關于顏色損傷對視覺感知圖像質量影響的分析

蘆希

摘 要：隨著多媒體技術和互聯網的迅速發展，人們接觸到越來越多的圖像信息，為了方便圖像的存儲和傳輸，各類圖像壓縮技術應運而生，而由此帶來的圖像損傷也是不容忽視的。如何評價圖像的損傷，是一個重要的研究課題。本次實驗選擇了不同紋理、不同顏色的測試圖像，利用JPEG程序對原始圖像進行了壓縮倍數為3、5、10、15不同程度的壓縮，分別進行亮度圖像和彩色圖像的主觀評價實驗，并做出了主觀評價實驗報告。

關鍵詞：人眼視覺特性；JPEG；主觀評價

中圖分類號： TNl4l；TN949 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-168-4

1 課題研究的背景和意義

圖像是人類感知和機器模式識別的重要信息源，其質量對所獲取信息的準確性起著決定性的作用。隨著信息化社會的到來以及信息高速公路的實施，各行各業對圖像的使用越來越廣泛，人們對圖像質量的需求也越來越高。經過壓縮的圖像雖然為圖像的存儲和傳輸帶來了極大的方便，但圖像質量有時卻不盡如人意，對于彩色圖像而言，壓縮后圖像的顏色損傷是普遍存在的，但人眼對不同顏色的靈敏度不同，因此不同顏色的損傷對圖像質量的影響也各不相同。

顏色損傷對視覺感知圖像質量的影響研究對數字電視、多媒體數據庫、電子圖書館、衛星遙感圖像等方面提供了有力的支持。目前針對圖像質量評價的算法，國內外的一些知名高校和科研機構，如復旦大學、中國空間技術研究院、VQEG（國際電信聯盟的視頻質量專家小組）、美國Sarnoff公司等，都對其進行了長期深入的研究。

圖像質量評價的主體是人，因此人眼視覺特性（HSV）對評價算法的研究具有重要意義。但是，對人眼視覺特性的研究涉及生理、心理等方面，特別是對視覺的心理特性業界迄今仍難以找出定量的描述方法，所以目前還沒有一套全面的、統一的圖像質量評價體系。

圖像質量評價的方法有兩種：①主觀評價方法：設計實驗，由觀測者對圖像質量進行評價；②客觀評價方法：采用算法對圖像質量進行評價。其中主觀評價方法天然地和人的主觀感受相符，但它費時、復雜，還會受到觀測者專業背景、心理和動機等主觀因素的影響，并且不能結合到其他算法中使用；客觀評價方法方便、快捷，容易實現并能結合到應用系統中，但它和人的主觀感受有出入。通常提到的圖像質量評價算法是指客觀評價算法，其目標是獲得與主觀評價結果相一致的客觀評價值。

2 人眼視覺特性

由于壓縮后的圖像最終是供大眾欣賞和使用的，所以在設定圖像壓縮的有關參數時都需根據人眼的視覺特性來選擇，以使得壓縮后的圖像質量能滿足人眼的要求。人眼視覺特性大致包括視敏特性、亮度感覺特性、視覺分辨力特性和彩色感覺特性等[1]。

2.1 視敏特性

人眼所能感覺的光（可見光）是波長范圍為380～780mm的電磁波。實驗證明，對于不同顏色的光，人眼不僅有不同的顏色感覺，而且有不同的靈敏度，即對于輻射功率相同而波長不同的光有不同的光亮感覺，人眼的這一特性稱為視敏特性。研究表明：在明亮環境中，人眼對波長為555nm的黃綠光有最大的敏感度；在黑暗環境中，人眼對波長為507nm的青綠光有最大的敏感度。

2.2 亮度感覺特性

人眼的亮度感覺是一個主觀量，它不僅取決于景物給出的亮度值，而且還與周圍環境的平均亮度，即人眼的適應性有關。在平均亮度適中時，人眼能同時感覺的亮度上、下限之比最大可接近1000：1，而平均亮度過高或過低時只有10：1。

2.3 人眼的分辨力

人眼分辨圖像細節的能力稱為人眼的分辨力或視覺銳度。分辨力除因人而異外，還與景物的照度、景物的對比度等因素有關。當照度太低時，分辨力就大為降低，且分辨不出顏色。相反，當照度太高時，分辨力也不會再增加，甚至由于“眩目”現象而降低。景物細節的對比度低，分辨力也要降低。除此之外，分辨力還與景物的運動速度有關，運動速度快，分辨力將降低。

2.4 人眼的顏色感覺特性

為確切表示某一顏色光，必須有三個獨立的參量：亮度（亦稱明度）、色調和飽和度（亦稱純度），它們稱為彩色的三要素。

2.4.1 亮度

亮度表征色光對人眼刺激程度的強弱，即引起明亮感覺的程度，它與進入人眼色光的光能有關。對于發光物體（光源），發光強度越高，人眼感到越亮；而對于非發光物體，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，物體表面對光的反射率越高，物體的亮度就越高。

2.4.2 色調

色調表征彩色之間的差異性，反映顏色的類別。理論上講，在可見光譜中不同波長的光有不同的色調，即應有無數種色調與波長相對應。但實際上對波長很接近的譜色光，人眼并不能區別開它們的色調。從總體上看，在可見光的波長范圍內，人眼大體能分辨出200來種不同的色調。當顏色太淡或亮度太大及太小時，人眼對色調的分辨力也會下降。

