本發(fā)明涉及圖像融合處理技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于小波變換的多聚焦圖像融合方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)實(shí)工作和生活中，可以獲取圖像的傳感器多種多樣，由于這些傳感器的自身特點(diǎn)和工作條件是不同的，它們獲取的圖像所包含的信息也是不同的。在不同的工作模式下或不同的工作時(shí)間，即使是同一傳感器獲取的圖像所包含的信息也是不同的。圖像融合就是運(yùn)用某種方法將這些來自同一場(chǎng)景的但又不完全相同的圖像融合為一張圖像。這樣，融合后的圖像可以包含更多的細(xì)節(jié)信息，從而能更準(zhǔn)確、全面、可靠地描述這一場(chǎng)景。

基于小波變換的圖像融合過程是先對(duì)待融合圖像進(jìn)行二維小波分解，分別得到一個(gè)低頻子帶和三個(gè)高頻子帶，然后運(yùn)用不同的融合方法對(duì)這四個(gè)子帶信息進(jìn)行處理，得到融合后的低頻和高頻子帶信息。最后，用二維小波反變換得到融合后的圖像，如圖1所示，其中，ll是圖像經(jīng)小波分解后的低頻子帶，lh、hl和hh是圖像經(jīng)小波分解后的三個(gè)方向的高頻子帶。

近年來，在多聚焦圖像的融合處理研究中，人們?cè)絹碓蕉嗟貞?yīng)用了小波變換的分析方法?；谛〔ㄗ儞Q的多聚焦圖像融合的實(shí)質(zhì)，是在融合圖像中保留下來源圖像聚焦區(qū)域內(nèi)的低頻和高頻信息，但傳統(tǒng)的融合方法沒有解決這一問題。尤其是在圖像的低頻子帶中，仍然保留了大量的非聚焦區(qū)域內(nèi)的低頻信息。這時(shí)由于傳統(tǒng)的融合方法通常是通過將兩幅待融合圖像的低頻子帶系數(shù)加權(quán)平均來確定融合圖像的低頻子帶系數(shù)，孤立地考慮低頻子帶和高頻子帶，忽視了低頻子帶和高頻子帶所包含的空間位置關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于小波變換的多聚焦圖像融合方法，該方法更加注重低頻子帶與高頻子帶之間像素點(diǎn)的空間位置關(guān)系，根據(jù)高頻子帶的融合結(jié)果，確定融合圖像的低頻子帶。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于小波變換的多聚焦圖像融合方法，包括以下順序的步驟：

(1)將兩幅待融合圖像進(jìn)行小波分解，得到各自的低頻子帶和三個(gè)方向的高頻子帶，即水平方向的高頻子帶、垂直方向的高頻子帶和對(duì)角線方向的高頻子帶；

(2)對(duì)兩幅待融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶進(jìn)行融合，初步確定融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)；

(3)根據(jù)初步確定的融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)的來源，最終確定融合圖像的低頻子帶系數(shù)和三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)；

(4)根據(jù)最終確定的融合圖像的低頻子帶系數(shù)和三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)進(jìn)行小波反變換，重構(gòu)得到融合圖像。

所述的基于小波變換的多聚焦圖像融合方法，所述步驟(2)中，具體選用平均梯度法初步確定融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)：

a、對(duì)于水平方向的高頻子帶，

其中，d¹(i，j)表示融合圖像的水平方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的水平方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的水平方向的高頻子帶中以位置(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均梯度；

b、對(duì)于垂直方向的高頻子帶，

其中，d²(i，j)表示融合圖像的垂直方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的垂直方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的垂直方向的高頻子帶中以位置(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均梯度；

c、對(duì)于對(duì)角線方向的高頻子帶，

其中，d³(i，j)表示融合圖像的對(duì)角線方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的對(duì)角線方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的對(duì)角線方向的高頻子帶中以位置(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均梯度。

所述的基于小波變換的多聚焦圖像融合方法，所述步驟(3)具體包括：

如果初步確定的融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶在某個(gè)相同位置處的系數(shù)有兩個(gè)以上來源于同一幅待融合圖像，則保留該幅待融合圖像的低頻子帶和高頻子帶在該位置處的全部系數(shù)作為融合圖像的低頻子帶和高頻子帶在該位置處的系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明根據(jù)融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶在各個(gè)相同位置處的系數(shù)的來源，確定融合圖像的低頻子帶在對(duì)應(yīng)位置處的系數(shù)，充分考慮了低頻子帶與高頻子帶所包含的空間位置關(guān)系；本發(fā)明提出的方法與傳統(tǒng)的圖像融合方法相比，具有計(jì)算所需的時(shí)間和空間資源小、圖像融合質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是基于小波變換的圖像融合過程圖；

