圖像去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)

韓昊男，錢 鋒，呂建威，張 葆*

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 引 言

近年來(lái)，由于大氣污染，霧天出現(xiàn)頻繁，戶外成像系統(tǒng)會(huì)無(wú)法避免地受到霧的限制［1］，導(dǎo)致獲取到的圖像出現(xiàn)可視性差，顏色偏移［2］等現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響到圖像的可視性和適用性［3-4］。為了在霧天能獲取到令人滿意的圖像，從而進(jìn)一步處理圖像信息，研究人員提出了很多圖像去霧算法。因此，如何對(duì)去霧后的圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便指導(dǎo)算法擇優(yōu)或是進(jìn)一步迭代改進(jìn)，成為一個(gè)重要的問(wèn)題，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖像去霧算法質(zhì)量評(píng)價(jià)一般有兩種策略［5-6］，一種是對(duì)于真實(shí)有霧圖像進(jìn)行無(wú)參考質(zhì)量評(píng)價(jià)，另一種是對(duì)于合成有霧圖像進(jìn)行全參考質(zhì)量評(píng)價(jià)，兩種策略途徑如圖1所示。經(jīng)對(duì)比可知，無(wú)參考質(zhì)量評(píng)價(jià)不需要額外的參考圖像，是一種比較理想的評(píng)價(jià)方式，如圖1右側(cè)所示。但由于圖像去霧是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，在去除霧的同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致其它的圖像變化，例如偽輪廓、顏色畸變等等。因此，使用無(wú)參考質(zhì)量評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)估圖像去霧算法并不可靠。

一些研究人員使用無(wú)霧圖像人工合成有霧圖像，將去霧圖像作為測(cè)試圖，并將無(wú)霧圖像作為參考圖來(lái)進(jìn)行全參考質(zhì)量評(píng)價(jià)，如圖1左側(cè)所示。許多文獻(xiàn)都遵循這種策略，并利用一些基礎(chǔ)的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法如峰值信噪比（PSNR）［7］和 結(jié) 構(gòu) 相似性（SSIM）［8］進(jìn)行 評(píng) 估。由于提供了參考無(wú)霧圖像，因此比較容易進(jìn)行全參考質(zhì)量評(píng)價(jià)，這種策略也越來(lái)越被廣泛接受。

圖1 去霧算法質(zhì)量評(píng)價(jià)策略Fig.1 Strategies for dehazing algorithms quality assessment

然而，針對(duì)去霧方法的質(zhì)量評(píng)價(jià)與傳統(tǒng)的全參考質(zhì)量評(píng)價(jià)有所不同。去霧算法的本質(zhì)是對(duì)圖像的增強(qiáng)和復(fù)原，對(duì)圖像的質(zhì)量有顯著的提升。對(duì)于某些圖像而言，去霧后圖像可能會(huì)比參考圖像具有更好的圖像質(zhì)量。但傳統(tǒng)的全參考質(zhì)量評(píng)價(jià)的本質(zhì)是度量待測(cè)圖像與參考圖像之間的相似性，因此針對(duì)測(cè)試圖像質(zhì)量更高這種正偏移情況是無(wú)效的。如圖2所示，去霧圖像和參考無(wú)霧圖像之間有明顯差異，但去霧圖像質(zhì)量不低于無(wú)霧圖像。

圖2 去霧后圖像可能與無(wú)霧圖像相似度量不穩(wěn)定Fig.2 Dehazed image may have an unstable similarity metric to the haze-free image

為了解決上述的問(wèn)題，本文提出了一種由圖像可視性、結(jié)構(gòu)相似性和顏色恢復(fù)度共同組成的一種去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)。圖像可視性是用來(lái)衡量去霧前后圖像的清晰度變化。由于去霧算法在去霧過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些不良的“人工效應(yīng)”，例如偽輪廓和顏色偏移等現(xiàn)象，所以加入了結(jié)構(gòu)相似性和顏色恢復(fù)度這兩項(xiàng)，這三部分共同組成了去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)。最后在合成圖像數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證了所提出的去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)的有效性。

2 相關(guān)工作

2.1 大氣散射模型

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中，一般通過(guò)大氣散射模型［9-11］來(lái)描述有霧圖像的形成：

