基于梯度的结构相似度的图像质量评价方法
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Ｓ Ｉ ｘ， ＝１ｘ， ） （ Ｙ ｓ ｘ， ） ＳＭ（ Ｙ） （ Ｙ ｃ ｘ， ） （ Ｙ
＝
像的视觉失真是 和图像 的误差信 号的可 见性相 关
收稿 日期 ： ０ ５ １ — １ ２０ — １２ 荩金项 臼：国家 自然科学基 金资助项 目（０ ０ ０ ５ ； ６ ２ １ ） 国家 ４ 杰出青年 自然科学基金资助项 目（０ ２ ３０ ６３５１） 作者简介 ： 春玲 （ ９ ０ ） 女 ， 教授 ， 要从 事 图像和 杨 １７ 一 ， 副 主
严重 模糊 的 降质 图像 ． 中提 出 了一 种 基 于梯 度 的 结构 相似 度 （ Ｓ Ｉ 图像 质 量 评 价 方 文 Ｇ ＳＭ）
法， 该方 法将梯 度作 为 图像 的主要 结构 信 息． 实验 结 果表 明 ， ＳＩ 模型 比 Ｓ Ｉ 和 Ｐ Ｎ Ｇ ＳＭ ＳＭ ＳＲ
（ Ｅ） 型更 符合人 眼视 觉 系统特 性 ， ＭＳ 模 能较好地 评 价模糊 图像 的质 量．
杨春玲 旷开智 陈冠 豪 谢胜利
（ 华南理工大学 电子与信息学 院，广东 广州 ５ ０４ ） １６ ０
摘
要 ：虽 然基 于结构信 息 的 图像 质量 评价 方 法—— 结 构相 似 度 （ ＳＭ） 型 结 构 简单 、 ＳＩ 模
评 价性 能优 于峰 值信 噪 比（ Ｓ Ｒ） Ｐ Ｎ 或均 方误 差（ Ｅ） ＭＳ 模型 ， Ｓ Ｉ 模 型 不 能较好 地 评价 但 ＳＭ
评价 标准 不实用 ． 因此 ， 些基 于视觉 误差 理论 的 图 这
像 和视频 质量评 价方 法并 不能 取代 目前被 广泛 采用
这 种最 终信 宿为 人眼 的信 号而 言是非 常不 合理 的． 近 几 十 年来 ， 多 研究 者 致 力 于 寻找 符 合人 眼 许
视 觉 系统特 性 的数 学模 型 ， 并提 出 了一 些 有 效 的算
因为它 没有 充分 地考 虑 人 眼 的视 觉特 性 ， 对 图像 这
的． 然视觉 误差 理论 在 国际上 已被广 泛接 受 ， 其 虽 但
发展 受到 了很 大的 限制 ， 因在 于 ： １ 人 眼视 觉 系 原 （）
统 的 复杂性 ； ２ 人 眼视 觉 实 验 都 是 基 于 较 简 单 的 （Байду номын сангаас 图像 ， 而实 际 的 自然 图像相 对要 复杂得 多 ， 因此这 些 实验结 论对 于 自然 图像 的描 述 往 往 显得 力 不 从 心 ； （ ） 眼视 觉 系统 模 型 相 对 较 复 杂 ， 为 图像 质 量 ３人 作
的最简单的图像质量评价标准——均方误差 ． 最 近几 年 ， 们对 人 眼 视 觉 系统 的研 究 有 了新 人 的突破 ， ｎ Ｗａｇ等认 为人 眼视觉 系统 的 主要功 能是提 取图像和视频 中的结构信息 』并在文献［ ］ ， ８ 中提 出了结 构相似 度 （ ＳＭ） 图像质 量 评 价方 法 ， 过 ＳＩ 的 通 仿 真证 明 了它 优 于 Ｐ Ｎ Ｓ Ｒ方 法 ． 然 ＳＩ 算 法 简 虽 ＳＭ 单、 评价性能较好 ， 但是 ，ＳＭ算法不能较好地评价 ＳＩ 严 重模 糊 图像 的质量 。 有 鉴 于此 ， 中提 出了 一 ． 文 种基于梯度的结构相似度（ Ｓ Ｉ 的图像质量评价 Ｇ ＳＭ）
方法．
法 ， Ｄ．．ａｒｏ 如 ＪＳｋｉ ｎ的多 通 道 图像 感 知 尺 度 ，ｕ ｓ Ｌ— ｂｎ提 出 的视觉 差 分 图 （ Ｄ 模 型 ’ ． 这 些 方 ｉ Ｖ Ｍ） 等 但 法大 多是基 于人 眼 视 觉 系统 的视 觉 误 差 理论 ， 图 即
１ 结 构 相似 度
文献 ［ ］ ８ 中提 出的 Ｓ Ｉ 包 括 亮度 、 比度 和结 ＳＭ 对 构 ３个方 面 ， 模 型定义 为 其
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华 南 理 工 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第３ ４卷 第 ９期
２０ ０ ６年 ９月
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ｈ Ｃｈ ｎ ｎｖｅ ｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＳｏ ｔ ｉ ａ Ｕ ｉ ｒ ｉ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｙ
