一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法

摘要

本发明公开了一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法，首先将原始图像分别转换到xyY空间，对分量Y按照不同的压缩系数分别进行线性压缩；然后进行视觉感知实验，作为JND临界图像；接着计算原始图像和JND临界图像每像素灰度值所对应的实际显示亮度的差值；根据所得暗场亮度JND的值，重新生成测试图片，得到一组具有不同暗场亮度的测试图像；接着进行视觉感知实验；对不同的被试、图像内容和测试图的暗场亮度变化区间重复进行试验，建立图像暗场亮度差别的阈上心理量表。本发明可以定量评价改进显示器参数、尤其是针对亮度、对比度等参数设计时人眼所能察觉的对图像暗场亮度的影响，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

权利要求

1.一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1)测定图像暗场亮度的JND值：

11)对原始图像进行处理，得到测试图像：

101)通过伽马校正将原始图像转换至线性空间；

102)将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间转换到xyY空间；

103)在xyY空间中，保持其它分量不变，将分量Y按照一组在0.983-1之间分布的不同的压缩系数分别进行线性压缩，其中α为压缩系数， γ为显示器的伽马值，β取值方式为从1-40，以1为间隔的等间隔分布；

104)将线性压缩后的图像由xyY空间转换回RGB空间，得到一组具有不同压缩系数的测试图像；

12)利用步骤1)中一组具有不同压缩系数的测试图像进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图像作为JND临界图像；

13)根据显示器的伽马曲线，分别计算原始图像和JND临界图像的每像素灰度值所对应的实际显示亮度的差值，该差值的平均值即为视觉感知实验中的被试者对该原始图像暗场亮度的JND值；

14)对不同的视觉感知实验的被试者重复步骤12)和13)，并以不同被试者对该原始图像暗场亮度的JND值的平均值作为该原始图像最终的暗场亮度的JND值R；

步骤2)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于0-2R之间；

步骤3)利用二分法进行视觉感知实验，被试者需找出一幅测试图，被试者认为这幅图的暗场亮度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的暗场亮度变化与暗场亮度JND值的比值作为主观中值；

步骤4)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于0-3R之间，重复步骤2)和3)；

步骤5)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于1-4R之间，重复步骤2)和3)；

步骤6)更换不同的图像内容及被试者，重复步骤2)-5)；对应于三个不同暗场亮度变化范围，分别将所有被试者选取的主观中值进行均值计算及方差分析，确定各区间的主观中值；

步骤7)根据主观实验结果建立阈上心理量表。

说明书

一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法，属于图像暗场亮度差别测定技术领域。

背景技术

[0002] 显示技术不仅可实现准确、直观、清晰、快捷的信息输出，同时也为信息时代提供了一种友好的人与机器交流信息的界面。随着信息时代的到来，人们对显示质量的要求与日俱增。新的技术、新的应用场合都可能改变观察者对显示图像质量的评价。为此，Engeldrum引入了“图像质量环”模型，将消费者关注的图像显示质量与显示系统技术参数通过一些中间步骤联系起来。消费者对图像质量的主观感受是观察到的图像质量各属性的加权和。这些图像质量属性包括清晰度，色彩丰富度，亮度，图像均一性等被观察者无意识评价的特性。然后建立主观图像质量属性与图像物理特性的联系。这些图像物理特性包括可以由测量仪器测得的光学和电学特性，如输出亮度、色域大小、显示白场、伽马值、噪声水平等。最终，通过深入了解显示物理原理，这些图像物理特性可以与显示系统的技术参数间建立联系。

[0003] 一篇中国发明专利申请(申请号：201410633501.3申请日：2014-11-12)中披露了一种图像暗场亮度的JND值测定方法、预测方法，首先将原始图像转换到xyY空间，对分量Y按照不同的压缩系数分别进行线性压缩，提高原图像的暗场亮度得到一组测试图像；然后进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图作为JND临界图像；接着计算原始图像和JND临界图像每像素灰度值所对应的实际显示亮度的差值，该差值的平均值即为该被试者对该原始图像暗场亮度的JND值。另一篇中国发明专利申请(申请号：201410639544.2申请日：2014-11-13)中提供了一种基于感兴趣区域的图像暗场亮度的JND值测定方法，建立图像暗场亮度JND的预测模型。但上述两篇专利所提供方法均未涉及如何度量大于1个JND的图像暗场亮度差别问题。

发明内容

[0004] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法，可以定量评价改进显示器参数时人眼所能察觉的对图像暗场亮度的影响，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

[0005] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

[0006] 一种基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法，其特征是，包括以下步骤：

[0007] 步骤1)测定图像暗场亮度的JND值：

[0008] 11)对原始图像进行处理，得到测试图像：

[0009] 101)通过伽马校正将原始图像转换至线性空间；

[0010] 102)将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间转换到xyY空间；

[0011] 103)在xyY空间中，保持其它分量不变，将分量Y按照一组在0.983-1之间分布的不同的压缩系数分别进行线性压缩，其中α为压缩系数， γ为显示器的伽马值，β的选择按照等间隔选取，个数依据经验值选择；