其中：x是像素坐標(biāo)，I(x)是有霧圖像，J(x)是無(wú)霧圖像，A是全局大氣光。在均勻的大氣條件下，透射率t(x)可以表示為：

其中：β是大氣散射系數(shù)；d(x)表示場(chǎng)景到成像系統(tǒng)的距離，即景深；直接衰減項(xiàng)J(x)t(x)描述了從場(chǎng)景反射光經(jīng)過(guò)傳輸過(guò)程中由大氣散射作用產(chǎn)生的直接衰減；大氣光成像項(xiàng)A(1-t(x))描述了周圍大氣光經(jīng)過(guò)大氣散射作用參與到成像的過(guò)程。

2.2 去霧算法

近年來(lái)很多去霧算法已經(jīng)被提出。Fattal等［12］提出了一種基于物體表面陰影和透射率不相關(guān)假設(shè)來(lái)估計(jì)透射率和大氣光的方法。Tarel等［13］提出一種基于中值濾波的方法來(lái)恢復(fù)得到去霧圖像。He等［14］通過(guò)統(tǒng)計(jì)觀察發(fā)現(xiàn)暗通道理論。暗通道先驗(yàn)已經(jīng)取得了顯著的去霧效果，后續(xù)科研人員提出了許多基于暗通道先驗(yàn)的去霧算法。Nishino等［15］利用貝葉斯概率的方法估計(jì)出場(chǎng)景反射率和景深，根據(jù)物理模型得到去霧圖像。Zhu等［16］通過(guò)統(tǒng)計(jì)觀察發(fā)現(xiàn)景深和亮度、飽和度之間存在線性關(guān)系，提出了顏色衰減先驗(yàn)。Berman等［17］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)霧圖像在RGB空間中會(huì)聚類成簇，而在有霧圖像中會(huì)聚類成“霧線”，提出了非局部先驗(yàn)。Cai等［18］、Ren等［19］和Li等［20］將圖像相關(guān)特征與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行去霧。

2.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

在第一節(jié)中已經(jīng)對(duì)去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)所采用的策略進(jìn)行了概述，接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹幾種主流的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。均方誤差（MSE）和PSNR［7］是圖像處理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的性能指標(biāo)，簡(jiǎn)單易用速度快，但與人類感知相關(guān)性較差。Wang等［8］認(rèn)為人類視覺(jué)感知能自適應(yīng)從視覺(jué)中提取結(jié)構(gòu)信息，因此利用亮度、對(duì)比度和結(jié)構(gòu)信息提出了SSIM。在Wang等［21］的后續(xù)工作中，在SSIM中引入了多尺度，提出了MS-SSIM。Zhang等［22］認(rèn)為人類視覺(jué)系統(tǒng)主要基于圖像的低級(jí)特征來(lái)理解圖像，并結(jié)合相位一致性、梯度特征和色度特征提出了FSIM。后來(lái)他們用顯著圖替換了相位一致性特征，提出了一個(gè)視覺(jué)顯著性指標(biāo)VSI［23］。Liu等［24］認(rèn)為梯度保護(hù)重要的視覺(jué)信息，提出了梯度相似性（GSM）。Xue等［25］發(fā)現(xiàn)梯度圖對(duì)圖像失真敏感，失真圖像不同結(jié)構(gòu)的質(zhì)量下降程度不同，他們用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)代替均值，提出了梯度相似性偏差（GMSD）。Nafchi等［26］結(jié)合梯度相似性、顏色相似性和偏差池化提出了平均偏差相似指標(biāo)（MDSI）來(lái)評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量。Yang等［27］利用對(duì)比敏感度函數(shù)來(lái)分配不同頻段的權(quán)重，充分利用了單演信號(hào)理論和Log-Gabor濾波器，同時(shí)引入了梯度相似性，提出了一個(gè)基于里斯變換和視覺(jué)對(duì)比敏感度的特征相似性指標(biāo)（RVSIM）。Layek等［28］考慮到人類視覺(jué)系統(tǒng)的中心偏差，提出了一種結(jié)合視覺(jué)顯著性和對(duì)比度的全參考圖像質(zhì)量指標(biāo)CEQI。Shi等［29］通過(guò)兩個(gè)色貌指標(biāo)構(gòu)建了視覺(jué)顯著性，并結(jié)合梯度相似性和色度相似性，提出了一個(gè)全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)VCGS。盡管已經(jīng)提出了許多圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，但正如第一節(jié)所言，去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)和圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)不同，圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果可能與人類主觀視覺(jué)感受并不一致，為了解決該問(wèn)題，本文提出了一種可靠有效的去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3 圖像去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)