圖2是本發(fā)明的方法流程圖；

圖3是實(shí)驗(yàn)用圖像，其中，圖3(a)為原始圖像，圖3(b)為左聚焦圖像，圖3(c)為右聚焦圖像；

圖4是小波分解一層融合結(jié)果與參考圖像殘差，其中，圖4(a)為本發(fā)明方法重構(gòu)圖像，圖4(b)為傳統(tǒng)方法一重構(gòu)圖像，圖4(c)為傳統(tǒng)方法二重構(gòu)圖像，圖4(d)為本發(fā)明方法圖像殘差，圖4(e)為傳統(tǒng)方法一圖像殘差，圖4(f)為傳統(tǒng)方法二圖像殘差；

圖5是小波分解二層融合結(jié)果與參考圖像殘差，其中，圖5(a)為本發(fā)明方法重構(gòu)圖像，圖5(b)為傳統(tǒng)方法一重構(gòu)圖像，圖5(c)為傳統(tǒng)方法二重構(gòu)圖像，圖5(d)為本發(fā)明方法圖像殘差，圖5(e)為傳統(tǒng)方法一圖像殘差，圖5(f)為傳統(tǒng)方法二圖像殘差；

圖6是小波分解四層融合結(jié)果及擾動(dòng)現(xiàn)象，其中，圖6(a)為本發(fā)明方法重構(gòu)圖像，圖6(b)為傳統(tǒng)方法一重構(gòu)圖像，圖6(c)為傳統(tǒng)方法二重構(gòu)圖像，圖6(d)為本發(fā)明方法產(chǎn)生的擾動(dòng)現(xiàn)象，圖6(e)為傳統(tǒng)方法一產(chǎn)生的擾動(dòng)現(xiàn)象，圖6(f)為傳統(tǒng)方法二產(chǎn)生的擾動(dòng)現(xiàn)象。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖2所示，一種基于小波變換的多聚焦圖像融合方法，包括以下順序的步驟：

s1、將待融合圖像a和b進(jìn)行小波分解，共得到兩個(gè)低頻子帶和六個(gè)高頻子帶(水平方向、垂直方向、對(duì)角線方向)。

s2、分別對(duì)待融合圖像a和b的三個(gè)方向的高頻子帶進(jìn)行融合，選用平均梯度法初步確定融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶在各個(gè)位置處的系數(shù)：

a、對(duì)于水平方向的高頻子帶，

其中，d¹(i，j)表示融合圖像的水平方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的水平方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的水平方向的高頻子帶中以位置(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均梯度；

b、對(duì)于垂直方向的高頻子帶，

其中，d²(i，j)表示融合圖像的垂直方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的垂直方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的垂直方向的高頻子帶中以位置(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均梯度；

c、對(duì)于對(duì)角線方向的高頻子帶，

其中，d³(i，j)表示融合圖像的對(duì)角線方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的對(duì)角線方向的高頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，分別表示待融合圖像a和b的對(duì)角線方向的高頻子帶中以位置(i，j)為中心的鄰域內(nèi)的平均梯度。

基于區(qū)域的局部平均梯度準(zhǔn)則能夠很好地保留圖像的高頻子帶的有用信息，因此，本發(fā)明選用局部平均梯度準(zhǔn)則來初步確定融合圖像的高頻子帶系數(shù)。

平均梯度的定義如下：

其中，ag表示圖像中以像素點(diǎn)(i，j)為中心的大小為m×n的鄰域內(nèi)所有像素的平均梯度，分別表示x和y方向上的差分。

s3、根據(jù)初步確定的融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)的來源，最終確定融合圖像的低頻子帶系數(shù)和三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)；

通過步驟s2的計(jì)算，初步得到了融合圖像的三個(gè)方向的高頻子帶系數(shù)，對(duì)于某個(gè)位置(i，j)，如果該位置處的三個(gè)高頻子帶系數(shù)中有兩個(gè)或以上來源于待融合圖像a(或b)，那么，就要保留待融合圖像a(或b)的低頻子帶和三個(gè)方向的高頻子帶在該位置處的全部系數(shù)作為融合圖像的低頻子帶和高頻子帶在該位置處的系數(shù)，如下所示：

a、若且

則有：c(i，j)＝ca(i，j)；

b、若且

則有：c(i，j)＝cb(i，j)；

c、若且

則c(i，j)＝ca(i，j)；

d、若且

則有：c(i，j)＝cb(i，j)；

e、若且

則有：c(i，j)＝ca(i，j)；

f、若且

則有：c(i，j)＝cb(i，j)；

其中，c(i，j)表示融合圖像的低頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，ca(i，j)、cb(i，j)分別表示待融合圖像a和b的低頻子帶在位置(i，j)處的系數(shù)，d¹(i，j)、d²(i，j)、的釋義同步驟s2。

s4、采用上述融合方法，最終得到融合圖像的一個(gè)低頻子帶和三個(gè)方向的高頻子帶的全部信息，根據(jù)這些信息進(jìn)行小波反變換，重構(gòu)得到融合圖像。

