图像质量评价-辩证法的应用

1、 摘 要本文主要结合自己目前的研究方向图像处理的相关知识与辨证法相结合，研究对图像进行评价分析过程中的辨证法的运用。图像质量评价是一个经典的研究课题，其目标是设计算法，给出和人的主观感受相一致的评价值。在许多图像处理的应用领域中图像质量评价算法都具有重要意义。目前已提出多种评价算法，本文对这些算法进行综述。首先描述图像质量的主观评价方法，它给出科学、稳定的主观评价值；其次对各种客观评价算法进行分类介绍，重点探讨了各类算法的思路及特点；然后详细描述了衡量算法性能的定量指标；最后总结了图像质量评价算法研究的发展趋势。关键词：图像处理、辩证法、图像质量评价 AbstractThis article

2、is mainly combined with the direction of current research related to image processing knowledge and dialectical combining research in the use of dialectic in the process of evaluation and analysis of the image. Image quality assessment is a classical research issue. It aims at an evaluation consiste

3、nt to humans subject perception and is very important to numerous image processing applications. Currently ,many image quality assessment algorithms have been proposed. In this paper,we give an overview. Firstly,we present the subject evaluating method which offers scientific and stable appraise val

4、ue. Secondly,objective image quality assessment algorithm are classified and introduced with emphasis on their nature and characteristic.Then ,the quantitative for evaluating the performance of these algorithms are described in details.At last,we summarize the trends of future research.Key words: Im

5、age processing；Dialectic；Image quality assessment； 图像质量评价 辨证法应用1 引言 恩格斯说：“一个民族想要站在科学的最高峰，就一刻也不能没有理论思维。”现代科学研究高度分化和高度综合相统一的时代特征，使辩证思维与科学研究的相互依赖性更加密切。结合自己目前的研究方向“高清低噪图像的研究”，在对处理前后图像的质量评价中很有必要运用到辨证法的相关知识进行分析。在本论文中，主要结合辨证法的有关知识与对图像质量评价进行论述。 图像质量评价标准在图像和视频编码里是一个非常重要的课题，它不仅是衡量图像视频压缩算法效果的指标，而且是编码率失真优化的准则。而

6、由于基于主观感知的图像质量评价标准对脑科学的研究有极大依赖性，一直以来是一个具有争议性的课题。由于人眼对不同频率的敏感特性的不同，图像的全局和局部信息都影响着人眼对图像的视觉感知。运用辩证思维的相关知识可以很有效的、很客观的对图像的质量评价做出很好的评价。一方面，辩证思维方法是现代科学思维方法的方法论前提。首先，辩证思维的基本精神渗透在现代科学研究方法之中，广泛作用于现代科学研究，以致离开辩证思维方法，科学研究就寸步难行；其次，辩证思维方法不仅是实现经验知识向科学理论转化的必要工具，而且已成为沟通跨学科研究的必要桥梁；第三，辩证思维方法为科学创新提供了理论支撑和动力，推动科研工作者以动态和发展

7、的眼光去解决科学认识活动中的新问题，不断开拓创新。另一方面，现代科学研究方法及其成果丰富和深化了辩证思维方法，从各个方面充实了辩证思维中的世界图景；现代科学思维以其特有的方式证实和丰富了马克思主义哲学辩证思维的观点，并进一步促使辩证思维方法具体化、精确化。当代科学技术的突飞猛进，使哲学思维和科学思维的相互结合日益重要。我们要在马克思主义哲学的指导下，把辩证思维方法与现代科学思维方法有机地统一起来，更加自觉地运用辩证思维方法指导科学研究。2、 模型的建立 在研究对图像质量评价方法时考虑了与人类视觉息息相关的三个方面的因素。方面一是人眼具有刚辩差特性，即亮度幅值改变在某一个范围内，人眼察觉不到。因

