基于掩蓋效應(yīng)空間相似性的圖像質(zhì)量評價方法

孫昕

摘 要

對于圖像質(zhì)量的評價一般分為客觀和主觀兩種。主觀評價法以人對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)量評價領(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)量評價方法。

【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等過程中不可避免的會出現(xiàn)圖像的質(zhì)量下降和失真的情況，而這對人們在生活還是研究上都會帶來一定的困擾。所以對于圖像質(zhì)量的評價系統(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)量評價。

1 視覺感知和多通道分解

1.1 視覺感知

對于視覺感知來說，人眼對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，人是看不到的，而當(dāng)光的強(qiáng)度逐漸增加時人才慢慢看到，同時可以感受到光在逐漸增加，但是當(dāng)光強(qiáng)到一定程度時，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)對于入射到人眼中的圖像，它會按照不同的頻率而分成不同的模塊，而人眼也會因?yàn)轭l率不同，對其的感知能力也會不同。一般來說，人對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)三個部分。在我們進(jìn)行圖像的數(shù)字處理時，對于掩蓋效應(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，某個信號的存在會致使人眼對另外的某些信號無法察覺或者不容易察覺，也就是該信號將其他一些信號掩蓋住了。通常我們還可以根據(jù)掩蓋發(fā)生的時間和位置，將其分為空間域掩蓋效應(yīng)和時間域掩蓋效應(yīng)。

3 空間相似性

對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，一般我們會先求出各種圖像信息的方差即DX和DY，然后再計(jì)算兩個圖像之間的協(xié)方差即cov（X，Y）。然后再以如下公式計(jì)算對其相關(guān)性進(jìn)行度量：

3.2 角度相似性

假設(shè)在某個空間內(nèi)存在圖像X和圖像Y，利用空間幾何的知識來計(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)量評價方法

4.1 數(shù)學(xué)模型

本文這次需要闡述的對圖像進(jìn)行質(zhì)量評價的一種方法，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，然后通過將兩個圖像進(jìn)行相減來得到其誤差圖像se=s1-s0，然后我們再利用式，（μ為圖像的背景均值），就可以知道和。

（2）對這些參數(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)算圖像評價中常用的參數(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)量評價以外，還采用了兩種傳統(tǒng)的評價算法來對圖像進(jìn)行質(zhì)量評價。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)，采集到的圖像信號是會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)量評價方法與傳統(tǒng)方法比較具有非常大的優(yōu)勢，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，本文在此針對圖像質(zhì)量評價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)量評價方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在對這些結(jié)果進(jìn)行對比后，我們發(fā)現(xiàn)本文的圖像質(zhì)量評價方法要更加好點(diǎn)。

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作者單位

同濟(jì)大學(xué) 上海市 200000