关于颜色损伤对视觉感知图像质量影响的分析

芦希

摘 要：随着多媒体技术和互联网的迅速发展，人们接触到越来越多的图像信息，为了方便图像的存储和传输，各类图像压缩技术应运而生，而由此带来的图像损伤也是不容忽视的。如何评价图像的损伤，是一个重要的研究课题。本次实验选择了不同纹理、不同颜色的测试图像，利用JPEG程序对原始图像进行了压缩倍数为3、5、10、15不同程度的压缩，分别进行亮度图像和彩色图像的主观评价实验，并做出了主观评价实验报告。

关键词：人眼视觉特性；JPEG；主观评价

中图分类号： TNl4l；TN949 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-168-4

1 课题研究的背景和意义

图像是人类感知和机器模式识别的重要信息源，其质量对所获取信息的准确性起着决定性的作用。随着信息化社会的到来以及信息高速公路的实施，各行各业对图像的使用越来越广泛，人们对图像质量的需求也越来越高。经过压缩的图像虽然为图像的存储和传输带来了极大的方便，但图像质量有时却不尽如人意，对于彩色图像而言，压缩后图像的颜色损伤是普遍存在的，但人眼对不同颜色的灵敏度不同，因此不同颜色的损伤对图像质量的影响也各不相同。

颜色损伤对视觉感知图像质量的影响研究对数字电视、多媒体数据库、电子图书馆、卫星遥感图像等方面提供了有力的支持。目前针对图像质量评价的算法，国内外的一些知名高校和科研机构，如复旦大学、中国空间技术研究院、VQEG（国际电信联盟的视频质量专家小组）、美国Sarnoff公司等，都对其进行了长期深入的研究。

图像质量评价的主体是人，因此人眼视觉特性（HSV）对评价算法的研究具有重要意义。但是，对人眼视觉特性的研究涉及生理、心理等方面，特别是对视觉的心理特性业界迄今仍难以找出定量的描述方法，所以目前还没有一套全面的、统一的图像质量评价体系。

图像质量评价的方法有两种：①主观评价方法：设计实验，由观测者对图像质量进行评价；②客观评价方法：采用算法对图像质量进行评价。其中主观评价方法天然地和人的主观感受相符，但它费时、复杂，还会受到观测者专业背景、心理和动机等主观因素的影响，并且不能结合到其他算法中使用；客观评价方法方便、快捷，容易实现并能结合到应用系统中，但它和人的主观感受有出入。通常提到的图像质量评价算法是指客观评价算法，其目标是获得与主观评价结果相一致的客观评价值。

2 人眼视觉特性

由于压缩后的图像最终是供大众欣赏和使用的，所以在设定图像压缩的有关参数时都需根据人眼的视觉特性来选择，以使得压缩后的图像质量能满足人眼的要求。人眼视觉特性大致包括视敏特性、亮度感觉特性、视觉分辨力特性和彩色感觉特性等[1]。

2.1 视敏特性

人眼所能感觉的光（可见光）是波长范围为380～780mm的电磁波。实验证明，对于不同颜色的光，人眼不仅有不同的颜色感觉，而且有不同的灵敏度，即对于辐射功率相同而波长不同的光有不同的光亮感觉，人眼的这一特性称为视敏特性。研究表明：在明亮环境中，人眼对波长为555nm的黄绿光有最大的敏感度；在黑暗环境中，人眼对波长为507nm的青绿光有最大的敏感度。

2.2 亮度感觉特性

人眼的亮度感觉是一个主观量，它不仅取决于景物给出的亮度值，而且还与周围环境的平均亮度，即人眼的适应性有关。在平均亮度适中时，人眼能同时感觉的亮度上、下限之比最大可接近1000：1，而平均亮度过高或过低时只有10：1。

2.3 人眼的分辨力

人眼分辨图像细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度。分辨力除因人而异外，还与景物的照度、景物的对比度等因素有关。当照度太低时，分辨力就大为降低，且分辨不出颜色。相反，当照度太高时，分辨力也不会再增加，甚至由于“眩目”现象而降低。景物细节的对比度低，分辨力也要降低。除此之外，分辨力还与景物的运动速度有关，运动速度快，分辨力将降低。

2.4 人眼的颜色感觉特性

为确切表示某一颜色光，必须有三个独立的参量：亮度（亦称明度）、色调和饱和度（亦称纯度），它们称为彩色的三要素。

2.4.1 亮度

亮度表征色光对人眼刺激程度的强弱，即引起明亮感觉的程度，它与进入人眼色光的光能有关。对于发光物体（光源），发光强度越高，人眼感到越亮；而对于非发光物体，其亮度取决于反射（或透射）的光能大小，照射光源的光能越大，物体表面对光的反射率越高，物体的亮度就越高。

2.4.2 色调

色调表征彩色之间的差异性，反映颜色的类别。理论上讲，在可见光谱中不同波长的光有不同的色调，即应有无数种色调与波长相对应。但实际上对波长很接近的谱色光，人眼并不能区别开它们的色调。从总体上看，在可见光的波长范围内，人眼大体能分辨出200来种不同的色调。当颜色太淡或亮度太大及太小时，人眼对色调的分辨力也会下降。