8、此可以得出，若图像的幅值失真在某一个范围之内，人眼也察觉不到。所以可以在进行图像质量评价时忽略掉这些人眼察觉不到的失真，使图像质量评价方法更符合人类视觉。方面二是图像的灰度直方图体现了图像的亮度分布情况，在图像质量变坏的情况下，若估计图像的灰度直方图与参考图像的灰度直方图变化较大，则这类失真肯定会使人眼更容易感觉到。因此，在图像质量评价时亮度的变化失真也需要考虑。方面三是人眼对图像的观察是非均匀的。最新的心理研究结果表明，人眼对图像最感兴趣的部分是图像的中频信息。基于此可以通过计算图像的中频信息得到显著图，把图像的显著图比较加入到图像质量评价中，可以使图像质量评价更符合人类视觉。同样还存在一个

9、问题，不同的人由于主观对图像的敏感度、对色彩的差异、背景光的亮暗的差异，也会造成在对处理后图像的评价调查中呈现不同的结果。2.1主观质量评价方法 人是图像的最终接收者，因此，主观质量评价是最为可靠的图像质量评价方法。常用的有平均主观分值法（MOS）和差分主观分值法（DMOS）。平均主观分值法是通过不同观测者对于图像质量评价得出的主观分值进行平均得到归一化的分值，用这个分值来表示该图像。它一般有五个标注：优，良，中，差，劣。对应这五个标准有两种类型的分值：图像主观绝对分值和图像主观相对分值。主观绝对分值的意思是观测者对于图像本身的主观分值，主观相对分值意思是观测者对于图像在一组图像中的相对其它图

10、像的主观分值，如图表1和2所示： 优 良 中 差 劣 5 4 3 2 1 表1 图像主观绝对分值 最好 中等偏上 中等 偏差 最差 5 4 3 2 1 表2 图像主观相对分值差分主观分值法（DMOS），它是建立在平均主观分值法（MOS）分值基础上，计算公式如下：这里，代表观测者对于参考图像和失真图像评分的差异值。最后对取平均值，也可以得到DMOS值。 2.2客观质量评级方法客观质量评价是指使用一个或多个图像的度量指标，建立与图像质量相关的数学模型让计算机得出图像质量。其目标是客观评价与人的主观感受一致。根据是否对原始图像进行参考及参考的程度，客观质量评价又可以分为以下三种类型：1） 全参考质量

11、评价方法：全参考方法（Full Reference,FR），不需要借助任何参考图像，依靠待评价的参考是指具有相对于失真图像的理想图像，它由高质量的采样获得，而且要避免由于压缩存储传输引发的错误。2）部分参考质量评价方法，部分参考方法（Reduced Reference,RR），需要原始图像的部分信息作为评价的参考，是指不具备完整的原始参考图像，但可以通过side-channel 获得理想图像的部分信息，结合失真图像进行质量评估。3）无参考质量评价方法是指在没有原始参考图像的情况下对图像的质量进行评价，无参考方法（No Reference,NR），不需要借助任何参考图像，依靠待评价图像本身各种信

12、息进行质量评价由于它不需要原始图像的信息，该方法可以用在无法取得原始图像的场合；2.3图像质量评价研究现状 图像质量评价从方法上可以分为主观评价方法和客观评价方法，前者凭感知者主观感受评价对象的质量；后者依据模型给出的量化指标或参数衡量图像质量。目前研究以后者为主，研究目标是使得质量评价模型准确地反应人眼视觉感知的主观质量。除峰值信噪比和结构相似度( Structure Similarity, SSIM)方法外，多数图像质量评价基于人眼视觉系统的生理特征来建模型，如VDP-模型、矩阵模型、DCT矩阵模型、小波域模型WVDP等。但HVS是一个高度复杂、高度非线性的系统，且当前对HVS的认知仍然有

13、限，只能依据一定的假设前提进行，如基于HVS特征的方法一般都认为原始图像质量是完美的且Weber定律和PSF模型始终成立，都假定HVS的多通道响应可以通过线性离散集合来模拟；都假定通道分解是无损的或无损于视觉的，通道变换后信号仍然保持了质量评价的绝大部分信息。峰值信噪比基于图像像素灰度值进行统计和平均计算，是常用的衡量信号失真的指标。PSNR对于多数图像质量评价是有效的，尽管对部分图像或视频质量评价时可能与主观感知的质量产生较大的偏差；VQEG已经评价了10种质量评价模型,最终没有确定出一种模型作为标准模型，其主要原因是，从统计的角度来讲，这些模型取得的结果与PSNR没有显著区别。 图1 基于

