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图像质量分析与评价

资料来源:《广东印刷》2008年第1期 作者:杨文兵 更新日期:2009-03-02

一、引言
印刷品是图文复制的结果,原稿、材料、设备、成像和转印工艺等因素的综合作用结果形成印刷图像。图形和文字的矢量属性对页面描述、排版和RIP解释至关重要,尤其在输出时必须区别对待图形、文字和图像这两类不同性质的对象,才能得到最合理的结果。但是,图形和文字的矢量属性对印刷结果而言却已经变得没有实质性的意义了,因为这些对象一旦转印到纸张表面后就失去了它们的矢量特征。因此,评价印刷质量时无需区分对象的点阵描述和矢量描述特征,认为印刷质量评价等价于印刷图像质量评价(以下简称图像质量评价)也完全说得过去。
人类对图像质量评价技术的研究和应用从来没有停止过,由于成像技术领域图像质量改善活动的不断开展而取得了不少进步。比如传统印刷、卤化银摄影、彩色电视和静电照相数字印刷等领域的图像质量评价技术,其中不少评价方法表现出与物理特性和主观评价结果有较好的相关性,也开发出了适用于不同领域的图像质量评价系统。但仅仅用主观评价一个尺度很难被普遍接受。
彩色胶印是现代图文印刷的主要手段,长期以来印刷图像质量优劣的评价都是由客户的视觉及主观印象来判定,这是一项稳定性极差并且十分困难的工作。所以,如何客观评价和充分应用技术工艺手段实现彩色印刷图像质量的控制非常重要。印刷图像质量评定是指用数据来表示产品同原稿之间的相关关系。用一定的数据与指标,控制产品质量误差的允许范围和质量衰退,保证图像复制的可重复性和质量稳定性。
印刷图像的质量有三个关键因素:①图像的清晰度,即图像边缘密度变化是否与人的视觉敏感程度相一致,主要依赖于加网晒版和印刷中的网点扩大。②图像的层次,即图像中视觉可分辨的密度级次,主要取决于印前与印刷中的反差扩大与缩小。③图像的色彩,即图像的各种颜色的复制精度及中性灰平衡,主要取决于分色机制,感光材料,纸张、油墨等的质量。
二、传统印刷图像质量评价的主要方法
印刷图像质量评价方法不论采取何种方式最终必定归结到图像的清晰度、层次和色彩三个方面。评价方法主要分为主观评价和客观评价及一种基于视觉评价的综合方法。
1.主观评价法
印刷图像的主观评价是一种根据经验评价图像质量优劣的方法。主观评价法常用的有目视评价法和定性指标评价法。目视评价法是指在相同的评价环境条件下(如光源、照度一致)由多个有经验的管理人员,技术人员和用户来观察原稿和印刷品,再以各人的经验,情绪及爱好为依据,对各个印刷品按优,良,中,差分等级,并统计各分级的频度,获得一致好评者为优、良,反之为差。定性指标评价法是指按一定的定性指标,并列出每个指标对质量影响的重要因素,由多个有经验的评定人评分,总分高者质量为优,低者为差。
①多维标度法:
多维标度是以数理统计学为基础的标度技术。在成对比较样本间的差异或决定对样本的满意程度时,可以利用多维标度方法对人们评定时使用的主要参数进行分析和鉴别。用这种方法评判印刷样本时,可以确定印刷质量主要参数的相对重要程度;评判得出的数值可以使主观评价与客观评价或与纸张性质之间产生内在的关联;还可以得到每张印刷品质量评价的可靠性、每个评价人员 (如印刷、造纸专家、读者、广告人员等)与该评价小组评价的一致性等信息。
多维标度技术是托各森提出的,其内容是:若两个元素间存在着感觉得出的差别,那么这个差量可以用一个几何距离表达。若把这个差量记在一直线标尺上,那么刻度尺上的刻度值就显示了这个距离,然后可用该距离建立多于一维的、反映样本间关系的几何模型。
多维标度技术的一个重要特点是可以为评判者的主观心理因素加权情况进行多维标度,每个参数在一个评价中的作用可以用一个期望向量表示。
②成对比较法:
人对印刷品质量进行判断时具有主观的特点,不同的人会做出完全不相同的结论,这种客观存在的不一致性不能视为偏差或随机性而加以忽略。即使评价时存在可以用作比较基准的参照物,评价结果也会有不一致性,主观评价中存在的不一致性同样不可视为偏差和随机性而加以忽略。