2.4.3 饱和度

饱和度是指彩色光所呈现彩色的深浅程度（或浓度），即某色调的浓淡、深浅程度或掺白程度，以百分比（%）表示。对于同一色调的彩色光，饱和度越高，说明它的颜色越深；饱和度越低，说明它呈现的颜色越浅。

3 主观评价

主观评价是直接利用观察者对被测系统质量的主观反映，来确定系统性能的一种方法。国外的一篇论文[2]在这一方面进行了首次探索，呈现了一个颜色损伤对视觉感知高分辨率静止图像质量影响的主观研究。本次主观评价实验严格按照主观实验评价标准进行，请若干名实验员在主观评价实验室中进行实验，分别进行彩色图像和黑白图像的主观评价，为原始图像和不同压缩倍数的压缩图像进行打分。将实验所得数据进行分析整理，得出相关结论。

3.1 主观评价设计方案

3.1.1 测试依据

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

GY/T 134-1998[4]数字电视图像质量主观评价方法

3.1.2 评价用测试图像序列（见表1）

3.1.3 评价方法

测试分为彩色和黑白两个部分，每个部分有七组图像，每组有6张，为同一内容的2张原始图像和4张压缩图像，每组的第1张为已知的原始图像，其余5张是随机排列的压缩图像和原始图像，测试人员为这5张图像打分，主观评价经JPEG压缩后的图像质量相对于原图像的质量损伤情况。满分为100分。评分规则为：

与原图无可察觉的差别，定为100—80分；

与原图有刚可察觉的差别，不讨厌，定为80—60分；

与原图有差别，稍有讨厌，定为60—40分；

与原图有明显差别，讨厌，定为40—20分；

与原图有明显差别，非常讨厌，定为20—0分。

3.1.4 观看条件

主观评价在中国传媒大学主观评价实验室中进行，其评价观看条件基本符合行业标准GY/T 134-1998中的规定。具体观看条件为：测试人员观看距离约为30cm；室内环境光照明强度低；测试人员的座位在图像水平方向中垂线±30°内。

3.1.5 评价人员

本次测试邀请非专业评价人员14人，均来自中国传媒大学。评价人员年龄在22～27岁之间，其中男性3人，女性8人。

3.1.6 评价用仪器设备

PC机一台，高清监视器（1920*1080）一台

3.2 主观评价实验数据

根据ITU-R BT.500-11和GY/T 134-1998对原始数据进行了筛选，在11人数据中保留了11人，原始图像默认为100分，各个图像的得分情况详见下表，其中置信区间为95%置信度的区间。

3.2.1 彩色图像评价部分（见表2）

3.2.2 黑白图像评价部分（见表3）

需要说明的是，在以上的实验数据中，由于原始图像夹杂在压缩图像中，人眼有时难以分辨出来，因此会与理论上的100分存在一些偏差。但随着图像压缩倍数的增加，人眼可以明显分辨出图像质量的下降。总体上不难看出，受压缩倍数损伤影响较小的是“黄叶和绿地”，受压缩倍数损伤影响较大的是“绿叶”。

3.2.3 主观评价实验结论

各压缩倍数下测试图像的主观评价平均分如图1、图2所示。

每幅测试图像的质量下降总平均分如图3所示。

分析测试得到的数据显示，对于彩色图片来说，人眼对绿色的损伤最敏感，因为随着压缩倍数的增加，绿色的色调会发生显著变化，图像的纹理越细、细节越多，人眼越难发觉图像的变化；对于黑白图像来说，人眼对图像损伤的灵敏度只和图像细节相关，细节越少越灵敏。

4 结论

颜色损伤对视觉感知图像质量的影响研究是一个非常有前途的研究方向，它综合了多种学科，将图像处理、图像理解、人眼视觉等多个领域的研究成果结合起来，具有优质广泛的应用前景。如版权保护、公安系统、数字图书馆、医学等领域。从兴起到现在虽然只有短短的几年时间，但也有了长足的进步，不过由于图像特征描述和人眼视觉特性的复杂性，其技术仍不成熟，理论上还有很多问题有待解决。本文在前人的基础上主要做了如下工作：

本文在前人的基础上研究了基于人眼视觉特性的图像质量评价方法。主观评价方案参照国外的研究方法，并在此基础上针对本课题的研究方向进行了改进。测试图像经过多次筛选，原始图像和压缩图像之间的差异很小，并且原始图像和压缩图像随机排列，每组顺序各不相同，极大地利用了测试者的整体主观感受能力。此外，主观评价数据的整理和分析参照了ITU-R BT.500-11 标准， 从而提高了主观评价实验结论整体的准确性。

鉴于有限的时间和作者自身的程度，研究方法也存在一些不足。对本课题的研究还处在刚刚兴起的阶段，随着压缩算法的不断创新和完善，基于人眼视觉特性的图像质量评价还有很大的研究空间，许多方法仍值得深入研究。

参 考 文 献

[1] 姜秀华.现代电视原理[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，数字电视图像质量主观评价方法.