基于视觉感知的图像清晰度的测定方法

摘要

本发明公开了一种基于视觉感知的自然图像清晰度测定方法，首先将原始图像分别转换到xyY空间，对分量Y进行处理，得到测试图像，找出至少一幅JND临界图像；接着计算原始图像和JND临界图像中高斯函数方差参数的差值；对不同被试对不同原始图像的JND值进行均值计算确定JND值；根据所得清晰度JND的值，重新生成测试图片；对不同的被试、图像内容和测试图的清晰度度变化区间重复进行试验，统计主观中值的均值，建立图像清晰度的阈上心理量表。本发明提供了基于视觉感知的自然图像清晰度测定方法，可以定量评价改进显示器参数、尤其是针对清晰度的参数设计时人眼所能察觉的对图像清晰度的影响，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于视觉感知的图像清晰度的测定方法，属于图像清晰度测定技术领域。

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。

中国发明专利申请(申请号为201210052401.2，授权日为2014-03-26)中披露了一种图像清晰度JND值测定方法，首先将线性转换后的原始图像转换到xyY空间，对分量Y进行处理，得到一组测试图像；然后找出至少一幅JND临界图像；接着计算原始图像和JND临界图像中高斯函数方差参数的差值，该差值的平均值即为该被试对该原始图像清晰度的JND值。该方法并未解决如何度量大于1个JND的图像清晰度变化问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于视觉感知的图像清晰度测定方法，为定量评价改进显示器参数时人眼所能察觉的图像质量的变化，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于视觉感知的图像清晰度的测定方法，其特征是，包括如下步骤：

1)测定图像清晰度的JND值；

11)按照以下方法对原始图像进行处理，得到测试图像：

101)通过伽马校正将原始图像转换至线性空间；

102)将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间转换到xyY空间；

103)在xyY空间中，保持其它分量不变，按照一组不同方差参数的高斯函数仅对分量Y进行卷积，此组方差参数σ在0.1-0.8之间等间隔分布，参数的取值个数依据经验值选择；

104)将卷积后的图像由xyY空间经XYZ空间转换回RGB空间，得到一组具有不同模糊程度的测试图像；

12)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；

13)根据步骤103)的处理过程，找出对应于JND临界图像的高斯卷积时的方差参数值，该值的平均值即为该被试对该原始图像清晰度的JND值；

14)更换不同的原始图像及被试者，重复步骤11)-13)；将所有被试者对不同原始图像的清晰度JND值进行均值计算及方差分析确定图像清晰度的JND值，记为R；

2)按照步骤1)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的方差参数σ取值介于0-2R之间；

3)利用二分法进行视觉感知实验，被试者需找出一幅测试图，被试者认为这幅图的清晰度度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的方差参数的值作为主观中值；

4)将步骤2)中的方差参数σ取值介于0-3R之间，重复步骤2)和3)；

5)将步骤2)中的方差参数σ取值介于1R-4R之间，重复步骤2)和3)；

6)更换不同的图像内容及被试者，重复步骤2)-5)；对应于三个不同清晰度变化范围，分别将所有被试选取的主观中值进行均值计算及方差分析，确定各区间的主观中值；

7)根据主观实验结果建立阈上心理量表。

本发明所达到的有益效果：本方法对不同的被试、图像内容和测试图的清晰度度变化区间重复进行试验，统计主观中值的均值，并以主观中值为基础，建立图像清晰度的阈上心理量表，可以定量评价改进显示器参数、尤其是针对清晰度的参数设计时人眼所能察觉的对图像清晰度的影响，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

附图说明

图1是本发明的生成测试图像的过程示意图；

图2是本发明的基于视觉感知的图像清晰度测定结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的自然图像清晰度的JND值测定方法，包括以下步骤：

步骤1)、按照以下方法测定图像清晰度的JND值：

11)按照以下方法对原始图像进行处理，得到测试图像：

101)通过伽马校正将原始图像转换至线性空间；

102)将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间转换到xyY空间；

RGB空间到XYZ空间的转换为现有技术，其转换公式如下：$>\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=A\left(\begin{array}{c}R\\ G\\ B\end{array}\right)$>，其中，$>A=\left(\begin{array}{ccc}0.4124& 0.3576& 0.1805\\ 0.2126& 0.7152& 0.0722\\ 0.0193& 0.1192& 0.9505\end{array}\right);$>

从XYZ空间转换到xyY空间，其中Y分量无需重新计算，x，y分量根据式(2)求得：x＝X/(X+Y+Z),y＝Y/(X+Y+Z)(2)，。

103)在xyY空间中，保持其它分量不变，按照一组不同方差参数的高斯函数仅对分量Y进行卷积，此组方差参数在0.1-0.8之间等间隔分布。

104)将卷积后的图像由xyY空间转换回RGB空间，得到一组具有不同模糊程度的测试图像。测试图像的生成过程如图1所示。

步骤12)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。

本具体实施方式中采用以下实验方法：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，由被试者在两幅图中选出其认为哪幅图较清晰；如果被试者选择正确，则更换方差参数较小的测试图；被试者一旦选择错误，则更换方差参数较大的测试图；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13)根据步骤103)的处理过程，找出对应于JND临界图像的高斯卷积时的方差参数值，该值的平均值即为该被试者对该原始图像清晰度的JND值；

步骤14)更换不同的原始图像及被试者，重复步骤1)-3)；将所有被试者对不同原始图像的清晰度JND值进行均值计算及方差分析确定图像清晰度的JND值，记为R。

步骤2)、按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的方差参数σ取值介于0-2R之间。

σ分别取7个不同的值，各取值对应的图像亮度的变化量从0到2R，具体分别为0，0.5R，0.8R，1.0R，1.2R，1.5R，2.0R；越接近理想中值位置，步长越小，以期实验结果更准确，同时保证实验的高效性。

步骤3)利用二分法进行视觉感知实验，被试者需找出一幅测试图，被试者认为这幅图的清晰度度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的方差参数的值作为主观中值。

屏幕上同时显示四幅图像，其中上方两幅图像分别为参考图和变化最大的测试图。被试者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，直到被试者在左键和右键间交替切换，此时请被试者选出一幅图，认为它最接近于参考图与变化最大的测试图的中间位置，记录下当前位置的方差参数值，作为该区间范围的主观中值。

步骤4)将步骤2)中的方差参数σ取值介于0-3R之间，重复步骤2)和3)。

方差参数σ分别取9个不同的值，各取值对应的图像亮度的变化量从0到3R，具体分别为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5)将步骤2)中的方差参数σ取值介于1-4R之间，重复步骤2)和3)。

方差参数σ分别取9个不同的值，各取值对应的图像亮度的变化量从1R到4R，具体分别为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6)更换不同的图像内容及被试者，重复步骤2)-5)；对应于三个不同清晰度变化范围，分别将所有被试者选取的主观中值进行均值计算及方差分析，确定各区间的主观中值。

步骤7)根据主观实验结果建立阈上心理量表。

具体推导方法如下：

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清晰度的JND可能存在影响，所用原始图像选取具有一定的代表性。参与实验的被试者人数为20，年龄介于20～74岁之间，其中男性和女性各10人。

测得的清晰度的JND约相当于高斯方差参数σ＝0.5。不同图像内容对图像清晰度的JND值影响不显著。多个JND的测定结果如图2所示，其数值与单个JND的值大致呈线性关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。