一种基于视觉感知的图像色度测定方法

摘要

本发明公开了一种基于视觉感知的图像色度测定方法，首先将原始图像在LCH空间中仅将分量C按照一组不同的改变量减小，得到一组具有不同色度分量的测试图像；利用阶梯法结合二项迫选法进行视觉感知实验找出JND临界图像；计算原始图像和JND临界图像中平均色度值的差值，获得被试对原始图像色度的JND值；接着根据所得色度JND值，重新生成测试图片，对分量C的改变量在0到2倍JND值的区间内不均匀分布得到测试图像，利用二分法进行视觉感知实验找出测试图，确定当前区间色度的主观中值；对不同的被试、图像内容和图像色度变化区间重复进行试验；最后建立图像色度的阈上心理量表。可准确高效地度量大于1个JND的图像色度变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像色度测定方法，特别是涉及一种基于视觉感知的图像色度测定方法，属于图像显示技术领域。

背景技术

显示技术不仅可实现准确、直观、清晰、快捷的信息输出，同时也为信息时代提供了一种友好的人与机器交流信息的界面。随着信息时代的到来，人们对显示质量的要求与日俱增。新的技术、新的应用场合都可能改变观察者对显示图像质量的评价。为此，Engeldrum引入了“图像质量环”模型，将消费者关注的图像显示质量与显示系统技术参数通过一些中间步骤联系起来。消费者对图像质量的主观感受是观察到的图像质量各属性的加权和。这些图像质量属性包括清晰度，色彩丰富度，亮度，图像均一性等被观察者无意识评价的特性。然后建立主观图像质量属性与图像物理特性的联系。这些图像物理特性包括可以由测量仪器测得的光学和电学特性，如输出亮度、色域大小、显示白场、伽马值、噪声水平等。最终，通过深入了解显示物理原理，这些图像物理特性可以与显示系统的技术参数间建立联系。

现有技术中，一篇中国发明专利(申请号为201210052401.2，授权日为2014-03-26)披露了一种图像色度JND值测定方法，首先将线性转换后的原始图像转换到LCH空间；然后在LCH空间中，保持其它分量不变，仅将分量C按照一组不同的改变量减小，得到一组具有不同色度分量的测试图像；利用阶梯法结合二项迫选法进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图像作为JND临界图像；最后计算原始图像和JND临界图像中平均色度值的差值，该差值的平均值即为该被试对该原始图像色度的JND值。然而，该方法并未解决如何度量大于1个JND的图像色度变化问题。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于视觉感知的图像色度测定方法，所要解决的技术问题是如何度量大于1个JND的图像色度变化，可以定量评价改进显示器参数、尤其是针对色度的参数设计时人眼所能察觉的对图像色度的影响，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于视觉感知的图像色度测定方法，包括以下步骤：

步骤A、按照以下方法测定图像色度的JND值；

步骤A1、按照以下方法对原始图像进行处理，得到测试图像；

步骤A101、通过伽马校正将原始图像转换至线性空间；

步骤A102、然后将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间和Lab空间转换到LCH空间；

步骤A103、在LCH空间中，保持其它分量不变，仅将分量C按照一组不同的改变量减小；对分量C的改变量在0.2-1.5范围内等间隔分布；

步骤A104、将C分量减小后的图像由Lab空间转换回RGB空间，得到一组具有不同色度分量的测试图像；

步骤A2、利用阶梯法结合二项迫选法进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图作为JND临界图像；

步骤A3、计算原始图像和JND临界图像中平均色度值的差值，该差值的平均值即为该被试对该原始图像色度的JND值；

步骤A4、更换不同的原始图像及被试，重复步骤A1-步骤A3；将所有被试对不同原始图像的色度JND值进行均值计算及方差分析确定图像色度的JND值；

步骤B、按照以下方法测定图像色度在0到2倍的色度JND值区间范围内的主观中值；

步骤B1、按照步骤A1的方法，其中对分量C的改变量介于0到2倍的色度JND值之间不均匀分布；

步骤B2、利用二分法进行视觉感知实验，被试需找出一幅测试图，被试认为这幅图的色度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的色度变化量与JND变化量的倍数作为主观中值；