[0012] 104)将线性压缩后的图像由xyY空间转换回RGB空间，得到一组具有不同压缩系数的测试图像；

[0013] 12)利用步骤1)中一组具有不同压缩系数的测试图像进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图像作为JND临界图像；

[0014] 13)根据显示器的伽马曲线，分别计算原始图像和JND临界图像的每像素灰度值所对应的实际显示亮度的差值，该差值的平均值即为视觉感知实验中的被试者对该原始图像暗场亮度的JND值；

[0015] 14)对不同的视觉感知实验的被试者重复步骤12)和13)，并以不同被试者对该原始图像暗场亮度的JND值的平均值作为该原始图像最终的暗场亮度的JND值R；

[0016] 步骤2)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于0-2R之间；

[0017] 步骤3)利用二分法进行视觉感知实验，被试者需找出一幅测试图，被试者认为这幅图的暗场亮度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的暗场亮度变化与暗场亮度JND值的比值作为主观中值；

[0018] 步骤4)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于0-3R之间，重复步骤2)和3)；

[0019] 步骤5)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于1-4R之间，重复步骤2)和3)；

[0020] 步骤6)更换不同的图像内容及被试者，重复步骤2)-5)；对应于三个不同暗场亮度变化范围，分别将所有被试者选取的主观中值进行均值计算及方差分析，确定各区间的主观中值；

[0021] 步骤7)根据主观实验结果建立阈上心理量表。

[0022] 本发明所达到的有益效果：本发明克服了对显示器暗场亮度及对比度相关参数进行改进时无法定量评估其对图像显示质量影响的不足，本发明基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定方法，可以定量评价改进显示器参数时人眼所能察觉的对图像暗场亮度的影响，从而对显示技术的设计、研究提供依据。

附图说明

[0023] 图1是本发明生成测试图像的过程示意图；

[0024] 图2是本发明暗场亮度调整方法示意图；

[0025] 图3是本发明的基于视觉感知的自然图像暗场亮度差别测定结果。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0027] 本发明包括以下步骤：

[0028] 步骤1)按照以下方法测定图像暗场亮度的JND值：

[0029] 11)按照以下方法对原始图像进行处理，得到测试图像：

[0030] 101)通过伽马校正将原始图像转换至线性空间，本具体实施方式中γ＝2.2；

[0031] 102)将线性转换后的原始图像由RGB空间经XYZ空间转换到xyY空间；

[0032] RGB空间到XYZ空间的转换为现有技术，其转换公式如下： ，其中，

[0033] 从XYZ空间转换到xyY空间，其中Y分量无需重新计算，x，y分量根据式(2)求得：x＝X/(X+Y+Z)，y＝Y/(X+Y+Z)(2)。

[0034] 103)在xyY空间中，保持其它分量不变，将分量Y按照一组在0.983-1之间分布的不同的压缩系数分别进行线性压缩；

[0035] 对原始图像的每个像素进行线性压缩，从而实现图像的暗场亮度调整，调整幅度由线性压缩的压缩系数决定。

[0036] 线性压缩的表达式如式(3)所示，其中Yi表示线性压缩后的Y分量，Y0为原始图像的Y分量，α为压缩系数，Yi＝Y0+1-α(3)。

[0037] 本具体实施方式中，为了保证不同测试图像的相同位置像素之间的差异大于等于灰度1，α取值为非线性分布， γ为显示器的伽马值，β取值方式为从1-40，以1为间隔的等间隔分布；

[0038] 104)将线性压缩后的一系列图像由xyY空间转换回RGB空间，得到一组具有不同压缩系数的测试图像。

[0039] 上述生成测试图像的过程如图1所示，其中图像的暗场亮度调整过程如图2所示。

[0040] 步骤12)利用一组具有不同压缩系数的测试图像进行视觉感知实验，找出至少一幅测试图像作为JND临界图像。

[0041] 在进行JND研究时，需要利用基于心理物理学方法的视觉感知实验确定JND临界图像，本发明优选采用最常用的阶梯法结合二项迫选法，该方法的基本过程如下：

[0042] 将测试图与原图同时并排显示在屏幕上，由被试者判定能否察觉测试图与原图亮度间的区别；每次在显示器上同时显示两幅图像，一幅为参考图(即原图)，另一幅为测试图。

[0043] 根据二项迫选法的规定，被试者需要在两幅图中选出其认为哪幅图较亮。起初，测试图与参考图间亮度差别很大，被试者可以很容易将二者区分开，即正确回答哪幅图较亮。如果被试者回答正确，则下幅测试图与参考图间差别将被减小。被试者一旦回答错误，就增加测试图与参考图间的亮度差别。

