專利名稱：基于結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量評價方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像質(zhì)量評價領(lǐng)域，特別是涉及一種基于圖像的亮度、清晰度和相關(guān)度 的客觀圖像質(zhì)量評價算法。
背景技術(shù)：
圖像質(zhì)量評價是圖像處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對圖像的質(zhì)量進(jìn)行評價是一種復(fù)雜 的心理活動，有很多因素影響到對圖像質(zhì)量好壞的判斷。如果將這些因素分別提取并應(yīng) 用于對圖像的客觀評價中將能很好的對圖像質(zhì)量進(jìn)行判定。這些因素主要有①亮度， 適當(dāng)?shù)牧炼仁侨擞^察圖像的基本條件，亮度過強(qiáng)或者過弱都會引起圖像質(zhì)量的下降；②
清晰度，人們常用模糊，清晰等詞匯來描述圖像的質(zhì)量。從頻域角度看，只有當(dāng)一幅圖
像的高低頻信息比例適當(dāng)時會有清晰的感覺；③相關(guān)度，即圖像之間的相似程度。
圖像質(zhì)量評價方法可分為主觀質(zhì)量評價方法和客觀質(zhì)量評價方法兩類。主觀質(zhì)量評 價方法是指讓觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定好的評價尺度或自己已有的經(jīng)驗，對待測試圖像 按視覺或主觀印象提出質(zhì)量判斷，并給出質(zhì)量分值。最常用的主觀質(zhì)量評價方法有主觀 平均分(M0S)，該方法已經(jīng)應(yīng)用多年。然而，MOS方法往往受到觀察者本身因素的影響， 而且進(jìn)行視覺心理測試經(jīng)常需要花費(fèi)的時間較長，對觀察環(huán)境有一定的限制。因此，目 前在圖像質(zhì)量評價中主要使用客觀質(zhì)量評價方法。這幾乎在所有有關(guān)圖像質(zhì)量評價的文 獻(xiàn)和研究論文中均有論述。圖像的客觀質(zhì)量評價方法是指用再現(xiàn)圖像偏離原始圖像的誤 差來衡量再現(xiàn)圖像的質(zhì)量。其主要是應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來表示視覺對圖像的主觀感受。數(shù)學(xué) 模型的應(yīng)用使得圖像的客觀質(zhì)量評價具有快速、穩(wěn)定、易于被量化的特點，傳統(tǒng)的圖像 客觀質(zhì)量評價通?；谂c標(biāo)準(zhǔn)圖像的灰度差異越大質(zhì)量退化越嚴(yán)重的思想，具有代表性 的方法有均方誤差(MSE)、峰值信噪比(PSNR)、圖像清晰度、信息熵(H)等。這些常 用的客觀質(zhì)量評價方法雖然看起來簡單直觀，數(shù)學(xué)表達(dá)嚴(yán)格，但是其評價結(jié)果往往與人 的主觀感覺不一致。主要原因在于PSNR值和MSE值都是從總體上反映原始圖像和測試 圖像的差別，其反映的是圖像誤差的整體統(tǒng)計特性，卻并不能反映圖像誤差的局部統(tǒng)計 特性，更不能反映少數(shù)像素點有較大灰度差別和多數(shù)像素點有較小灰度差別的特性。 Zhou Wang等學(xué)者提出了一種基于結(jié)構(gòu)失真的圖像質(zhì)量評價方法。該圖像質(zhì)量評價
指標(biāo)將圖像質(zhì)量降低模擬為結(jié)構(gòu)失真而不是誤差。該方法是一個簡單有效的質(zhì)量評價算 法，這種評價模型的優(yōu)點是對圖像處理過程中的相關(guān)性、亮度失真和反差等因素進(jìn)行分析研究，而這些因素正是人們評價圖像輸出質(zhì)量的重要依據(jù)。Q的動態(tài)范圍為[-1, l]。 只有當(dāng)i-l,2，…，N都有^、x/時，Q才能達(dá)到最佳值l。然而，基于結(jié)構(gòu)失真的圖像質(zhì)
量評價模型在評價失真圖像質(zhì)量時，也有一定的缺陷性。其主要原因在于該模型沒有考 慮人眼視覺系統(tǒng)中的對比敏感度對圖像評價的影響。人眼視覺系統(tǒng)的對比敏感度主要反 映在圖像的清晰度等方面。
圖像的清晰度是指刻畫圖像特征的清晰程度，也就是特征(邊緣)與其背景區(qū)域的 對比度。清晰度是用來反映圖像邊緣或點特征的擴(kuò)散程度的度量，擴(kuò)散程度越大，清晰 度越低，擴(kuò)散程度越小，清晰度越高。定量評價清晰度的指標(biāo)較多。目前，最為成熟的 清晰度評價方法是調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF—Modulation Transfer Function),但是MTF的 測定較為復(fù)雜。為了簡捷，快速的反映整幅影像的清晰度變化，引入了全局點銳度算法 作為一種近似的清晰度評價依據(jù)。該評價參數(shù)與數(shù)字成像系統(tǒng)的MTF值變化有較好的正 相關(guān)關(guān)系，能夠準(zhǔn)確，快速的反應(yīng)數(shù)字圖像清晰度變化的趨勢。
圖像的清晰度不但反映了人眼視覺系統(tǒng)中的對比敏感度對圖像評價的影響，而且考 慮了人眼對于對角線方向的敏感度要低于水平和垂直方向等因素。但是，對于引進(jìn)噪聲 的失真圖像，并非圖像清晰度值越高圖像的主觀視覺越好，原因在于圖像的清晰度是對 圖像本身像素之間的計算，它并沒有考慮到失真圖像與原始圖像的相關(guān)性。

發(fā)明內(nèi)容
