換層數(shù)，，其中較低的層數(shù)具有較高的權(quán)重。

FISH算法是針對(duì)整幅輸入圖像清晰度的算法，相對(duì)應(yīng)的雙樹(shù)復(fù)小波變換也可用于基于圖像分割的FISHbb算法，F(xiàn)ISHbb通過(guò)計(jì)算分割后的圖像FISH值得到最終整幅圖像的清晰度值。

在FISHbb算法中將圖像分割成多幅16×16的小塊圖像，在分割過(guò)程中相鄰的兩幅圖像間有50%的重疊，即橫向相鄰兩幅圖像中有8列重疊，縱向相鄰的兩幅圖像中有8行重疊，如圖2。然后將這些小塊圖像進(jìn)行三層離散小波變換，每層的子帶分別是8×8，4×4，和2×2的小塊，再將之前的FISH算法應(yīng)用于小塊圖像得到其圖像清晰度值。最后取這些值中最大的1%部分進(jìn)行計(jì)算得出整幅圖像的清晰度值，算法如下：

其中T代表最大的1%FISH值的個(gè)數(shù)，F(xiàn)ISHi中的i=1，2，3...，T代表最大的1%FISH值所代表的小塊圖像。取1%的原因是圖像的清晰度很大程度上取決于圖像最清晰部分的清晰度。

圖3

FISHbb中對(duì)圖像的分割示例，其中相鄰兩幅小塊圖像中有50%的部分重疊，圖中每小格代表4×4小塊圖像。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

S3算法是C.T. Vu提出的一種圖像清晰度算法［3］，該算法同時(shí)利用圖像的光譜和空間特性，C. T. Vu計(jì)算圖像幅度譜斜率和總空間變化的斜率。S3算法是一種相對(duì)精確的圖像清晰度評(píng)估算法，該算法同時(shí)利用圖像的光譜和空間特性，它并不單純依賴于對(duì)于圖像邊緣等特性，從而提高了其對(duì)于不同圖像的清晰度評(píng)估的準(zhǔn)確率。因此本文選取S3算法為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比快速算法的準(zhǔn)確率。

在實(shí)驗(yàn)中選取共49幅灰度圖像為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別用DWT FISH，DWT FISHbb，DTCWT FISH，DTCWT FISHbb（DWT FISH和DWT FISHbb為Phong V. Vu提出的原算法，DTCWT FISH和DTCWT FISHbb為本文提出的改進(jìn)算法）和S3共5種算法對(duì)這些圖像清晰度進(jìn)行評(píng)估。

以S3算法為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，DWT FISH，DWT FISHbb，DTCWT FISH和DTCWT FISHbb算法的圖像清晰度評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率如表1所示：

表1　以S3算法為標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)前后算法圖像清晰度評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率

由此結(jié)果可以看出：相較于基于DWT的原FISH和FISHbb算法，改進(jìn)后算法圖像清晰度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確率分別提高了4.09%和8.17%。

各算法平均每幅圖像處理時(shí)間如表2：

表2　算法平均處理時(shí)間比對(duì)

DWT FISH，DWT FISHbb，DTCWT FISH和DTCWT FISHbb算法的運(yùn)算速率要遠(yuǎn)快于S3算法。而DTCWT FISH和DTCWT FISHbb算法相較于DWT FISH，DWT FISHbb算法在提高了運(yùn)算準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上，雖然運(yùn)算速率有所降低，但相較于S3算法仍然是運(yùn)算速率很快的快速算法。

6.結(jié)論

本文的算法是基于雙樹(shù)復(fù)小波變換在FISH算法和FISHbb算法基礎(chǔ)上的改進(jìn)算法，算法首先將輸入圖像經(jīng)過(guò)一次三層雙樹(shù)復(fù)小波變換，然后對(duì)離散小波的各子帶進(jìn)行對(duì)數(shù)能量計(jì)算，最后將這些對(duì)數(shù)能量進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算得到一個(gè)圖像清晰度值。

該算法是一種圖像清晰度評(píng)價(jià)快速算法，延續(xù)了FISH和FISHbb的快速算法思路，相對(duì)于普通圖像清晰度評(píng)價(jià)算法，在運(yùn)算速率上有很大的提升，而通過(guò)利用雙樹(shù)復(fù)小波變換的對(duì)原算法進(jìn)行改進(jìn)，相較于之前的FISH和FISHbb算法在準(zhǔn)確率上又有一定的提高。

［1］李祚林，李曉輝，馬靈玲，胡玥，唐伶俐.面向無(wú)參考圖像的清晰度評(píng)價(jià)方法研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用：第26卷2期，2011年4月：239-246.

［2］Phong V.Vu and Damon M. Chandler，” A Fast Wavelet-Based Algorithm for Global and Local Image Sharpness Estimation，” IEEE Signal Processing Letters， 2012，19（7）：423-426

［3］C.T.Vu，T.D.Phan，and D.M.Chandler，“S3： A spectral and spatial measure of local perceived sharpness in natural images，” IEEE Transactions on Image Processing， vol. 21， no. 3， Mar 2012， pp. 87 –99.

［4］P. Marziliano，F(xiàn). Dufaux，S.Winkler， T. Ebrahimi， and G. Sa，“A no-reference perceptual blur metric，” in IEEE 2002 International Conference on Image Processing， 2002， pp. 57–60.

［5］E.Ong，W.Lin，Z.Lu，X.Yang，S.Yao，F(xiàn).Pan，L.Jiang， and F. Moschetti， “A no-reference quality metric for measuring image blur，” in Seventh International Symposium on Signal Processing and Its Applications， 2003， vol. 1， pp. 469–472.

［6］C. Y. Wee and R. Paramesran， “Image sharpness measure using eigenvalues，” in 9th International Conference on Signal Processing，ICSP.， 2008， pp. 840 –843.

［7］X.Zhu and P. Milanfar， “A no-reference sharpness metric sensitive to blur and noise，” in 1st International Workshop on Quality of Multimedia Experience （QoMEX）， 2009.

［8］X.Marichal，W.Y.Ma，and H.J.Zhang，“Blur determination in the compressed domain using dct information，”in IEEE International Conference on Image Processing， 1999， vol. 2， pp.386390.

［9］J.Caviedes and S.Gurbuz，“No-reference sharpness metric based on local edge kurtosis，”in IEEE International Conference Image Processing， 2002， vol.3，pp. III–53–III–56.

［10］石宏理，胡波.雙樹(shù)復(fù)小波變換及其應(yīng)用綜述［J］.信息與電子工程：第5卷3期，2007年6月：229-234.

鄒一帆（1990－），男，山西太原人，碩士，現(xiàn)就讀于蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：電子與通信工程。