在很多场合根本不存在可以用作比较基准的参照物。这时,只能在被评判对象之间进行内部对比,常用方法有两种:一是将被评判的样本按某种顺序进行排列;二是把一组被评判样本中的每一张样本跟其它被评判的样本逐一进行比较,在比较的基础上打分,根据积分进行评判,这就是成对比较法。它属于一种主观评价方法。
实施成对比较方法时要注意:保证在评判人员同时对两张样本进行比较时,不要有不相关的因素干扰这种比较。应当把被比较的印刷品处于完全相同的标准照明状态下,背景应当是中性的,用作比较的房间应能保证评判人员集中精力,不能中断评判工作或干扰评判人员。被比较的样本应按随机顺序提供给评判人员,这样可使比较过程不带任何偏见。必须简单清楚地向评判人员说明根据什么进行评判、不许有模棱两可的话。
这样的主观对比实验只是样本内部之间的比较,比较结果只跟被比较的各样本有关。成对比较的结果是否可靠,可通过考察评判人员“评判的可靠性”后得知,即通过计算可靠性系数加以衡量。
2.客观评价法
①阶调(层次)再现的评价:
透射原稿的反差范围差别很大,而彩色印刷品却要再现为密度范围基本一致的画面,这个密度范围又大都低于彩色原稿的密度范围,在分色制版时,必然要做压缩调整。对各阶调层次采取什么样的再分配调整,一方面取决于原稿的阶调层次分布状态,同时又和人的视觉感受相关。其中,既有视觉响应的孟塞尔明度值因素,还有人们视觉心理要求的主观因素。对原稿阶调层次复制调整需要将人们的视觉心理需求综合归纳起来,加入视觉响应的物理量值,再结合原稿层次分布状态进行考虑,才能得出印刷画面的密度阶调层次再现曲线,然后纳入复制与再现过程中的演变数据,设计出具体原稿的阶调层次复制曲线。
对印刷图像阶调再现的评价,若单从印刷品质量检验的角度而言,那就是:测量各色油墨层的印刷实地密度;测量并计算各色墨层的叠印率;测量印刷网点阶调增大或测量计算印刷K值;检查油墨网点的转印质量;测量并描绘印刷品对原稿的密度层次再现曲线。通过这些客观技术数据测量,再与本部门制定的质量规范标准进行比较,即可确定具体彩色印刷产品的质量等级。
②色彩再现的评价:
色彩的复制再现,有三种不同的概念。一是物理意义上的色彩再现,要求再现色彩同原稿色彩在每一色点上的光谱分布都完全相同。而印刷品是供视觉观赏的,要求达到物理意义上的同谱色彩再现是难以实现的,也无多大必要。二是色度学意义上的再现,使印刷再现图像同原稿色彩点在色度上一致或接近,即异谱同色效果,这是现实客观评价色彩再现的量度标准。三是心理意义上的色彩再现,即印刷再现的色彩在色度上同原稿色彩可能有些差距,但在色彩效果上却可能达到视觉心理的满足,这里加入了主观评价因素。
由于印刷材料(纸张、油墨等)色度表现特性的欠缺,分色复制手段与器材性能的不完善,以及印刷再现方式本身表现彩色的不足,现实的印刷技术尚不能做到忠实还原原稿或是原景物的所有色彩,即使其可再现的部分也达不到忠实还原的程度,只能是相对接近。这就给印刷品色彩再现质量的客观评价带来一定困难。
只能从印刷品对原稿或原景物色彩接近程度上,通过色度测量的结果加以比较。在相似与不相似之间,掺入人们对色彩视觉心理要求即心理上的再现程度,才能对印刷品色彩再现作出综合而全面的评价。
如果就印刷色彩对原稿色彩的再现的接近程度来设定客观技术衡量尺度标准,应当包括:印刷油墨色彩再现范围的测量检验,印刷灰色平衡再现的测量检验,印刷色彩对原稿色彩绝对再现精度的量度检验,以及相对再现程度的测量计算。
③清晰度再现的评价:
彩色印刷品的清晰度是图像复制再现的一个重要质量指标。除去为表现影像的特殊意境外,每个画面总应该有一部分层次(主体或背景)是清晰的。对印刷画面清晰度的评价也有三个方面的相关内容:图像层次轮廓的实度;图像两相邻层次明暗对比变化的明晰度即细微反差;原稿或印刷画面层次的分辨力,也就是其细微层次的微细程度是表现客观景物组成物质本质面貌的,即所谓质感。
3.基于视觉的评价方法
