倪辰怡/上海電機學(xué)院

基于構(gòu)圖美學(xué)的圖像融合效果評價方法

倪辰怡/上海電機學(xué)院

圖像融合算法的研究日趨成熟，但是研究圖像融合技術(shù)的人員缺乏專業(yè)的美學(xué)方面知識，往往是隨意地將對象融合入場景，只考慮融合算法的可行性，而忽視了畫面的整體視覺效果。本文利用三種經(jīng)典的構(gòu)圖規(guī)則，通過手動標(biāo)記圖像中的對象區(qū)域，計算其中心與能量點間的最短距離；再結(jié)合對象區(qū)域所占面積的比例，建立了本文的構(gòu)圖評價模型。

圖像效果評價；對象與場景融合；構(gòu)圖；黃金分割

引言

圖像的評價方法可分為主觀方法和客觀方法，其中主觀方法雖然耗費時間和人力，但是它能得到最為準(zhǔn)確的符合人眼視覺特性的結(jié)果。所以在圖像評價的研究領(lǐng)域，目標(biāo)就是需要找到與主觀方法最匹配的客觀評價方法。因為目前這個領(lǐng)域的評價方法還很不成熟，尤其是沒有考慮到人眼的視覺特性。所以本文從藝術(shù)和計算美學(xué)上尋找突破口，將藝術(shù)與技術(shù)有機的結(jié)合，提出基于構(gòu)圖美學(xué)的對象與場景圖像融合效果的評價方法。

1．構(gòu)圖美學(xué)理論

在藝術(shù)美學(xué)鑒賞中，構(gòu)圖有著極其重要的地位，一幅作品構(gòu)圖的好壞有時決定了這幅作品的整體藝術(shù)層次。在計算機圖像處理中，美學(xué)構(gòu)圖也漸漸的被運用于圖像合成、圖像裁剪等方面以優(yōu)化圖像質(zhì)量。

1.1 中心平衡規(guī)則

追求平衡穩(wěn)定是人類基本的審美觀念之一，而中心平衡的構(gòu)圖方法是將場景中的對象置于中心點周圍的構(gòu)圖方法，能夠突出重點對象，使觀察者不自覺被中心對象吸引，給人們清晰、明確、直觀的視覺體驗。

1.2 黃金分割規(guī)則

在構(gòu)圖規(guī)則中，黃金分割法也是最具有美學(xué)價值的構(gòu)圖方法之一。定義了兩條水平直線和兩條垂直直線，分別位于圖像上下左右四條邊界長、寬的0.618處。打破了常規(guī)、單調(diào)的構(gòu)圖形式，使畫面中對象與場景的分布更為靈活，形式豐富多樣，而且具有特殊的美感。

1.3 三分構(gòu)圖規(guī)則

三分構(gòu)圖方法，也被叫做井子構(gòu)圖方法，它是黃金分割構(gòu)圖法的簡化版，同樣也是有兩條平行線和兩條垂直線組成。不同的是這四條直線將畫面進行平分，平均分成9個尺寸相同的小矩形區(qū)域。

2．構(gòu)圖協(xié)調(diào)度評價模型

2.1 標(biāo)記對象區(qū)域

本文選擇最精確的交互式方法，對場景中的對象進行提取。這種方法雖然需要手工操作，相對比較繁瑣。但通過用戶的自由選擇，能夠得到最準(zhǔn)確、最符合人眼視覺特性的對象區(qū)域。

2.2 能量點最短距離

構(gòu)圖規(guī)則規(guī)定對象區(qū)域分布于畫面中心及能量點周圍，則認(rèn)定為是好的構(gòu)圖。那么本文就通過計算對象區(qū)域中心至畫面中心及能量點的距離，來給每幅圖像進行定量的評分。

這里使用曼哈頓距離來計算像素點之間的距離。二維平面中兩點a(x1,y1)與b(x2,y2)間的曼哈頓距離可定義為：

歸一化的曼哈頓距離為：

其中，w、h分別是圖像的寬和高。

圖1 各構(gòu)圖能量點位置

如圖1，C為圖像中心，H為黃金分割線相交所得的能量點，G為三分線的能量點。其中H和G有四個交點，那么分別計算，取最短的距離轉(zhuǎn)化為構(gòu)圖分?jǐn)?shù)。

根據(jù)構(gòu)圖規(guī)則，將距離轉(zhuǎn)化為構(gòu)圖分?jǐn)?shù)，文獻1中給出了具體計算公式。

1）中心平衡規(guī)則，計算對象區(qū)域S中心平衡構(gòu)圖分?jǐn)?shù)：

其中，d1為所有對象區(qū)域中心C(S)到畫面中心C的距離，σ1取0.2。

2）黃金分割規(guī)則，計算對象區(qū)域S黃金分割構(gòu)圖分?jǐn)?shù)：

其中，D2(S)為對象區(qū)域中心到四個能量點Hj的最短距離，σ2取0.17。

3）三分構(gòu)圖規(guī)則，計算對象區(qū)域S三分構(gòu)圖分?jǐn)?shù)：

其中，D3(S)為對象區(qū)域中心到四個能量點Gj的最短距離，σ3取0.17。

最后，關(guān)于距離的綜合評價分?jǐn)?shù)：

通過實驗結(jié)果以及人們對于構(gòu)圖形式的偏好程度綜合考慮，這里取ω1=0.3，ω2=1，ω3=1。

2.3 對象區(qū)域面積比例

圖像中對象區(qū)域所占的面積與其位置一樣影響著構(gòu)圖的好壞，因為并不是所有的對象只要放在能量點上就一定是好的構(gòu)圖，對象的大小同樣需要考慮。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)對象區(qū)域面積占畫面百分比為r1=0.1，r2=0.56，r3=0.82時，人眼對于整幅圖像的視覺評價會比較好。

那么，定義對象區(qū)域面積評價分?jǐn)?shù)：

其中，r（S）為標(biāo)記對象的面積百分比，根據(jù)面積百分比，取τ1=0.07，τ2=0.2，τ3=0.16。

最后，結(jié)合對象區(qū)域的位置與面積信息，得到綜合構(gòu)圖評價分?jǐn)?shù)：

實驗結(jié)果顯示，當(dāng)ω=0.08時，構(gòu)圖評價分?jǐn)?shù)E與主觀評價值最為接近。

3. 實驗結(jié)果與分析

在本文的構(gòu)圖評價方法中，影響構(gòu)圖的因素取決于對象在畫面中的位置與尺寸，所以可以選擇相同場景，放置不同的對象在不同的位置，來進行分析比較。

圖2中列舉了9幅不同對象的融合圖像，分別計算得到了對應(yīng)的構(gòu)圖評價指標(biāo)E以及測試了主觀平均值S。

圖2 構(gòu)圖評價模型測試

由實驗數(shù)據(jù)可見，本文的構(gòu)圖指標(biāo)與主觀評價值在總體上，也有較好的一致性。除了6號圖像以外，其余的主客觀準(zhǔn)確度平均能達到75%以上。

4．結(jié)論

觀察一幅圖像的構(gòu)圖結(jié)構(gòu)是美學(xué)中分辨圖像優(yōu)劣的重要方法之一。根據(jù)經(jīng)典的構(gòu)圖規(guī)則，提取場景中對象中心到能量點的距離作為構(gòu)圖評價指標(biāo)，并結(jié)合對象在場景中所占面積的比例，建立了構(gòu)圖評價模型。

實驗結(jié)果可見，構(gòu)圖評價指標(biāo)有一定的適用范圍，可以作為一種輔助的評價指標(biāo)來增強對圖像美學(xué)評價的準(zhǔn)確度。

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