步骤B3、更换不同的图像内容及被试，重复步骤B1-步骤B2，将所有被试对不同原始图像的主观中值进行均值计算及方差分析，确定当前区间色度的主观中值；

步骤C、按照步骤B的方法，其中对分量C的改变量介于0到3倍的色度JND值间不均匀分布，重复步骤B，确定当前区间色度的主观中值；

步骤D、按照步骤B的方法，其中对分量C的改变量介于1到4倍的色度JND值间不均匀分布，重复步骤B，确定当前区间色度的主观中值；

步骤E、根据步骤A、步骤B、步骤C和步骤D获得的主观实验结果建立阈上心理量表。

本发明进一步设置为：所述步骤A103中对分量C的改变量在0.2-1.5范围内等间隔分布，其中间隔的取值为0.1。

本发明进一步设置为：所述步骤A2中利用阶梯法结合二项迫选法进行视觉感知实验具体为，每次在显示器上同时显示两幅图像，一幅为原始图像，另一幅为测试图，由被试在两幅图中选出其认为哪幅图色彩较鲜艳；如果被试选择正确，则更换色度差别较小的测试图；被试一旦选择错误，则更换色度差别较大的测试图；重复上述过程；其中，实验起始变化步长是8，经过2个拐点后步长减半为4，再经过4个拐点，步长变为2，再经过6个拐点后，变化步长减为1；当步长为1时的拐点总数达到6时停止；最后6个拐点所对应的测试图即为JND临界图像。

本发明进一步设置为：所述步骤B1中对分量C的改变量介于0到2倍的色度JND值间不均匀分布，其中不均匀的取值共分为7个不同等级，假设图像色度的JND值为R，则不均匀的取值分别为0.0、0.5R、0.8R、1.0R、1.2R、1.5R、2.0R。

本发明进一步设置为：所述步骤B2中利用二分法进行视觉感知实验具体为，屏幕上同时显示四幅图像，四幅图像以两行两列的布局进行显示，其中上方两幅图像分别为参考图和变化最大的测试图，被试需要将屏幕下方显示的两幅测试图与上方两幅图进行对比；如果屏幕左下的图像更接近于上边两幅图的中间位置，则按左键，更换一组变化较小的测试图，反之按右键；重复此过程；直到被试在左键和右键间交替切换，此时请被试选出一幅图，认为它最接近于参考图与变化最大的测试图的中间位置，记录下当前位置的值，作为该区间范围的主观中值。

本发明进一步设置为：所述步骤C中对分量C的改变量介于0到3倍的色度JND值间不均匀分布，其中不均匀的取值共分为9个不同等级，假设图像色度的JND值为R，则不均匀的取值分别为0.0、0.5R、1.0R、1.3R、1.5R、1.7R、2.0R、2.5R、3.0R。

本发明进一步设置为：所述步骤D中对分量C的改变量介于1到4倍的色度JND值间不均匀分布，其中不均匀的取值共分为9个不同等级，假设图像色度的JND值为R，则不均匀的取值分别为1.0R、1.5R、2.0R、2.3R、2.5R、2.7R、3.0R、3.5R、4.0R。

本发明进一步设置为：所述被试的人数为20。

本发明进一步设置为：所述步骤E中建立阈上心理量表具体为，统计主观中值的均值及95％置信区间，假设图像色度的JND值为R，确定色度变化在1个JND范围内主观感受与物理变化量之间存在线性，进而以主观中值为基础，分别求出图像色度1～4JND对应的变化量是1个JND变化量的倍数，从而建立图像色度变化在所取区间范围内主观感受与物理变化量之间存在的线性关系。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

准确高效地度量大于1个JND的图像色度变化，可以定量评价改进显示器参数时人眼所能察觉的图像色度的变化量，从而提高显示终端中图像色度的技术参数调节能力。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明生成测试图像的过程示意图；

图2为本发明主观实验测得的图像色度理想中值与主观中值的关系；

图3为本发明建立的图像色度测曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种基于视觉感知的图像色度测定方法，包括以下步骤：

步骤A、按照以下方法测定图像色度的JND值；

步骤A1、按照以下方法对原始图像进行处理，得到测试图像：

步骤A101、通过伽马校正将原始图像转换至线性空间；

步骤A102、然后将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间和Lab空间转换到LCH空间；

步骤A103、在LCH空间中，保持其它分量不变，仅将分量C按照一组不同的改变量减小；对分量C的改变量为ΔE₀₀值在0.2-1.5范围内等间隔分布，其中间隔为ΔC、其取值为0.1；

