JPH01230185A

JPH01230185A - 画質評価装置

Info

Publication number: JPH01230185A
Application number: JP63056924A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Yoshida; 茂吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1989-09-13
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JP2581136B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概　要〕多値中間調画像の画質評価に関し、従来の客観的尺度を改良した画質評価を目的とし、多値中間調画像を異なる空間周波数を持つ帯域通過画像
に分解する帯域通過画像作成手段と、原画と処理画の帯
域通過画像について同一の空間周波数を持つ帯域１１ｆ
ｌ過画像ごとに画像間の誤差を算出する誤差計算手段と
、誤差計算手段の算出した誤差に予め定めた重みを掛け
て総和を計算する線形和計算手段を備え、前記重みを人
間の視覚の空間周波数特性に関係付けて定め、線形和計
算手段の出力を評価値として出力するよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は多値中間調画像の画質評価に係わり、特に画像
処理を施した画像が原画から劣化している度合を示す客
観的尺度を改良した画質評価装置に関する。

〔従来の技術〕

画像処理をを施した画像の原画からの画質劣化の度合を
客観的に測定することは、ノイズ除去フィルタや情報非
保存型符号化方式などの性能評価に重要である。即ち、
ノイズ除去や符号化などの画像処理法の性能評価におけ
る画質評価は、最終的には主観評価によらなければなら
ないが、主観評価は被検者ごとにばらつきが大きくて、
定量化が難しく、実施して結果を得るまでに時間がかか
るなどの欠点があるため、簡便な客観的評価法がよく用
いられている。

ディジタル画像の客観的な画質評価法としては、つぎに
示す平均二乗誤差（Ｍｅａｎ　５ｑｕａｒｅ）　、ＲＭ
Ｓ（Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　５ｑｕａｒｅ）値やＳＮ比（
ＳｉｇｎａＩ　Ｎｏ１ｓｅ　Ｒａｔｉｏ）などが一般に
用いられている。

原画（入力画像）がＮＸＮの画素配列ｘ、ｙ＝０．１．
・−、Ｎ−１からなり、ｒ　　（ｘ、ｙ）で与えられ、
処理画（出力画像）が同様の画素配列ででｇ　（ｘ、　
　ｙ）で与えられ、各画素がｍビットで表される（２″
階調）とすると、原画と処理画の各画素ごとの誤差ｅ　
（ｘ、　　ｙ）として、・−−−−−−−−−一一一・
・・−・・−−−一−−−−・■（２１ＲＭ　Ｓ値’　
　ｅ　（ｒｍｓ）　＝　［ｅ　２］　１’２、−、−、
−、−、■（３１Ｓ　Ｎ比　：（ＳＮＲ）ｍｓ　　＝（ＳＮＲ）　ｒｍｓ　＝一＝−−−−−−−−・−・・・−・−・−−−−−一
−■ＳＮ比としては、簡便に出力画像のグイナミソクレ
ンジを利用する次式もよく用いられる。

（ＳＮＲ）ｐ　＝［ｆｇ（ｘ、いのピーク値）２／Ｔ２］Ｖ２＝（２２″
／　ｅ　２　）　７　・・・・・・・・・−・−・−・
■また、ＳＮ比として、主観的な間隔と合わせるため、
次式のような対数尺度も用いられる。

５ＮＲ＝２０　ｌｏｇ＋ｏ　（ＳＮＲ）　ｐｇ（ｘ、い
）２）　］　′２〔発明が解決しようとする課題〕従来用いられている上記の尺度は、原画と処理画とが、
平均的にどの位離れているかを示すものであり、必ずし
も主観的に画質に対応しないという欠点があった。

例えば、ＳＮ比によれば、処理画の階調が、原画より数
レベル分相対的にずれている場合には、大きな値をとる
のに対して、　原画と大幅に異なる階調を持つ少数画素
（ノイズ）が処理画中に分散している場合には、小さな
値をとる。しかし、主観評価でみると、前者はあまり気
にならないが、後者の方が画質劣化が大きく怒しられる
。

また、主観的な画質では、緩やかに階調が変化する画像
では解像度より階調性の再現が重要となり、一方微細な
部分を多く含む画像では、階調性より解像性が重要とな
ることが知られている。しかし、ＳＮ比では画像の性質
による画質の差異は考慮されていないという問題点があ
る。

本発明は、このような従来の問題点を解消した画質評価
装置の提供を課題としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の画質評価装置の原理ブロック図を示
す。

