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(jī)相機(jī)到攝像機(jī)，數(shù)字成像技術(shù)在人們的生活中無處不在。盡管消費(fèi)者的選擇越來越多，但現(xiàn)在仍沒有標(biāo)準(zhǔn)化的客觀評(píng)價(jià)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)制定的標(biāo)準(zhǔn)可以對(duì)性能的幾個(gè)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(biāo)準(zhǔn)雖然都是很有用的技術(shù)規(guī)范，卻無法提供一個(gè)整合所有測(cè)量結(jié)果來預(yù)測(cè)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(zhǔn)則(softcopy ruler)方法。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像質(zhì)量的校準(zhǔn)視覺評(píng)測(cè)。由于這些評(píng)測(cè)是基于最小可覺察差別(just noticeable difference，JND)單元測(cè)得的，故這種方法可以把不同屬性的測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來，最終預(yù)測(cè)出整體質(zhì)量。

Softcopy ruler實(shí)現(xiàn)方案基于ISO 20462標(biāo)準(zhǔn), 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(shí)現(xiàn)比單純硬拷貝輸入方式更好的圖像質(zhì)量測(cè)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(cè)試輸入方式。在編寫這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(diǎn)隨時(shí)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(duì)于更先進(jìn)的平板顯示屏，MTF不隨時(shí)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(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)圖像。

該技術(shù)包含三部分：一組針對(duì)ISO 20462要求而開發(fā)的準(zhǔn)則圖像；一個(gè)用于顯示準(zhǔn)則圖像與測(cè)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(zhǔn)則圖像，需要對(duì)整個(gè)成像鏈路的MTF進(jìn)行定量分析，并利用數(shù)字濾波對(duì)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(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級(jí)(SQS)來評(píng)測(cè)絕對(duì)質(zhì)量。

一個(gè)SQS等級(jí)相當(dāng)于整體質(zhì)量的一個(gè)JND。JND單元可以大致均分為‘極好’、‘相當(dāng)好’、‘好’、‘一般’、‘差’、‘可以淘汰’這6 個(gè)參考范圍。0分等級(jí)對(duì)應(yīng)的圖像質(zhì)量極低，無法清楚識(shí)別主要目標(biāo)。30分等級(jí)屬于業(yè)余攝影的‘極好’范圍。我們創(chuàng)建的準(zhǔn)則圖像在一個(gè)SQS(JND)增量?jī)?nèi)相當(dāng)于2～31的SQS范圍。這組準(zhǔn)則圖像總共包含描述不同目標(biāo)物體的16個(gè)場(chǎng)景 (見圖1)。

圖1 用戶對(duì)一組準(zhǔn)則圖像(ruler image)和測(cè)試圖像進(jìn)行比較，以測(cè)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(cè)試進(jìn)行自我管理。準(zhǔn)則圖像和測(cè)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(dòng)底部的滑標(biāo)，可以改變樣本圖像的銳度。測(cè)試圖像在質(zhì)量上可能有不同程度的下降。軟件會(huì)要求觀察者在整體質(zhì)量方面匹配測(cè)試圖像和準(zhǔn)則圖像。在每一次試驗(yàn)中，程序都會(huì)記錄下準(zhǔn)則圖像的位置，以及判斷所花的時(shí)間。這個(gè)準(zhǔn)則位置被轉(zhuǎn)換為一個(gè)SQS值。

圖2 這種方法的圖形用戶界面讓用戶能夠比較準(zhǔn)則圖像與測(cè)試圖像的質(zhì)量

觀察裝置（環(huán)境）包括一個(gè)高質(zhì)量的LCD顯示器和一個(gè)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(dòng)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(guó)際成像技術(shù)行業(yè)協(xié)會(huì)(I3A)倡導(dǎo)的相機(jī)手機(jī)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(xiàng)單獨(dú)圖像屬性的研究。圖4所示為一個(gè)softcopy ruler實(shí)驗(yàn)的樣本結(jié)果，該項(xiàng)研究的重點(diǎn)是噪聲消除，受影響的圖像屬性是紋理細(xì)節(jié)。橫軸顯示噪聲消除濾波的強(qiáng)度增加，縱軸顯示因圖像紋理模糊而引致的 SQS級(jí)別。每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表基于大量觀察者和場(chǎng)景的滑標(biāo)位置平均讀數(shù)(在研究數(shù)碼相機(jī)圖像質(zhì)量期間，人們開發(fā)出一種被稱為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量準(zhǔn)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(píng)價(jià)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(jìn)展修訂ISO 標(biāo)準(zhǔn)20462 Part 3。