首先對(duì)去霧后可能引入的一些圖像質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。圖3對(duì)幾種去霧后圖像出現(xiàn)的典型質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分類，包括圖像可視性差、偽輪廓導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞和顏色偏移。針對(duì)去霧后可能的這三類典型質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)圖像可視性、結(jié)構(gòu)相似性和顏色恢復(fù)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 幾種典型的圖像去霧質(zhì)量問(wèn)題（上圖是有霧圖像，下圖是去霧圖像）Fig.3 Several typical image dehazing quality problems（the above figures are hazy images，the following figures are dehazed images）

3.1 圖像可視性

去霧算法在對(duì)濃霧圖像進(jìn)行去霧處理時(shí)，去霧后的圖像可視性較差?？紤]到全參考一般圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)和全參考去霧算法質(zhì)量評(píng)價(jià)之間的差異，提取了圖像清晰度相關(guān)特征，并對(duì)其進(jìn)行了一些修改，提出了圖像可視性評(píng)價(jià)。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)［30］，由于霧的存在會(huì)導(dǎo)致有霧圖像整體偏向灰白色，并且霧的濃度越高，圖像整體會(huì)越偏向灰白色，即有霧圖像的局部均值μ較大，而局部標(biāo)準(zhǔn)差σ較小，圖像清晰度較低。因此得到了圖像清晰度相關(guān)特征：其中：(i，j)是像素坐標(biāo)，ε1是一個(gè)常數(shù)來(lái)避免不穩(wěn)定性，ω是局部高斯權(quán)重函數(shù)，Y是亮度分量。

參考無(wú)霧圖像和去霧圖像的清晰度相關(guān)特征的相似性為：其中：ξr是參考無(wú)霧圖像的清晰度相關(guān)特征，ξd是去霧圖像的清晰度相關(guān)特征，ε2是一個(gè)常數(shù)來(lái)避免不穩(wěn)定性。

如圖4所示，一些去霧算法對(duì)有霧圖像進(jìn)行處理時(shí)會(huì)通過(guò)降低圖像亮度，提升圖像對(duì)比度來(lái)增強(qiáng)圖像。在這種情況下，會(huì)使得μr＞μd，σr＜σd，其中μr，μd和σr，σd分別是參考無(wú)霧圖像和去霧圖像的局部均值和標(biāo)準(zhǔn)差。雖然去霧圖像清晰度較高，但直接對(duì)比參考無(wú)霧圖像和去霧圖像清晰度相關(guān)特征，其相似性較低，將參考無(wú)霧圖像作為質(zhì)量評(píng)價(jià)的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)并不準(zhǔn)確。因此通過(guò)修正去霧圖像的μd，σd來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

圖4 去霧后圖像清晰度較高情況下的相關(guān)特征圖Fig.4 Relevant feature maps in the case of high image clarity after dehazing

其中：μ'd和σ'd分別是去霧圖像修正后的局部均值和標(biāo)準(zhǔn)差，sm和sv分別是參考無(wú)霧圖像Jr與去霧后圖像Jd的均值相似性和方差相似性，ε3和ε4是常數(shù)來(lái)避免不穩(wěn)定性。通過(guò)參考無(wú)霧圖像Jr和去霧后圖像Jd的均值相似性和方差相似性來(lái)對(duì)去霧后圖像的均值和方差進(jìn)行自適應(yīng)修正。當(dāng)μr＞μd和σr＜σd時(shí)，修正后的局部均值μ'd和標(biāo)準(zhǔn)差σ'd與局部均值μr和標(biāo)準(zhǔn)差σr更接近。修正后的去霧圖像清晰度相關(guān)特征為：

