软件工具分析数字成像系统性能可以优化图像质量

如今数字成像技术已经十分普及，从手机相机到便携式摄像机，人们的生活因为有了这些数字产品而变得丰富多彩起来。不过随着数字产品种类和品牌的不断增多，消费者的选择也变得更为广泛，但是却缺乏客观标准化的评价量度来分析这些设备的性能。

软拷贝准则(softcopy ruler)方法就是为了解决这类问题应运而生的。基于ISO 20462标准,Softcopy ruler通过创建已知主观图像质量的参考数字图像，从而可以实现比单纯硬拷贝输入方式更好的图像质量测试。其中，除传统硬拷贝输入方式方式外，也增加了软拷贝测试输入方式。在编写这个标准时，大多数显示屏尚在采用阴极射线管技术，在这种技术中，焦点随时间漂移，调制传递函数(modulation transfer function,MTF)从显示屏中心到边角位置都不相同。这种技术能够实现图像质量的校准视觉评测。由于这些评测是基于最小可觉察差别(just noticeable difference，JND)单元测得的，故这种方法可以把不同属性的测量结果结合起来，最终预测出整体质量。

而对于更先进的平板显示屏，MTF不随时间和空间位置变化，从而能够以一种明确定义的方式显示数字图像。这种能力可以产生用于softcopy ruler的经校准的标准图像。该技术包含三部分：一组针对ISO 20462要求而开发的准则图像;一个用于显示准则图像与测试图像并收集观察者响应的软件工具，以及一套专门的观察装置。要建立准则图像，需要对整个成像链路的MTF进行定量分析，并利用数字滤波对其形状予以处理，使之符合ISO 20462，Part 3定义的参考形状。这一过程允许我们使用ISO 20462，Part 3中规定的标准质量等级(SQS)来评测绝对质量。

一个SQS等级相当于整体质量的一个JND。JND单元可以大致均分为‘极好’、‘相当好’、‘好’、‘一般’、‘差’、‘可以淘汰’这6 个参考范围。我们创建的准则图像在一个SQS(JND)增量内相当于2～31的SQS范围。这组准则图像总共包含描述不同目标物体的16个场景 (见图1)。

图1 用户对一组准则图像(ruler image)和测试图像进行比较，以测定整体质量

图2 这种方法的图形用户界面让用户能够比较准则图像与测试图像的质量

图2所示为图形用户界面，该界面让用户能够对测试进行自我管理。测试图像在质量上可能有不同程度的下降。软件会要求观察者在整体质量方面匹配测试图像和准则图像。准则图像和测试图像分别放在界面的左侧和右侧，通过从左(锐度极大)到右 (模糊)移动底部的滑标，可以改变样本图像的锐度。在每一次试验中，程序都会记录下准则图像的位置，以及判断所花的时间。这个准则位置被转换为一个SQS 值。

在本研究中，采用的是分辨率为 2560×1600像素、额定像素间距为0.25mm的Apple Cinema HD Display(30″平板)。头枕则由休斯顿大学视光学院(University of Houston,College of Optometry)制作提供，可用于控制观察距离。观察室被涂成自然的灰色(见图3)。显示器后面的墙面由D65荧光灯管均匀照明。由于室内没有光线直接照在显示器上，显示图像的动态范围很大。

图3 侧面视角(a)和正面视角(b)看到的观察室

我们是在由国际成像技术行业协会(I3A)倡导的相机手机图像质量倡议(Camera Phone Image Quality Initiative)的第二阶段期间开发出softcopy ruler方法的。鉴于其完善性，这种方法已被用于好几项单独图像属性的研究。室内的灰色环境有助于减轻观察者的疲劳感。观察装置(环境)包括一个高质量的LCD显示器和一个可调节观察距离的头枕(headrest)。

图4所示为一个softcopy ruler实验的样本结果，该项研究的重点是噪声消除，受影响的图像属性是纹理细节。横轴显示噪声消除滤波的强度增加，纵轴显示因图像纹理模糊而引致的 SQS级别。每一个数据点代表基于大量观察者和场景的滑标位置平均读数(在研究数码相机图像质量期间，人们开发出一种被称为运动质量准则方法的类似技术)。

图4 Softcopy ruler的噪声消除研究的样本结果