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到底什么是图像质量呢?(一)

到底什么是图像质量呢?(一)

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  • 发布时间:2021-08-23 16:40
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【概要描述】从图像质量的定义上,就引申出了两种图像质量的评测方法,客观评价和主观评价。与图像质量相关的产品,评测方式都已经从单纯的客观评价转化为主客观相结合的评价算法。

到底什么是图像质量呢?(一)

【概要描述】从图像质量的定义上,就引申出了两种图像质量的评测方法,客观评价和主观评价。与图像质量相关的产品,评测方式都已经从单纯的客观评价转化为主客观相结合的评价算法。

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到底什么是图像质量呢?(一)

如今,图片和视频作为信息载体已经变得越来越重要,于是图像质量的评估变成了一个常见又基础的问题。下面由博米科技带领大家一起了解学习。

对于图像质量有两种定义。

定义一:不同成像系统采集,处理,储存,压缩,传输信号的准确度。定义一是从信号处理的角度,关注成像系统中信号的准确性。

定义二:符合人眼感知的角度评价图像质量:图像所有视觉上重要属性的加权混合。定义二是从人眼视觉的角度,关注观测者的感受,审美水平不同的观测者,反馈的结果也不同。

那么从图像质量的定义上,就引申出了两种图像质量的评测方法,客观评价主观评价

与图像质量相关的产品,评测方式都已经从单纯的客观评价转化为主客观相结合的评价算法。尤其是注重观者感受的领域,主观评价的权重已经超过客观评价的权重。比如手机,无人机,美颜/滤镜等算法……其中在手机行业鼎鼎有名的DXO mark,也是通过主客观结合的方式进行打分。

主观评价以人作为观测者,最重要的优势是能够真实的反映人的视觉感知,要知道人类的视觉感知系统相当复杂,一部分指标甚至涉及到心理学。

客观评价方法借助于某种数学模型,给出基于数字计算的结果。可重复,可量化。缺点是场景相对固定,不易对复杂场景进行打分。另外有些指标与人类视觉感知不匹配,这也是制定行业标准的协会(IEEE/ISO)成员正在改进的方向。

 

客观评价

传统的客观评价方式比较固定,并且需要较为严苛的光源与测试环境。

测试流程基本可以概括为三个部分:拍摄图像测试卡特定光源辅助)→输入测试软件→测试结果

可以看到除去拍摄图卡部分,其余两个过程是很容易实现自动化的。所以客观评价的目标是用计算的方式代替人类视觉系统去观看和认知图像。只要通过不同的测试卡和光源组合,就可以实验室中模拟各种环境,并且得到可信的测试结果。

下面博米科技将介绍一些客观评价中常用的维度和测试方法,帮大家快速了解客观评价是怎么进行的。

 

清晰度

所有用户拿到一张照片或者看到一段视频的时候首先看到的是照片清楚不清楚,几乎在所有成像系统中清晰度(解析力)都是第一重要的维度。如何评价一个成像系统的解析力也是大家一直在探讨的问题。常见的清晰度指标有MTF,SFR,TVline。

MTF

MTF,Modulation Transfer Function。中文为调制传递函数。在各个摄像头镜头中经常采用MTF描述镜头的MTF曲线,表明镜头的能力。这些曲线是通过理想的测试环境下尽量减少其它系统对镜头的解析力的衰减的情况下测试得出的。当然,MTF也可以涵盖对整个成像系统的解析力评价。

为了让大家快速感知MTF是什么,举一个大家非常熟悉的例子。下图是视力检测的图卡。清晰的图像,黑白边界分明,模糊的图像,黑色白色混在一起,黑色似乎变淡了。如果我们把视力的测量对应到对镜头解析力的测量,视力表就变成了线对,最初的MTF测量就是通过测试不同频率的线对实现的。

 

线对图的上部分为理想图像,下半部分为模拟的实拍的图像。

其实这个线对大家都见过,我们小的时候当没有电视没有了节目,都会用一张图像测试卡代替。而这张图卡,就包含了MTF测试内容。

 

MTF是通过找线对中最大亮度点和最小亮度点的对比度来计算的。

计算公式为MTF=(最大亮度-最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)。

所以MTF的计算不会出现大于1的情况。

当我们测试了很多不同频率下的MTF值,通过将这些值和空间频率进行一一的对照,也就知道了在什么频率纹理下的解析能力如何。

对于MTF的概念,讲到这里相信大家有了一个初步的概念。那么MTF通常的门限是什么呢?

