一种基于结构相似性的图像信号设计方法

明 军, 靳二苏, 杨 杨

(安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥 230039)

一种基于结构相似性的图像信号设计方法

明 军, 靳二苏, 杨 杨

(安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥 230039)

文章为了表征具有结构相似性的数字图像测试信号,依据空间向量分解和合成原理,采用向量范数和夹角等参量,给出一种与空间结构相似性相关的测试图像设计方法,以及对应的设计实例和实验结果。该方法丰富了信号设计的类型,有利于结构相似性的标准测试信号的建立,以及结构化图像质量评价实验的考察。

图像空间;向量分解;相似性;信号设计

0 引 言

随着数字视频系统的迅速发展,图像质量评价重要性正在逐步显露。目前,已有不少图像质量的评价方法被提出,主要包含基于视觉感知的、基于结构化的、基于兴趣的和基于信息的多种图像质量评价方法[1-4]。这些客观评价方法的目的是希望逐步达到与主观评价标准(Mean Opinion Score,简称MOS)相一致的作用。基于结构化的图像质量评价方法的一个显著特点是将基于图像像素的考察扩展到图像空间分析,具有与视觉感受相吻合的特性。为了进一步考察结构化图像质量评价方法以及对应空间向量的视觉感受,测试图像的建立方法是一个关键问题。以往黑白以及彩色测试图像信号设计方法通常采用类比黑白信号的基色方式、亮度色差方式以及3要素方式进行设计[5-8],然而这些方法未能从结构上考虑人眼的主观视觉感受,因而限制了与主观视觉相吻合的图像质量评价方法的发展。

本文从图像空间向量分解和合成的角度,分析了与图像空间结构相似性相关的测试图像设计方法,该方法考虑了人眼的主观视觉感受,为进一步建立结构化的图像质量评价方法提供坚实的基础。

1 空间向量及其分解方法

图像空间中用向量s表示一幅图像参数,设图像参数s为M×N图像空间的一个向量,即

其中模长为:

图像空间2个向量的关系分析,如图1所示。

图1 2个向量关系示意图

损伤图像s1可以依据参考图像s0,分解为水平和垂直 2个分量,即s1=、s1⊥,且3个分量图像s1、s1= 、s1⊥有下述关系 :

图2 3个向量关系示意图

2 结构相似性信号设计方法

空间结构相似性测试信号,一般采用基于参考图像信号结构,依据误差图像参数进行设计。由空间向量分解分析可知,关键的问题是给出一个正交信号的设计方法。实际采用的步骤如下:

实际上产生随机信号s d与参考图像s0相似的概率几乎为零,无关分量s d⊥采用上述方法设计,主要是为了确保s d⊥不会包含与参考图像相似的分量。此外,s d通常选择白噪声,有利于保证实验效果的一致性,以及模长和夹角相同测试图像的观测;sd⊥幅度概率分布的选择,可以依据视觉分辨力的测试要求。对应测试图像相似分量的要求,取决于参考图像的结构分布的设计。

3 信号设计实例

上述数学模型对应的实验结构框图如图3所示,其中正交单位向量基于参考图像s0产生,2个分量的模长依据误差参数模长和相角要求控制,三者合成得到测试图像。

图3 测试图像的产生框图

图4所示给出了基于参考图像棋盘信号和误差参数的测试图像的示例,其中相似和无关的2个误差分量图像PSNR=23.18 dB,合成的误差图像PSNR=20.17 dB,可以清楚地考察水平和垂直2种误差分量的视觉感受差异。

图5所示为一组模长相同且相位变化的lena女郎头像标准测试图像,对应误差图像PSNR均为 20.17 dB,夹角分别为 0°、22°、44°、66°、88°,用于考察夹角变化的图像视觉感受。

图4 测试图像示例1

图5 测试图像示例2

图5表明峰值信噪比不变的情况下,随着夹角的增加,视觉感知的图像质量逐步下降。从而说明信噪比不能准确反映视觉感知效果,基于结构相似性的信号设计方法为图像质量考察开拓了新的途径。

4 结束语

本文从空间结构相似性角度,给出了一种标准测试图像信号的设计方法,丰富了信号设计的类型,对结构化图像质量评价实验提供了新的考察手段,有助于新的图像质量评价实验的实现。

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An image signal designmethod based on structural sim ilarity

M ING Jun, JIN Er-su, YANG Yang

(Key Laboratory of Intelligent Com puting and Signal Processing of M inistry of Education,Anhui University,H efei230039,China)

Aiming at denoting the digital im age test signals whose structure are similar,and based on the p rinciples of decomposition and synthesis of image space vector,a test image designmethod in relation to the spatial structural sim ilarity is given by using the norm and angle parameters of vectors.And the corresponding design examp le and experimental results are also p resented.Thismethod enriches the typesof signal design,and it is conducive to the establishmentof standard test signals whose structure are similar and the research on the structuralized experimental evaluation o f image quality.

image space;vector decomposition;sim ilarity;signal design

TN911.73

A

1003-5060(2011)01-0062-03

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.015

2010-01-25;

2010-06-25

国家自然科学基金资助项目(60872162)

明 军(1952-),男,江西南康人,安徽大学教授,硕士生导师.

(责任编辑 张秋娟)