關(guān)于顏色損傷對(duì)視覺(jué)感知圖像質(zhì)量影響的分析

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(lái)越多的圖像信息，為了方便圖像的存儲(chǔ)和傳輸，各類(lèi)圖像壓縮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而由此帶來(lái)的圖像損傷也是不容忽視的。如何評(píng)價(jià)圖像的損傷，是一個(gè)重要的研究課題。本次實(shí)驗(yàn)選擇了不同紋理、不同顏色的測(cè)試圖像，利用JPEG程序?qū)υ紙D像進(jìn)行了壓縮倍數(shù)為3、5、10、15不同程度的壓縮，分別進(jìn)行亮度圖像和彩色圖像的主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，并做出了主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

關(guān)鍵詞：人眼視覺(jué)特性；JPEG；主觀(guān)評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)： TNl4l；TN949 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）31-168-4

1 課題研究的背景和意義

圖像是人類(lèi)感知和機(jī)器模式識(shí)別的重要信息源，其質(zhì)量對(duì)所獲取信息的準(zhǔn)確性起著決定性的作用。隨著信息化社會(huì)的到來(lái)以及信息高速公路的實(shí)施，各行各業(yè)對(duì)圖像的使用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)圖像質(zhì)量的需求也越來(lái)越高。經(jīng)過(guò)壓縮的圖像雖然為圖像的存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)了極大的方便，但圖像質(zhì)量有時(shí)卻不盡如人意，對(duì)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(duì)不同顏色的靈敏度不同，因此不同顏色的損傷對(duì)圖像質(zhì)量的影響也各不相同。

顏色損傷對(duì)視覺(jué)感知圖像質(zhì)量的影響研究對(duì)數(shù)字電視、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)、電子圖書(shū)館、衛(wèi)星遙感圖像等方面提供了有力的支持。目前針對(duì)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的算法，國(guó)內(nèi)外的一些知名高校和科研機(jī)構(gòu)，如復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)空間技術(shù)研究院、VQEG（國(guó)際電信聯(lián)盟的視頻質(zhì)量專(zhuān)家小組）、美國(guó)Sarnoff公司等，都對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期深入的研究。

圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的主體是人，因此人眼視覺(jué)特性（HSV）對(duì)評(píng)價(jià)算法的研究具有重要意義。但是，對(duì)人眼視覺(jué)特性的研究涉及生理、心理等方面，特別是對(duì)視覺(jué)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(méi)有一套全面的、統(tǒng)一的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法有兩種：①主觀(guān)評(píng)價(jià)方法：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由觀(guān)測(cè)者對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；②客觀(guān)評(píng)價(jià)方法：采用算法對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中主觀(guān)評(píng)價(jià)方法天然地和人的主觀(guān)感受相符，但它費(fèi)時(shí)、復(fù)雜，還會(huì)受到觀(guān)測(cè)者專(zhuān)業(yè)背景、心理和動(dòng)機(jī)等主觀(guān)因素的影響，并且不能結(jié)合到其他算法中使用；客觀(guān)評(píng)價(jià)方法方便、快捷，容易實(shí)現(xiàn)并能結(jié)合到應(yīng)用系統(tǒng)中，但它和人的主觀(guān)感受有出入。通常提到的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)算法是指客觀(guān)評(píng)價(jià)算法，其目標(biāo)是獲得與主觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果相一致的客觀(guān)評(píng)價(jià)值。

2 人眼視覺(jué)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(shí)都需根據(jù)人眼的視覺(jué)特性來(lái)選擇，以使得壓縮后的圖像質(zhì)量能滿(mǎn)足人眼的要求。人眼視覺(jué)特性大致包括視敏特性、亮度感覺(jué)特性、視覺(jué)分辨力特性和彩色感覺(jué)特性等[1]。

2.1 視敏特性

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

2.2 亮度感覺(jué)特性

人眼的亮度感覺(jué)是一個(gè)主觀(guān)量，它不僅取決于景物給出的亮度值，而且還與周?chē)h(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(shí)，人眼能同時(shí)感覺(jué)的亮度上、下限之比最大可接近1000：1，而平均亮度過(guò)高或過(guò)低時(shí)只有10：1。

2.3 人眼的分辨力

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

2.4 人眼的顏色感覺(jué)特性

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

2.4.1 亮度

亮度表征色光對(duì)人眼刺激程度的強(qiáng)弱，即引起明亮感覺(jué)的程度，它與進(jìn)入人眼色光的光能有關(guān)。對(duì)于發(fā)光物體（光源），發(fā)光強(qiáng)度越高，人眼感到越亮；而對(duì)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(duì)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(lèi)別。理論上講，在可見(jiàn)光譜中不同波長(zhǎng)的光有不同的色調(diào)，即應(yīng)有無(wú)數(shù)種色調(diào)與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。但實(shí)際上對(duì)波長(zhǎng)很接近的譜色光，人眼并不能區(qū)別開(kāi)它們的色調(diào)。從總體上看，在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，人眼大體能分辨出200來(lái)種不同的色調(diào)。當(dāng)顏色太淡或亮度太大及太小時(shí)，人眼對(duì)色調(diào)的分辨力也會(huì)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(duì)于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，說(shuō)明它的顏色越深；飽和度越低，說(shuō)明它呈現(xiàn)的顏色越淺。