為了客服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量 評價方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是 一種考慮圖像的亮度、清晰度和相關(guān)度等因素 的客觀圖像質(zhì)量評價算法，包括以下步驟
(1) 計算原始圖像與失真圖像的均值ij，利用關(guān)系式3^J來計算原始圖像與失真
X +》
圖像的平均亮度逼近度，其中，x,y分別代表原始圖像與失真圖像，；=丄|>,， 7 = H>,。平均亮度逼近度的取值范圍為[O,l],只有當(dāng)5 =》時，其值為l。
(2) 計算原始圖像與失真圖像的均方誤差。,wo^，利用關(guān)系式，來計算原始圖像與
失真圖像的線性相關(guān)度。其中，x， y分別代表原始圖像與失真圖像，<formula>formula see original document page 6</formula>線性 相關(guān)度的動態(tài)范圍為[-i,i]。
(3) 計算原始圖像與失真圖像的均方誤差0" ,巧2,(勤，利用關(guān)系式2,^ 來計算原始
<formula>formula see original document page 6</formula>
圖像與失真圖像的相似度。其取值范圍也為
,只有當(dāng)m = q時取得最佳值1 。
(4) 計算原始圖像與失真圖像的單位距離增量的灰度變化幅值#/血，利用關(guān)系式
戶=^^-來計算原始圖像與失真圖像的清晰度。清晰度的值域為
,只有當(dāng)i-j7時，其值為l。
(2-2)利用關(guān)系式，來計算原始圖像與失真圖像的線性相關(guān)度。其中，x，y 仏0^
分別代表原始圖像與失真圖像，<formula>formula see original document page 7</formula>線性相關(guān)度的動態(tài)范圍為[-i，i]。
(2-3)利用關(guān)系式_4^來計算原始圖像與突真圖像的相似度。其取值范圍
<formula>formula see original document page 7</formula>
也為
，只有當(dāng)ov = ov時取得最佳值1 。
(2-4)并通過公式<formula>formula see original document page 7</formula>得到各幅失真圖像與原始圖像相
<formula>formula see original document page 7</formula>比的g值。g值反映了圖像的平均亮度逼近度、線性相關(guān)度和相似度的指標(biāo)。其中， 令g21、 g31、 g41、 g51分別代表失真圖像圖2，圖3，圖4，圖5與原始圖像

圖1 相比計算得到的g值，在本實施例中，Q21=0.647， Q 31=0.647， Q 41=0.647， Q 51=0. 647。
編程實現(xiàn)原始圖像與失真圖像的單位距離增量的灰度變化幅值#/血的計算，利用關(guān)系
式尸=^-來計算原始圖像與失真圖像的清晰度，清晰度的值域為
，只有當(dāng)σx＝σy時取得最佳值1。(4)計算原始圖像與失真圖像的單位距離增量的灰度變化幅值df/dx，利用關(guān)系式來計算原始圖像與失真圖像的清晰度。(5)綜合上述圖像質(zhì)量評價參數(shù)，定義基于結(jié)構(gòu)失真和清晰度的圖像質(zhì)量評價指標(biāo)該評價方法從圖像的亮度、清晰度以及相關(guān)性三方面對圖像質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量評價方法，其特征在于 平均亮度逼近度的取值范圍為[O,l]，當(dāng)^ =歹時，其值為l。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量評價方法，其特征在于 線性相關(guān)度的動態(tài)范圍為[-1, 1]。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量評價方法，其特征在于-相似度取值范圍也為
，當(dāng)^ =巧時取得最佳值1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量評價方法，其特征在于 清晰度的值域為[0，255)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于結(jié)構(gòu)失真和圖像清晰度的圖像質(zhì)量評價方法，該方法在基于結(jié)構(gòu)失真的圖像質(zhì)量評價方法的基礎(chǔ)上，提出結(jié)合圖像清晰度與結(jié)構(gòu)失真的圖像質(zhì)量評價方法，從而實現(xiàn)了從影響圖像質(zhì)量評價的主要因素即亮度、清晰度以及相關(guān)度對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)失真和清晰度的圖像質(zhì)量評價方法在客觀評價圖像時更能與人眼主觀感覺相一致，并且由于所選用的計算關(guān)系式較為簡單，只涉及到原始圖像與失真圖像像素之間的計算，所以該方法能夠快速有效的對圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。
文檔編號G06T7/00GK101441768SQ20081019797
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者于曉慶, 易堯華 申請人:武漢大學(xué)