基于构图美学的图像融合效果评价方法

倪辰怡/上海电机学院

基于构图美学的图像融合效果评价方法

倪辰怡/上海电机学院

图像融合算法的研究日趋成熟，但是研究图像融合技术的人员缺乏专业的美学方面知识，往往是随意地将对象融合入场景，只考虑融合算法的可行性，而忽视了画面的整体视觉效果。本文利用三种经典的构图规则，通过手动标记图像中的对象区域，计算其中心与能量点间的最短距离；再结合对象区域所占面积的比例，建立了本文的构图评价模型。

图像效果评价；对象与场景融合；构图；黄金分割

引言

图像的评价方法可分为主观方法和客观方法，其中主观方法虽然耗费时间和人力，但是它能得到最为准确的符合人眼视觉特性的结果。所以在图像评价的研究领域，目标就是需要找到与主观方法最匹配的客观评价方法。因为目前这个领域的评价方法还很不成熟，尤其是没有考虑到人眼的视觉特性。所以本文从艺术和计算美学上寻找突破口，将艺术与技术有机的结合，提出基于构图美学的对象与场景图像融合效果的评价方法。

1．构图美学理论

在艺术美学鉴赏中，构图有着极其重要的地位，一幅作品构图的好坏有时决定了这幅作品的整体艺术层次。在计算机图像处理中，美学构图也渐渐的被运用于图像合成、图像裁剪等方面以优化图像质量。

1.1 中心平衡规则

追求平衡稳定是人类基本的审美观念之一，而中心平衡的构图方法是将场景中的对象置于中心点周围的构图方法，能够突出重点对象，使观察者不自觉被中心对象吸引，给人们清晰、明确、直观的视觉体验。

1.2 黄金分割规则

在构图规则中，黄金分割法也是最具有美学价值的构图方法之一。定义了两条水平直线和两条垂直直线，分别位于图像上下左右四条边界长、宽的0.618处。打破了常规、单调的构图形式，使画面中对象与场景的分布更为灵活，形式丰富多样，而且具有特殊的美感。

1.3 三分构图规则

三分构图方法，也被叫做井子构图方法，它是黄金分割构图法的简化版，同样也是有两条平行线和两条垂直线组成。不同的是这四条直线将画面进行平分，平均分成9个尺寸相同的小矩形区域。

2．构图协调度评价模型

2.1 标记对象区域

本文选择最精确的交互式方法，对场景中的对象进行提取。这种方法虽然需要手工操作，相对比较繁琐。但通过用户的自由选择，能够得到最准确、最符合人眼视觉特性的对象区域。

2.2 能量点最短距离

构图规则规定对象区域分布于画面中心及能量点周围，则认定为是好的构图。那么本文就通过计算对象区域中心至画面中心及能量点的距离，来给每幅图像进行定量的评分。

这里使用曼哈顿距离来计算像素点之间的距离。二维平面中两点a(x1,y1)与b(x2,y2)间的曼哈顿距离可定义为：

归一化的曼哈顿距离为：

其中，w、h分别是图像的宽和高。

图1 各构图能量点位置

如图1，C为图像中心，H为黄金分割线相交所得的能量点，G为三分线的能量点。其中H和G有四个交点，那么分别计算，取最短的距离转化为构图分数。

根据构图规则，将距离转化为构图分数，文献1中给出了具体计算公式。

1）中心平衡规则，计算对象区域S中心平衡构图分数：

其中，d1为所有对象区域中心C(S)到画面中心C的距离，σ1取0.2。

2）黄金分割规则，计算对象区域S黄金分割构图分数：

其中，D2(S)为对象区域中心到四个能量点Hj的最短距离，σ2取0.17。

3）三分构图规则，计算对象区域S三分构图分数：

其中，D3(S)为对象区域中心到四个能量点Gj的最短距离，σ3取0.17。

最后，关于距离的综合评价分数：

通过实验结果以及人们对于构图形式的偏好程度综合考虑，这里取ω1=0.3，ω2=1，ω3=1。

2.3 对象区域面积比例

图像中对象区域所占的面积与其位置一样影响着构图的好坏，因为并不是所有的对象只要放在能量点上就一定是好的构图，对象的大小同样需要考虑。实验发现当对象区域面积占画面百分比为r1=0.1，r2=0.56，r3=0.82时，人眼对于整幅图像的视觉评价会比较好。

那么，定义对象区域面积评价分数：

其中，r（S）为标记对象的面积百分比，根据面积百分比，取τ1=0.07，τ2=0.2，τ3=0.16。

最后，结合对象区域的位置与面积信息，得到综合构图评价分数：

实验结果显示，当ω=0.08时，构图评价分数E与主观评价值最为接近。

3. 实验结果与分析

在本文的构图评价方法中，影响构图的因素取决于对象在画面中的位置与尺寸，所以可以选择相同场景，放置不同的对象在不同的位置，来进行分析比较。

图2中列举了9幅不同对象的融合图像，分别计算得到了对应的构图评价指标E以及测试了主观平均值S。

图2 构图评价模型测试

由实验数据可见，本文的构图指标与主观评价值在总体上，也有较好的一致性。除了6号图像以外，其余的主客观准确度平均能达到75%以上。

4．结论

观察一幅图像的构图结构是美学中分辨图像优劣的重要方法之一。根据经典的构图规则，提取场景中对象中心到能量点的距离作为构图评价指标，并结合对象在场景中所占面积的比例，建立了构图评价模型。

实验结果可见，构图评价指标有一定的适用范围，可以作为一种辅助的评价指标来增强对图像美学评价的准确度。

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