蘆希

摘 要：隨著多媒體技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，人們接觸到越來越多的圖像信息，為了方便圖像的存儲和傳輸，各類圖像壓縮技術(shù)應(yīng)運而生，而由此帶來的圖像損傷也是不容忽視的。如何評價圖像的損傷，是一個重要的研究課題。本次實驗選擇了不同紋理、不同顏色的測試圖像，利用JPEG程序?qū)υ紙D像進行了壓縮倍數(shù)為3、5、10、15不同程度的壓縮，分別進行亮度圖像和彩色圖像的主觀評價實驗，并做出了主觀評價實驗報告。

關(guān)鍵詞：人眼視覺特性；JPEG；主觀評價

中圖分類號： TNl4l；TN949 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-168-4

1 課題研究的背景和意義

圖像是人類感知和機器模式識別的重要信息源，其質(zhì)量對所獲取信息的準確性起著決定性的作用。隨著信息化社會的到來以及信息高速公路的實施，各行各業(yè)對圖像的使用越來越廣泛，人們對圖像質(zhì)量的需求也越來越高。經(jīng)過壓縮的圖像雖然為圖像的存儲和傳輸帶來了極大的方便，但圖像質(zhì)量有時卻不盡如人意，對于彩色圖像而言，壓縮后圖像的顏色損傷是普遍存在的，但人眼對不同顏色的靈敏度不同，因此不同顏色的損傷對圖像質(zhì)量的影響也各不相同。

顏色損傷對視覺感知圖像質(zhì)量的影響研究對數(shù)字電視、多媒體數(shù)據(jù)庫、電子圖書館、衛(wèi)星遙感圖像等方面提供了有力的支持。目前針對圖像質(zhì)量評價的算法，國內(nèi)外的一些知名高校和科研機構(gòu)，如復(fù)旦大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院、VQEG（國際電信聯(lián)盟的視頻質(zhì)量專家小組）、美國Sarnoff公司等，都對其進行了長期深入的研究。

圖像質(zhì)量評價的主體是人，因此人眼視覺特性（HSV）對評價算法的研究具有重要意義。但是，對人眼視覺特性的研究涉及生理、心理等方面，特別是對視覺的心理特性業(yè)界迄今仍難以找出定量的描述方法，所以目前還沒有一套全面的、統(tǒng)一的圖像質(zhì)量評價體系。

圖像質(zhì)量評價的方法有兩種：①主觀評價方法：設(shè)計實驗，由觀測者對圖像質(zhì)量進行評價；②客觀評價方法：采用算法對圖像質(zhì)量進行評價。其中主觀評價方法天然地和人的主觀感受相符，但它費時、復(fù)雜，還會受到觀測者專業(yè)背景、心理和動機等主觀因素的影響，并且不能結(jié)合到其他算法中使用；客觀評價方法方便、快捷，容易實現(xiàn)并能結(jié)合到應(yīng)用系統(tǒng)中，但它和人的主觀感受有出入。通常提到的圖像質(zhì)量評價算法是指客觀評價算法，其目標是獲得與主觀評價結(jié)果相一致的客觀評價值。

2 人眼視覺特性

由于壓縮后的圖像最終是供大眾欣賞和使用的，所以在設(shè)定圖像壓縮的有關(guān)參數(shù)時都需根據(jù)人眼的視覺特性來選擇，以使得壓縮后的圖像質(zhì)量能滿足人眼的要求。人眼視覺特性大致包括視敏特性、亮度感覺特性、視覺分辨力特性和彩色感覺特性等[1]。

2.1 視敏特性

人眼所能感覺的光（可見光）是波長范圍為380～780mm的電磁波。實驗證明，對于不同顏色的光，人眼不僅有不同的顏色感覺，而且有不同的靈敏度，即對于輻射功率相同而波長不同的光有不同的光亮感覺，人眼的這一特性稱為視敏特性。研究表明：在明亮環(huán)境中，人眼對波長為555nm的黃綠光有最大的敏感度；在黑暗環(huán)境中，人眼對波長為507nm的青綠光有最大的敏感度。

2.2 亮度感覺特性

人眼的亮度感覺是一個主觀量，它不僅取決于景物給出的亮度值，而且還與周圍環(huán)境的平均亮度，即人眼的適應(yīng)性有關(guān)。在平均亮度適中時，人眼能同時感覺的亮度上、下限之比最大可接近1000：1，而平均亮度過高或過低時只有10：1。

