基于掩盖效应空间相似性的图像质量评价方法研究

王怡影， 柴豆豆， 张 量， 明 军， 牛文慧

（1.合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽大学 电子信息工程学院 安徽 合肥 230039）

随着数字图像技术的发展，人们对图像的需求已经不再是单一的黑白照片，取而代之的是立体化的3D视频技术，传统的客观图像质量评价方法已经无法正确反映人眼的视觉感受。目前出现的基于结构化［1］、视觉感知［2］等多种图像质量评价方法，较之传统方法更加贴近人眼主观感受。其中，HVS模型的引入对图像质量评价工作具有重要作用，掩盖效应［3－5］作为 HVS模型的一部分，被越来越多地广泛研究。但是，基于掩盖效应的图像质量评价方法仅仅考察了标准图像的影响，忽略了误差图像的影响。误差图像依据幅度大小、频率高低、运动快慢以及空间结构组成的不同，其功率谱分布不同，给人眼的感觉也不一样。空间相似性［1，6－7］描述的是空间向量的相关性，反映了误差图像本身对图像质量的影响。本文基于3个误差分量的信号设计方法［8］，将图像向量进行分解，与掩盖效应结合，提出一种基于掩盖效应空间相似性的图像质量评价方法，同时考察标准图像和误差图像对图像质量的影响。

1 掩盖效应

掩盖效应描述了一个激励对另一个激励产生干扰导致视觉阈值发生变化的现象。掩盖效应的模型如图1所示。

图1 掩盖效应模型

其中，CM为背景对比度；logCM为其对数值；CT0为在没有掩盖效应发生时目标信号的对比度探测阈值，它可通过CSF计算得出；CT为掩盖效应发生后目标信号的视觉可见阈值；logCT为其对数值；ε≈1由实验决定。视觉可见阈值CT可以表示为：

由（1）式可见，背景对比度CM不断增加时，视觉可见阈值CT随之增加，目标信号更不容易被感知。

2 空间相似分解

假设向量s表示的是M×N图像空间的一幅图像参数，即

其中，图像参数s由均值μ（背景亮度）和交变（对比度）分量s~组成，即s＝μ＋s~。那么，2幅图像s、s′的对比度分量分别为：

向量关系示意图如图2所示，按照图2将其分解成图像s~的对比度相似分量s~′＝和对比度无关分量s~′⊥，即

图2 向量关系示意图

3 图像质量评价方法

由于误差图像的对比度相关分量与标准图像存在相似性，本文考虑将误差图像的对比度无关分量与掩盖效应结合进行考察。首先由标准图像和损伤图像求出误差图像，然后将误差图像进行相似分解得到误差图像的对比度无关分量。同时，依据掩盖模型，计算出发生掩盖效应后的实际探测阈值，进而得出最小亮度变化。将这个阈值与对比度无关分量进行比较，计算图像的失真度，最后采用本文提出的方法计算参数，并与传统客观方法进行比较。具体结构框图如图3所示。

图3 基于掩盖效应空间相似性的图像质量评价方法

数学模型如下：

（1）设s0和s1分别为标准图像和损伤图像的任意一个向量，则可以求出误差图像se＝s1－s0，求出其对比度分量s~0、s~e。

（2）根据空间相似分解，求出s~0的对比度相关分量s~e＝和对比度无关分量s~e⊥，即，

（3）计算和测量发生掩盖效应后目标信号的实际探测阈值CT（i，j），即

其中，背景对比度CM（i，j）可以采用 Weber对比度定义计算，即，为标准图像的均值；CT0表示在没有掩盖效应发生时目标信号的对比度探测阈值，CT0＝，其中通过 函数可以求出对比CSF度敏感度 CSF（μ）＝（0.31＋0.69μ）e－0.29μ，进而得出探测阈值，掩盖阈值C可min以通过实验测出。

（4）计算发生掩盖效应后人眼能观察到的最小亮度变化ΔLmin，即

（5）计算误差图像对比度无关分量和标准图像之间的失真度sd（i，j），

当误差图像的对比度无关分量大于最小亮度变化时，则认为这个值是能被人眼所感知的。反之，可以被忽略。

（6）感知均方误差SMSE和感知峰值信噪比SPSNR分别为：

4 算法测试

为了测试算法的有效性，选取传统客观评价方法、基于掩盖效应的图像质量评价方法以及基于空间相似性的图像质量评价方法与本文算法进行对比，将获得的感知均方误差和感知峰值信噪比进行比较。选取一组仅有相位变化的lena女郎头像为测试信号，相邻2个图夹角间隔为30°，用于考察空间向量夹角对图像质量的影响。通过观察发现，损伤图像随着空间向量夹角的变化，给人眼的主观感受也在变化，夹角越大，图像的视觉效果越差。传统客观评价方法计算得出的均方误差和峰值信噪比并没有变化，这明显与主观感受不符。其他3种方法都能反映出图像质量随着相位夹角的变化情况。

通过测试结果可以看出，本文方法的实验效果尤其明显，准确反映了人眼的主观感受，如图4所示。

图4 算法测试结果对比

5 结束语

空间相似性是误差图像的一个特性，掩盖效应描述的是标准图像对图像质量的影响，本文将空间相似性与掩盖效应相结合，提出了一种基于掩盖效应空间相似性的图像质量评价方法，同时考察了标准图像和误差图像本身对图像质量的影响。实验表明该方法得出的实验结果与主观感受一致，明显优于传统客观评价方法，为图像评价方法的研究提供了新方向。

［1］ Wang Z，Bovik A C，Sheikh H R，et al.Image quality assessment：from error visibility to structural similarity ［J］.IEEE Transactions on Image Processing，2004，13（4）：600－612.

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［3］ Foley J M.Human luminance pattern－vision mechanisms：masking experiments require a new model［J］.Journal of Optical Society of America A，1994，11（6）：1710－1719.

［4］ 张煜东，吴乐南，韦 耿.一个新的空间掩盖效应拟合公式［J］.中国光学与应用光学，2008，1（1）：70－74.

［5］ 刘 琼，胡瑞敏，韩 镇.一种利用视觉掩蔽效应的感兴趣区域视频编码方法［J］.中国图象图形学报，2010，15（6）：861－866.

［6］ 张 量，王怡影，明 军，等.基于掩盖效应图像质量评价方法的研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2013，36（6）：696－699.

［7］ Chen G H，Yang C L，Po L M，et al.Edge－based structural similarity for image quality assessment［C］／／Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing，Vol 2.Washington，D C：IEEE，2006：14－19.

［8］ 明 军，王怡影，杨 杨.基于三个误差分量的图像信号设计方法［J］.计算机工程与应用，2013，49（2）：234－237.