利用準則實(shí)現校準圖像質(zhì)量評測

利用軟件工具定量分析數字成像系統的性能可以?xún)?yōu)化整體圖像質(zhì)量

從手機相機到攝像機，數字成像技術(shù)在人們的生活中無(wú)處不在。盡管消費者的選擇越來(lái)越多，但現在仍沒(méi)有標準化的客觀(guān)評價(jià)量度來(lái)定量分析這些設備的整體性能。目前已有數種由國際標準組織(ISO)制定的標準可以對性能的幾個(gè)不同方面予以量化，例如模糊眩光(Veiling glare)、光電轉換功能、分辨率、噪聲以及曝光量，等等。然而，這些標準雖然都是很有用的技術(shù)規范，卻無(wú)法提供一個(gè)整合所有測量結果來(lái)預測整體質(zhì)量的方法。

為解決這一問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了軟拷貝準則(softcopy ruler)方法。這種技術(shù)能夠實(shí)現圖像質(zhì)量的校準視覺(jué)評測。由于這些評測是基于最小可覺(jué)察差別(just noticeable difference，JND)單元測得的，故這種方法可以把不同屬性的測量結果結合起來(lái)，最終預測出整體質(zhì)量。

Softcopy ruler實(shí)現方案基于ISO 20462標準, Part 3。它通過(guò)創(chuàng )建已知主觀(guān)圖像質(zhì)量的參考數字圖像，從而可以實(shí)現比單純硬拷貝輸入方式更好的圖像質(zhì)量測試。其中，除傳統硬拷貝輸入方式方式外，也增加了軟拷貝測試輸入方式。在編寫(xiě)這個(gè)標準時(shí)，大多數顯示屏尚在采用陰極射線(xiàn)管技術(shù)，在這種技術(shù)中，焦點(diǎn)隨時(shí)間漂移，調制傳遞函數(modulation transfer function,MTF)從顯示屏中心到邊角位置都不相同。而對于更先進(jìn)的平板顯示屏，MTF不隨時(shí)間和空間位置變化，從而能夠以一種明確定義的方式顯示數字圖像。這種能力可以產(chǎn)生用于softcopy ruler的經(jīng)校準的標準圖像。

該技術(shù)包含三部分：一組針對ISO 20462要求而開(kāi)發(fā)的準則圖像；一個(gè)用于顯示準則圖像與測試圖像并收集觀(guān)察者響應的軟件工具，以及一套專(zhuān)門(mén)的觀(guān)察裝置。要建立準則圖像，需要對整個(gè)成像鏈路的MTF進(jìn)行定量分析，并利用數字濾波對其形狀予以處理，使之符合ISO 20462，Part 3定義的參考形狀。這一過(guò)程允許我們使用ISO 20462，Part 3中規定的標準質(zhì)量等級(SQS)來(lái)評測絕對質(zhì)量。

一個(gè)SQS等級相當于整體質(zhì)量的一個(gè)JND。JND單元可以大致均分為‘極好’、‘相當好’、‘好’、‘一般’、‘差’、‘可以淘汰’這6 個(gè)參考范圍。0分等級對應的圖像質(zhì)量極低，無(wú)法清楚識別主要目標。30分等級屬于業(yè)余攝影的‘極好’范圍。我們創(chuàng )建的準則圖像在一個(gè)SQS(JND)增量?jì)认喈斢?～31的SQS范圍。這組準則圖像總共包含描述不同目標物體的16個(gè)場(chǎng)景 (見(jiàn)圖1)。

圖1 用戶(hù)對一組準則圖像(ruler image)和測試圖像進(jìn)行比較，以測定整體質(zhì)量

圖2所示為圖形用戶(hù)界面，該界面讓用戶(hù)能夠對測試進(jìn)行自我管理。準則圖像和測試圖像分別放在界面的左側和右側，通過(guò)從左(銳度極大)到右 (模糊)移動(dòng)底部的滑標，可以改變樣本圖像的銳度。測試圖像在質(zhì)量上可能有不同程度的下降。軟件會(huì )要求觀(guān)察者在整體質(zhì)量方面匹配測試圖像和準則圖像。在每一次試驗中，程序都會(huì )記錄下準則圖像的位置，以及判斷所花的時(shí)間。這個(gè)準則位置被轉換為一個(gè)SQS值。

圖2 這種方法的圖形用戶(hù)界面讓用戶(hù)能夠比較準則圖像與測試圖像的質(zhì)量

觀(guān)察裝置（環(huán)境）包括一個(gè)高質(zhì)量的LCD顯示器和一個(gè)可調節觀(guān)察距離的頭枕(headrest)。在本研究中，采用的是分辨率為 2560×1600像素、額定像素間距為0.25mm的Apple Cinema HD Display(30″平板)。頭枕則由休斯頓大學(xué)視光學(xué)院(University of Houston,College of Optometry)制作提供，可用于控制觀(guān)察距離。觀(guān)察室被涂成自然的灰色(見(jiàn)圖3)。顯示器后面的墻面由D65熒光燈管均勻照明。由于室內沒(méi)有光線(xiàn)直接照在顯示器上，顯示圖像的動(dòng)態(tài)范圍很大。室內的灰色環(huán)境有助于減輕觀(guān)察者的疲勞感。

圖3 側面視角(a)和正面視角(b)看到的觀(guān)察室

我們是在由國際成像技術(shù)行業(yè)協(xié)會(huì )(I3A)倡導的相機手機圖像質(zhì)量倡議(Camera Phone Image Quality Initiative)的第二階段期間開(kāi)發(fā)出softcopy ruler方法的。鑒于其完善性，這種方法已被用于好幾項單獨圖像屬性的研究。圖4所示為一個(gè)softcopy ruler實(shí)驗的樣本結果，該項研究的重點(diǎn)是噪聲消除，受影響的圖像屬性是紋理細節。橫軸顯示噪聲消除濾波的強度增加，縱軸顯示因圖像紋理模糊而引致的 SQS級別。每一個(gè)數據點(diǎn)代表基于大量觀(guān)察者和場(chǎng)景的滑標位置平均讀數(在研究數碼相機圖像質(zhì)量期間，人們開(kāi)發(fā)出一種被稱(chēng)為運動(dòng)質(zhì)量準則方法的類(lèi)似技術(shù))。

圖4 Softcopy ruler的噪聲消除研究的樣本結果

Softcopy ruler提供了一種評價(jià)整體圖像質(zhì)量的新方法。I3A將通過(guò)其網(wǎng)站(www.i3a.org)提供相關(guān)圖像、數據采集圖形用戶(hù)界面，以及觀(guān)察裝置的規范。我們的下一步工作是根據這些最新進(jìn)展修訂ISO 標準20462 Part 3。