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

從手機相機到攝像機，數(shù)字成像技術(shù)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(xiàn)在仍沒有標準化的客觀評價量度來定量分析這些設(shè)備的整體性能。目前已有數(shù)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(zhuǎn)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(guī)范，卻無法提供一個整合所有測量結(jié)果來預(yù)測整體質(zhì)量的方法。

為解決這一問題，我們開發(fā)了軟拷貝準則(softcopy ruler)方法。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像質(zhì)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(jié)果結(jié)合起來，最終預(yù)測出整體質(zhì)量。

Softcopy ruler實現(xiàn)方案基于ISO 20462標準, Part 3。它通過創(chuàng)建已知主觀圖像質(zhì)量的參考數(shù)字圖像，從而可以實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)顯示屏尚在采用陰極射線管技術(shù)，在這種技術(shù)中，焦點隨時間漂移，調(diào)制傳遞函數(shù)(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(shù)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要求而開發(fā)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(yīng)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(shù)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(guī)定的標準質(zhì)量等級(SQS)來評測絕對質(zhì)量。

一個SQS等級相當于整體質(zhì)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(yīng)的圖像質(zhì)量極低，無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SQS(JND)增量內(nèi)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(zhì)量

圖2所示為圖形用戶界面，該界面讓用戶能夠?qū)y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(cè)和右側(cè)，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(zhì)量上可能有不同程度的下降。軟件會要求觀察者在整體質(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(zhuǎn)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(zhì)量

觀察裝置（環(huán)境）包括一個高質(zhì)量的LCD顯示器和一個可調(diào)節(jié)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(xué)視光學(xué)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(nèi)沒有光線直接照在顯示器上，顯示圖像的動態(tài)范圍很大。室內(nèi)的灰色環(huán)境有助于減輕觀察者的疲勞感。

圖3 側(cè)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(shù)行業(yè)協(xié)會(I3A)倡導(dǎo)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softcopy ruler實驗的樣本結(jié)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(jié)。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(shù)據(jù)點代表基于大量觀察者和場景的滑標位置平均讀數(shù)(在研究數(shù)碼相機圖像質(zhì)量期間，人們開發(fā)出一種被稱為運動質(zhì)量準則方法的類似技術(shù))。

圖4 Softcopy ruler的噪聲消除研究的樣本結(jié)果

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