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1、基于人眼视觉特性的图像质量评价方法研究刘 江 苏未曰作者简介：刘江，男，助教，主要研究方向遥感数据处理与应用。工作单位：黑龙江工程学院 邮编10050摘要：本文是在传统图像质量评价模型的基础上,对人眼视觉理论和各种图像质量评价的主客观方法进行分析。利用小波变换与人眼视觉系统的多通道特性相匹配的特点，结合对比敏感度函数的带通特性和DCT域加权处理的方法,建立一个利用MATLAB语言实现的基于人眼视觉特性的图像质量模型评价。关键词：数字图像；人类视觉系统；小波变换；多通道；对比敏感度The Methods of Based on the HVS Image Quality EvaluationLi
2、ujiang Su Weiyue ABSTRACT: This paper analyzed the human visual theory and the various objective and subjective methods of image quality evaluation, and it is based on the traditional image quality evaluation model. Using the characteristic that wavelet transform match the features of human visual s
3、ystem multi-channel, and combining the characteristics that contrast sensitivity function with the band-pass，and the DCT territory weighting processing, it will use the MATLAB to establish an image quality evaluation model which based on HVS.Keywords: Digital Image; Human Visual System; Wavelet Tran
4、sform; Multi-channel; Contrast Sensitivity Function1前言在遥感影像产品大量应用, 新的影像处理方法不断涌现的同时, 对如何评价遥感影像的质量问题却缺乏全面、客观和统一的方法, 影像质量的好坏常常是依靠观察者的主观感觉, 不但缺乏准确性, 而且也不适应海量数据处理的需要。同时评价方法的非客观与非准确性, 也使提高影像质量成为空谈。遥感影像作为一种产品, 对其质量的评价, 必将随着遥感影像应用的进一步深入而引起越来越多的关注。2 传统图像质量评价方法传统的图像质量评价方法可以分为主观和客观两类，主观评价方法主要是主观平均分（MOS），客观方法主要
5、有均方误差（MSE）、峰值信噪比（PSNR）、信息熵。1、主观评价方法主观评价方法就是让观察者根据一些事先规定的评价尺度或自己的经验对测试影像按视觉效果提出质量判断，并给出质量分数。在具体作法上，可在一定的光照、视距、分辨率大小等条件下，由一组专家和非专家观察者分别对所评价的同一图像进行打分，然后按照一定的规则得出一个总的评价结果。主观评价主要有两种尺度，即绝对尺度和相对尺度2，所谓绝对尺度就是对给定影像给出绝对的质量评分结果，而相对尺度就是确定某影像在一批相比较的影像中的相对质量尺度。主观方法相对于客观方法更有说服力，因为图像最终的服务对象是人的眼睛。而主观的评价测试，其实验的条件较为困难，
6、观察者的知识水平会影响评分的结果，且又受到个人情绪等一些无法预测与控制的因素的影响。所以我们目前考虑的是基于人眼视觉的图像质量评价模型，它不仅对评价本身而且对图像的成像、处理等都会有很大的帮助。2、客观评价方法1、均方误差和峰值信噪比。两者的定义分别是4： （1） （2）其中N，M分别是x，y方向图像像素点的个数，和分别是原始图像和重构图像在点上的取值，L是图像中灰度取值的范围，对8比特的灰度图像而言L=255。峰值信噪比反映的是整个图像的失真程度，一般情况下，峰值信噪比愈大的图像其质量愈高。2、信息熵对一个随机事件E ，如果它的出现概率是，那么它包含的信息为： （3）将一副静止图像看作一个具
7、有随机输出的信源，信源符号集B 定义为所有可能的符号的集合，信源产生符号 的概率是 ，那么一幅图像的平均信息率可用下式表示： （4）将 称为信息的熵，它定义了观察到单个信源符号输出时所获得的平均信息量。信息熵达到最大的情况出现在信源各符号的出现概率相等时，而信源此时提供最大可能的信源符号平均信息量。客观评价方法是用恢复图像偏离原始图像的误差，来衡量图象恢复的质量，看起来直观、严格，但用它们所求得的结果常与主观视觉不一致3。这是因为它们是从总体上反映原始图像和恢复图像的灰度差别，并不能反映出少数像点的较大灰度差别和较多像点的较小灰度差别等情况。显然，对图像中各个像点同样对待，不能反映人眼的视觉特
8、性。3 人眼视觉特性人类的视觉感知有3个显著的特性4,即视觉非线性特性(Weber 定律)、视觉敏感度带通和视觉多通道及掩盖效应。1、视觉幅度非线性特性视觉系统分辨细节的能力用分辨的相邻两点的视角的倒数表示，其值与该两点在视网膜上的成像位置有关，以黄斑区为中心向四周作非线性下降，它与亮度的关系取决于相对亮度的变化，而不是取决于整幅图像的基底亮度，那么亮度感觉的增量S可用相对亮度的增量来度量，即: （5）式中，B为客观亮度，B为相对亮度增强。对上式积分后得到感觉亮度: （6）其中，K0为常数，K为与整个图像的平均亮度相关的常数，图像的平均亮度较大或较小时，K的值可选得小一些，对于人眼正常的亮度范