則圖像可視性由參考無(wú)霧圖像和修正后的去霧圖像的清晰度相關(guān)特征的相似性來(lái)表示：

采用式（7）和式（8）對(duì)測(cè)試圖像質(zhì)量更高的這種正偏移情況進(jìn)行了修正，消除了圖像清晰度相關(guān)特征的相似性對(duì)正偏移情況的負(fù)向評(píng)價(jià)影響。由圖4所示，圖4（j）展示了使用修正后的清晰度相關(guān)特征對(duì)圖4（a）、圖4（b）的相似性評(píng)價(jià)結(jié)果，與修正前的結(jié)果圖4（i）相比可知，圖4（j）的殘差更小，表明對(duì)待測(cè)圖像質(zhì)量正偏移的影響具有明顯的抑制作用。

3.2 結(jié)構(gòu)相似性

圖像結(jié)構(gòu)信息可以作為表征圖像質(zhì)量變化的一項(xiàng)指標(biāo)，所以在許多客觀評(píng)價(jià)方法中得到了應(yīng)用。圖像梯度是通過(guò)計(jì)算像素強(qiáng)度差異得到的，能適當(dāng)?shù)孛枋鼍植拷Y(jié)構(gòu)的改變。圖像梯度已用于許多圖像評(píng)價(jià)中，例如梯度是FSIM［22］和GSM［24］等中的一個(gè)主要特征。因此，利用梯度信息來(lái)描述圖像結(jié)構(gòu)的變化，采用Prewitt算子來(lái)提取圖像的垂直Gv和水平梯度Gh。圖像梯度大小計(jì)算為：

參考無(wú)霧圖像Gr和去霧后圖像Gd之間的梯度相似性為：

其中：Gr和Gd分別表示參考無(wú)霧圖像和去霧后圖像的梯度大小，ε5是一個(gè)常數(shù)來(lái)避免不穩(wěn)定性。

然而，結(jié)構(gòu)過(guò)度增強(qiáng)帶來(lái)的偽輪廓現(xiàn)象，如圖5所示，也是一種重要的失真。偽輪廓現(xiàn)象可以由梯度相似性來(lái)描述，但是其對(duì)于偽輪廓的描述能力較弱。對(duì)于人類視覺(jué)系統(tǒng)而言，雖然偽輪廓區(qū)域僅占圖像整體的較小部分，但偽輪廓現(xiàn)象比紋理區(qū)域過(guò)度增強(qiáng)的損害更大。因?yàn)閭屋喞獣?huì)引入較大的方差變化，所以使用方差相似性來(lái)描述偽輪廓現(xiàn)象。

圖5 去霧圖像偽輪廓導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞以及其相關(guān)特征圖Fig.5 Structural damage caused by pseudo contours of dehazed image and several relevant feature maps

圖5對(duì)比所示，梯度相似性sG更好地展示了紋理區(qū)域的圖像結(jié)構(gòu)相似性，而方差相似性sv更好地展示了偽輪廓區(qū)域的結(jié)構(gòu)相似性。因此，結(jié)構(gòu)相似性由梯度相似性和方差相似性組成：

3.3 顏色恢復(fù)度

顏色信息也是圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的重點(diǎn)之一［22］。由于去霧算法可能會(huì)導(dǎo)致色彩偏移，如圖6所示，因此須引入顏色恢復(fù)度評(píng)價(jià)。為降低顏色分量之間的相關(guān)性，將RGB圖像轉(zhuǎn)換到Y(jié)IQ顏色空間：

Ir，Id和Qr，Qd是參考無(wú)霧圖像Jr和去霧后圖像Jd兩個(gè)色度分量。通過(guò)兩個(gè)色度分量來(lái)計(jì)算圖像的顏色恢復(fù)度：

其中：ε6是常數(shù)來(lái)避免不穩(wěn)定性。如圖6所示，顏色恢復(fù)度c很好地展示了圖像的顏色偏移情況。

圖6 去霧圖像顏色偏移和顏色恢復(fù)度圖Fig.6 Dehazed image color shift and color recovery maps

3.4 去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

最終的去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)體系A(chǔ)由圖像可視性f、結(jié)構(gòu)相似性s和顏色恢復(fù)度c共同組成：

其中，歸一化因子N表示圖像像素總數(shù)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試提出的去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的有效性，首先構(gòu)建了合成有霧圖像數(shù)據(jù)集，然后對(duì)合成有霧圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，最后利用合成有霧圖像數(shù)據(jù)集對(duì)幾種當(dāng)前的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