2.4.3 飽和度

飽和度是指彩色光所呈現彩色的深淺程度（或濃度），即某色調的濃淡、深淺程度或摻白程度，以百分比（%）表示。對于同一色調的彩色光，飽和度越高，說明它的顏色越深；飽和度越低，說明它呈現的顏色越淺。

3 主觀評價

主觀評價是直接利用觀察者對被測系統質量的主觀反映，來確定系統性能的一種方法。國外的一篇論文[2]在這一方面進行了首次探索，呈現了一個顏色損傷對視覺感知高分辨率靜止圖像質量影響的主觀研究。本次主觀評價實驗嚴格按照主觀實驗評價標準進行，請若干名實驗員在主觀評價實驗室中進行實驗，分別進行彩色圖像和黑白圖像的主觀評價，為原始圖像和不同壓縮倍數的壓縮圖像進行打分。將實驗所得數據進行分析整理，得出相關結論。

3.1 主觀評價設計方案

3.1.1 測試依據

ITU-R BT.500-11[3] METHODOLOGY FOR THE SUBJECTIVE ASSESSMENT OF THE QUALITY OF TELEVISION PICTURES

GY/T 134-1998[4]數字電視圖像質量主觀評價方法

3.1.2 評價用測試圖像序列（見表1）

3.1.3 評價方法

測試分為彩色和黑白兩個部分，每個部分有七組圖像，每組有6張，為同一內容的2張原始圖像和4張壓縮圖像，每組的第1張為已知的原始圖像，其余5張是隨機排列的壓縮圖像和原始圖像，測試人員為這5張圖像打分，主觀評價經JPEG壓縮后的圖像質量相對于原圖像的質量損傷情況。滿分為100分。評分規則為：

與原圖無可察覺的差別，定為100—80分；

與原圖有剛可察覺的差別，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 觀看條件

主觀評價在中國傳媒大學主觀評價實驗室中進行，其評價觀看條件基本符合行業標準GY/T 134-1998中的規定。具體觀看條件為：測試人員觀看距離約為30cm；室內環境光照明強度低；測試人員的座位在圖像水平方向中垂線±30°內。

3.1.5 評價人員

本次測試邀請非專業評價人員14人，均來自中國傳媒大學。評價人員年齡在22～27歲之間，其中男性3人，女性8人。

3.1.6 評價用儀器設備

PC機一臺，高清監視器（1920*1080）一臺

3.2 主觀評價實驗數據

根據ITU-R BT.500-11和GY/T 134-1998對原始數據進行了篩選，在11人數據中保留了11人，原始圖像默認為100分，各個圖像的得分情況詳見下表，其中置信區間為95%置信度的區間。

3.2.1 彩色圖像評價部分（見表2）

3.2.2 黑白圖像評價部分（見表3）

需要說明的是，在以上的實驗數據中，由于原始圖像夾雜在壓縮圖像中，人眼有時難以分辨出來，因此會與理論上的100分存在一些偏差。但隨著圖像壓縮倍數的增加，人眼可以明顯分辨出圖像質量的下降。總體上不難看出，受壓縮倍數損傷影響較小的是“黃葉和綠地”，受壓縮倍數損傷影響較大的是“綠葉”。

3.2.3 主觀評價實驗結論

各壓縮倍數下測試圖像的主觀評價平均分如圖1、圖2所示。

每幅測試圖像的質量下降總平均分如圖3所示。

分析測試得到的數據顯示，對于彩色圖片來說，人眼對綠色的損傷最敏感，因為隨著壓縮倍數的增加，綠色的色調會發生顯著變化，圖像的紋理越細、細節越多，人眼越難發覺圖像的變化；對于黑白圖像來說，人眼對圖像損傷的靈敏度只和圖像細節相關，細節越少越靈敏。

4 結論

顏色損傷對視覺感知圖像質量的影響研究是一個非常有前途的研究方向，它綜合了多種學科，將圖像處理、圖像理解、人眼視覺等多個領域的研究成果結合起來，具有優質廣泛的應用前景。如版權保護、公安系統、數字圖書館、醫學等領域。從興起到現在雖然只有短短的幾年時間，但也有了長足的進步，不過由于圖像特征描述和人眼視覺特性的復雜性，其技術仍不成熟，理論上還有很多問題有待解決。本文在前人的基礎上主要做了如下工作：

本文在前人的基礎上研究了基于人眼視覺特性的圖像質量評價方法。主觀評價方案參照國外的研究方法，并在此基礎上針對本課題的研究方向進行了改進。測試圖像經過多次篩選，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排列，每組順序各不相同，極大地利用了測試者的整體主觀感受能力。此外，主觀評價數據的整理和分析參照了ITU-R BT.500-11 標準， 從而提高了主觀評價實驗結論整體的準確性。

鑒于有限的時間和作者自身的程度，研究方法也存在一些不足。對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新和完善，基于人眼視覺特性的圖像質量評價還有很大的研究空間，許多方法仍值得深入研究。

參 考 文 獻

[1] 姜秀華.現代電視原理[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，數字電視圖像質量主觀評價方法.