摘  要： 提出一種基于顯著圖與稀疏特征的圖像視覺評價(jià)算法，其中顯著圖類似于視覺閾值，提取出圖像中的視覺注意區(qū)域，并使用獨(dú)立成分分析（Independent Component Analysis ，ICA）等同于稀疏編碼，來提取該區(qū)域的稀疏特征。最后通過綜合特征相似性和灰度相關(guān)性，得到一種全參考圖像質(zhì)量評價(jià)方法。通過在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫測試的結(jié)果表明，相對于其他評價(jià)算法，該方法很好地?cái)M合了人眼主觀評價(jià)。
　　關(guān)鍵詞： 稀疏特征；顯著圖；ICA；圖像質(zhì)量評價(jià)
0 引言
　　在圖像的獲取、壓縮、傳輸、儲存和重構(gòu)的過程中，經(jīng)常伴隨著圖像的視覺效果的變化，有很多方法可以用來度量這種變化對圖像視覺質(zhì)量的影響。隨著圖像與視頻處理技術(shù)的發(fā)展，人們也越來越需要更加精確的圖像評價(jià)方法。
　　圖像質(zhì)量評價(jià)方法可以分成兩大類：通過人眼的主觀評價(jià)和使用算法模擬人眼視覺的客觀評價(jià)?？陀^評價(jià)算法的理想效果是其預(yù)測評價(jià)結(jié)果能考慮人眼主觀評價(jià)的視覺機(jī)理。客觀評價(jià)方法又可分為三種類型：全參考、半?yún)⒖己蜔o參考圖像評價(jià)，本文提出的是一種全參考的評價(jià)方法，即參考圖像是完全已知的。
　　在視覺領(lǐng)域，視覺皮層負(fù)責(zé)人對視覺世界大部分的意識感知，是HVS的重要組成部分[1]。稀疏編碼，類似于ICA[2]，已被證明與視覺皮層測量有關(guān)，而且能提供很好的圖像質(zhì)量的量化預(yù)測。本文所采用的方法是結(jié)合圖像顯著圖與稀疏特征，構(gòu)造出一種度量圖像視覺效果的指標(biāo)。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種視覺信噪比方法（VSNR），該方法分為兩個(gè)階段：首先用視覺閾值篩選出視覺失真部分，然后量化失真部分，作為圖像視覺質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)。本文中，顯著圖類似于視覺閾值，篩選出視覺重要的參考與失真圖像塊對，然后利用特征檢測矩陣提取圖像塊的稀疏特征，最后綜合失真圖像與原始圖像的特征相似度與灰度相關(guān)性，得到一個(gè)度量指標(biāo)。
1 圖像視覺質(zhì)量評價(jià)方法
　　本文提出的評價(jià)方法的完整流程圖如圖1所示。

　　1.1 特征檢測矩陣的訓(xùn)練
　　每一幅圖像或圖像塊x都可以用矩陣A中的基向量與系數(shù)向量s的線性疊加來表示：x=A*s。通過轉(zhuǎn)化又可以變換為s=W*x（W為A的逆矩陣），系數(shù)向量s稱為圖像的稀疏特征。通常稀疏編碼的目的是為了得到一個(gè)權(quán)值矩陣W，本文稱其為特征檢測矩陣，將圖像塊變換成一個(gè)稀疏系數(shù)向量s。
　　本文選擇FastICA算法[4]從矩陣z中學(xué)習(xí)得到特征檢測矩陣，z為原始樣本的轉(zhuǎn)換矩陣。首先通過定點(diǎn)法來更新正交矩陣Ww的每一列，ww是正交矩陣的列向量：

