王怡影,柴豆豆,范程華,王娟娟
(合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)
近年來,隨著數(shù)字技術(shù)和多媒體傳輸?shù)陌l(fā)展,對圖像質(zhì)量的要求也越來越高。在圖像處理領(lǐng)域中,圖像質(zhì)量評價方法有著至關(guān)重要的作用。圖像質(zhì)量評價方法主要可以分為客觀評價方法[1]和主觀評價方法[2]。并在此基礎(chǔ)上,逐漸涌現(xiàn)出一些新的圖像質(zhì)量評價方法。其中,基于結(jié)構(gòu)化的圖像質(zhì)量評價方法[3-5]主要是對圖像的空間結(jié)構(gòu)分析。這就需要對圖像的空間向量進(jìn)行分解[6-7]。一般情況下,需要選擇一個圖像作為標(biāo)準(zhǔn)圖像,并將需要分析的圖像進(jìn)行分解,得到無關(guān)分量和相關(guān)分量。由于無關(guān)分量和標(biāo)準(zhǔn)圖像在結(jié)構(gòu)上是無關(guān)的,可以通過無關(guān)分量完成對圖像質(zhì)量的考察,本文將無關(guān)分量和掩蓋效應(yīng)[8-10]結(jié)合對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。這種方法忽略了相關(guān)分量,由于相關(guān)分量和標(biāo)準(zhǔn)圖像在結(jié)構(gòu)上是相似的,本文將相關(guān)分量和標(biāo)準(zhǔn)圖像結(jié)合,并通過掩蓋效應(yīng),建立了一種圖像質(zhì)量評價方法,進(jìn)一步考察相關(guān)分量對圖像質(zhì)量評價的影響。
在M×N圖像空間中,用其中的一個向量s表示一幅圖像參數(shù),即s=其中模長‖s‖=均值μ=方差σ2=它們之間的關(guān)系為 ‖s‖2=MN(σ2+μ2)。
假設(shè)S0和Se分別為標(biāo)準(zhǔn)圖像和誤差圖像的一個向量,根據(jù)圖1所示的方法對誤差圖像Se進(jìn)行分解,得到相關(guān)分量Se=和無關(guān)分量Se⊥。其中,相關(guān)分量是與參考圖像平行的分量,它與標(biāo)準(zhǔn)圖像的夾角為0°,在結(jié)構(gòu)上具有相似性。無關(guān)分量與標(biāo)準(zhǔn)圖像的夾角為90°,與標(biāo)準(zhǔn)圖像在結(jié)構(gòu)上是無關(guān)的。具體分解步驟如下:
圖1 兩個向量關(guān)系示意圖
2.1 計算標(biāo)準(zhǔn)圖像S0和誤差圖像Se之間的空間余弦夾角為cosθ=。
2.2 計算誤差圖像的相關(guān)分量Se=和無關(guān)分量Se⊥:Se==‖Se‖cosθ,Se⊥=Se-Se=。
在對空間相似分解的研究中發(fā)現(xiàn),相關(guān)分量和無關(guān)分量給人的視覺感受是完全不同的。如圖2所示,對圖像進(jìn)行測試。相關(guān)分量(平行分量)和無關(guān)分量(垂直分量)的PSNR=18.66dB,但其視覺感受完全不同。
圖2 相關(guān)分量和無關(guān)分量的比較結(jié)果
為了進(jìn)一步考察空間相似分解對圖像質(zhì)量的影響,本文給出了兩種評價方法,一種是對誤差圖像分解,將相關(guān)分量加入到標(biāo)準(zhǔn)圖像中得到合成圖像,通過實驗測量出合成圖像的掩蓋閾值,計算無關(guān)分量和掩蓋閾值的失真度,完成參數(shù)計算。一種是僅僅考察無關(guān)分量,結(jié)合掩蓋閾值完成圖像評價。圖3給出了結(jié)合相關(guān)分量的圖像質(zhì)量評價方法實驗結(jié)構(gòu)框圖。圖4給出了考慮無關(guān)分量的圖像質(zhì)量評價方法實驗結(jié)構(gòu)框圖。