Ｖｏ１ ３ ＮＯ． ．４ ９
（ ａ ｒｌ ｃｅｃ ｄｔ ｎ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｅＥ ｉｏ ） ｕ ｎ ｉ
Ｓ ｐｔｍ ｂ ｒ ２ ０ ｅ ｅ ｅ ０ ６
文章编 号 ：１０ — ５ （ ０６ ０ —０ ２０ ００５ Ｘ ２ ０ ）９ ０ ２ —４ ６
基 于 梯 度 的结 构 相 似 度 的图 像 质 量评 价 方法 术
关键词 ： 图像质量； 评价 ； 结构相似度 ； 基于梯度的结构相似度 ； 人眼视觉 系统 中图分类号 ： Ｎ １．３ Ｔ ９ ７ １ 文献标识码 ： Ａ
图像质 量评 价 方法 分 为两 种 ： 观 评 价方 法 和 主 客观评 价方 法 ． 眼视 觉 系统 （ Ｖ ） 图像处 理 的 人 Ｈ Ｓ是 终 端 ， 以最 合理 的 图像 质 量评 价 方 法 是 主 观评 价 所 方法． 然而 ， 观评价需 要 组织 观察 者对失 真 图像进 主 行 评 分 ， 而使 劳 动强 度 增 加 ， 时 费 力 ， 不 能 直 从 费 且 接 应 用于 图像处 理 系 统 中 ， 以便 随 时改 善 图像处 理 算法 ． 观评价 方法 采 用 数 学 模 型计 算 失真 图像 和 客 原始 图像 的相 似 度 （ 失 真 度 ） 得 到 评 价 结 果 ， 或 ， 因 而具 有 简单 、 于 内置 于 图像 处理 系统 中的优点 ． 便 峰 值信 噪 比（ Ｓ Ｒ） Ｐ Ｎ 和均 方误 差 （ Ｓ ） 多年 来 应 用 ＭＥ是 最 广泛 的 客 观 评 价 标 准 ¨ Ｊ原 因在 于其 计算 复 杂 。， 度 低 ， 理 意 义清 晰． 在 ２ 物 但 ０世 纪 ７ ０年 代 ， 们 就 人 已发 现 均方误 差 不 能很 好 地 和视 觉 质 量 相 吻合 ，
＝
像的视觉失真是 和图像 的误差信 号的可 见性相 关
收稿 日期 ： ０ ５ １ — １ ２０ — １２ 荩金项 臼：国家 自然科学基 金资助项 目（０ ０ ０ ５ ； ６ ２ １ ） 国家 ４ 杰出青年 自然科学基金资助项 目（０ ２ ３０ ６３５１） 作者简介 ： 春玲 （ ９ ０ ） 女 ， 教授 ， 要从 事 图像和 杨 １７ 一 ， 副 主
严重 模糊 的 降质 图像 ． 中提 出 了一 种 基 于梯 度 的 结构 相似 度 （ Ｓ Ｉ 图像 质 量 评 价 方 文 Ｇ ＳＭ）
法， 该方 法将梯 度作 为 图像 的主要 结构 信 息． 实验 结 果表 明 ， ＳＩ 模型 比 Ｓ Ｉ 和 Ｐ Ｎ Ｇ ＳＭ ＳＭ ＳＲ
（ Ｅ） 型更 符合人 眼视 觉 系统特 性 ， ＭＳ 模 能较好地 评 价模糊 图像 的质 量．
杨春玲 旷开智 陈冠 豪 谢胜利
（ 华南理工大学 电子与信息学 院，广东 广州 ５ ０４ ） １６ ０
摘
要 ：虽 然基 于结构信 息 的 图像 质量 评价 方 法—— 结 构相 似 度 （ ＳＭ） 型 结 构 简单 、 ＳＩ 模
评 价性 能优 于峰 值信 噪 比（ Ｓ Ｒ） Ｐ Ｎ 或均 方误 差（ Ｅ） ＭＳ 模型 ， Ｓ Ｉ 模 型 不 能较好 地 评价 但 ＳＭ
评价 标准 不实用 ． 因此 ， 些基 于视觉 误差 理论 的 图 这
像 和视频 质量评 价方 法并 不能 取代 目前被 广泛 采用
这 种最 终信 宿为 人眼 的信 号而 言是非 常不 合理 的． 近 几 十 年来 ， 多 研究 者 致 力 于 寻找 符 合人 眼 许
视 觉 系统特 性 的数 学模 型 ， 并提 出 了一 些 有 效 的算
因为它 没有 充分 地考 虑 人 眼 的视 觉特 性 ， 对 图像 这
的． 然视觉 误差 理论 在 国际上 已被广 泛接 受 ， 其 虽 但
发展 受到 了很 大的 限制 ， 因在 于 ： １ 人 眼视 觉 系 原 （）
统 的 复杂性 ； ２ 人 眼视 觉 实 验 都 是 基 于 较 简 单 的 （Байду номын сангаас 图像 ， 而实 际 的 自然 图像相 对要 复杂得 多 ， 因此这 些 实验结 论对 于 自然 图像 的描 述 往 往 显得 力 不 从 心 ； （ ） 眼视 觉 系统 模 型 相 对 较 复 杂 ， 为 图像 质 量 ３人 作
的最简单的图像质量评价标准——均方误差 ． 最 近几 年 ， 们对 人 眼 视 觉 系统 的研 究 有 了新 人 的突破 ， ｎ Ