[科普中国]-图像质量指标

图像质量

图像质量的含义包括图像的逼真度和图像的可读懂性。所谓图像的逼真度是指被评价图像与标准图像的偏离程度，偏差越小，逼真度越高。而图像的可读懂性是指由图像能向人或机器提供信息的能力，它不仅与图像系统的应用要求有关，而且常常与人眼的主观感觉有关。1

图像质量直接取决于成像装备的光学性能、图像对比度、仪器噪声等多种因素的影响，通过质量评价可以对影像的获取、处理等各环节提供监控手段。为了对图像处理的各个环节进行合理评估，图像质量评价的研究已经成为图像信息工程的基础技术之一。目前对图像的评价主要是通过客观的定量评价和主观的定性评价进行的，前者凭借实验人员的主观感知来评价对象的质量；后者依据模型给出的量化指标，模拟人类视觉系统感知机制衡量图像质量。但目前人们对人类视觉特性仍没有充分理解，特别是对人眼视觉的心理特性还难以找出定量的描述方法，因此图像质量评价还处于研究阶段。1

主观评价观察者的主观评价最常用，也是最直接的图像质量评价方法，通常可分为绝对评价和相对评价两种。绝对评价是由观察者根据事先规定的评级尺度或自己的经验对图像做出判断和评价。必要时，可提供一组标准图像作为参照系，帮助观察者对图像质量做出合适的评价。必要时，可提供一组标准图像作为参照系，帮助观察者对图像质量做出合适的评价。为了保证图像质量主观评价的客观性和准确性，可用一定数量观察者的质量分数平均值作为最终主观评价结果。1

目前国际上已有成熟的主观评价技术和国际标准，例如ITU-T Rec.P.910规定了多媒体应用的主观评价方法；ITU-R BT.500-11规定了电视图像的主观评价方法，就视频质量主观评价过程中的测试序列、人员、距离以及环境做出了详细的规定。主观质量评分法（Mean Opinion Score：MOS）是质量最具代表性的主观评价方法，它通过对观察者的评分归一化来判断图像质量。而主观图像评分法又可以分为绝对评价和相对评价两种类型。1

绝对评价是将图像直接按照视觉感受分级评分，国际上规定了5级绝对尺度，包括质量尺度和妨碍尺度。对一般人来说，多采用质量尺度；对专业人员来说，则多采用妨碍尺度。1

相对评价是由观察者将一批图像从好到坏进行分类，将它们比较得出好坏，并给出相应的评分。1

客观评价客观评价方法是根据人眼的主观视觉系统建立数学模型，并通过具体的公式计算图像的质量。传统的图像质量客观评价方法主要包括均方误差（mean squared error，MSE）和峰值信噪比（peak signal to noise rate，PSNR）。1

因为客观评价的内容是物理参量，评价的手段是物理量测量度，所以客观评价的特点是能够做到严格准确，具有较高的科学性和客观性。但是这类评价并未考虑观察者的心理因素，如感觉和情绪等，而后两者在实际评判图像质量时往往起着重要作用，因此，采用客观评价方法来评价图像质量是严格的，但不够全面。特别是，采用客观评价方法对当今数字图像压缩技术的图像质量进行评价时，得到的客观评价与实际的图像质量情况相去甚远。一般而言，由于图像质量的优劣主要是由人眼的感觉决定的，所以通用的评价方法是以主观评价为主，而客观评价只作为辅助手段。1

指标组成部分分辨率分辨率是评价人工图像表现景物细节的能力，或图像中细微部分能分解到什么程度并被显示出来的指标。显然，在一个人工图像系统中，图像分辨率与输入分辨率、表示分辨率和输出分辨率都密切相关。2

（1）输入分辨率是指图像采制设备将景物光像转换为人工图像时，人工图像表示原景物光像视觉信息的分辨率。主要由成像系统的分辨率、图像传感器的分辨率共同决定。扫描仪通常用像素密度dpi（dot per inch，每英寸多少点）表示；数字相机习惯用其所输出图像的像素数N×M表示。2

（2）表示分辨率是指图像信息系统中，通常用一副图像在水平方向的像素数（N）与垂直方向的像素数（M）的乘积“N×M”的方式来表示该图像的分辨率；也可用一副凸现的像素密度ppi（pixels per inch，每英寸的像素数）来表示。可见，一副图像的像素方阵的像素数目或单位长度的像素数目越多，图像就越精细，看起来将越细腻清晰，表明图像的分辨率越高。但通过“插值（即插补）”生成的像素，就不含有原景物光像的视觉信息，因此，像素数多了，但图像的分辨率未提高。2

（3）输出分辨率是指显示器、打印机等图像显示/输出设备所输出的图像表示原景物光影信息的精细程度。显示分辨率既可用N×M表示，也可用像素密度ppi表示；打印分辨率通常用纸张上每英寸打印多少个点（dpi）表示。2

目前，计算机显示器常用的显示分辨率主要有：VGA（Video Graphics Araay）为640×480（4:3）；XGA（Extended Graphics Araay）为1024×768（4:3）。2

色彩深度色彩深度，又称像素深度或图像深度，是指用于表现、存储每个像素图像信息所用的码位数。它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数，或者灰度图像中的最大灰度等级数。因此，色彩也是用来度量图像分辨率（图像在彩色信息方面的精细程度）的指标。2

每个像素点的色彩深度的分配还与图像所用的彩色空间有关。以最常见的RGB彩色空间为例，色彩深度与色彩的映射关系主要有真色彩、伪色彩和直接色（调配色）等。2

图像失真图像失真是矢量图像表现原景物光像的仿真程度，包括几何失真（主要有桶形失真和枕形失真）、信噪比、动态范围、彩色还原等方面的指标。2