基于掩盖效应空间相似性的图像质量评价方法

孙昕

摘 要

对于图像质量的评价一般分为客观和主观两种。主观评价法以人对图像的主观印象为标准，目前HVS模型在被广泛应用在图像质量评价领域，而该模型中的掩盖效应更是被许多学者关注。本文则主要围绕掩盖效应与空间相似性来提出一种图像质量评价方法。

【关键词】掩盖效应 图像质量 空间相似性

现在人们知道在进行图像的采集传输存储等过程中不可避免的会出现图像的质量下降和失真的情况，而这对人们在生活还是研究上都会带来一定的困扰。所以对于图像质量的评价系统也就应运而生。目前由于人类视觉系统HVS在该方面的良好特性，作为该模型重点的掩盖效应更是知道重点研究，本文将其和空间相似性结合来做图像质量评价。

1 视觉感知和多通道分解

1.1 视觉感知

对于视觉感知来说，人眼对视觉的感知并不与进入人眼光线的强度成正比，而是非线性的一种感知。在实践过程中，当物体刚刚有微弱的光时，人是看不到的，而当光的强度逐渐增加时人才慢慢看到，同时可以感受到光在逐渐增加，但是当光强到一定程度时，人又无法分辨出光强的大小。

1.2 多通道分解

在实践过程中，我们发现对于入射到人眼中的图像，它会按照不同的频率而分成不同的模块，而人眼也会因为频率不同，对其的感知能力也会不同。一般来说，人对图像中频率比较高的信息和低的信息的感受都不是很敏感，而往往是中间段的信息感受的更加真切，敏锐，这也是为什么中频段构成了视觉中的主画面。按照这个原理我们可以构建相应的数学模型来模拟这一过程。

2 掩盖效应的定义

对于HVS（Human Visual System）模型来说，它一般有视觉感知，多通道分解和掩盖效应三个部分。在我们进行图像的数字处理时，对于掩盖效应是我们必须要重视和研究的。通常来说掩盖效应就是指，某个信号的存在会致使人眼对另外的某些信号无法察觉或者不容易察觉，也就是该信号将其他一些信号掩盖住了。通常我们还可以根据掩盖发生的时间和位置，将其分为空间域掩盖效应和时间域掩盖效应。

3 空间相似性

对于空间的相似性来说，一般有结构相似和形态相似两种。其中形态相似是一般是指细节等局部地方的相似，在对于形态相似这方面的分析上，我们一般可以又有参数分析和和契合度分析两种方法。下面将就空间相似性中一些重要的参数做阐述：

3.1 空间相关性

对于空间相关性来说，顾名思义就是指图像信息在空间上的相关度。假设存在图像X和图像Y，为了求其相关性，一般我们会先求出各种图像信息的方差即DX和DY，然后再计算两个图像之间的协方差即cov（X，Y）。然后再以如下公式计算对其相关性进行度量：

3.2 角度相似性

假设在某个空间内存在图像X和图像Y，利用空间几何的知识来计算其余弦夹角，则其计算公式为：

从上式中我们可以知道，如果要图像在空间角度上的相似度越高，就必须S（X，Y）的值越大，而这也就要求两个图像X和Y之间更加相似。通过实践经验来说，一般图像在空间上的相似性来说，极大程度上取决于角度相似性和空间相关性，只要这两个的相关性越好，那么图像的质量，失真及相关性也就越好。

4 基于掩盖效应空间相似性的图像质量评价方法

4.1 数学模型

本文这次需要阐述的对图像进行质量评价的一种方法，该方法按照将采集到的图像与标准图像进行对比来求出之间的差别，再计算出无关分量，然后通过设定掩盖阈值来计算可以感知到的最小亮度的变化，最后计算图像的失真度并带入参数反复计算。一般在进行计算时的步骤如下：

（1）假设已经知道图像s0为标准的，图像s1为采集得到的，然后通过将两个图像进行相减来得到其误差图像se=s1-s0，然后我们再利用式，（μ为图像的背景均值），就可以知道和。

（2）对这些参数进行分解，我们就知道了，相关分量及无关分量，可以表示为

，，

且。

（3）通过下式来计算掩盖阈值CT（i，j）：

（3）

（4）通过下式来计算当掩盖效应出现后人眼可以感知到的最小亮度变化△Lmin：

（4）

（5）计算出的图像误差值与标准图像的失真度sd（i，j）：

（5）

（6）最后计算图像评价中常用的参数SPSNR和SMSE：

（6）

（7）

4.2 实验结果

本次实验为了能够更好的验证本文提出的算法的效果，除了用本文所述方法做了图像质量评价以外，还采用了两种传统的评价算法来对图像进行质量评价。在本次实验中选取了一组空间夹角分别：0°，30°，60°，90°的图片来进行实验，以下为其实验效果：传统客观法均方差分别为：12.23%，15.24%，17.44%，15.64%，信噪比分别为：26.33dB，26.31dB，24.37dB，27.41 dB；空间相似性法均方差分别为：1.37%，6.3%，8.34%，10.24%，信噪比分别为：122.33dB，36.51dB，27.87dB，30.41dB；本文方法均方差分别为：0.31%，3.13%，5.31%，6.24%，信噪比分别为：321.33dB，65.51dB，39.87dB，37.41dB；从上面的实验结果中我们可以发现，采集到的图像信号是会随着夹角度的改变而发生改变的，这给我们人的主观感受也不一样，一般来说，其角度相差越大给人的感受就越差。通过上面的均方差和信噪比的值我们可以知道，本文提出的图像质量评价方法与传统方法比较具有非常大的优势，无论均方差还是信噪比都具有较大改善，极大的增强了人眼的感官能力。

5 总结

总的来说，本文在此针对图像质量评价提出了一种新的方法，依托掩盖效应和空间相似性来建立相关的数学模型从而得出计算结果，并且还给出了两种传统的图像质量评价方法的实验结果，在对这些结果进行对比后，我们发现本文的图像质量评价方法要更加好点。

参考文献

[1]丁绪星，朱宏，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（02）：190-194.

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[4]王洪姣.图像质量评价方法的研究及实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

作者单位

同济大学 上海市 200000