第15卷 第7期2010年7月
中国图象图形学报Journa l o f I m age and G raphics
V o.l 15,N o .7
Ju l y ,2010
基金项目：国家自然科学基金项目(60668001)收稿日期:2008 10 14；改回日期:2009 01 18
第一作者简介：李 琼(1982 )，女。云南师范大学光学工程专业在读硕士研究生。主要研究方向为人眼视觉特性及其在图像技术中的应用。E m ai:l ll_qq16@sina .co m 彩图像最佳压缩比的实验研究
李 琼
石俊生
毛小
(云南师范大学颜与图像视觉实验室，昆明 650092)
摘 要 研究压缩图像在显示器上质量主观评价方法，为实现In ternet 上图像质量主观评价奠定基础。研究包括显示器设置问题；在彩电视图像质量主观评价I TU BT 500 11标准的基础上，提出静态压缩图像评价指标；收集了标准彩测试图像并建立图像库。最后使用JPEG 与JPEG 2000两种压缩标准对具有不同性质的20景彩图像进行了7种压缩比的有损压缩，并选取10人采用成对比较的视觉心理物理学方法，对压缩图像进行主观评价实验。得出了J PEG 标准下彩图像最佳压缩比范围为20 1~25 1,JPEG 2000范围为25 1~30 1，同时实验结果表明，可以通过视觉的方法对不同LCD 显示器进行设置，并达到一个大致相同的设置效果。关键词 主观评价 图像压缩 最佳压缩比 JPEG J PEG 2000
中图法分类号:TN911.73 文献标志码:A 文章编号:1006 8961(2010)07 1042 05
Experim ental Study of Subjecti ve Eval uati on on Optim al
Co mpression R atio of JPEG and JPEG2000
L IQ iong ,SH I Junsheng ,MAO X iaoqun
(Color and I m ag e Visual L aboratory of Yunnan N or ma l Un i v e rsit y,K unm ing 650092)
Abstrac t Subjecti ve eva l uati on of compressed i m age qua lity on co m puter displays w as stud i ed ,i n orde r to reali ze qua lit y
eva l uati on o f compressed i m ages on the Interne t .The relative stud i es inc l ude :to set up displays ,to put for w ard assess m ent scales for static compressed i m ag es based on the standard o f sub j ective assess m ent o f quality fo r co l o r TV p ict ures ,and t o co llect co l o r i m ages and establi sh a da tabase f o r subjecti ve eva l uati on .A s an examp l e f o r testing above stud i es ,by usi ng a psychophysical me t hod o f pa i rw ise co m pa rison ,sub j ective eva l uati on exper i m ents on opti m a l co m pression rati o o f J PEG and J PEG 2000w ere conducted on displays f o r the i m ages ,wh i ch w ere from JPEG and l ossy JPEG 2000w ith seven com press i on ra ti os .T en sub j ec ts took pa rt i n the expe ri m en ts ,and 280co l or i m ages for 20scenes w ith d ifferent con tents w ere used .T he experi m ental resu lts showed tha t opti m a l co m pressi on rati o rang e o f JPE G i s from 