孫昕

摘 要

對(duì)于圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)一般分為客觀和主觀兩種。主觀評(píng)價(jià)法以人對(duì)圖像的主觀印象為標(biāo)準(zhǔn)，目前HVS模型在被廣泛應(yīng)用在圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域，而該模型中的掩蓋效應(yīng)更是被許多學(xué)者關(guān)注。本文則主要圍繞掩蓋效應(yīng)與空間相似性來提出一種圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

【關(guān)鍵詞】掩蓋效應(yīng) 圖像質(zhì)量 空間相似性

現(xiàn)在人們知道在進(jìn)行圖像的采集傳輸存儲(chǔ)等過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)圖像的質(zhì)量下降和失真的情況，而這對(duì)人們?cè)谏钸€是研究上都會(huì)帶來一定的困擾。所以對(duì)于圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。目前由于人類視覺系統(tǒng)HVS在該方面的良好特性，作為該模型重點(diǎn)的掩蓋效應(yīng)更是知道重點(diǎn)研究，本文將其和空間相似性結(jié)合來做圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1 視覺感知和多通道分解

1.1 視覺感知

對(duì)于視覺感知來說，人眼對(duì)視覺的感知并不與進(jìn)入人眼光線的強(qiáng)度成正比，而是非線性的一種感知。在實(shí)踐過程中，當(dāng)物體剛剛有微弱的光時(shí)，人是看不到的，而當(dāng)光的強(qiáng)度逐漸增加時(shí)人才慢慢看到，同時(shí)可以感受到光在逐漸增加，但是當(dāng)光強(qiáng)到一定程度時(shí)，人又無法分辨出光強(qiáng)的大小。

1.2 多通道分解

在實(shí)踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于入射到人眼中的圖像，它會(huì)按照不同的頻率而分成不同的模塊，而人眼也會(huì)因?yàn)轭l率不同，對(duì)其的感知能力也會(huì)不同。一般來說，人對(duì)圖像中頻率比較高的信息和低的信息的感受都不是很敏感，而往往是中間段的信息感受的更加真切，敏銳，這也是為什么中頻段構(gòu)成了視覺中的主畫面。按照這個(gè)原理我們可以構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來模擬這一過程。

2 掩蓋效應(yīng)的定義

對(duì)于HVS（Human Visual System）模型來說，它一般有視覺感知，多通道分解和掩蓋效應(yīng)三個(gè)部分。在我們進(jìn)行圖像的數(shù)字處理時(shí)，對(duì)于掩蓋效應(yīng)是我們必須要重視和研究的。通常來說掩蓋效應(yīng)就是指，某個(gè)信號(hào)的存在會(huì)致使人眼對(duì)另外的某些信號(hào)無法察覺或者不容易察覺，也就是該信號(hào)將其他一些信號(hào)掩蓋住了。通常我們還可以根據(jù)掩蓋發(fā)生的時(shí)間和位置，將其分為空間域掩蓋效應(yīng)和時(shí)間域掩蓋效應(yīng)。

3 空間相似性

對(duì)于空間的相似性來說，一般有結(jié)構(gòu)相似和形態(tài)相似兩種。其中形態(tài)相似是一般是指細(xì)節(jié)等局部地方的相似，在對(duì)于形態(tài)相似這方面的分析上，我們一般可以又有參數(shù)分析和和契合度分析兩種方法。下面將就空間相似性中一些重要的參數(shù)做闡述：

3.1 空間相關(guān)性

對(duì)于空間相關(guān)性來說，顧名思義就是指圖像信息在空間上的相關(guān)度。假設(shè)存在圖像X和圖像Y，為了求其相關(guān)性，一般我們會(huì)先求出各種圖像信息的方差即DX和DY，然后再計(jì)算兩個(gè)圖像之間的協(xié)方差即cov（X，Y）。然后再以如下公式計(jì)算對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行度量：

3.2 角度相似性

假設(shè)在某個(gè)空間內(nèi)存在圖像X和圖像Y，利用空間幾何的知識(shí)來計(jì)算其余弦夾角，則其計(jì)算公式為：

從上式中我們可以知道，如果要圖像在空間角度上的相似度越高，就必須S（X，Y）的值越大，而這也就要求兩個(gè)圖像X和Y之間更加相似。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來說，一般圖像在空間上的相似性來說，極大程度上取決于角度相似性和空間相關(guān)性，只要這兩個(gè)的相關(guān)性越好，那么圖像的質(zhì)量，失真及相關(guān)性也就越好。

4 基于掩蓋效應(yīng)空間相似性的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

4.1 數(shù)學(xué)模型

本文這次需要闡述的對(duì)圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種方法，該方法按照將采集到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比來求出之間的差別，再計(jì)算出無關(guān)分量，然后通過設(shè)定掩蓋閾值來計(jì)算可以感知到的最小亮度的變化，最后計(jì)算圖像的失真度并帶入?yún)?shù)反復(fù)計(jì)算。一般在進(jìn)行計(jì)算時(shí)的步驟如下：

（1）假設(shè)已經(jīng)知道圖像s0為標(biāo)準(zhǔn)的，圖像s1為采集得到的，然后通過將兩個(gè)圖像進(jìn)行相減來得到其誤差圖像se=s1-s0，然后我們?cè)倮檬剑é虨閳D像的背景均值），就可以知道和。

（2）對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分解，我們就知道了，相關(guān)分量及無關(guān)分量，可以表示為

，，

且。

（3）通過下式來計(jì)算掩蓋閾值CT（i，j）：

（3）

（4）通過下式來計(jì)算當(dāng)掩蓋效應(yīng)出現(xiàn)后人眼可以感知到的最小亮度變化△Lmin：

（4）

（5）計(jì)算出的圖像誤差值與標(biāo)準(zhǔn)圖像的失真度sd（i，j）：

（5）

（6）最后計(jì)算圖像評(píng)價(jià)中常用的參數(shù)SPSNR和SMSE：

（6）

（7）

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)為了能夠更好的驗(yàn)證本文提出的算法的效果，除了用本文所述方法做了圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)以外，還采用了兩種傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)算法來對(duì)圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。在本次實(shí)驗(yàn)中選取了一組空間夾角分別：0°，30°，60°，90°的圖片來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以下為其實(shí)驗(yàn)效果：傳統(tǒng)客觀法均方差分別為：12.23%，15.24%，17.44%，15.64%，信噪比分別為：26.33dB，26.31dB，24.37dB，27.41 dB；空間相似性法均方差分別為：1.37%，6.3%，8.34%，10.24%，信噪比分別為：122.33dB，36.51dB，27.87dB，30.41dB；本文方法均方差分別為：0.31%，3.13%，5.31%，6.24%，信噪比分別為：321.33dB，65.51dB，39.87dB，37.41dB；從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中我們可以發(fā)現(xiàn)，采集到的圖像信號(hào)是會(huì)隨著夾角度的改變而發(fā)生改變的，這給我們?nèi)说闹饔^感受也不一樣，一般來說，其角度相差越大給人的感受就越差。通過上面的均方差和信噪比的值我們可以知道，本文提出的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)方法比較具有非常大的優(yōu)勢(shì)，無論均方差還是信噪比都具有較大改善，極大的增強(qiáng)了人眼的感官能力。

5 總結(jié)

總的來說，本文在此針對(duì)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)提出了一種新的方法，依托掩蓋效應(yīng)和空間相似性來建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型從而得出計(jì)算結(jié)果，并且還給出了兩種傳統(tǒng)的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，我們發(fā)現(xiàn)本文的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法要更加好點(diǎn)。

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作者單位

同濟(jì)大學(xué) 上海市 200000