4.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)集

從RESIDE［5］，NYU 2［31］和Middlebury Stereo［32-33］中收集了100幅無(wú)霧圖像和相應(yīng)的深度圖。利用大氣散射模型（1）式和（2）式來(lái)合成有霧圖像。接下來(lái)用8種當(dāng)前的去霧算法對(duì)合成后的有霧圖像進(jìn)行處理得到去霧圖像，這8種去霧算 法 分 別 是He［14］、Tarel［13］、Nishino［15］、Zhu［16］、Berman［17］、Cai［18］、Ren［19］、Li［20］，一 共 獲 得800幅去霧后的圖像。參考無(wú)霧圖像、合成有霧圖像和去霧圖像共同組成了合成圖像數(shù)據(jù)集。圖7展示了幾組參考無(wú)霧圖像與其對(duì)應(yīng)的合成有霧圖像。

圖7 數(shù)據(jù)集中參考無(wú)霧圖像和對(duì)應(yīng)的合成有霧圖像的示例Fig.7 Examples of reference haze-free images and corresponding synthesized hazy images in the dataset

4.2 性能比較

首先對(duì)合成圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。除了去霧圖像以外，還展示了有霧圖像和無(wú)霧圖像作為參考。由于好的去霧算法不僅僅要圖像清晰，并且還要保留原有圖像的信息。所以測(cè)試人員對(duì)圖像可視性和圖像信息保留程度進(jìn)行衡量，對(duì)去霧圖像進(jìn)行總體打分，得到平均意見(jiàn)得分（MOS）。

接下來(lái)將提出的去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)體系與11種主流的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行比較，包 括PSNR［7］，SSIM［8］，MS-SSIM［21］，F(xiàn)SIM［22］，

VSI［23］，GSM［24］，GMSD［25］，MDSI［26］，RVSIM［27］，CEQI［28］和VCGS［29］。這些 全 參 考圖像質(zhì)量 評(píng) 價(jià)方法均使用原文中作者提供的參數(shù)和設(shè)置。

為了對(duì)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的質(zhì)量評(píng)價(jià)能力進(jìn)行量化，本文將使用國(guó)際視頻質(zhì)量專家組（VQEG）［34］提出的以下三個(gè)指標(biāo)——皮爾森線性相關(guān)系數(shù)（PLCC）、均方根誤差（RMSE）和斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)（SRCC）——作為評(píng)估圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的判斷依據(jù)，分別評(píng)估主、客觀評(píng)價(jià)之間的線性相關(guān)性、預(yù)測(cè)精度和等級(jí)相關(guān)性。

在計(jì)算PLCC和RMSE之前，首先需要對(duì)主觀評(píng)價(jià)值和客觀評(píng)價(jià)值之間進(jìn)行非線性映射處理。使用在圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域普遍應(yīng)用的五參數(shù)Logistic函數(shù)非線性映射客觀評(píng)價(jià)值r：其中：β1、β2、β3、β4和β5是通過(guò)非線性回歸處理得到的模型參數(shù)，從而最大化主觀評(píng)價(jià)值和客觀評(píng)價(jià)值之間的相關(guān)性。則皮爾森線性相關(guān)系數(shù)PLCC的定義如下：

其中：qi是非線性回歸后第i幅去霧圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)值，qˉ是全部qi的平均值，oi是第i幅去霧圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)值，oˉ是全部oi的平均值，M是去霧圖像的全部數(shù)量。PLCC值越大，表明該方法的線性相關(guān)性越好。

均方根誤差RMSE定義如下：

RMSE值越小，表明該方法的預(yù)測(cè)精度越高。

斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)SRCC的定義如下：

其中，d i是第i幅去霧圖像主、客觀評(píng)價(jià)值等級(jí)的差值。SRCC值越大，表明該方法的等級(jí)相關(guān)性越好。

表1展現(xiàn)了全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的性能比較結(jié)果。本文提出方法的SRCC值為0.880 4、PLCC值為0.919 9、RMSE值為0.120 5，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于其它的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。表明提出的方法無(wú)論是等級(jí)相關(guān)性、線性相關(guān)性還是預(yù)測(cè)精度都表現(xiàn)出了最佳性能。這證實(shí)了先前的分析，即全參考去霧質(zhì)量評(píng)價(jià)不等同于全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。

表1 全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法在合成有霧圖像數(shù)據(jù)集上的性能比較Tab.1 Performance comparison with full reference image quality assessment methods on synthetic hazy image datasets