3 主觀(guān)評(píng)價(jià)

主觀(guān)評(píng)價(jià)是直接利用觀(guān)察者對(duì)被測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量的主觀(guān)反映，來(lái)確定系統(tǒng)性能的一種方法。國(guó)外的一篇論文[2]在這一方面進(jìn)行了首次探索，呈現(xiàn)了一個(gè)顏色損傷對(duì)視覺(jué)感知高分辨率靜止圖像質(zhì)量影響的主觀(guān)研究。本次主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照主觀(guān)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，請(qǐng)若干名實(shí)驗(yàn)員在主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行彩色圖像和黑白圖像的主觀(guān)評(píng)價(jià)，為原始圖像和不同壓縮倍數(shù)的壓縮圖像進(jìn)行打分。將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出相關(guān)結(jié)論。

3.1 主觀(guān)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案

3.1.1 測(cè)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(guān)評(píng)價(jià)方法

3.1.2 評(píng)價(jià)用測(cè)試圖像序列（見(jiàn)表1）

3.1.3 評(píng)價(jià)方法

測(cè)試分為彩色和黑白兩個(gè)部分，每個(gè)部分有七組圖像，每組有6張，為同一內(nèi)容的2張?jiān)紙D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(jī)排列的壓縮圖像和原始圖像，測(cè)試人員為這5張圖像打分，主觀(guān)評(píng)價(jià)經(jīng)JPEG壓縮后的圖像質(zhì)量相對(duì)于原圖像的質(zhì)量損傷情況。滿(mǎn)分為100分。評(píng)分規(guī)則為：

與原圖無(wú)可察覺(jué)的差別，定為100—80分；

與原圖有剛可察覺(jué)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(guān)看條件

主觀(guān)評(píng)價(jià)在中國(guó)傳媒大學(xué)主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，其評(píng)價(jià)觀(guān)看條件基本符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 134-1998中的規(guī)定。具體觀(guān)看條件為：測(cè)試人員觀(guān)看距離約為30cm；室內(nèi)環(huán)境光照明強(qiáng)度低；測(cè)試人員的座位在圖像水平方向中垂線(xiàn)±30°內(nèi)。

3.1.5 評(píng)價(jià)人員

本次測(cè)試邀請(qǐng)非專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)人員14人，均來(lái)自中國(guó)傳媒大學(xué)。評(píng)價(jià)人員年齡在22～27歲之間，其中男性3人，女性8人。

3.1.6 評(píng)價(jià)用儀器設(shè)備

PC機(jī)一臺(tái)，高清監(jiān)視器（1920*1080）一臺(tái)

3.2 主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)ITU-R BT.500-11和GY/T 134-1998對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，在11人數(shù)據(jù)中保留了11人，原始圖像默認(rèn)為100分，各個(gè)圖像的得分情況詳見(jiàn)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(píng)價(jià)部分（見(jiàn)表2）

3.2.2 黑白圖像評(píng)價(jià)部分（見(jiàn)表3）

需要說(shuō)明的是，在以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，由于原始圖像夾雜在壓縮圖像中，人眼有時(shí)難以分辨出來(lái)，因此會(huì)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?？傮w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(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

各壓縮倍數(shù)下測(cè)試圖像的主觀(guān)評(píng)價(jià)平均分如圖1、圖2所示。

每幅測(cè)試圖像的質(zhì)量下降總平均分如圖3所示。

分析測(cè)試得到的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于彩色圖片來(lái)說(shuō)，人眼對(duì)綠色的損傷最敏感，因?yàn)殡S著壓縮倍數(shù)的增加，綠色的色調(diào)會(huì)發(fā)生顯著變化，圖像的紋理越細(xì)、細(xì)節(jié)越多，人眼越難發(fā)覺(jué)圖像的變化；對(duì)于黑白圖像來(lái)說(shuō)，人眼對(duì)圖像損傷的靈敏度只和圖像細(xì)節(jié)相關(guān)，細(xì)節(jié)越少越靈敏。

4 結(jié)論

顏色損傷對(duì)視覺(jué)感知圖像質(zhì)量的影響研究是一個(gè)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(jué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究成果結(jié)合起來(lái)，具有優(yōu)質(zhì)廣泛的應(yīng)用前景。如版權(quán)保護(hù)、公安系統(tǒng)、數(shù)字圖書(shū)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(shí)間，但也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不過(guò)由于圖像特征描述和人眼視覺(jué)特性的復(fù)雜性，其技術(shù)仍不成熟，理論上還有很多問(wèn)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(jué)特性的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。主觀(guān)評(píng)價(jià)方案參照國(guó)外的研究方法，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)本課題的研究方向進(jìn)行了改進(jìn)。測(cè)試圖像經(jīng)過(guò)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(jī)排列，每組順序各不相同，極大地利用了測(cè)試者的整體主觀(guān)感受能力。此外，主觀(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的整理和分析參照了ITU-R BT.500-11 標(biāo)準(zhǔn)， 從而提高了主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)論整體的準(zhǔn)確性。

鑒于有限的時(shí)間和作者自身的程度，研究方法也存在一些不足。對(duì)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(jué)特性的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)還有很大的研究空間，許多方法仍值得深入研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(guān)評(píng)價(jià)方法.