改善投影分辨率的叠加图像方法及其图像质量评价方法概述

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 改善投影分辨率的叠加图像方法及 其图像质量评价方法概述 中图分类号： TP391.41 文献标 识码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）04-0026-001 中国论文网 /8/view-12936479.htm An Overview of Superimposed Image Methods for Improving Projection Resolution and Their Image Quality Evaluation Methods HU Jun Liu Qing-yuan （School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology， Changchun，Jilin 130022） 分辨率是投影仪性能的关键指标， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 提高分辨率是投影仪行业的重要目标之 一。与空间光调制器（SLM）的原始图 像的分辨率比较，投影图像叠加是有效 的提高投影仪分辨率的方法。投影图像 叠加方法可以在多投影系统或者具有光 机系统的单投影系统中使用。两个或者 多个图像在投影幕布上组成叠加投影图 像，其叠加投影图像可以用加法函数的 方法来进行理论计算。 在 4K 高清视频市场推动下，投 影设备分辨率增强技术成为当下研究的 热点。并不是所有的 SLM 都可以进行 4K 调制，所以研究各种各样的分辨率 增强技术，提高 SLM 的投影分辨率。 叠加图像的分辨率增强技术，好比光学 低通滤波器一样滤除图像中的高频分量， 增加有效像素的同时也增加了使图像模 糊的伪影，伪影影响了图像的视觉质量 和分辨率尺寸。叠加图像的方法可以使 投影图像具有高分辨率和高质量的同时， 又增加了伪影。与 SLM 的微缩方法得 到的投影图像相比较，伪影是一个新的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 挑战。 本文介绍不同的叠加图像方法和 探求不同的方法间的图像质量。概述前 人在叠加图像领域所做的工作及相应质 量评估方法。质量度量学相关章节说明 的是方法论及实验设计，描述了使用不 同度量学和叠加方法所设计的实验方法。 Takahashi 等在 1995 年设计四个 LCD 投影到一个屏上的复杂投影结构。 其优点是对 LCD 像素的因子填充，在 这个结构中，两个像素处于低重叠状态。 所有投影设备像素的叠加，其目的是填 充其他投影设备所投出的暗区域，同时 在水平与垂直方向上获得双倍的分辨率。 在安装与调试上，本套设备需要繁琐和 精细的装调。随着使用时间的加长， LCD 的填充的像素尺寸也变大，凸显出 方法的重大缺陷。Takahashi 等使用光 学仿真的方法获得光学传递函数 （MTF） ，并作为主要的评估分辨率方 法。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 Jaynes 等设计由多个投影仪同时 投射到一个屏幕上的系统，通过校准方 式决定每个投影仪所投射出的子像素之 间的关系。校准的目的是每个投影设备 都是精确的投影图像，目标帧是通过混 合的缓冲帧获得高分辨率的投影图像。 在实践过程中，校准过程是非常精密的， 而且要求操作者具有良好的实践经验， 但是校准过的系统却容易离焦。Jaynes 等通过显示改进后的图像来说明他们所 做工作的有效性。 Allen 和 Ulichney 设计一个突破 传统想法的系统用一个光机电投影 设备替代原来的思想，在投影面上移动 第 n 空间帧。这种方法称为 “Wobulation”，确保像素的统一移动和 叠加。Wobulation 实现在空间光调制器 中的一个像素在投影后具有多个像素位 置。Wobulation 方法使用一个空间光调 制器展示不同的图像位置其价值在于降 低时间分辨率来等效于多图像位置。在 Allen 和 Ulichney 的论文中，相同的子 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 帧在两个不同位置叠加导致结果图像有 些模糊。作者在视觉上一步一步改善图 像质量，但是没有对投影图像改善的结 果做定量分析。 