図において、■は帯域通過画像作成手段であり、多値中
間調画像を異なる空間周波数を持つ帯域通過画像に分解
する。

２は誤差算計算段であり、原画と処理画の帯域通過画像
について同一の空間周波数を持つ帯域通過画像ごとに画
像間の誤差を計算する。

３は線形和計算手段であり、誤差算出した誤差に予め定
めた重みを掛けて総和を計算する。

〔作　用〕

本発明の画質評価装置は、多値中間調画像の画質が視覚
の空間周波数特性に関係付けられることを考慮し、帯域
通過画像作成手段１が画像を異なる空間周波数を持つ帯
域通過画像に分解し、誤差計算手段２が同一空間周波数
の帯域通過画像ごとに誤差を算出し、線形和計算手段３
が得られた誤差の重み付き総和を算出して画質評価値と
して出力するように構成したものである。

これによって、より主観的評価に合致した尺度の評価値
を得るものである。

以下に、本発明による画質評価値が、主観的画質評価に
合致する理由を詳細に説明する。

画像の画質は、視覚の空間周波数特性に関係付けられ、
例えばテレビジョンの場合、ランダムノイズ（粒子状雑
音）のノイズ視感度の周波数特性は、−次元ノイズの場
合、低域フィルタ特性をとり、次式が評価関数として用
いられている。

−２０ｌｏｇ＋２（１＋　（ｆ／ｆｃ）２）　　（ｄＢ
）ここで、ｆｃは視覚の空間周波数特性の遮断周波数に
対応するものであり、標準テレビジョン画像を４Ｈ（Ｈ
：画面筒）の距離からみるとき、水平と垂直方向空間周
波数はそれぞれ２．ＯＭＨｚ、　２．５ＭＨｚにとられ
る。また、二次元ノイズの場合についても、ノイズの視
感度は帯域通過フィルタ型の空間周波数特性をとること
が知られている。

本発明では、原画と処理画の間の誤差を空間周波数ごと
に分解し、空間周波数ごとに誤差の重み付けを変える。

原画と処理画の誤差を空間周波数上に分解するために、
本発明では画像をラプラシアン・ピラミッドとして表す
方法（例えば、Ｅ、Ｈ。

Ａｄｅｌｓｏｎ、　Ｐ、Ｊ、ｌ１ｕｒｔ：’Ｉｍａｇｅ
　Ｄａｔａ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈ
ｅ　Ｌａｐｌａｃｉａｎ　Ｐｙｒａｍｉｄ″、ＴＥＥＥ
　１９８１　ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　
＆　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ＋Ｐ、２１８Ａ
′２２３参照）を用いる。ラプラシアン・ピラミッドは
、画像を異なる空間周波数の帯域通過フィルタ画像（以
下、単にバンドパス画像という）の集合とじて表す方法
であり、次のようにして構成することができる。

画像の画素間の相関は、その画像の低域通過フィルタ画
像（以下、単にローパス画像という）として表され、バ
ンドパス画像は原画からローパス画像を差し引いた画像
となる。また、ローパス画像（低域濾波器をかけてぼか
した画像）は、サンプリング定理より、元より低い解像
度で表現できる。

そこで、画像に逐次カットオフ周波数が２倍となるロー
パスフィルタをかけると共に解像度を％に減じ、各相隣
り合うローパス画像の差分をとってバンドパス画像を作
成する。第２図は、バンドパス画像の構成法を示す図で
ある。ローパス画像とバンドパス画像は、逐次解像度を
減するため、ピラミッド階層型のデータとなる。

原画は、ピラミッド型のバントパス画像を用いて、第３
図に示すように復元される。即ち、バンドパス画像を逐
次累算することにより、ローパス画像ピラミッド階層を
頂上から底部へと逐次復元し、最終的に原画が得られる
。

前記の文献では、ローパス画像のピラミッド階筋型デー
タとバンドパス画像のピラミッド階層型データをそれぞ
れガウシアンピラミッド（Ｇａｕｓｓｉ−ａｎ　Ｐｙｒ
ａｎ＋ｉｄ）　と、ラプラシアンピラミッド（Ｌａｐｌ
ａ−ｃｉａｎ　Ｐｙｒａｍｉｄ）　　と呼んでいる。ガ
ウシアンピラミッドの第ｉ階ＦＩ　Ｇ　ｔ　と、ラプラ
シアンピラミッドの第１階層Ｌｉを作成する操作は次の
ように定式％式％式中のＲＥＤＵＣＥは、ローパスフィルタをかけて、解
像度を減じ、上位ガウシアン・ピラミッドの上位階層を
作成する操作であり、次式で定義される。

ＧＺ　（ｉ、ｊ）　＝ΣΣＷ（ｍ、ｎ）　Ｇｌ−＋（２
ｉ＋ｍ＋２ｊ＋ｎ）ｎここに、Ｗは荷重関数であり、空間コンポリュージジン
をマスクの大きさｍＸｎにわたって行う。