20 1to 25 1,and opti m a l com press i on ra ti o range o f J PEG 2000i s fro m 25 1to 30 1.T he exper i m ents i nd i ca ted that t he display se t up by human eyes can achieve consistency for subjecti ve eva l uati on of i m age qua lity on d i sp lays .K eywords sub j ective ev al uation ,i m age compression ,the opti m a l compression ra ti o ,J PEG,J PEG 2000
0 引 言
图像压缩是图像工程中最重要、最关键的技术之一，而压缩图像质量评价是发展和检验压缩算法
时的一个关键环节。图像质量评价方法可分为主观
评价和客观评价两大类，目前研究主要集中在客观评价
[1 3]
，大多采用统计方法，如峰值信噪比
(PSNR)或均方误差(MSE )等。统计方法存在着与视觉评价不一致和视觉知觉属性没有对应关系等缺
第7期李 琼等：主观评价JPEG与JPEG2000标准的彩图像最佳压缩比的实验研究1043
点，基于人眼视觉特性(HVS)的客观评价受到越来越多的关注，但是，无论是统计方法，还是基于HVS 方法，最终还需要用主观评价来检验。所以说，主观评价又是发展和检验客观评价的一个关键环节。
相对客观评价，主观评价的研究相对较少，可利用参考的资料较少。现有的主观评价大部分是针对专业领域，如遥感图像[4]、医学图像[5]、安全领域[6]等，也有针对普通彩图像压缩质量的研究[7]，但是在评价过程中，存在着评价图像和评价人员较少、评价指标模糊等问题。
基于以上事实，本文以普遍使用的显示器上评价JPEG与JPEG2000的最佳压缩比为例，建立压缩图像质量视觉评价指标和方法、视觉设置显示器及环境要求，提供了收集的标准图像库和JPEG与JPEG2000两种标准压缩图像。目的是为I nternet上开展图像压缩研究工作提供一个统计的标准。
1 主观评价指标
主观评价是直接利用观察者对被测系统图像的主观反应来确定系统性能的一种测试。一种典型的主观评价方法和指标为国际电信联盟制定的I TU BT 500 11标准[8]，该标准主要是针对彩电视图像质量主观评价而制定，对电视图像传输过程中的损伤、质量等方面评价进行指导，具体方法有：双刺激连续质量评分法(DSCQS法)、双刺激损伤标度法(DS I S)、同时双刺激连续评价法(SDSCE)等。
由于标准中的DSCQS法特别适用于评价普通图像与用不同方法、不同压缩比压缩后的图像间的感知区别[9]，所以实验在DSCQS法的基础上，对评价指标作了一定改进后进行。DSCQS法规定了从0~100这样一个连续的刻度等级来避免量化误差，将它们分成了5个等级，与一般的I TU R的5点质量刻度相对应。
在图像压缩过程中，随着压缩比的增加，图像质量开始变差，具体表现为图像模糊、边缘失真、彩变化和振铃效应等，压缩比较大时J PEG压缩图像还有明显方块效应。实验选取图像模糊、边缘失真或方块效应、彩变化这3种人眼能最直观分辨的因素作为评价指标。但是在实际压缩图像评价中，
实验者对于同一级别的细微差别不能精准评分，所以采用5点评分标准。对应各项指标如表1所示。
表1 评价指标描述
T ab.1 D escri p tion s for asse ss men t sca l es
分数质量标准
指标(边缘失真/图像模糊/
方块效应/彩变化) 5不觉察图像质量变差
(excellent)
不能觉察任何一种指标的变化4几乎不察觉图像质量变
差(good)
略微觉察一种指标有不明显的
变化
3稍微觉察图像质量变差
(fair)
觉察一种或多种指标稍有变化
2明显觉察图像质量较差
(poor)
觉察一种或多种指标有明显的
变化
1觉察图像质量极差
(b ad)
觉察一种或多种指标的变化程
度很严重
2 实 验
2.1 实验内容
对标准彩图像分别使用JPEG和JPEG2000标准进行7种压缩比的压缩，要求实验者根据给定的评价标准，以原图为参考对压缩图像的质量进行评价。所要寻的图像压缩的最佳压缩比，即在该压缩比的情况下，人眼刚好觉察不到质量变化。2.2 实验条件
除了图像本身质量以外，许多因素会影响显示器上图像的感知效果[10]，例如观察环境、显示器设置等。因此，在实验之前，必须对显示器进行合理的设置，使同一张图像能在不同显示器上有相同的显示效果。对于环境的设置，参考国际标准化组织制定的I SO3664:2000标准[11]。该标准给出了彩显示器显示图像的理想环境设置。下面是实验相关配置。