Said 在 2006 年提供一种创建子 帧的理论框架，解决叠加图像方法当前 的局限性，并为叠加图像方法的推广奠 定理论基础。虽然 Said 所获得的子帧并 不是最佳的，但是用数学方法来评价图 像质量。其数学方法为 PSNR 和视觉表 述评估图像质量。 Damera-Venkata 和 Chang 在 2007 年提出使用多投影设备生成叠加图 像的方法。此方法说明大于奈奎斯特采 样频率的显示频率是可以提高投影图像 的分辨率的，但只是在视觉判别上给出 定性的说明，而没有进行定量的说明。 Okatani 等从 Damera-Venkata 和 Chang 基础上进一步进行理论研究，揭 示了叠加图像的质量随系统最大亮度的 变化而变化。在这个工作中，通过视觉 探查判别图像质量，而不是质量度量学。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 Sajadi 等在 2012 年介绍图像增强 方法，两个串联的 SLM 来增强图像边 缘的锐度，同时也增加分辨率。两个 SLM 的光像素分配单元在空间域内生 成更小的像素。此方法在实际中是有效 的，但是验系统只是通过视觉判别 来评估图像质量。 Sajadi 等在 2013 年介绍一种低成 本的叠加图像方法，在原始图像叠加一 个经过精确移动（下转第 45 页） （上接 第 26 页）的子图像。此方法与 Allen 和 Ulichney 设计的 Wobulation 类似， 但是此方法不是时隙图像，而是图像自 身移动后子图像与原始图像的叠加。此 方法的图像空间质量虽然不是最满意的， 但是是最有效的。通过 SSIM 度量学来 表示此方法的图像质量的增加，当色彩 浮动时使用色差来检测。Sajadi 等人通 过计算移动像素与多个叠加帧的不同组 合的直方图来评估图像中的保留要素。 Heide 等在 2014 年介绍一种有趣 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 的方法，将图像投影到 SLM 上，而不 是叠加图像到投影屏幕上。精确的移动 带有子像素的第二个 SLM，减少第二 个 SLM 的光强，而不是增加光强。此 方法称为“乘法叠加 ”，与之对应的是有 在每一个子图像的顶部规律增加叠加光。 通过视觉判别、PSNR、SSIM 和 MTF 分析来证明其显而易见的优越性。 Barshan 等在 2015 年介绍名为 “移动叠加”的叠加原理。此方法类似于 Allen 和 Ulichney 设计的 Wobulation 方 法，但是子图像的生成是在更精细的方 法中完成的。通过视觉判别和 MSSIM 度量学来说明此方法对图像质量的提高。 上述所说明的是在叠加领域中， 不同的作者有不同的叠加图像方法与评 估图像质量方法。其共同点是通过不同 的图像表征叠加图像视觉的优势，但是 这是一种缺乏不同算法间客观对比的方 法。接下来介绍与上述方法不同的质量 度量学及可能用到的质量度量学。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 质量度量方法可以分为两类：基 于原始误差计算和人类视觉系统 （HVS）启发度量学。 基于误差计算是基于两个图像间 误差量化的数学度量。因为简单易懂、 便于使用及低运算成本而使其广泛应用。 这些度量方法中典型的应用是均方差 （MSE）和不同版本的信噪比（SNR ） 。 信噪比和峰值信噪比是基于加工过的图 像，其是原始图像加上中立的噪声信号。 信噪比是平均信号功率与噪声信号功率 的比值，峰值信噪比是峰值信号功率与 噪声信号功率的比值。基于原始误差计 算具有其自身的局限性，它们往往与主 观质量评估没有很好的相关性。 为了克服这些弊端，加权信噪比 （WSNR）是以 HVS 对比敏感函数来 考虑开发的。WSNR 定义为平均加权信 号功率与平均加权噪声功率之比。通过 对 HVS 属性的微小修改的基于误差的 度量，则 WSNR 是综合基于原始误差 的计算和 HVS 的度量。其他的度量方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 法，比如 PSNRHVS 和 PSNRHVSM 都 是使用 PSNR 法则，基于频率的修改实 现度量并与 HVS 的敏感度做对比。 由 HVS 属性所衍生出的纯 HVS，目的是测量 HVS 的特殊图像属 性，与 SSIM 度量法比在光强、对比度