2.2 圖像質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

在圖像采集和傳輸過程中，噪聲會導(dǎo)致圖像降質(zhì)，這給研究帶來了很大的困難，因此，必須對圖像失真程度進行評估。圖像質(zhì)量包括兩個方面：圖像的逼真度和圖像的可理解度。逼真度是去噪圖像偏離原始圖像的程度，即相似度。逼真度越高，證明去噪圖像的質(zhì)量越好。可理解度是去噪圖像被人所理解的程度。圖像質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)可分別從主觀和客觀的角度來闡明。前者根據(jù)觀察者的主觀感受來評價圖像質(zhì)量；后者根據(jù)模型的定量指標(biāo)或參數(shù)來評價圖像質(zhì)量。

2.2.1 主觀評價

主觀評價方法主要依靠觀察者的眼睛進行觀察，讓觀察者根據(jù)一些事先規(guī)定的評價標(biāo)準(zhǔn)或自己的經(jīng)驗，通過視覺效果對圖像進行質(zhì)量優(yōu)劣的判斷，并給出評分，對全部測試人員的質(zhì)量評分進行加權(quán)平均，所得的結(jié)果即圖像的主觀質(zhì)量評價。雖然主觀評價方法容易受觀察者的經(jīng)驗、習(xí)慣、測試環(huán)境等影響，但基于主觀的評價標(biāo)準(zhǔn)仍然是判定圖像質(zhì)量優(yōu)劣及圖像去噪方法性能好壞的重要依據(jù)。

主觀評價方法主要包括兩種：絕對評價和相對評價。絕對評價主要讓觀察者以預(yù)先定下來的一組標(biāo)準(zhǔn)圖像為參考或者依靠自身經(jīng)驗來評估圖像。表2-1給出了絕對評價標(biāo)準(zhǔn)的五級評分系統(tǒng)，這是一個通用的五級評價標(biāo)準(zhǔn)。相對評價是指，由觀察者依據(jù)圖像質(zhì)量的高低評估一組圖像，并給出圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

雖然主觀評價方法能夠較好地反映圖像的直觀視覺效果，但是其過于費時費力，因此該評價標(biāo)準(zhǔn)在實際應(yīng)用中受到嚴(yán)重的制約。

2.2.2 客觀評價

為了彌補主觀評價方法可能存在的不足，有必要對圖像進行客觀和定量的評價。依靠人的視覺系統(tǒng)構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型，定義一定的度量方法及特定的公式來衡量圖像的質(zhì)量，以反映去噪圖像與原始圖像之間的偏差程度，從而定義圖像的去噪效果。

目前常用的圖像客觀評價準(zhǔn)則有峰值信噪比（PSNR）準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)相似性（SSIM）準(zhǔn)則。假設(shè)要比較的兩幅圖像分別是x和y，尺寸大小為m×n，其中PSNR定義為

其中，MSE為均方誤差，且定義為

從式（2-6）和式（2-7）可以看出，圖像x與圖像y越相似，MSE就越小，相應(yīng)地，PSNR也就越大。

PSNR指標(biāo)從統(tǒng)計學(xué)角度度量圖像間的偏差，它并不能將人們對圖像質(zhì)量的主觀感受較好地反映出來。因此，利用PSNR得到的評價結(jié)果有時不一定能與人的視覺感受相吻合。基于此，Wang[105]在考慮人的視覺特性的同時，提出了SSIM這個圖像質(zhì)量測量準(zhǔn)則。SSIM準(zhǔn)則分為3個部分：亮度函數(shù)、對比度函數(shù)和結(jié)構(gòu)函數(shù)。

亮度函數(shù)l_SSIM（x，y）定義為

其中，為圖像x的均值；μ_y為圖像y的均值；C₁=（k₁L）2是用來維持穩(wěn)定的常數(shù)，其中，L是像素的動態(tài)范圍，k₁=0.01。

對比度函數(shù)c_SSIM（x，y）定義為

其中，σ_x為圖像x的標(biāo)準(zhǔn)差，；σ_y為圖像y的標(biāo)準(zhǔn)差；C₂=（k₂L）2為常數(shù)，其中，L是像素的動態(tài)范圍，k₂=0.03。

結(jié)構(gòu)函數(shù)s_SSIM（x，y）定義為

其中，C₃=C₂/2；σ_xy是x和y的標(biāo)準(zhǔn)差，其計算公式為

將式（2-8）、式（2-9）和式（2-10）相乘，得到SSIM函數(shù)，即

SSIM算法簡單且準(zhǔn)確，受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。