[0044] 本具体实施方式中采用以下实验方法：每次在显示器上同时显示两幅图像，一幅为原始图像，另一幅为测试图，由被试者在两幅图中选出其认为哪幅图较亮；如果被试者选择正确，则更换压缩系数较小的测试图；被试者一旦选择错误，则更换压缩系数较大的测试图；重复上述过程；其中，实验起始变化步长是8，经过2个拐点后步长减半为4，再经过4个拐点，步长变为2，再经过6个拐点后，变化步长减为1；当步长为1时的拐点总数达到6时停止；最后6个拐点所对应的测试图即为JND临界图像。

[0045] 步骤13)根据显示器的伽马曲线，分别计算原始图像和JND临界图像的每像素灰度值所对应的实际显示亮度的差值，该差值的平均值即为视觉感知实验中的被试者对该原始图像暗场亮度的JND值R。

[0046] 通过测试所使用显示器的伽马曲线，可以得到每一灰度值所对应的在该显示器上的实际显示亮度。假设原始图像的像素为M×N，某像素灰度(即图像中所有像素灰度值的平均值)为S0(i,j)，临界图像(假设其个数为N)的该像素灰度为S1(i,j)，则该被试者对该原始图像亮度的JND值X可用下式表示：

[0047]

[0048] 步骤14)对不同的视觉感知实验的被试者重复步骤2和3，并以不同被试者对该原始图像暗场亮度的JND值的平均值作为该原始图像最终的暗场亮度的JND值。

[0049] 步骤2)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于0-2R之间。

[0050] 压缩系数取值分别取7个不同的值，各取值对应的图像暗场亮度的变化量从0到2R，具体分别为0，0.5R，0.8R，1.0R，1.2R，1.5R，2.0R；越接近理想中值位置，步长越小，以期实验结果更准确，同时保证实验的高效性。

[0051] 步骤3)利用二分法进行视觉感知实验，被试者需找出一幅测试图，被试者认为这幅图的暗场亮度变化介于原图和变化量最大测试图的中间位置，以该图对应的暗场亮度变化与暗场亮度JND的比值作为主观中值。

[0052] 具体视觉感知试验方法如下：屏幕上同时显示四幅图像，其中上方两幅图像分别为参考图和变化最大的测试图。被试者需要将屏幕下方显示的两幅测试图与上方两幅图进行对比。如果屏幕左下的图像更接近于上边两幅图的中间位置，则按左键，更换一组变化较小的测试图。反之按右键。重复此过程，直到被试者在左键和右键间交替切换，此时请被试者选出一幅图，认为它最接近于参考图与变化最大的测试图的中间位置，以该图对应的暗场亮度变化与暗场亮度JND的比值作为主观中值。

[0053] 步骤4)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于0-3R之间，重复步骤2)和3)；

[0054] 压缩系数取值分别取9个不同的值，各取值对应的图像暗场亮度的变化量从0到3R，具体分别为0，0.5R，1.0R，1.3R，1.5R，1.7R，2.0R，2.5R，3.0R；越接近理想中值位置，步长越小，以期实验结果更准确，同时保证实验的高效性。

[0055] 步骤5)按照步骤11)的方法生成测试图像，其中步骤103)中的压缩系数取值使原始图像的暗场亮度变化介于1-4R之间，重复步骤2)和3)；

[0056] 压缩系数取值分别取9个不同的值，各取值对应的图像暗场亮度的变化量从R到4R，具体分别为1.0R，1.5R，2.0R，2.3R，2.5R，2.7R，3.0R，3.5R，4.0R；越接近理想中值位置，步长越小，以期实验结果更准确，同时保证实验的高效性。

[0057] 步骤6)更换不同的图像内容及被试者，重复步骤2)-5)；对应于三个不同暗场亮度变化范围，分别将所有被试者选取的主观中值进行均值计算及方差分析，确定各区间的主观中值。

[0058] 步骤7)、根据主观实验结果建立阈上心理量表。

[0059] 具体推导方法如下：

[0060]

[0061] 为了验证本发明方法，进行以下实验：

[0062] 采用Philips 19英寸的LCD监视器，显示器的白场被调整至D65，显示屏峰值亮度为264cd/m2，暗场亮度为0.33cd/m2。过程中观测距离为4倍的屏幕高度，大约1.2m。测试房间环境光设置为屏前垂直方向20lx，显示屏后方照度大约为10-20lx，接近家用电视的实际环境光设置。考虑到图像内容对图像亮度的JND可能存在影响，实验所使用的原始图像具有一定的代表性，既包括亮度分布不同的图像，也包括肤色、植物、动物等内容。采用本发明方法进行图像暗场亮度差别的测定。参与视觉感知实验的被试者人数为22，年龄介于22～73岁之间，其中男性和女性各11人。

[0063] 分别测定每幅图像暗场亮度JND值，而后将R设定为该值，再进行不同变化区间内暗场亮度差别的测定，测定结果如图3所示。当图像暗场亮度的改变大于人眼恰可察觉差时，多个JND的暗场亮度的改变量近似于单个JND数值相应的倍数。

[0064] 本实验验证了采用本发明方法测定自然图像暗场亮度差别的可行性，便于评估显示器暗场亮度相关参数改变时人眼能察觉的终端显示暗场亮度的变化量。

[0065] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。