9、围K可取1。上式说明人眼的感知亮度S与实际亮度B的对数成线性关系，即为韦伯费赫涅尔(Web-Frecher)定律的基本内容。CSF特性曲线8如图1所示。图1 CSF的归一化空间频率特征曲线2、视觉敏感度带通和多通道特性视觉与对比度的关系用视觉系统的对比度敏感度函数CSF表示，或称为人眼视觉系统空间调制转移函数(Modulate Transform Function)，简称为MTF过程，不同实验所得的CSF函数形式各异，但基本上都认为HVS的对比度敏感性是空间频率的函数，且具有带通滤波器性质，其对高低频端敏感度下降。 视觉皮层的细胞对不同的视觉信息或激励，如颜色、频率和方向等有不同的敏感性。而目
10、标识别、掩盖与自适应的研究认为:所有这些特征激励在人的视觉系统中，是在不同的通道进行处理的，这是早期的多通道理论。而后进一步的理论得出，视觉机制的多通道之间并不是彼此孤立的，而是存在着相互的作用、判决与相互影响，以产生最佳视觉。对于静止灰度图像来说，图像的多通道特性可以由它的空间频率和方向性来表征，只要用足够多的适当的调谐部件，图像在视觉皮层的整个方向带和频率带都可以被完全覆盖，即可以完全模拟视觉系统的多通道，但多通道之间的相互作用机制尚不明确。3、掩盖效应一个激励单独存在时，是很容易辨识的，掩盖效应(masking)是指由于另一个激励的存在导致它完全不能或者不容易被检测到，即被掩盖了。在描述
11、多通道中激励之间的相互作用时，掩蔽效应是必须考虑的一种非常重要的现象。另外，这种掩盖效应导致的视觉系统的探测阈值(JND，Just Noticeable Difference)的改变，既可以是抑制，也可以是加强，在计算机视觉中，有时为了识别特定的目标，制作特定的掩盖器(masker),这也是掩盖效应。 掩盖效应用阈值提升函数表示(TE, Threshold Elevation),即对比度阈值随背景对比度变化的关系曲线,取决于掩盖物的带宽、相位、方向以及观察者对掩盖物的熟悉程度。根据引发掩盖效应的起因,如强烈的局部对比度、边缘和局部活动性,把它区分为对比度掩盖、边缘掩盖与纹理(噪声)掩盖. 由于
12、纹理(噪声) 比边缘结构复杂, 相对于观察者而言, 缺的先验信息更多, 因此, 纹理(噪声) 区的掩盖效应强(TE曲线斜率增大),如图2所示。图2 空间掩盖所引起的阈值提升4 基于人眼视觉特性图像质量评价算法本文所算法是利用小波变换与人眼视觉系统的多通道特性相匹配的特点，结合对比敏感函数的带通特性,将原始图像和降质图像进行误差合并，求出人眼视觉系统的信噪比，最后与传统图像评价方法PSNR值进行比较，从而得出此种方法较传统方法的优势。为了算法的简单有效，同时又能符合HVS的感知特性，建立如图3的图像质量评价系统。 图3 图像质量评价系统其计算过程为:1、将原图像和降质图像分别进行小波分解，分解的
13、方向为，, 分解的级数为4级。2、按“之”形方式对表4.111数据扫描排列，有相同量级的权值可视为同属一个频带,该划分方法与DCT系数对应上即可得到子带图像。表1 HVS特性对DCT系数的加权矩阵0.49421.00000.70230.38140.18560.08490.03740.01601.00000.45490.30850.17060.08450.03920.01740.00750.70230.30850.21370.12440.06450.03110.01420.00630.38140.17060.12440.07710.04250.02150.01030.00470.18560.08
14、450.06450.04250.02460.01330.00670.0032待添加的隐藏文字内容30.08490.03920.03110.02150.01330.00750.00400.00200.03740.01740.01420.01030.00670.00400.00220.00110.01600.00750.00630.00470.00320.00200.00110.0006对DCT系数采用“之”形的排列方法，这样可保证图像低频分量先出现，高频分量后出现。排列后的系数再依据HVS特性对DCT系数的加权值将图像划分为不同的频带,不同频带的系数经过DCT反变换,即可得到对应的子带图像。本文
15、中将“之”形扫描后的第1到6个元素划为子带1，第7到15个元素划为子带2，第16到26个元素划为子带3，第27个到第49个元素划为子带4，第50个到第64个元素划为子带5。 每个子带的权值可由该频带对应的表2元素的加权平均得到,即 (7)其中，表示表1中第个频带对应的权值，是该频带包括DCT系数的个数。3、计算原始图像和降质图像在每个加权频带的误差 (8) 式中，分别为加权后第个空间频带的原始图像数据和降质图像数据；对应的图像大小为MN。4、将上式中所得的5个频带误差进行合并，这里采用Minkowski求和。 (9)为求和参数，一般情况下。由人眼视觉系统的实验，其最佳值为3.5，取。5、类似峰
16、值信噪比的定义，设人类视觉系统特性的信噪比为 (10)由以上几步即可得到人类视觉系统特性的信噪比值。5 算法实验通过上述算法步骤中的各个计算式分别得到原始图像和降质图像的人眼视觉系统的信噪比值。如图4所示图4 原始影像和经压缩处理的图像得到的实验数据如下：表1 压缩图像PSNR值与HVSNR值的比较 降质图像 PSNR值 HVSNR值 (b)27.14133.1025 (c)27.78193.1027 (d)34.089444.7795 (e)29.896037.2127(f)27.728332.3470(g)26.231928.5416(h)23.997622.4696(i)21.73821