2.3 人眼的分辨力

人眼分辨圖像細節(jié)的能力稱為人眼的分辨力或視覺銳度。分辨力除因人而異外，還與景物的照度、景物的對比度等因素有關(guān)。當照度太低時，分辨力就大為降低，且分辨不出顏色。相反，當照度太高時，分辨力也不會再增加，甚至由于“眩目”現(xiàn)象而降低。景物細節(jié)的對比度低，分辨力也要降低。除此之外，分辨力還與景物的運動速度有關(guān)，運動速度快，分辨力將降低。

2.4 人眼的顏色感覺特性

為確切表示某一顏色光，必須有三個獨立的參量：亮度（亦稱明度）、色調(diào)和飽和度（亦稱純度），它們稱為彩色的三要素。

2.4.1 亮度

亮度表征色光對人眼刺激程度的強弱，即引起明亮感覺的程度，它與進入人眼色光的光能有關(guān)。對于發(fā)光物體（光源），發(fā)光強度越高，人眼感到越亮；而對于非發(fā)光物體，其亮度取決于反射（或透射）的光能大小，照射光源的光能越大，物體表面對光的反射率越高，物體的亮度就越高。

2.4.2 色調(diào)

色調(diào)表征彩色之間的差異性，反映顏色的類別。理論上講，在可見光譜中不同波長的光有不同的色調(diào)，即應(yīng)有無數(shù)種色調(diào)與波長相對應(yīng)。但實際上對波長很接近的譜色光，人眼并不能區(qū)別開它們的色調(diào)。從總體上看，在可見光的波長范圍內(nèi)，人眼大體能分辨出200來種不同的色調(diào)。當顏色太淡或亮度太大及太小時，人眼對色調(diào)的分辨力也會下降。

2.4.3 飽和度

飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)彩色的深淺程度（或濃度），即某色調(diào)的濃淡、深淺程度或摻白程度，以百分比（%）表示。對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，說明它的顏色越深；飽和度越低，說明它呈現(xiàn)的顏色越淺。

3 主觀評價

主觀評價是直接利用觀察者對被測系統(tǒng)質(zhì)量的主觀反映，來確定系統(tǒng)性能的一種方法。國外的一篇論文[2]在這一方面進行了首次探索，呈現(xiàn)了一個顏色損傷對視覺感知高分辨率靜止圖像質(zhì)量影響的主觀研究。本次主觀評價實驗嚴格按照主觀實驗評價標準進行，請若干名實驗員在主觀評價實驗室中進行實驗，分別進行彩色圖像和黑白圖像的主觀評價，為原始圖像和不同壓縮倍數(shù)的壓縮圖像進行打分。將實驗所得數(shù)據(jù)進行分析整理，得出相關(guān)結(jié)論。

3.1 主觀評價設(shè)計方案

3.1.1 測試依據(jù)

ITU-R BT.500-11[3] METHODOLOGY FOR THE SUBJECTIVE ASSESSMENT OF THE QUALITY OF TELEVISION PICTURES

GY/T 134-1998[4]數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評價方法

3.1.2 評價用測試圖像序列（見表1）

3.1.3 評價方法

測試分為彩色和黑白兩個部分，每個部分有七組圖像，每組有6張，為同一內(nèi)容的2張原始圖像和4張壓縮圖像，每組的第1張為已知的原始圖像，其余5張是隨機排列的壓縮圖像和原始圖像，測試人員為這5張圖像打分，主觀評價經(jīng)JPEG壓縮后的圖像質(zhì)量相對于原圖像的質(zhì)量損傷情況。滿分為100分。評分規(guī)則為：

與原圖無可察覺的差別，定為100—80分；

與原圖有剛可察覺的差別，不討厭，定為80—60分；

與原圖有差別，稍有討厭，定為60—40分；

與原圖有明顯差別，討厭，定為40—20分；

與原圖有明顯差別，非常討厭，定為20—0分。

3.1.4 觀看條件

主觀評價在中國傳媒大學(xué)主觀評價實驗室中進行，其評價觀看條件基本符合行業(yè)標準GY/T 134-1998中的規(guī)定。具體觀看條件為：測試人員觀看距離約為30cm；室內(nèi)環(huán)境光照明強度低；測試人員的座位在圖像水平方向中垂線±30°內(nèi)。