下面給出了結(jié)合相關(guān)分量的圖像質(zhì)量評價方法的具體步驟,如下所示:
3.1 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖像S0和損傷圖像S1計算誤差圖像Se,Se=S1-S0。根據(jù)空間向量相似分解,計算誤差圖像Se相對于標(biāo)準(zhǔn)圖像的S0相關(guān)分量Se=和無關(guān)分量Se⊥。
3.2 將誤差圖像相關(guān)分量Se=和標(biāo)準(zhǔn)圖像S0疊加得到合成圖像S+。
3.3 測量發(fā)生掩蓋效應(yīng)后人眼所能觀察到的最小亮度變化ΔLmin。
通過實驗可以測量出圖像灰度級對應(yīng)的掩蓋閾值,測量結(jié)果如表1所示。
表1 相對靈敏度閾值
3.4 計算失真度Sd(i,j)。
3.5 計算感知均方誤差SMSE和感知峰值信噪比SPSNR,即SMSE=SPSNR=10lg
實驗分為三個部分:實驗1通過與傳統(tǒng)的客觀質(zhì)量評價方法中的均方誤差 MSE=、峰值信噪比PSNR=10log進(jìn)行比較,來說明本文方法的準(zhǔn)確性;實驗2與基于空間相似性的圖像質(zhì)量評價方法進(jìn)行比較,體現(xiàn)出空間相似性和掩蓋效應(yīng)結(jié)合后的效果;實驗3對空間相似分解中的相關(guān)分量和無關(guān)分量進(jìn)行分析。
實驗1,實驗中選取了多組不同的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行測試。通過改變空間向量夾角,用于考察空間向量夾角變化對圖像質(zhì)量的影響。表2為空間夾角變化測試結(jié)果??梢钥闯觯S著夾角的增加,圖像質(zhì)量逐漸變差。表3中傳統(tǒng)的客觀評價方法不能體現(xiàn)這一變化,與人眼主觀感受不符。本文方法與人眼主觀感受一致。
圖3 結(jié)合相關(guān)分量的圖像質(zhì)量評價方法
圖4 考慮無關(guān)分量的圖像質(zhì)量評價方法
表2 空間夾角變化測試結(jié)果
實驗2,通過本文模型計算得出的結(jié)果,與兩個向量無關(guān)分量客觀評價方法得出的實驗結(jié)果相比,當(dāng)空間夾角為0°時,損傷圖像和誤差圖像幾乎一樣,峰值信噪比越高越好,效果有所提高。
實驗3,在把相關(guān)分量忽略掉的情況下,僅僅對無關(guān)分量進(jìn)行計算時,得出的結(jié)果如表3,這兩種方法對圖像質(zhì)量的評價結(jié)果幾乎相同。說明了無關(guān)分量與標(biāo)準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不相關(guān),是視覺感知的基本來源。相關(guān)分量與標(biāo)準(zhǔn)圖像結(jié)構(gòu)相同,依據(jù)韋勃-費(fèi)赫涅耳定律,是不會對人眼產(chǎn)生新的視覺變化。
表3 實驗結(jié)果
傳統(tǒng)的客觀圖像質(zhì)量評價方法只能反映模長的變化,不能區(qū)分空間夾角的變化。在對空間向量分解模型研究中發(fā)現(xiàn),人眼的視覺感知的基本來源是無關(guān)分量,它對圖像質(zhì)量的評價至關(guān)重要。相關(guān)分量與標(biāo)準(zhǔn)圖像結(jié)構(gòu)相同,不會對圖像質(zhì)量進(jìn)行影響。實驗結(jié)果表明,本文提出的圖像質(zhì)量評價結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的客觀評價方法MSE、PSNR。與掩蓋效應(yīng)的結(jié)合,更加貼近人眼視覺感受,對圖像質(zhì)量評價工作有一定的幫助。
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