1)实验者 10名(7男3女)实验者年龄均为20~30岁，有正常(或矫正后)视力和正常分辨彩的能力。他们都是从事颜与图像技术专业的硕士研究生，但没有评价图像质量的经验。
2)实验图像 收集了包括Lena,Fru it等彩标准测试图像20景[12]，如图1所示。图像包含了彩、细节、噪声等特征，内容上包含了肖像、丰富细节的自然景、近景及远景的建筑等各种信息，图像大小512!512像素。使用软件JPEG I M AGER和M ichael发布的JasPer(1.900.1版本)[13]分别进行J EPG与JPEG2000的有损压缩。采用101,151, 201,251,301,351和401等7种压缩比，共产
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中国图象图形学报第15
卷
图1 主观评价测试图像
F i g.1 I mages for sub jecti ve assess m ent
生280幅评价图像。
3)实验器材 两台LCD显示器分别为清华同方17英寸和LG1719S17英寸。
4)实验环境 实验在暗室环境下进行，实验者和显示器屏幕的距离为60c m，屏幕背景设置为黑，图像置于显示屏中央，对应的视角为6 7∀。
5)显示器设置
(1)在设置显示器之前，需将显示器开机预热2h。显示器设置为频率60H z，分辨率1280!1024像素，温D65。由于ga mm a对图像显示效果有很大影响[8]，使用A dobe Ga mm a软件对ga mm a进行校正，统一校正为2 2。从生活中学习写作
(2)显示器黑点和最大亮度的设置。通过调节显示器上的#亮度∃和#对比度∃按钮进行。CRT 显示器通
常将#对比度∃设置为最大，来获得最大域，但是实验发现，有些LCD显示器在#对比度∃设置最大时观察图片会丢失一些亮度信息。因此，对LCD的具体设置方法参考Ow lcro ft公司的显示器设置[14]，改进后分为4个步骤:%将#对比度∃调节到最小;&显示灰度均匀渐变的马赫带，相邻条带的数字驱动量差为16;∋调节#亮度∃按钮使灰度条带拥有丰富细腻的阶调变化层次，尤其要注意分辨颜较深的那部分条纹;(显示彩均匀渐变的条带(相邻条带的数字驱动量差为16)，调整#对比度∃按钮，使各种颜的条带都能分辨阶调变化层次。当显示器设置好之后，在实验过程中不能再进行调整。以上设置结果称作显示器最佳设置。
2.3 评价过程
实验发现，实验者对图片的熟悉程度、对指标的理解程度很大程度上影响到主观分数的稳定性。因此在实验开始前，除了要向实验者详细讲解评价过程、指标、顺序以及作评分示范外，还需要实验者对评价图像及其压缩效果有一定的熟悉度。
实验采取逐次双目的方式，每次向实验者展示2张图像，其中一幅是参考图像(质量为100%)，另外一幅是经过一定比例压缩后的图像，要求实验者对第2幅图像的质量进行评价。由于LCD有视角各向异性和视角范围较小的弱点，即在离开垂直于显示板法线方向观察时，对比度明显下降，视角大时还会发生灰度和彩反转的现象。因此将参考图像和压缩图像交叠置于显示器中心位置，实验者以图像中
心为中心、垂直于显示板法线的方向进行观察，在实验过程中使用快捷键在参考图像和压缩图像间来回切换，进行对比。
在视觉实验中，实验者会由于实验多次重复而出现疲劳误差、习惯误差、期望误差等情况。为了减小这些误差，在实验过程中采取实验者控制图像显示、实验组织者记录成绩的方式。图像较多，无法在30m i n内完成的测试，可以分两次完成。
2.4 数据处理及实验结果
1)显示器黑点最大亮度设置
5名实验者分别对两台LCD显示器进行设置，并用屏幕亮度计测量设置后黑点亮度和最大亮度。从实验结果可以看出，清华同方LCD黑点亮度在0 30~0 32cd/m2，最大亮度在100 5~124 4cd/m2范围;LG LCD黑点在0 61~0 65cd/m2，最大亮度在99 7~120 50cd/m2范围。不同实验者对同一台显示器的黑点设置基本相同，而且对不同显示器黑点设置差别也很小，都在0 7cd/m2以下，最大亮度都在100~125cd/m2之间。虽然不同的实验者对同一台显示器以及不同显示器的最大亮度设置有差距，实验发现，这些差距对评价图像没有影响。表2列出了5名实验者对清华同方LCD显示器的设置及测量结果。
第7期李 琼等：主观评价JPEG与JPEG2000标准的彩图像最佳压缩比的实验研究1045
表2 清华同方LCD设置结果
T ab.2 The setup of Q ing H uaTongFang LCD
数 据
实验者
