利用準則實現校準圖像質量評測

利用軟件工具定量分析數字成像系統的性能可以優化整體圖像質量

從手機相機到攝像機，數字成像技術在人們的生活中無處不在。盡管消費者的選擇越來越多，但現在仍沒有標準化的客觀評價量度來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規范，卻無法提供一個整合所有測量結果來預測整體質量的方法。

為解決這一問題，我們開發了軟拷貝準則(softcopy ruler)方法。這種技術能夠實現圖像質量的校準視覺評測。由于這些評測是基于最小可覺察差別(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，最終預測出整體質量。

Softcopy ruler實現方案基于ISO 20462標準, Part 3。它通過創建已知主觀圖像質量的參考數字圖像，從而可以實現比單純硬拷貝輸入方式更好的圖像質量測試。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。在編寫這個標準時，大多數顯示屏尚在采用陰極射線管技術，在這種技術中，焦點隨時間漂移，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。而對于更先進的平板顯示屏，MTF不隨時間和空間位置變化，從而能夠以一種明確定義的方式顯示數字圖像。這種能力可以產生用于softcopy ruler的經校準的標準圖像。

該技術包含三部分：一組針對ISO 20462要求而開發的準則圖像；一個用于顯示準則圖像與測試圖像并收集觀察者響應的軟件工具，以及一套專門的觀察裝置。要建立準則圖像，需要對整個成像鏈路的MTF進行定量分析，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。這一過程允許我們使用ISO 20462，Part 3中規定的標準質量等級(SQS)來評測絕對質量。

一個SQS等級相當于整體質量的一個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 個參考范圍。0分等級對應的圖像質量極低，無法清楚識別主要目標。30分等級屬于業余攝影的‘極好’范圍。我們創建的準則圖像在一個SQS(JND)增量內相當于2～31的SQS范圍。這組準則圖像總共包含描述不同目標物體的16個場景 (見圖1)。

圖1 用戶對一組準則圖像(ruler image)和測試圖像進行比較，以測定整體質量

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

圖2 這種方法的圖形用戶界面讓用戶能夠比較準則圖像與測試圖像的質量

觀察裝置（環境）包括一個高質量的LCD顯示器和一個可調節觀察距離的頭枕(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視光學院(University of Houston,College of Optometry)制作提供，可用于控制觀察距離。觀察室被涂成自然的灰色(見圖3)。顯示器后面的墻面由D65熒光燈管均勻照明。由于室內沒有光線直接照在顯示器上，顯示圖像的動態范圍很大。室內的灰色環境有助于減輕觀察者的疲勞感。

圖3 側面視角(a)和正面視角(b)看到的觀察室

我們是在由國際成像技術行業協會(I3A)倡導的相機手機圖像質量倡議(Camera Phone Image Quality Initiative)的第二階段期間開發出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softcopy ruler實驗的樣本結果，該項研究的重點是噪聲消除，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。每一個數據點代表基于大量觀察者和場景的滑標位置平均讀數(在研究數碼相機圖像質量期間，人們開發出一種被稱為運動質量準則方法的類似技術)。

圖4 Softcopy ruler的噪聲消除研究的樣本結果

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