圖8展示了使用合成圖像數(shù)據(jù)集對(duì)典型的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)之間的一致性測(cè)試結(jié)果。由圖可知，相比于其它方法而言，本文方法的散點(diǎn)在擬合曲線附近更加聚集，表明提出的方法與主觀評(píng)價(jià)一致性更高，這與表1所示的測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖8 提出的方法和典型的全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法在合成有霧圖像數(shù)據(jù)集上的散點(diǎn)圖（不同形狀和顏色的散點(diǎn)代表不同的去霧算法，黑線是用五參數(shù)Logsitic函數(shù)擬合的曲線）Fig.8 Scatter plots of proposed method and the state-of-the-art full reference image quality assessment methods on synthetic hazy image datasets（different shapes and colors of the scatter points represent different dehazing algorithms，and the black line are the curve fitted with the five-parameter logistic function）

對(duì)于去霧圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)而言，如果有準(zhǔn)確又可靠無(wú)參考質(zhì)量評(píng)價(jià)是最理想的方法。但有研究［35］發(fā)現(xiàn)，目前，無(wú)參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法并不適用于評(píng)價(jià)去霧圖像。為了證實(shí)這一點(diǎn)，在合成圖像數(shù)據(jù)集上測(cè)試了一些主流的無(wú)參考質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，包括FADE［30］，盲評(píng)價(jià)［36］的三個(gè)指標(biāo)e、r和σ，BIQME［37］，DHQI［38］，BRISQUE［39］，dip IQ［40］，MEON［41］，BPRI［42］和BMPRI［43］，并 在表2中展示了它們的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法無(wú)法有效地對(duì)去霧圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，這與文獻(xiàn)［35］中的研究結(jié)果一致。

表2 無(wú)參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法在合成有霧圖像數(shù)據(jù)集上的性能比較Tab.2 Performance comparison with no reference image quality assessment methods on synthetic hazy image datasets

分別獨(dú)立測(cè)試了去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的圖像可視性、結(jié)構(gòu)相似性和顏色恢復(fù)度三個(gè)部分，在表3中展示了它們的性能表現(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的SRCC、PLCC和RMSE這三個(gè)指標(biāo)可以看出，無(wú)論是等級(jí)相關(guān)性、線性相關(guān)性還是預(yù)測(cè)精度，去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)均比圖像可視性、結(jié)構(gòu)相似性和顏色恢復(fù)度更好。

表3 去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中圖像可視性f、結(jié)構(gòu)相似性s和顏色恢復(fù)度c的性能比較Tab.3 Performance comparison of image visibility f，structural similarity s and color recovery c in the dehazing method quality assessment system.

最后測(cè)試了所有全參考質(zhì)量評(píng)價(jià)的運(yùn)行時(shí)間，并在表1中展示了平均運(yùn)行時(shí)間。這些算法在已裝有MATLAB R2017a的Intel Core i5-7400 CPU@3.0 GHz和16 GB RAM的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。從表1中可以看出提出的方法具有較低的計(jì)算復(fù)雜度。

5 總 結(jié)

本文將去霧算法引入的質(zhì)量劣化問(wèn)題歸納為圖像可視性差、偽輪廓導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞和顏色偏移三類。針對(duì)全參考去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)和全參考一般圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)之間的差異，提出了圖像可視性度量。針對(duì)去霧處理引入的偽輪廓現(xiàn)象，在梯度相似性的基礎(chǔ)上結(jié)合了方差相似性，共同組成了結(jié)構(gòu)相似性。針對(duì)顏色偏移現(xiàn)象使用顏色恢復(fù)度進(jìn)行描述。最終結(jié)合圖像可視性、結(jié)構(gòu)相似性和顏色恢復(fù)度共同構(gòu)建新的評(píng)價(jià)體系。

通過(guò)構(gòu)建的合成圖像數(shù)據(jù)集對(duì)該評(píng)價(jià)方法和當(dāng)前其它典型方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法相比，去霧方法質(zhì)量評(píng)價(jià)無(wú)論是等級(jí)相關(guān)性、線性相關(guān)性還是預(yù)測(cè)精度都表現(xiàn)更優(yōu)，與主觀評(píng)價(jià)一致性更高，對(duì)未來(lái)去霧算法的研究工作具有重要的意義。