一種新的圖像質量評價方法*

秦樹海，佟惠軍，饒 敏

(空軍航空大學航空軍械工程系，長春 130022)

0 引言

圖像質量評價方法總體上可以分為主觀評價和客觀評價兩類[1]。圖像在傳輸過程中易發生由于所用傳輸信道的干擾而受到噪聲污染，使用者必然會對受擾圖像進行一定處理，使其符合使用要求[2]。圖像處理的好壞就需要運用各種質量評價方法來對其進行判斷，而運用最為廣泛和準確的是圖像客觀評價方法中的全參考圖像質量評價[3]。

由于原始圖像已被噪聲污染，而全參考型對原始圖像的苛刻要求，使得該方法的運用存在極大不便，文中就是解決在原始圖像未知的情況下，仍然可以使用全參考型對圖像的質量進行較為準確的評價。

1 全參考圖像質量評價方法的評價指標

全參考型指的是原始圖像是完全己知的，并且認為沒有任何失真，可用來作為評價失真圖像質量的參照。目前大多數圖像質量評價算法都屬于全參考型。

圖像逼真度的測量通常是計算出被評價圖像與原始圖像之間的統計誤差，若誤差越小，則從統計意義上來說，被評價圖像與原始圖像的差異越小，圖像的逼真度就越高，圖像質量也就越高。常用的評價指標有平均絕對誤差、均方誤差、歸一化均方誤差、信噪比與峰值信噪比[4]。

1)均方誤差(MSE)

均方誤差的值越小表示圖像質量越好。其計算表達式為:

2)歸一化均方誤差(NMSE)

歸一化均方誤差也是值越小表示圖像質量越好。其計算表達式為:

3)信噪比(SNR)與峰值信噪比(PSNR)

信噪比與峰值信噪比是值越大代表圖像質量越好。表達式分別如下:

以上各式中，M和N分別是圖像長度和寬度上的像素個數，f(i，j)、f^(i，j)分別是原始圖像和被評價圖像在點(i，j)處的灰度值。

2 使用郵戳的全參考型圖像質量評價

在原始圖像傳輸前，將郵戳放置于圖像中，郵戳就是在圖像中選定相對次要的位置，按事先約定放置通信收發雙方都已知的局部圖像，文中郵戳選取77*77點白電平已知圖像，四角分布，畫面選取300*400點，單個郵戳占畫面5%，如圖1。

圖1 全圖像和加郵戳后圖像

原則上，郵戳可以設計成任意圖案。為更好保持圖像的可理解度和方便后期使用，圖案設計應根據如下二條原則:

1)郵戳圖案生成數學模型應簡單，計算機容易生成，以便于編程處理。

2)郵戳在圖像中的分布設計應盡量放在圖像的次要部分，以減少對圖像主要信息的破壞。建議采用四角郵戳，但所選郵戳總面積應小于圖像的20%。

3 仿真實驗及結論

使用MATLAB仿真軟件[5]，用噪聲對使用郵戳的圖像和全圖像(圖1)同時進行干擾，得到干擾圖像(圖2)，再對受擾圖像進行去噪處理，得到圖3和圖4，由于郵戳圖像的郵戳部分是已知的，因此，郵戳圖像的郵戳部分可運用全參考圖像質量評價方法對其進行質量評價;對于全圖像的質量評價，也運用全參考型。仿真圖如圖2～圖4，表1各評價指標為實時處理結果，表 2各評價指標均計算20次，然后取平均值。

圖2 受噪聲干擾后圖像

圖3 濾波后圖像(濾波窗口7×7)

圖4 濾波后圖像(濾波窗口3×3)

通過仿真實驗，圖2為受噪聲干擾后的圖像，已經無法辨認圖中信息，因此，其圖像質量應為最差;圖3由于所選濾波窗口過大，圖像經過去噪處理后變得模糊，導致一些細節信息無法辨認，圖像質量可判為中等;圖4的去噪處理比較成功，圖像細節都顯現出來了，圖像質量應為最好。

表1 實時圖像質量評價指標結果

從表1和表2的數據來看，郵戳圖像和全圖像的各評價指標，圖像的均方誤差和歸一化均方誤差值呈現不斷減小的趨勢，而信噪比和峰值信噪比呈不斷增加的趨勢;不論是實時處理還是多次統計取平均值，其結果都與主觀評價相吻合，都說明圖像的質量越來越好，這也與人眼的觀察相一致，因此，基于郵戳的圖像質量評價方法可以對圖像質量進行很好的評價，具體結論如下:

1)該方法可以以局部圖像的質量評價結果估計整幅圖像的質量，并且與人的視覺效果相一致。

表2 統計平均后的圖像質量評價指標結果

2)在考慮圖像的實際運用時，郵戳的理想分布是四角和四周分布，從而盡可能降低對圖像主要信息的破壞。

3)郵戳的整體大小應占整幅圖的16% ～22%，以20%為宜，過大或過小的郵戳影響評價效果。

4)由于郵戳的存在，在一定程度上破壞了圖像的整體效果，因此該方法也存在局限性，適用于對圖像邊緣信息要求不高的領域。

[1]王菲.運動模糊圖像的恢復及恢復質量評價[D].西安電子科技大學，2010.

[2]楊琬，吳樂華，范曄.數字圖像客觀質量評價方法研究[J].通信技術，2008，41(7):244 －246.

[3]倪曉明.基于小波變換圖像質量評價新算法[D].廈門:廈門大學，2009.

[4]謝鳳英，趙丹培.Visual C++數字圖像處理[M].北京:電子工業出版社，2008.

[5]飛思科技產品研發中心.MATLAB 7輔助信號處理技術與應用[M].北京:電子工業出版社，2005.