ローパスフィルタリングにおける低減は、第４図に示す
ように、５×５（奇数型）または４×４（偶数型）が用
いられ、逐次解像度が低減される。

図中のａ、ｂ、ｃはコンボリューションの係数であり・
フィルタの強さを決める。

ＥＸＰＡＮＤは、ガウシアン・ピラミッドで下位階層と
同じサイズに拡大する１２作であり、次式で定義される
。

Ｇｐ＝４ΣΣＷ（ｍ、ｎ）　　Ｇｐ　　（（ｉ＋ｍ）／
２．　　（ｊ＋ｎ）／２）　ｎＥＸＰＡＮＤ操作は、補間による画像サイズの拡大とな
る。

バンドパス画像としてのラプラシアンピラミッドは、低
階層はど空間周波数の高周波骨が多くなる。このためラ
プラシアンピラミッドにより、階調が緩やかに変化して
いる部分では、階調の細かい量子化（階調性）が需要で
あり、微細な部分を多く含む画像は、細かい標本化（解
像性）が重要であるという視覚特性も反映されることに
なる。

次ぎに、原画と処理画をバンドパス画像に分解した後の
、原画とバンドパス画像と処理画のバンドパス画像との
誤差について、本発明の意味を考える。原画ｆ（ｘ、ｙ
）と処理画ｇ（ｘ、ｙ）を次式の行ベクトルで表す。

Ｆ　−（ｆ（０，０）、ｆ（０，１）、−・−、ｆ（０
，Ｎ−１）、ｆ（１，０）、・・。

ｆ　（Ｎ−１、Ｎ−１））Ｇ　＝　（ｇ（０，０）、ｇ（０，１）、−・−、ｇ（
０，Ｎ−１）、ｇ（１，０）、−。

ｇ　（Ｎ−１、Ｎ−１）　）また、原画と処理画は、バンドパス画像のピラミッドと
して次式で表す。

Ｆ−Ｆｏ＋Ｆ１＋・・・・十ＦＭＧ＝Ｇ６　＋　ＯＨ十”　’　・＋　ＧＭただし、Ｎ　
＝　２　Ｍ。

Ｆ　ｉ　＝ＥＸＰＡＮＤ”　”　（ＲＥＤＵＣＥバ”　
　（Ｆ））Ｇｉ　＝ＥＸＰＡＮＤ””　（ＲＥＤＵＣＥ
　””　　（Ｇ））Ｅ　Ｘ　Ｐ　Ａ　Ｎ　Ｄ　’＋＋お
よびＲＥＤＵＣＥ’″）は、各操作を３回繰り返すこと
を示す。

平均二乗誤差は、次式で表される。

ここに、Ｔは転置を表す。

もし、バンドパス各階居間が無相関に近ければ、第２項
は無視でき、平均二乗誤差は各階層間の平均二乗誤差の
和で表されることになる。

本発明では、これをさらに発展させて、次のように各階
層間の平均二乗誤差の重み付き和として表すものである
。

階層型ピラミッドデータを用いた場合、上式は次のよう
に表される。

ただし、　Ｆｉ’＝ＲＥＤＵＣＥ””　　（Ｆ）、　Ｇ
ｉ’＝７２ζ１２＋　　となる。

以上でバンドパス画像ごとに求めた平均二乗誤差の総和
が、従来の平均二乗誤差に対応付けられることを示した
。

本発明では、重みｗｉを各空間周波数ハンドごとに視覚
の空間周波数特性に合わせるように選ぶことにより、従
来技術よりも主観評価に合致した客観的な評価値を得る
ことができる。

また、本発明では、画像全体の平均輝度は、最上位階層
（直流分）の平均値として得られるので、評価値として
、処理画が原画より階層が数レベル分相対的にずれてい
る場合に小さな値をとるよう重みを定め、原画と大幅に
異なる少数画素（高周波成分）が処理画像中に分散して
いる場合に、大きな値をとらせることができ、主観評価
に一致させることができる。

また、本発明において、バンドパス画像ごとに対数変換
したＳＮ比を求め、重み付き総和を求めれば、従来のＳ
Ｎ比と直接対応付けはなくなるが、より主観に近い評価
尺度が得られる。

〔実施例〕

第５図は、本発明の一実施例である画質評価装置の構成
を示す図である。

以下、本実施例装置の動作を説明する。

（１）画像データとして原画と処理側の２枚が順に入力
端子４より入力され、バンドパス画像作成部１でそれぞ
れの周波数バンドごとのバンドパス画像に分解される。

まず、原画が入力されると、入力端子４より入力された
画像は、メモリ１１１（Ｇｏ　）に１画面分蓄積される
。メモリ１１１の画像は、ガウシアン・ピラミッドの第
０階層となる。メモリＩＩＩの画像は、回路１１２　（
ＲＥＩ）ｔｉｃＥ）において前述のＲＥＤＵＣ［Ｅ操作
が施され、メモリ１２ＨＧｌ　）　に蓄積される。メモ
リ１２１の画像は、メモ１月１１の画像の１／４のサイ
ズとなり、ガウシアン・ピラミッドの第１階層となる。