　　其中，p代表一次迭代過程，E（·）表示期望，g（·）是方程G（·）的導(dǎo)數(shù)，g′（·）是g（·）的導(dǎo)數(shù)。

　　其中，迭代閾值為：

　　M等于8。最終：

　　V是在PCA降維過程中得到的8×64的白化矩陣，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換最終得到8×64的特征檢測矩陣W。
　　1.2 圖像顯著圖
　　對于人眼視覺，并不是每一個(gè)圖像塊都具有同等的視覺重要性?？梢酝ㄟ^一些量化手段，提取圖像中的視覺重要區(qū)域。本文選用一種譜殘余（Spectral Residual，SR）[5]的方法提取圖像的顯著區(qū)域。SR方法通過處理圖像的幅度譜得到殘余譜，再利用傅里葉變換得到空間域顯著圖。
　　1.3 參考-失真圖像塊對的選擇
　　本文用A表示參考圖像，B表示失真圖像，O表示參考圖像的目標(biāo)圖。將這三幅圖像分成8×8且不重疊的圖像塊，然后將每個(gè)圖像塊展開成向量形式。

　　其中，N表示圖像塊的個(gè)數(shù)，和則表示為選擇后的圖像塊。
　　1.4 特征提取與特征相似性測量
　　選擇完參考-失真圖像塊對后，分別提取參考圖像與失真圖像塊的稀疏特征。經(jīng)過變換后的圖像塊向量都會變成一個(gè)8×1的稀疏系數(shù)向量。

　　Yref和Ydis分別為參考圖像與失真圖像的稀疏特征矩陣。所以，關(guān)于參考-失真圖像的特征相似性的測量可以表示為：

　　其中，M和N分別代表特征矩陣的行數(shù)和列數(shù)，C為一個(gè)接近于0的正實(shí)數(shù)。
　　1.5 灰度相關(guān)性測量
　　本文僅測量圖像顯著性區(qū)域的灰度相關(guān)性，其目的是為了減少非顯著區(qū)域?qū)φw評價(jià)所產(chǎn)生的干擾。

　　分別表示Ath與Bth的均值，C1為一個(gè)接近于0的正實(shí)數(shù)。
　　1.6 綜合評價(jià)
　　整合以上兩種測量方法，可以得到一種綜合的評價(jià)指標(biāo)：

　　本文中，u的取值為0.55。
2實(shí)驗(yàn)分析
　　在實(shí)驗(yàn)中，本文采用了三個(gè)獨(dú)立的圖像數(shù)據(jù)庫來驗(yàn)證所提出的圖像視覺質(zhì)量評價(jià)算法，分別是TID2008[6]、CSIQ[7]和A57[2]。該數(shù)據(jù)庫涵蓋了如壓縮效應(yīng)、模糊、閃變效應(yīng)噪聲和傳輸效應(yīng)失真等，每一個(gè)圖像庫都附帶人眼主觀評價(jià)分?jǐn)?shù)。本文使用了斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)（SROCC）、皮爾遜相關(guān)系數(shù)（PLOCC）和均方誤差（RMS）評估指標(biāo)來比較這些客觀結(jié)果與主觀結(jié)果。
　　最后，將本文評價(jià)算法的性能評估結(jié)果與一些圖像評價(jià)算法進(jìn)行比較，這些算法包括：PSNR、SSIM[8]、PHVSM[9]、IFC[10]、VSNR[3]以及MAD[7]。表1展示了最終的比較結(jié)果，其中權(quán)值平均表示根據(jù)各個(gè)圖像數(shù)據(jù)庫的情況加權(quán)求均值。對于評估指標(biāo)SROCC、PLOCC和RMS，SROCC和PLOCC越接近1表示性能越好，而RMS則越小越好。
　　從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在圖庫TID2008和CSIQ中，相比于其他算法，本文方法的性能更具有優(yōu)越性。但是由于SR方法在壓制圖像非顯著性信息的同時(shí)也壓制了顯著性信息，因此在強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)重要性的A57圖庫中，本文方法的效果并不十分明顯。
3 結(jié)論
　　人眼在處理自然場景或圖片時(shí)，并不是對每一個(gè)空間位置的畸變都能引起同等的視覺注意。本文正是基于這種理念，只對圖像中的顯著性區(qū)域進(jìn)行分析，對該區(qū)域的每一個(gè)圖像塊的稀疏特征進(jìn)行比較，力求做到更細(xì)化的處理。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文方法能得到一個(gè)不錯(cuò)的評價(jià)效果，但是對于SR方法的局限性仍有改進(jìn)的空間。此外，用ICA來模擬視覺初期也可以用更加細(xì)化的方法替代，這些都是下一步的研究重點(diǎn)。
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