一種基于結(jié)構(gòu)相似性的圖像信號(hào)設(shè)計(jì)方法

明 軍, 靳二蘇, 楊 楊

(安徽大學(xué)計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥 230039)

一種基于結(jié)構(gòu)相似性的圖像信號(hào)設(shè)計(jì)方法

明 軍, 靳二蘇, 楊 楊

(安徽大學(xué)計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥 230039)

文章為了表征具有結(jié)構(gòu)相似性的數(shù)字圖像測(cè)試信號(hào),依據(jù)空間向量分解和合成原理,采用向量范數(shù)和夾角等參量,給出一種與空間結(jié)構(gòu)相似性相關(guān)的測(cè)試圖像設(shè)計(jì)方法,以及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該方法豐富了信號(hào)設(shè)計(jì)的類型,有利于結(jié)構(gòu)相似性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)的建立,以及結(jié)構(gòu)化圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的考察。

圖像空間;向量分解;相似性;信號(hào)設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著數(shù)字視頻系統(tǒng)的迅速發(fā)展,圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)重要性正在逐步顯露。目前,已有不少圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法被提出,主要包含基于視覺(jué)感知的、基于結(jié)構(gòu)化的、基于興趣的和基于信息的多種圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[1-4]。這些客觀評(píng)價(jià)方法的目的是希望逐步達(dá)到與主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Mean Opinion Score,簡(jiǎn)稱MOS)相一致的作用?；诮Y(jié)構(gòu)化的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將基于圖像像素的考察擴(kuò)展到圖像空間分析,具有與視覺(jué)感受相吻合的特性。為了進(jìn)一步考察結(jié)構(gòu)化圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法以及對(duì)應(yīng)空間向量的視覺(jué)感受,測(cè)試圖像的建立方法是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。以往黑白以及彩色測(cè)試圖像信號(hào)設(shè)計(jì)方法通常采用類比黑白信號(hào)的基色方式、亮度色差方式以及3要素方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[5-8],然而這些方法未能從結(jié)構(gòu)上考慮人眼的主觀視覺(jué)感受,因而限制了與主觀視覺(jué)相吻合的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的發(fā)展。

本文從圖像空間向量分解和合成的角度,分析了與圖像空間結(jié)構(gòu)相似性相關(guān)的測(cè)試圖像設(shè)計(jì)方法,該方法考慮了人眼的主觀視覺(jué)感受,為進(jìn)一步建立結(jié)構(gòu)化的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 空間向量及其分解方法

圖像空間中用向量s表示一幅圖像參數(shù),設(shè)圖像參數(shù)s為M×N圖像空間的一個(gè)向量,即

其中模長(zhǎng)為:

圖像空間2個(gè)向量的關(guān)系分析,如圖1所示。

圖1 2個(gè)向量關(guān)系示意圖

損傷圖像s1可以依據(jù)參考圖像s0,分解為水平和垂直 2個(gè)分量,即s1=、s1⊥,且3個(gè)分量圖像s1、s1= 、s1⊥有下述關(guān)系 :

圖2 3個(gè)向量關(guān)系示意圖

2 結(jié)構(gòu)相似性信號(hào)設(shè)計(jì)方法

空間結(jié)構(gòu)相似性測(cè)試信號(hào),一般采用基于參考圖像信號(hào)結(jié)構(gòu),依據(jù)誤差圖像參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由空間向量分解分析可知,關(guān)鍵的問(wèn)題是給出一個(gè)正交信號(hào)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際采用的步驟如下:

實(shí)際上產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)s d與參考圖像s0相似的概率幾乎為零,無(wú)關(guān)分量s d⊥采用上述方法設(shè)計(jì),主要是為了確保s d⊥不會(huì)包含與參考圖像相似的分量。此外,s d通常選擇白噪聲,有利于保證實(shí)驗(yàn)效果的一致性,以及模長(zhǎng)和夾角相同測(cè)試圖像的觀測(cè);sd⊥幅度概率分布的選擇,可以依據(jù)視覺(jué)分辨力的測(cè)試要求。對(duì)應(yīng)測(cè)試圖像相似分量的要求,取決于參考圖像的結(jié)構(gòu)分布的設(shè)計(jì)。

3 信號(hào)設(shè)計(jì)實(shí)例

上述數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,其中正交單位向量基于參考圖像s0產(chǎn)生,2個(gè)分量的模長(zhǎng)依據(jù)誤差參數(shù)模長(zhǎng)和相角要求控制,三者合成得到測(cè)試圖像。

圖3 測(cè)試圖像的產(chǎn)生框圖

圖4所示給出了基于參考圖像棋盤信號(hào)和誤差參數(shù)的測(cè)試圖像的示例,其中相似和無(wú)關(guān)的2個(gè)誤差分量圖像PSNR=23.18 dB,合成的誤差圖像PSNR=20.17 dB,可以清楚地考察水平和垂直2種誤差分量的視覺(jué)感受差異。

圖5所示為一組模長(zhǎng)相同且相位變化的lena女郎頭像標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖像,對(duì)應(yīng)誤差圖像PSNR均為 20.17 dB,夾角分別為 0°、22°、44°、66°、88°,用于考察夾角變化的圖像視覺(jué)感受。

圖4 測(cè)試圖像示例1

圖5 測(cè)試圖像示例2

圖5表明峰值信噪比不變的情況下,隨著夾角的增加,視覺(jué)感知的圖像質(zhì)量逐步下降。從而說(shuō)明信噪比不能準(zhǔn)確反映視覺(jué)感知效果,基于結(jié)構(gòu)相似性的信號(hào)設(shè)計(jì)方法為圖像質(zhì)量考察開拓了新的途徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從空間結(jié)構(gòu)相似性角度,給出了一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖像信號(hào)的設(shè)計(jì)方法,豐富了信號(hào)設(shè)計(jì)的類型,對(duì)結(jié)構(gòu)化圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)提供了新的考察手段,有助于新的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。

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An image signal designmethod based on structural sim ilarity

M ING Jun, JIN Er-su, YANG Yang

(Key Laboratory of Intelligent Com puting and Signal Processing of M inistry of Education,Anhui University,H efei230039,China)

Aiming at denoting the digital im age test signals whose structure are similar,and based on the p rinciples of decomposition and synthesis of image space vector,a test image designmethod in relation to the spatial structural sim ilarity is given by using the norm and angle parameters of vectors.And the corresponding design examp le and experimental results are also p resented.Thismethod enriches the typesof signal design,and it is conducive to the establishmentof standard test signals whose structure are similar and the research on the structuralized experimental evaluation o f image quality.

image space;vector decomposition;sim ilarity;signal design

TN911.73

A

1003-5060(2011)01-0062-03

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.015

2010-01-25;

2010-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60872162)

明 軍(1952-),男,江西南康人,安徽大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

(責(zé)任編輯 張秋娟)