基于质量相关因素的半色调图像质量评价的研究

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3.0 刘畅 2024-11-07 59 4 1.85MB 59 页 15积分

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摘要

数字图像在通过数字半色调技术处理时会引入各种各样的失真，因而研究半

色调图像质量的评价算法用于评价各种应用算法引起的图像降质就有着重要的理

论意义和广泛的应用需求。半色调图像质量评价包括主客观两类方法。由于主观

评价是由人眼直接观察给出结果，所以其评价结果是对人眼视觉感受的直观反映，

这是其优点也是缺陷所在。正因为人的参与，其评价结果也被人为的影响，这些

人为因素包含人的心理、喜好、心情等，同时周围环境如亮度等也会妨碍评价结

果的准确性和稳定性。所以研究与主观评价结果相吻合的客观评价方法来科学、

定量的评价图像质量显得十分关键。

本文的主要研究内容包括：

1、研究目前用于半色调图像的质量评价算法，分析其特点与不足，为改进算

法的设计提供理论依据；

2、结合半色调图像的特征，提出基于半色调图像特性的评价算法；

3、研究人眼视觉系统的特性和小波变换，总结出人眼视觉感知在频率、方向

上的多通道分解性与小波分解相匹配，为新算法中使用小波变换模拟人眼这

一特征提供依据；

4、综合前三点的研究成果，提出基于半色调特性和质量相关因素的图像质量

评价方法，同时利用MATLAB开发环境对此算法进行程序设计；

5、结合算法评估指标，对提出的算法进行有效性分析。

本论文的主要创新点有：

 研究三种常用的评价算法 PSNR、NMSE、SSIM 在评价半色调图像时存

在的不足，提出基于半色调特性的图像质量评价算法。

 分析影响图像质量的三大因素，结合半色调图像特性及小波变换的多尺度

分析，提出基于半色调特性和质量相关因素的图像质量评价方法 HIQA。

半色调图像质量的客观评价在出版与传媒领域有着重要的实用价值和广阔的

应用前景，它可以作为图像处理算法和参数优化的依据，度量图像处理系统和算

法的优劣，因此设计开发相应的应用软件为企业创造利润增长点，提高经济效益

有着重要的意义。

关键词：小波变换人眼视觉特性亮度清晰度相关度

ABSTRACT

Digital image through the digital halftone technology processing will introduce all

kinds of distortion. Therefore it will have important theoretical significance and

extensive application requirements to research halftone image quality assessment

algorithm used in the evaluation of the images which is caused by the various

application algorithm. Halftone image quality assessment includes subjective evaluation

and objective evaluation. Because the human eyes are the final receptors of image, so

subjective evaluation is considered to be the most direct and accurate method of visual

perception. But due to the objective condition and subjective feelings and the viewers’

factors, subjective evaluation results are often not enough stability and do not facilitate

image system integration and implementation. So it is especially critical to find an

objective evaluation which is able to approach the subjective evaluation results as the

basis of image quality evaluation and designing and improving the image system.

The main research contents of this paper include:

1. Current quality assessment algorithms for halftone image are researched, and its

characteristics and shortages provide theoretical basis to design the improved algorithm;

2. Combining the feature of halftone image, the evaluation algorithm based on

halftone image feature is proposed;

3. Studying the characteristics of human visual system and wavelet transform, I get

that the multi-channel characteristic of human visual perception is matched with the

wavelet decomposition which provide basis for the new algorithm using wavelet

transform to simulate the features of human eyes;

4. A new quality evaluation algorithm based on the halftone characteristics and

quality-concerned factors is proposed, and MATLAB designs the algorithm program;

5. Using the evaluation indexes to analysis validity of the proposed algorithm.

The main innovations are as follows:

 Three kinds of algorithms are studied and their shortages to evaluate halftone

image are pointed out. And an improved algorithm based on halftone

characteristic is put forward.

 I analyze three main factors affecting the quality of the image and combining

halftone image characteristic and the multi-scale analysis of wavelet transform,

HIQA is put forward.

Objective evaluation of the halftone image has an important practical value and

broad application prospect in the field of publishing and the media. Its evaluation

indexes can be used as a criterion to decide which halftone algorithms is optimal

method to embed the output devices or be used to optimize the parameters of the

halftone algorithm. So it has important great significance to design and develop the

corresponding application software for enterprises to create profits growth and improve

the economic benefit.