经过对人的视觉系统(HVS)多年研究,人们从神经生理学、心理物理学等方面对视觉系统功能的理解有了显著的进展。与图像质量相关的重要特性主要有:Weber-Fechner定律,即刺激信号的可察觉阈值与背景强度成正比;调制传递函数(MTF)为带通特性,最大响应在2-5c/d之间;区域掩盖效应,即出现在过阈值背景上的信号可视度降低;视觉信号的面积、频率和方向的多通道的分解性。
通常导出一个与视觉相关的客观失真测度方法是,使用HVS的早期信息处理阶段,即从视网膜通过光学神经、视交叉和侧膝状核到大脑皮层,将误差图像转换到“感知域”中,使得此时相同幅度的误差有相同的视觉感知度,最后用合适的距离测度将误差总和为一个失真尺度。HVS和质量损伤种类的复杂性,给问题的研究带来了许多困难。过去一些学者曾利用从相对简单的心理视觉实验所得到的视觉特性,诸如频率选择与掩盖特性,建立视觉模型来进行质量预测。随着编码技术与应用的不断发展及要求,对基于视觉的质量测度研究也不断深入,并有了显著进展。
S.Karunasekera& N.Kinsbery提出了针对损伤的失真测度。这种损伤常见于矢量量化和DCT编码方式中, 由垂直和水平的边缘失真组成。先对人工合成测试图像进行主观实验,通过调整4个参数:边缘幅度、边缘长度、背景亮度和背景活动性,测出边缘损伤的视觉敏感度,并由此建立一个视觉模型。值得一提的是,视觉敏感度是以对刺激反应时间来度量,而不是通常的视觉阈值方法,模型参数则由对定敏感点(ConstantSensitivityPoint)的匹配确定。预测垂直边缘误差的模型为(水平方向类似),边缘信息首先由有合适带宽的低通滤波器从误差图像中提取,然后考虑活动性与区域掩盖效应,其中活动性掩盖由边缘周围的N×N方块加窗付立叶变换系数的加权能量和决定;接着进行非线性变换以适应HVS的非线性特性,最后计算总的误差(取绝对平均)。在对实际自然图像的检验中,作者设计了一些有相同的MSE但方块结构分布不同的图像,模型预测与主观测试吻合得很好,同时也表明MSE不是一个好的失真测度。
①基于视觉感知的图像质量评价方法:
图像降质对人眼视觉的影响是由人眼视觉系统的灵敏度决定的,而视觉灵敏度是由人眼的视觉细胞决定的。此外,人眼视觉系统的灵敏度还受到图像局部空间频率的影响,大量实验结果证明影响像素误差可视度的因素是误差周围的局部区域环境,而不是整个图像的背景环境。
根据上述视觉特性,人们建立了各种HVS模型,用以评价图像的质量.最典型的HVS模型如图一,它模拟了视觉感知的3个显著特性,即:视觉非线性特性(Weber定律)、视觉敏感度带通和视觉多通道及掩盖效应。

图一 典型的HVS模型

②基于视觉兴趣的图像质量评价方法:
基于图像内容的编码技术启示了人们对基于视觉兴趣的图像质量评价方法的研究。从视觉心理学角度,视觉是一种积极的感受行为,不仅与生理因素有关,还在相当大的程度上取决于心理因素。人们在观察和理解图像时往往会不自觉地对其中某些区域产生兴趣,这些区域被称为“感兴趣区(ROI, Region of Interest)”。整幅图像的视觉质量往往取决于ROI的质量,而不感兴趣区的降质有时不易觉察。现实生活中人们由于文化背景、周围环境以及情绪的影响,对同一幅图像的评价会产生较大偏差,但是对于图像中关注的区域却具有共性,它们集中传递了整幅图像所要表达的大部分客观信息。
基于视觉兴趣的测量方法为图像质量评价开辟了一条新路,但目前该类方法还只是处于初期研究阶段,仍有许多问题有待深入研究,例如,图像中感兴趣区如何确定;如果测试图像中包含多个感兴趣区,则如何确定这些区域的兴趣权值等。
三、结束语
图像质量的正确评价对于整体图像信息工程的发展具有十分重要的意义,可以相信,随着多媒体信息技术的高速发展,对图像质量评价的研究将越来越受到人们的重视。
在传统的融合图像质量评价方法中,存在诸如主观评价方法过于繁琐和不可重复,客观评价结果与实际图像质量不相吻合甚至相互矛盾等缺陷,且已有的评价方法多适用于相关性较强的图像融合评价,并不适用于娱乐照相领域的融合图像评价。因此,在融合图像计测方法中引入HVS特性,将传统的客观评价方法和主观评价方法有机地结合起来,是解决这一难题的有效途径,也是融合图像质量评价的发展方向。