视力表中,当我们将将能看清E开口方向的时候,会去查对应的视力数值来表示我们的视力。MTF也是类似,MTF“看清开口”的标准一般是跌落至50%或30%,此时去查对应频率,这个频率越高,表明清晰度越好。

通常,会以MTF50 or MTF30会作为清晰度的指标。

 

指标名称

描述

评价

MTF50/30

MTF50/30是当MTF数值下降至最大值的50%/30%时,对应的频率。

随着软件锐化程度的提高而增加;可能会产生误导。

MTF50P/30P

MTF50P/30P是当MTF从峰值(MTF>1)下降至的50%/30%时,对应的频率。

MTF怎么又能大于1了,这个我们在SFR里面讲,MTF50p这个值主要是为了降低锐化带来的影响。

另外这里需要补充一点。由于图片分辨率的限制,一个黑白线对,最少也要两个像素才能表示,所以一个像素为0.5周期。0.5cycles/pixel即为奈奎斯特频率。如果MTF50的频率大于了奈奎斯特频率,那么在实际图像中,这个频率的细节会出现混叠,而不是真正达到MTF=50的清晰程度。

 

上图是imatest测试出来的MTF结果,细心的同学可能发现了,这个MTF的结果是通过SFR图卡得到的。说好的线对在哪里?其实由于线对图卡的种种缺点,(个人感觉主因是图卡精细度要求太高)。已经被其他计算方式代替了。既然这里用到了SFR图卡,那么我们继续来说SFR。

SFR

SFR(Spatial Frequency Response)空间频率响应,是用于测量随着空间频率的线条增加对单一影像的所造成影响。简而言之SFR就是MTF的另外一种测试方法。这种测试方法在很大程度上精简了测试流程。SFR的最终计算是希望得到MTF曲线。SFR的计算方法和MTF虽然不同但是在结果上是基本一致的,也就是说得到了SFR的值,就有了MTF。

图像清晰度国际测量标准中(ISO12233),给出了五种测试图卡。第一张TVline 直接人眼读取。另外四种均是通过计算SFR来获得MTF。这五张图卡如下:

          

 

1. 斜边法

上图中第二到第四张图卡,都是斜边法的计算方式。它只需要一个黑白的斜边即可换算出约略相等于所有空间频率下的MTF。

计算过程在ISO-12233-2014(或者2000)中有详细的计算。流程图如下:

 

其中核心的计算步骤:SFR是通过对斜边进行超采样,得到一条更加细腻的黑白变换的直线(ESF)。边缘扩展函数ESF(Edge Spread Function)。大家可以把下面的图想象成一条线。

 

之所以SFR的测试图是一张斜边,是希望通过斜边中的多条线进行超采样,得到一条灰度变换更加平滑的线。这样减少在后面进行频域转换之后值上的误差。然后通过这条直线求导,得到变化率(LSF)。然后对将这个变化率进行傅里叶变换就能得到SFR。

这里回答一个问题,为什么用斜边法测量的MTF会大于1。

 

因为图像被锐化后,超采样得到的ESF不是平滑的,图像的边界会有明显的rining现象存在。正是由于过度锐化现象,使得MTF大于1。

左侧为正常图像,右侧为过度锐化对应图像(大概30%的过度锐化)。

 

2. 西门子星图

这个图卡的计算方式类似线对,ISO提供了对应的公式将星图转换为线对。从而推导出MTF 或SFR。这种计算方式的好处是可以看到各个方向的MTF,并且不易被锐化影响。

 

 

 

3. 利用NPS(噪声功率谱)计算MTF——枯叶图

枯叶图MTF,有一种叫法叫texture MTF。

用枯叶图计算出来的MTF,与其他模式(尤其是倾斜边缘)相比,它们受边缘锐化的影响较小,因此可以提供纹理细节的估计值,这些估计值与感知观察的相关性更好。

*NPS为噪声ACF的傅里叶变换

 

理论公式为SF =MTF^2 *SG

SG输入信号的NPS

SF输出信号的NPS

4. TVline

TVline 就比较易于理解了,可以肉眼就可以读数得到,并且可以直接转换成MTF。

由于无法自动化读数,现在基本上已经被淘汰了。

ISO文档里的图例:虚线以上的认为是清晰的部分,虚线以下认为模糊。

 

 

 

5. acutance —— 由MTF衍生出来的计算方式

MTF已经能够反映清晰度的情况。但仍然存在不符合人眼感知的情况。于是ISO和IEEE两个组织均提出了新的指标:acutance。其公式中加入了人类视觉感知的参数。

简单来说就是两点:

1. 观测距离和显示器参数

2. 人眼不同频率的细节感受不一致,对比敏感度函数CSF

 

同时通过实验表明,当acutance超过0.8851后,大众将无法感知清晰度的提升(实际的观测距离不一定和标准一致,)。

*the CPIQ document defines an “objective metric” (OM = 0.8851 – acutance for acutance = 0.8851; OM = 0 otherwise) that increases with increasing blur. It claims that perceived quality does not improve for acutance greater than 0.8851. The result of a rather complicated equation shows that a change in OM of 0.02 (2%) corresponds roughly to 1 JND.

测量清晰度,通常有两个目标。量化清晰度且符合人眼感知,量化因锐化导致的artifact。

所以在客观评测中我们通常选用指标如下:

SFR:

acutance

MTF50/MTF50P

overshoot/undershoot

枯叶图:

acutance

MTF50/MTF50P

同时会将枯叶图和SFR的MTF曲线进行比较。

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