Key Word: wavelets transform, human visual system, lightness,

definition, relevance

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .........................................................................................................1

1.1 研究背景及意义 ..........................................................................................1

1.2 国内外现状及分析 ......................................................................................2

1.3 研究内容和组织结构 ..................................................................................5

第二章理论分析 .....................................................................................................7

2.1 半色调图像特性分析 ..................................................................................7

2.2 人类视觉系统（HVS）特性 ......................................................................8

2.2.1 亮度适应性 ...........................................................................................8

2.2.2 对比度敏感函数 ...................................................................................9

2.2.3 人类视觉多通道特性 .........................................................................10

2.2.4 人类视觉掩盖效应 ............................................................................. 11

2.3 小波变换 ....................................................................................................12

2.3.1 多分辨率分析思想 .............................................................................12

2.3.2 小波变换在图像分析中的应用 .........................................................14

2.4 人眼视觉特性与图像小波变换的关系 .....................................................15

2.5 本章小结 ....................................................................................................17

第三章三种常用评价算法及其性能分析 ...........................................................18

3.1 三种常用算法 ............................................................................................18

3.1.1 归一化均方误差（NMSE） ..............................................................18

3.1.2 峰值信噪比（PSNR） .......................................................................19

3.1.3 结构相似度法（SSIM） ....................................................................21

3.2 三种算法的性能评价 ................................................................................23

3.2.1 评估算法性能的指标 .........................................................................23

3.2.2 实验结果分析 .....................................................................................26

3.3 本章小结 ....................................................................................................29

第四章基于半色调特性和质量相关因素的图像质量评价方法 .......................30

4.1 基于半色调特性的改进算法 ....................................................................30

4.1.1 改进算法的来源及设计思路 .............................................................30

4.1.2 算法流程 .............................................................................................30

4.1.3 算法实现及结果分析 .........................................................................33

4.2 基于半色调特性和质量相关因素的评价方法 ........................................37

4.2.1 影响图像质量的相关因素分析 .........................................................37

4.2.2 算法概述 .............................................................................................39

4.2.3 算法实现 .............................................................................................45

4.3 算法的有效性分析 ....................................................................................48

4.4 本章小结 ....................................................................................................48

第五章研究总结和展望 .......................................................................................50

5.1 研究总结 ....................................................................................................50

5.2 存在不足与研究展望 ................................................................................51

参考文献 .................................................................................................................52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .....................................55

致谢 .........................................................................................................................56

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

图像的数字半色调技术是图像印刷复制输出的关键技术之一，其基本机理是

利用了人眼的低通滤波特性，因为人的眼睛在处理视觉信息的最初阶段具有“空

间接近特性”，使得图像中空间上接近的部分被视为一个整体。这样，人眼在一定

的视角范围内细节分辨能力降低，也称为低通特性，同时也使得在一定的距离以

外，人眼对于一个较小面元灰度或者色彩的感觉是对该面元的总的灰度或者色彩

的感觉。由于印刷输出设备和材料通常只具备二值输出能力，彩色连续调图像或

者是灰度图像要想输出就必须先用数字半色调技术即我们通常所说的加网方法将

其处理为二值图像。当加网输出的网点非常小时，在人眼的低通滤波作用下，我

们感觉看到的半色调图像某一小块部分的灰度值与原连续调图像相同部分的灰度

值相同或近似相等，这样就在整体上使得半色调图像出现了不同的灰度值，也使

得人眼感觉其阶调和层次是连续的[1]。数字半色调技术发展四十多年以来，基本的

半色调算法有抖动法、误差扩散法、点扩散法等，近些年来也对这些算法进行了

各种改进[2]。不同的数字半色调算法产生的图像具有不同的质量和特性，由于输出

图像最终是要接受人的检验，其质量影响着人的感受，质量好的半色调图像能让

我们接受起来相对容易因为它最大限度保留原始图像的细节信息；而质量差的半

色调图像不仅损失原图像应有的信息还给我们带来了视觉上的折磨。因此，对于

半色调图像质量评价的研究就显得非常重要。一般情况下，对半色调图像进行质

量评价有主客观两种。其中由人眼直接对半色调图像进行质量评价最为直接，结

果也最准确。但是这种方法由于要求比较严苛，因此实际操作起来比较复杂、占

用时间较长，也不能对其形成模块或是软件进行自动处理实现。与此同时人的情

绪、心理等也会妨碍到最终的评价结果，使得结果缺乏足够的准确性和稳定性。

所以研究与人眼感受相一致的客观评价方法显得十分必要。客观评价结果不仅快

速方便，具有客观性和科学性，而且具有如下应用意义：

 优化图像的半色调算法及参数设置。在对图像进行加网时，可以利用评价结果

优化算法，或者改进算法中的参数设置，提供新的加网思路和算法,最终提高印

刷复制的能力。

 用于评价半色调算法性能或者是比较分析不同加网方法的有效性。在对原始图

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摘要：

摘要数字图像在通过数字半色调技术处理时会引入各种各样的失真，因而研究半色调图像质量的评价算法用于评价各种应用算法引起的图像降质就有着重要的理论意义和广泛的应用需求。半色调图像质量评价包括主客观两类方法。由于主观评价是由人眼直接观察给出结果，所以其评价结果是对人眼视觉感受的直观反映，这是其优点也是缺陷所在。正因为人的参与，其评价结果也被人为的影响，这些人为因素包含人的心理、喜好、心情等，同时周围环境如亮度等也会妨碍评价结果的准确性和稳定性。所以研究与主观评价结果相吻合的客观评价方法来科学、定量的评价图像质量显得十分关键。本文的主要研究内容包括：1、研究目前用于半色调图像的质量评价算法，分析其特点...

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