3.1.5 評價人員

本次測試邀請非專業(yè)評價人員14人，均來自中國傳媒大學(xué)。評價人員年齡在22～27歲之間，其中男性3人，女性8人。

3.1.6 評價用儀器設(shè)備

PC機一臺，高清監(jiān)視器（1920*1080）一臺

3.2 主觀評價實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)ITU-R BT.500-11和GY/T 134-1998對原始數(shù)據(jù)進行了篩選，在11人數(shù)據(jù)中保留了11人，原始圖像默認為100分，各個圖像的得分情況詳見下表，其中置信區(qū)間為95%置信度的區(qū)間。

3.2.1 彩色圖像評價部分（見表2）

3.2.2 黑白圖像評價部分（見表3）

需要說明的是，在以上的實驗數(shù)據(jù)中，由于原始圖像夾雜在壓縮圖像中，人眼有時難以分辨出來，因此會與理論上的100分存在一些偏差。但隨著圖像壓縮倍數(shù)的增加，人眼可以明顯分辨出圖像質(zhì)量的下降。總體上不難看出，受壓縮倍數(shù)損傷影響較小的是“黃葉和綠地”，受壓縮倍數(shù)損傷影響較大的是“綠葉”。

3.2.3 主觀評價實驗結(jié)論

各壓縮倍數(shù)下測試圖像的主觀評價平均分如圖1、圖2所示。

每幅測試圖像的質(zhì)量下降總平均分如圖3所示。

分析測試得到的數(shù)據(jù)顯示，對于彩色圖片來說，人眼對綠色的損傷最敏感，因為隨著壓縮倍數(shù)的增加，綠色的色調(diào)會發(fā)生顯著變化，圖像的紋理越細、細節(jié)越多，人眼越難發(fā)覺圖像的變化；對于黑白圖像來說，人眼對圖像損傷的靈敏度只和圖像細節(jié)相關(guān)，細節(jié)越少越靈敏。

4 結(jié)論

顏色損傷對視覺感知圖像質(zhì)量的影響研究是一個非常有前途的研究方向，它綜合了多種學(xué)科，將圖像處理、圖像理解、人眼視覺等多個領(lǐng)域的研究成果結(jié)合起來，具有優(yōu)質(zhì)廣泛的應(yīng)用前景。如版權(quán)保護、公安系統(tǒng)、數(shù)字圖書館、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。從興起到現(xiàn)在雖然只有短短的幾年時間，但也有了長足的進步，不過由于圖像特征描述和人眼視覺特性的復(fù)雜性，其技術(shù)仍不成熟，理論上還有很多問題有待解決。本文在前人的基礎(chǔ)上主要做了如下工作：

本文在前人的基礎(chǔ)上研究了基于人眼視覺特性的圖像質(zhì)量評價方法。主觀評價方案參照國外的研究方法，并在此基礎(chǔ)上針對本課題的研究方向進行了改進。測試圖像經(jīng)過多次篩選，原始圖像和壓縮圖像之間的差異很小，并且原始圖像和壓縮圖像隨機排列，每組順序各不相同，極大地利用了測試者的整體主觀感受能力。此外，主觀評價數(shù)據(jù)的整理和分析參照了ITU-R BT.500-11 標準， 從而提高了主觀評價實驗結(jié)論整體的準確性。

鑒于有限的時間和作者自身的程度，研究方法也存在一些不足。對本課題的研究還處在剛剛興起的階段，隨著壓縮算法的不斷創(chuàng)新和完善，基于人眼視覺特性的圖像質(zhì)量評價還有很大的研究空間，許多方法仍值得深入研究。

參 考 文 獻

[1] 姜秀華.現(xiàn)代電視原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] Francesca De Simonea， Frederic Dufauxa， Touradj Ebrahimia， Cristina Delogub， Vittorio Baroncinib A Subjective Study Of The Influence Of Color Information On Visual Quality Assessment Of High Resolution Pictures aEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne （EPFL）， CH-1015 Lausanne， Switzerland bFondazione Ugo Bordoni （FUB）， Via Baldassarre Castiglione 59， 00142 Rome， Italy.

[3] ITU-R BT.500-11 METHODOLOGY FOR THE SUBJECTIVE ASSESSMENT OF THE QUALITY OF TELEVISION PICTURES.

[4] GY/T 134-1998，數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評價方法.