12345亮度/%6757465982对比度/%6355536982黑点/(cd/m2)0.300.300.300.310.32白点/(cd/m2)108.3103.5100.5110.2124.4
2)J PEG和JPEG2000不同压缩比与视觉评价关系
由于本文讨论的是不同压缩比与图像质量的关系，所以将7个压缩比作为统计内容来进行分析。分别在两台显示器进行主观评价实验，视觉评价JPEG和JPEG2000不同压缩比结果如表3所示。#平均值∃表示的是在各压缩比下,10名实验者对20景的压缩图像主观评价的平均分，分值越大，图像效果越好。对于大部分图像而言,JPEG2000压缩效果会好于JPEG，但是对于某些细节丰富的图像, JPEG2000压缩图像画面模糊，细节损失严重，使得压缩图像与原图的差别反而比J EPG压缩后的要大，主观评价结果差于J EPG。取95%的置信度计算得到在各压缩比下，主观评分的95%置信区间。
表3 主观评价J PEG和JPEG2000压缩结果
Tab.3 Sub jective assess m en t res u lts of JPEG and J PEG2000co mpressi on
压缩标准
压缩比
101151201251301351401
LCD1
J PEG
JPEG2000
平均值 4.874.57 4.253.773.29 2.982.63
标准差0.130.220.420.510.60.40.45
置信区间[4.78,4.95][4.42,4.72][3.98,4.52][3.43,4.10][2.90,3.68][2.73,3.24][2.33,2.92]平均值 4.894.78 4.444.213.76 3.473.11
标准差0.110.140.250.30.360.310.48
置信区间[4.82,4.96][4.69,4.87][4.28,4.61][4.01,4.40][3.52,4.00][3.27,3.67][2.79,3.42]
LCD2
J PEG
JPEG2000
平均值 4.904.48 4.253.693.29 2.932.53
标准差0.140.460.330.410.230.180.11
置信区间[4.81,4.99][4.17,4.78][4.03,4.46][3.42,3.96][3.13,3.44][2.81,3.04][2.46,2.59]平均值 4.984.73 4.354.093.85 3.323.05
标准差0.040.110.120.160.230.180.34
置信区间[4.95,5][4.66.4.79][4.27,4.42][3.99,4.19][3.69,4.00][2.20,3.44][2.83,3.27
]
兰州理工大学学报图2 两台LCD上压缩图像主观评价结果
F ig.2 Sub j ective assess m ent resu lts o f
compressed i m ag es on t wo LCD s
图2显示的是分别使用J PEG与J PEG2000进
行压缩，在不同压缩比时对应的主观评分。图中数
据是对20景图像取平均值得到。
选择主观评价分数为4分(略微觉察一种指标
有不明显的变化)的压缩效果作为人眼可以接受的
最佳压缩效果，由图2中可以看出:1)在两台显示
器的评价结果基本一致，说明显示器在最佳设置条
件下，显示器对压缩图像质量主观评价影响不大;
2)J PEG的最佳压缩范围为201~251，而
JPEG2000的最佳压缩范围为251~301。
3 结 论
本文通过视觉设置了LCD显示器，用视觉心理
物理学方法中的成对比较法，对JPEG与JPEG2000
两种压缩标准7种压缩比有损压缩图像进行了实
验，对10人具有不同性质的20幅彩图像的压缩
图像进行实验，实验结果表明:1)可以通过视觉的
方法，对不同LCD显示器进行设置，并达到一个大
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中国图象图形学报第15卷
致相同的设置效果。不同实验者在设置LCD显示器时,#对比度∃设置结果通常不会达到可取值范围的100%;2)在视觉设置的不同LCD显示器上进行主观评价实验，能得到相同的结论;3)J PEG的最佳压缩范围为201~251，而JPEG2000的最佳压缩范围为251~301。
对于连接在Inter net上的不同显示器上，视觉设置的方法在暗室中能够得到较好的结果，为图像质量主观评价奠定了基础。但是在I nternet上进行图像质量主观评价，还必须考虑设备的多样性、环境的复杂性等因素，各种因素对结果的影响以及结果准确度的控制仍需要进一步的研究。
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