由于在CIELAB色度空间中，ΔE₀₀在视觉上更均匀，因此本发明中色饱和度改变的度量采用了ΔE₀₀表示法，如式(1)所示；

$>{\mathrm{\Delta E}}_{00}=\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\Delta L}}^{\prime }}{K_L{S}_L}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Delta C}}^{\prime }}{K_c{S}_c}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Delta H}}^{\prime }}{K_H{S}_H}\right)}^2+R_T\left(\frac{{\mathrm{\Delta C}}^{\prime }}{K_c{S}_c}\right)\left(\frac{{\mathrm{\Delta H}}^{\prime }}{K_H{S}_H}\right)}---\left(1\right)$>

其中，ΔL′为两像素L′的差值，ΔC′为两像素C′的差值，ΔH′为两像素H′的差值，K_L＝1，K_C＝1，K_H＝1；

$>S_L=1+\frac{0.015{\left(\overline{L^{\prime }}-50\right)}^2}{\sqrt{20+{\left(\overline{L^{\prime }}-50\right)}^2}},S_C=1+0.045\overline{C^{\prime }},S_H=1+0.015\overline{C^{\prime }}T,$>

在考虑图像色度对图像质量的影响时，暂不考虑其他因素，因此可令ΔL′、ΔH′均为零，从而将式(1)简化为式(2)；

ΔE₀₀＝ΔC′/(K_cS_c)(2)

其中，K_C＝1default，为两像素C′的算术平均值；

因此，分量C的改变量可以通过式(3)取得，

$>{\mathrm{\Delta C}}^{\prime }={\mathrm{\Delta E}}_{00}·(1+0.045)\overline{C^{\prime }}---\left(3\right)$>

当ΔE₀₀在0.2-1.5范围内等间隔取值时，即可在LCH空间中得到一组具有不同色度分量的测试图像；

步骤A104、将C分量减小后的图像由Lab空间转换回RGB空间，得到一组具有不同色度分量的测试图像；测试图像的生成过程如图1所示，将原始图像由RGB空间经XYZ空间和Lab空间转换到LCH空间，然后再进行色度相关的图像处理，可以保证图像处理过程中色度分量保持不变。

步骤A2、利用阶梯法结合二项迫选法进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图作为JND临界图像；

利用阶梯法结合二项迫选法进行视觉感知实验具体为，每次在显示器上同时显示两幅图像，一幅为原始图像，另一幅为测试图，由被试在两幅图中选出其认为哪幅图色彩较鲜艳；如果被试选择正确，则更换色度差别较小的测试图；被试一旦选择错误，则更换色度差别较大的测试图；重复上述过程；其中，实验起始变化步长是8，经过2个拐点后步长减半为4，再经过4个拐点，步长变为2，再经过6个拐点后，变化步长减为1；当步长为1时的拐点总数达到6时停止；最后6个拐点所对应的测试图即为JND临界图像。

步骤A3、计算原始图像和JND临界图像中平均色度值的差值，该差值的平均值即为该被试对该原始图像色度的JND值。

步骤A4、更换不同的原始图像及被试，重复步骤A1-步骤A3；将所有被试对不同原始图像的色度JND值进行均值计算及方差分析确定图像色度的JND值。

步骤B、按照以下方法测定图像色度在0到2倍的色度JND值区间范围内的主观中值；

步骤B1、按照步骤A1的方法，其中对分量C的改变量介于0到2倍的色度JND值之间不均匀分布；其中不均匀的取值共分为7个不同等级，假设图像色度的JND值为R，则不均匀的取值分别为0.0、0.5R、0.8R、1.0R、1.2R、1.5R、2.0R。

步骤B2、利用二分法进行视觉感知实验，被试需找出一幅测试图，被试认为这幅图的色度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的色度变化量与JND变化量的倍数作为主观中值；