14、HVS 的图像质量评价框架 自然图像具有特定的结构，像素间有很强的从属关系，这些从属关系反映了视觉场景中的结构信息。由此，Wang 等人提出了基于结构失真的图像质量评价方法，称为结构相似 (SSIM)方法，如图2 所示。该方法认为光照对于物体结构是独立的，而光照改变主要来源于亮度和对比度；所以它将亮度和对比度从图像的结构信息中分离出来，并结合结构信息对图像质量进行评价。该类方法在某种程度上绕开了自然图像内容的复杂性及多通道去相关问题，直接评价图像信号的结构相似性。其算法实现复杂度较低，应用性较强。 图2 结构相似法(SSIM)方法框图 三、采用辩证法分析图像质量的评价方法 图像质量评价方法作为

15、图像质量的评判准则，在图像处理的各个领域起着非常重要的作用。随着图像处理技术研究的进一步深入，基于视觉的图像质量评价方法越来越显得重要。本文设计的图像质量评价方法主要考虑了以下三方面的因素，并设计了相应的比较思想。一是小波域的 JND 处理思想，目的是去除掉人眼感觉不到的失真，使评价失真中考虑的都是人眼感觉得到的失真。二是子带的亮度思想，目的是把亮度变化改变灰度直方图较大时，更能引起人的注意这一思想加入到评价方法中。三是图像的显著图思想，因为人眼对图像的观察是不均匀的，基于此把图像中人眼比较容易感觉到的失真加入到图像质量评价方法中，以体现失真对人眼以及人的心理造成的影响。心理学分析表明人眼对图

16、像的关注是非均匀的，对图像内容的物体和人等更感兴趣。对于普通的图像而言，最新理论视觉研究表明，人眼对中频信息更感兴趣，于是可以利用人眼感兴趣的中频显著图来改善基于点比较的缺点。从对显著图的观察，思考可以得出，显著图肯定影响人眼对图像质量的评分值，因为若人感兴趣的部分失真较小，人的心里就会出现喜悦因素，人眼观察后，大脑处理自动就会考虑人的心理因素，就会给出较高的评分值，基于此，应该把图像的显著图失真考虑进图像质量评价中，同时也是把人的心理因素考虑进图像质量评价方法中，使之更符合人类视觉系统。 总 结在图像处理的基本知识基础上，我通过自然辨证法的学习，系统的掌握了辨证法的基本知识理论和基本方法，进

17、一步深化和提高辨证法的理论知识，掌握了辨证法中的有关知识，其主要包括主客观的认识，理论实践的辩证关系,等。这些内容与方法是分析许多科学知识的重要工具。辨证法的应用是多方面的，不仅在图像处理领域里，而且在力学、物理、科技等方面都十分广泛的应用。通过学习得知，辨证思维是哲学中的一个重要的思维方法，是现代哲学的主要研究对象，也是科学技术研究和应用的一个重要理论依据。从主客观分析事物上面就可以明显的表现出来，不管科学技术本生的技术是否与其有关，辨证法本身都可以研究和使用，现代的很多科学理论知识也是在辩证法的很多知识上发展中建立起来的。在学习本门课的过程中，逐渐建立起整个书本的学习框架。首先介绍的是基础知识“自然观”。自然界是人类社会赖以存在的基础。人类为了生存和发展，首先必须对各种自然现象加以说明。不同时期、不同地域和不同文化环境下的人们，由于各自不同的生产实践经验和知识传统，形成了不同的自然观。但是具有代表性的自然观都是来自对该时期科学技术成果的概括和总结。由于人类的认识能力是一个逐渐提高的过程，因此人类的自然观念也经历着一个演变的过程。有了对自然观的初步了解，紧接着就