次ぎにメモリ１２１の百１象は、回路１１４　（ＥＸＦ
’ＡＮＤ）ニオイて前述のＥＸＰＡＮＤ操作を施され、
減算回路１１３（Σ）に入力される。減算回路１１３に
はメモ１月１１からも入力されており、第０階層のバン
ドパス画（２ｔが求められ、デマルチプレクサ１１５　
（ＤＭＵＸ）を介してメモリ２１１（ＬＯ２）に蓄積さ
れる。第１階層以上のバンドパス画像の作成も、はぼ同
様であり、ただ画像サイズが上位階層になるごとに順次
１／４になるだけである。最上位階層は全画素の平均値
になる。第１階層以上のバンドパス画像は、それぞれメ
モリ２１１．２２１．−・−２２４１に蓄積される。処
理側が入力端子４から入力された場合も、原画の場合と
同様に処理され、分解されたバンドパス画像は、デマル
チプレクサ１１５．１２５＋−を介し、それぞれメモリ
２１２（ＬＯＩ）、２２２（Ｌ　１１）　、−に蓄積さ
れる。

（２）次ぎに、誤差計算部２において、原画と処理側に
ついて二乗誤差が求められる。第０階層では、原画のバ
ンドパス画像２１１　と処理側のバンドパス画像２１２
は、減算回路２１３（Σ）で差分が求められ、二乗回路
２１４　（ＳＱ）でその二乗が求められる。次いで、二
乗誤差は回路２１５（Σ）で累算されろ。これにより、
第０階層の二乗誤差の総和が求められる。第１階層以上
でも同様にして二乗誤差が求められる。

（３）次いで、線形和計算手段３では、重み回路３１１
（ｗｏ　ＬａＩ３（Ｗ　＋）、　−により、誤差計算手
段２で求めた　各階層の二乗誤差にそれぞれの重みｗＯ
’＋ｗｌ　’＋−’＋　　ＷＭ゛を掛けた後、加算回路
３０２（Σ）で総和を求め、出力端子５より計算結果を
出力する。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、視覚の空間周波数特
性を考慮した処理側の誤差尺度が提供され、より主観評
価に合致する客観的な評価が可能となり、その実用上の
効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、第２図はバンドパス画像のピラミッドの構成法を示す図
、第３図はバンドパス画像から原画の復元を示す図、第４図は低域通過フィルタの一次元模式図、第５図は本
発明の一実施例の構成を示す図である。図面において、１は帯域通過画像作成手段（バンドパス画像作成部）、２は誤差計算手段（部）、３は線形和計算手段（部）、４は入力端子、　　　　　　５は出力端子、１１１、１
２１．−−、１４１　はメモリ　（Ｇ　ｏ、　Ｇ　＋、
−−−，Ｇ　Ｍ　）　、１１２、１２２．　−、１４２
はＲＥＤｔｌＣＥ回路（ＲＥＤＩＩＣＥ）、１１３、１
２３．−、１４３．２１３．２２３．　−・−５２４３
は減算回路（Σ）、１１４、１２４．−、１４４はＥＸＰＡＮＤ回路（ＥＸ
ＰＡＮＤ）、１１５、１２５．−−はデマルチプレクサ
（ＤＭＵＸ）、２１Ｌ　２１２．２２Ｌ　２２２．−、
２４１．２４２はメモリ　（Ｌｏｌ、　　ＬＯ２，・・
・）、２１４、２２４．−、２４４は二乗回路（ＳＯ）、２１
５、２２５．−、２４５．３０２は加算回路（Σ）、３
１Ｌ　３２１．−、３４１は重み回路（Ｗ　ｏ、　Ｗ　
＋　、　−−−−。ＷＭ）　　・をそれぞれ示す。

Claims

【特許請求の範囲】画像処理された多値中間調画像の原画からの画質劣化の
度合を評価する画質評価において、多値中間調画像を異
なる空間周波数を持つ帯域通過画像に分解する帯域通過
画像作成手段（１）と、原画と処理画の帯域通過画像に
ついて同一の空間周波数を持つ帯域通過画像ごとに画像
間の誤差を算出する誤差計算手段（２）と、誤差計算手段（２）の算出した誤差に予め定めた重みを
掛けて総和を計算する線形和計算手段（３）を備え、前記重みを人間の視覚の空間周波数特性に関係付けて定
め、線形和計算出力（３）の出力を評価値として出力す
るよう構成したことを特徴とする画質評価装置。