視覺類教育裝備圖像亮度展示效能檢測數據分析

趙錦紅+楊帆+胡又農

摘 要 用部分參考模型圖像質量評價方法來評價視覺類教育裝備圖像亮度展示效能，可以將檢測得到的圖像亮度數據變為亮度直方圖矢量，在亮度級空間中計算展示圖像與標準圖像亮度直方圖矢量間的距離，根據計算結果可以更加科學、客觀地評價視覺類教育裝備的圖像亮度展示效能。

關鍵詞 教育裝備；亮度效能；亮度直方圖；亮度級空間

中圖分類號：G652 文獻標識碼：A

文章編號：1671-489X（2017）06-0001-04

Abstract With the reference model section image quality evaluation method to evaluate the visual class education equipment image bright-ness display performance， the detected brightness of the image data is changed into a luminance histogram vector， and then the distance between the luminance histogram vectors of the display image and the standard can be calculated in the brightness level space. Accor-ding to the calculation results can be more scientific， objective evalu-ation of visual brightness of the image display effectiveness of edu-cational equipment.

Key words educational equipment； brightness performance； bright-ness histogram； brightness level space

1 亮度展示效能的測量方法

在視覺類教育裝備的圖像展示效能各項指標中，亮度展示效能是其中的一項[1]。對亮度展示效能進行測量，得到具體量化的結果，目前大致有兩類方法，即主觀法和客觀法。

主觀法是讓多名觀察者按照已經規定好的評價標準，對視覺類教育裝備展示的圖像質量進行評價，然后對所有觀察者給出的評價結果進行加權平均，最終得到圖像展示質量這個教育裝備效能指標的數值[2]。以往，大多數的圖像展示質量評測工作是由人工完成的，即使用主觀法。但是主觀法易于受到人和環境等因素的影響，測量耗時長、代價高、過程煩瑣，因此在實際應用中經常出現令人無法滿意的情況。

客觀法是將主觀法中的多名觀察者（人）替換成圖像采集及處理設備，用圖像采集及處理設備對視覺類教育裝備展示出的圖像進行接收、處理及評價，進而得到圖像質量這個效能指標的數值。

無論是使用主觀法還是客觀法，圖像質量的評價均可以采用“部分參考模型圖像質量評價方法”[3]，圖1便是基于上述原理的視覺類教育裝備圖像展示效能測量系統框圖。

在上述測量系統中，首先要產生標準圖像，再將標準圖像經過視覺類教育裝備進行展示，然后分別提取標準圖像和展示圖像的圖像特征，通過對圖像的特征數據進行分析，得到展示圖像與標準圖像的差異，進而根據差異情況來評價視覺類教育裝備圖像展示的效能。圖像特征和評價的工作，在“主觀法”中由人工完成，在“客觀法”中則由傳感器和計算機完成。

教育裝備圖像展示的亮度效能分為亮度層次的混疊、亮度層次的缺失、亮度層次的非線性和亮度的幾何均勻性。其中前三項可以通過圖像的亮度直方圖反映出來。本文下面的內容僅涉及圖像亮度直方圖的分析和評價。

2 亮度直方圖在亮度級維度圖中的表示方法

亮度直方圖的構成 亮度直方圖是二維圖，反映的是一幅圖像中不同亮度等級的像素在全部像素中所占的比例[4]，

如圖2所示。圖2中橫軸表示的是亮度級，縱軸表示的是各亮度級上的像素百分比。

如果將亮度直方圖表示為矢量，可以寫成如下方式：

其中：0～n-1為整數，表示亮度級，Bi為i亮度級上像素數量占圖像總像素數量的百分比。亮度直方圖矢量具有如下性質：

亮度直方圖在亮度級維度圖中的表示方法 數字圖像的亮度級是離散的。如果以各個亮度級為坐標軸，以像素在總像素數中的百分比為刻度，可以構成一個亮度級空間。這個空間的維數取決于亮度級的數量。如果圖像只有兩個亮度級（黑白圖），那么這個亮度級空間就是二維的。亮度級的數量越多，亮度級空間的維數越大。如果亮度級用

8 bit表示，則圖像的亮度級為0～255，其中0表示“黑”，255表示“白”，1～254的數值表示不同的灰度等級，亮度級空間有256維。

圖像的亮度直方圖在n維亮度級空間的維度圖中可以被表示為一個點，其坐標為：（B0，B1，...，Bi，...，Bn-1）。

上述坐標正好與（式2.1）中亮度直方圖矢量相對應。

不同亮度直方圖在亮度級空間中的表示 雖然不同的圖像具有不同的亮度直方圖，但亮度級數量相同的圖像，其亮度直方圖的橫軸具有相同的刻度，即橫坐標是相同的，這樣的圖像具有相同的亮度級空間。在n維亮度級空間中，m幅圖片的亮度直方圖可以表示為m個點：

3 教育裝備展示圖像與標準圖像亮度直方圖的比較分析

亮度直方圖之間的差異 從亮度級空間看，既然一個點可以表示一幅亮度直方圖，那么不同亮度直方圖之間的差異就表現為兩個點之間的距離。

在n維亮度級空間中，設，為n維亮度級空間中的任意兩點，那么它們之間的距離為Djk為：