王怡影， 柴豆豆， 張 量， 明 軍， 牛文慧

（1.合肥師范學院 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽大學 電子信息工程學院 安徽 合肥 230039）

隨著數(shù)字圖像技術的發(fā)展，人們對圖像的需求已經(jīng)不再是單一的黑白照片，取而代之的是立體化的3D視頻技術，傳統(tǒng)的客觀圖像質(zhì)量評價方法已經(jīng)無法正確反映人眼的視覺感受。目前出現(xiàn)的基于結構化［1］、視覺感知［2］等多種圖像質(zhì)量評價方法，較之傳統(tǒng)方法更加貼近人眼主觀感受。其中，HVS模型的引入對圖像質(zhì)量評價工作具有重要作用，掩蓋效應［3－5］作為 HVS模型的一部分，被越來越多地廣泛研究。但是，基于掩蓋效應的圖像質(zhì)量評價方法僅僅考察了標準圖像的影響，忽略了誤差圖像的影響。誤差圖像依據(jù)幅度大小、頻率高低、運動快慢以及空間結構組成的不同，其功率譜分布不同，給人眼的感覺也不一樣?？臻g相似性［1，6－7］描述的是空間向量的相關性，反映了誤差圖像本身對圖像質(zhì)量的影響。本文基于3個誤差分量的信號設計方法［8］，將圖像向量進行分解，與掩蓋效應結合，提出一種基于掩蓋效應空間相似性的圖像質(zhì)量評價方法，同時考察標準圖像和誤差圖像對圖像質(zhì)量的影響。

1 掩蓋效應

掩蓋效應描述了一個激勵對另一個激勵產(chǎn)生干擾導致視覺閾值發(fā)生變化的現(xiàn)象。掩蓋效應的模型如圖1所示。

圖1 掩蓋效應模型

其中，CM為背景對比度；logCM為其對數(shù)值；CT0為在沒有掩蓋效應發(fā)生時目標信號的對比度探測閾值，它可通過CSF計算得出；CT為掩蓋效應發(fā)生后目標信號的視覺可見閾值；logCT為其對數(shù)值；ε≈1由實驗決定。視覺可見閾值CT可以表示為：

由（1）式可見，背景對比度CM不斷增加時，視覺可見閾值CT隨之增加，目標信號更不容易被感知。

2 空間相似分解

假設向量s表示的是M×N圖像空間的一幅圖像參數(shù)，即

其中，圖像參數(shù)s由均值μ（背景亮度）和交變（對比度）分量s~組成，即s＝μ＋s~。那么，2幅圖像s、s′的對比度分量分別為：

向量關系示意圖如圖2所示，按照圖2將其分解成圖像s~的對比度相似分量s~′＝和對比度無關分量s~′⊥，即

圖2 向量關系示意圖

3 圖像質(zhì)量評價方法

由于誤差圖像的對比度相關分量與標準圖像存在相似性，本文考慮將誤差圖像的對比度無關分量與掩蓋效應結合進行考察。首先由標準圖像和損傷圖像求出誤差圖像，然后將誤差圖像進行相似分解得到誤差圖像的對比度無關分量。同時，依據(jù)掩蓋模型，計算出發(fā)生掩蓋效應后的實際探測閾值，進而得出最小亮度變化。將這個閾值與對比度無關分量進行比較，計算圖像的失真度，最后采用本文提出的方法計算參數(shù)，并與傳統(tǒng)客觀方法進行比較。具體結構框圖如圖3所示。

圖3 基于掩蓋效應空間相似性的圖像質(zhì)量評價方法

數(shù)學模型如下：

（1）設s0和s1分別為標準圖像和損傷圖像的任意一個向量，則可以求出誤差圖像se＝s1－s0，求出其對比度分量s~0、s~e。

（2）根據(jù)空間相似分解，求出s~0的對比度相關分量s~e＝和對比度無關分量s~e⊥，即，

（3）計算和測量發(fā)生掩蓋效應后目標信號的實際探測閾值CT（i，j），即

其中，背景對比度CM（i，j）可以采用 Weber對比度定義計算，即，為標準圖像的均值；CT0表示在沒有掩蓋效應發(fā)生時目標信號的對比度探測閾值，CT0＝，其中通過 函數(shù)可以求出對比CSF度敏感度 CSF（μ）＝（0.31＋0.69μ）e－0.29μ，進而得出探測閾值，掩蓋閾值C可min以通過實驗測出。

（4）計算發(fā)生掩蓋效應后人眼能觀察到的最小亮度變化ΔLmin，即

（5）計算誤差圖像對比度無關分量和標準圖像之間的失真度sd（i，j），

當誤差圖像的對比度無關分量大于最小亮度變化時，則認為這個值是能被人眼所感知的。反之，可以被忽略。

（6）感知均方誤差SMSE和感知峰值信噪比SPSNR分別為：

4 算法測試

為了測試算法的有效性，選取傳統(tǒng)客觀評價方法、基于掩蓋效應的圖像質(zhì)量評價方法以及基于空間相似性的圖像質(zhì)量評價方法與本文算法進行對比，將獲得的感知均方誤差和感知峰值信噪比進行比較。選取一組僅有相位變化的lena女郎頭像為測試信號，相鄰2個圖夾角間隔為30°，用于考察空間向量夾角對圖像質(zhì)量的影響。通過觀察發(fā)現(xiàn)，損傷圖像隨著空間向量夾角的變化，給人眼的主觀感受也在變化，夾角越大，圖像的視覺效果越差。傳統(tǒng)客觀評價方法計算得出的均方誤差和峰值信噪比并沒有變化，這明顯與主觀感受不符。其他3種方法都能反映出圖像質(zhì)量隨著相位夾角的變化情況。

通過測試結果可以看出，本文方法的實驗效果尤其明顯，準確反映了人眼的主觀感受，如圖4所示。

圖4 算法測試結果對比

5 結束語

空間相似性是誤差圖像的一個特性，掩蓋效應描述的是標準圖像對圖像質(zhì)量的影響，本文將空間相似性與掩蓋效應相結合，提出了一種基于掩蓋效應空間相似性的圖像質(zhì)量評價方法，同時考察了標準圖像和誤差圖像本身對圖像質(zhì)量的影響。實驗表明該方法得出的實驗結果與主觀感受一致，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)客觀評價方法，為圖像評價方法的研究提供了新方向。

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