17、5.5395从图（b）、（c）可以看到当人眼感知图像变化时不明显几乎没有察觉时，峰值信噪比有变化，但人眼视觉系统信噪比几乎没有变化。从图（d）（i）可以看到当人眼感知图像变化显著时，显然峰值信噪比没有人眼视觉系统信噪比变化得快。所以使用PSNR测度结果不太符合人眼的视觉特性。实验证明,基于HVS模型来评价图像更加符合人眼视觉的感知,且用MATLAB语言实现能使我们的测量更加便捷、有效。6 小结 本文实通过小波分解、图像压缩、DCT域加权处理、误差求和等一系列的步骤说明了基于HVS视觉图像评价较传统算法的明显优势。但由于HVS模型异常复杂，实验过程中仍然存在很多不足之处，如人为地进行压缩处理在数
18、据上不能很精确地满足实验结果的要求，以致实验结果中的数据比较零散，不能很有针对性地说明问题。而且，本文只是针对灰度图像进行处理，在以后的研究过程中，也必然应该考虑到彩色图像的处理。同时，HVS模型涉及的领域相当广泛，图像质量评价模型将向视觉生理、心理的实验,也是今后需要研究的课题。参考文献1 王昱，胡莘，张保明.数字影像质量评价方法研究J.测绘通报，2002（5）：7.2 熊兴华.数字影像质量评价方法评述J.测绘科学，2004，29（1）：68-69.3 陆旭光，汪岳峰，胡文刚，潘攀.基于视觉感兴趣区的图像质量评价方法J.图像处理，2005，21（10-3）：95.4 李连胜、陈晚华.基于MA
19、TLAB的数字图像质量评价J.湖南科技学院学报,2005（5）:176-177.5 魏崇奎，成礼智.一种基于掩盖效应的感知域图像质量评价方法J.中国图像图形学报，2004，9（2）：195-197.6 汪孔桥.数字图像的质量评价J.测控技术，2000，19（5）：15.8 于绪星，朱日宏，李建欣.一种基于人眼视觉特性的图像质量评价J.中国图像图形学报，2004，9（2）：191-192. 10 邵桂芳,李祖枢,成卫等.基于视觉感知的融合图像质量评价J.计算机应用，2004（5）:71-75.11 明军，郝其伟，杨杨.一种基于DCT域加权处理的图像质量评价方法J.安徽大学学报（自然科学版），20
20、06，30（4）：33-35.12 曹圣群,黄普明,鞠德航.HVS模型及其在静止图像压缩质量评价中的应用J.中国图像图形学报，2003(4):279-386.14 杨军,刘藻珍,王寅龙.基于人眼视觉特征的图像质量评价模型J.弹箭与制导学报，2003:59-61.15 汪孔桥，沈兰荪，刑昕.一种基于视觉兴趣性的图像质量评价方法J.中国图像图形学报，2000(4):300-303.16 颜彬.基于时域结构的二值图像质量评价J.湖南科技大学学报：自然科学版，2005(9):82-84.17 刘春艳、蔡利栋.基于传播波方程的图像恢复质量客观评价方法的验证J.暨南大学学报:自然科学版,2004(2):2
21、9-34.18 魏政刚，袁杰辉，蔡元龙.一种基于视觉感知的图像质量评价方法J.电子报,1994(4):79-82.20 W. T. Freeman and E.H.Adelson. The design and use of steerable fiters. IEEE Trans.1991, PAMI-13(9):891-906.21 A B Watson. DCT quantization matrices visually optimized for individual images J . In Proc SP IE, 1993, 1913:202-216.更多测绘论文请登录测绘网论
22、文频道查询：http:/ Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio an
23、d through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in
24、 the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear
25、my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the
26、edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertica
27、l straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must
28、have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a
29、 dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in missi
30、on control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and
31、 limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of comme
32、rcial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He wi
33、ll roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be
34、like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approach
35、es the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-met
36、er) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont.
37、 Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