利用二分法进行视觉感知实验具体为，屏幕上同时显示四幅图像，四幅图像以两行两列的布局进行显示，其中上方两幅图像分别为参考图和变化最大的测试图，被试需要将屏幕下方显示的两幅测试图与上方两幅图进行对比；如果屏幕左下的图像更接近于上边两幅图的中间位置，则按左键，更换一组变化较小的测试图，反之按右键；重复此过程；直到被试在左键和右键间交替切换，此时请被试选出一幅图，认为它最接近于参考图与变化最大的测试图的中间位置，记录下当前位置的值，作为该区间范围的主观中值。

步骤B3、更换不同的图像内容及被试，重复步骤B1-步骤B2，将所有被试对不同原始图像的主观中值进行均值计算及方差分析，确定当前区间色度的主观中值。

步骤C、按照步骤B的方法，其中对分量C的改变量介于0到3倍的色度JND值间不均匀分布，重复步骤B，确定当前区间色度的主观中值；其中不均匀的取值共分为9个不同等级，假设图像色度的JND值为R，则不均匀的取值分别为0.0、0.5R、1.0R、1.3R、1.5R、1.7R、2.0R、2.5R、3.0R；越接近理想中值位置，步长越小。

步骤D、按照步骤B的方法，其中对分量C的改变量介于1到4倍的色度JND值间不均匀分布，重复步骤B，确定当前区间色度的主观中值；其中不均匀的取值共分为9个不同等级，假设图像色度的JND值为R，则不均匀的取值分别为1.0R、1.5R、2.0R、2.3R、2.5R、2.7R、3.0R、3.5R、4.0R；同样，越接近理想中值位置，步长越小。

步骤E、根据步骤A、步骤B、步骤C和步骤D获得的主观实验结果建立阈上心理量表；

统计主观中值的均值及95％置信区间，假定图像色度1个JND对应的值为R；根据1个JND对应的数值以及0-2R，0-3R以及1-4R区间范围的关系，假定三个不同区间的主观中间值分别为M1，M15和M25。根据上述条件，假定色度变化在1个JND范围内主观感受与物理变化量之间存在线性关系，推导1.5～4JND对应的倍数关系。

Y_X＝1JND＝1*R

√确定了1个单位JND的值为R

Y_X＝2JND＝(2/M1)*Y_X＝1JND

√根据0～2R区间试验结果，假定M1～2R间为线性

Y_X＝1.5JND＝0.5*(Y_X＝1JND+Y_X＝2JND)

√假定1JND～2JND间为线性

Y_X＝3JND＝(3/M15)*Y_X＝1.5JND

√根据0～3R区间试验结果，假定M15～3R间为线性

Y_X＝2.5JND＝0.5*(Y_X＝2JND+Y_X＝3JND)

√假定2JND～3JND间为线性

Y_X＝4JND＝(4/M25)*Y_X＝2.5JND

√根据1～4R区间试验结果，假定M25～4R间为线性

根据上述推导过程，可以分别求得图像不同属性1～4JND对应的变化量是1个JND变化量的倍数，从而建立JND的阈上心理量表，即建立图像色度变化在所取区间范围内主观感受与物理变化量之间存在的线性关系。

为了验证本发明方法，进行以下实验：

采用Philips19英寸的LCD监视器，显示器的白场被调整至D65，显示屏峰值亮度为264cd/m²，暗场亮度为0.33cd/m²。过程中观测距离为4倍的屏幕高度，大约1.2m。测试房间环境光设置为屏前垂直方向20lx，显示屏后方照度大约为10-20lx，接近家用电视的实际环境光设置。考虑到图像内容对图像色度的JND可能存在影响，所用原始图像选取具有一定的代表性，既包括色度分布不同的图像，也包括肤色、植物、动物等内容。参与实验的被试人数为20，年龄介于20～70岁之间，其中男性和女性各10人。

实验测得的不同区间内的主观中值见图2所示。结果表明，在色度变化区间为0-2倍的色度JND值以及0-3倍的色度JND值时，主观中值接近于理想中点位置，意味着色度改变量在3倍的JND值范围内线性度较好，但此后改变量继续增大，人眼的灵敏度有所下降。依据主观实验结果建立的图像色度的测定曲线见图3所示。

本实验验证了采用本发明提供的基于视觉感知的图像色度测定方法，便于评估显示器色度相关参数改变时人眼能察觉的终端显示色度的变化量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。