設(shè)計(jì)融合方法的最終目的是在融合圖像中盡可能多地保留下來源圖像中聚焦區(qū)域內(nèi)的信息。因此，本發(fā)明的核心思想是，在確定了高頻子帶某一位置處的系數(shù)時(shí)，就相應(yīng)地確定了低頻子帶中對(duì)應(yīng)位置處的系數(shù)，因?yàn)?，?duì)于多聚焦圖像融合來說，確定高頻子帶某一位置處的系數(shù)時(shí)，該位置對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)就必然處于源圖像中相對(duì)清晰的區(qū)域中，那么該位置在低頻子帶中的信息也是應(yīng)該保留的。

下面通過圖像融合實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本發(fā)明的有效性和優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)中采用的是灰度圖像，離散小波選用haar小波函數(shù)。實(shí)驗(yàn)的過程是分別使用傳統(tǒng)的融合方法以及本發(fā)明提出的融合方法進(jìn)行圖像融合實(shí)驗(yàn)，然后用主觀和客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)中采用的圖像尺寸為480×320，如圖3所示。小波分解層數(shù)為四層。

分別用本發(fā)明提出的圖像融合方法和兩種傳統(tǒng)圖像融合方法對(duì)左聚焦圖像和右聚焦圖像進(jìn)行融合實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行小波分解一層的融合，其中，傳統(tǒng)方法一中融合后的高頻子帶系數(shù)采用平均梯度法來確定，低頻子帶系數(shù)取兩幅輸入圖像低頻子帶系數(shù)的平均值；傳統(tǒng)方法二中融合后的高頻子帶系數(shù)由兩幅輸入圖像高頻子帶系數(shù)絕對(duì)值取大法來確定，低頻子帶系數(shù)取兩幅輸入圖像低頻子帶系數(shù)的平均值。為了能夠主觀上更清晰地區(qū)分不同方法的融合結(jié)果，將三種方法的融合結(jié)果與參考圖像相減，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看到，左側(cè)殘差圖像中的邊緣以及表盤上的數(shù)字都比較模糊。也就是說，與兩種傳統(tǒng)方法相比，采用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行圖像融合的結(jié)果與參考圖像是最接近的。更精確的計(jì)算結(jié)果也印證了這個(gè)結(jié)論，如表1所示。

表1圖像小波分解一層融合結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

從表1中可以看出，采用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行的圖像融合，它的均方誤差、峰值信噪比和歸一化積相關(guān)三項(xiàng)指標(biāo)都明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行的圖像融合。

接著，繼續(xù)進(jìn)行小波分解二層融合實(shí)驗(yàn)，融合結(jié)果以及與參考圖像的殘差如圖5所示。

從圖5中可以看出，二層小波分解的圖像融合結(jié)果中，本發(fā)明提出的方法仍然優(yōu)于采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行的圖像融合。精確的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果也印證了這個(gè)結(jié)論，如表2所示。

表2圖像小波分解二層融合結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

繼續(xù)對(duì)圖像小波分解到三層和四層，并分別進(jìn)行圖像融合實(shí)驗(yàn)，融合圖像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表3和表4所示。

表3圖像小波分解三層融合結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

表4圖像小波分解四層融合結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行圖像融合時(shí)，其小波分解一層的圖像融合結(jié)果，采用傳統(tǒng)方法需要分解到第四層，才能基本達(dá)到同樣的融合效果。

但是，從主觀評(píng)價(jià)上來看，小波分解到第四層時(shí)，采用傳統(tǒng)的圖像融合方法，融合圖像中的邊緣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的擾動(dòng)現(xiàn)象。這種擾動(dòng)現(xiàn)象是由于在選擇高頻子帶系數(shù)和低頻子帶系數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差造成的。而采用本發(fā)明提出的方法，可以明顯減少這種擾動(dòng)現(xiàn)象。圖6是小波分解到第四層時(shí)，采用不同融合方法的融合結(jié)果以及不同方法產(chǎn)生的擾動(dòng)現(xiàn)象。

從以上的客觀和主觀評(píng)價(jià)可以看出，本發(fā)明提出的方法可以明顯減少計(jì)算所需要的時(shí)間和空間資源，同時(shí)融合圖像的質(zhì)量比傳統(tǒng)方法有很大的優(yōu)勢(shì)。在使用其它的圖像進(jìn)行多聚焦融合實(shí)驗(yàn)時(shí)，也可以得出與本次實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果，證明了本發(fā)明所提出的融合方法是有效的，相比傳統(tǒng)方法有很大的優(yōu)勢(shì)。

以上所述實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。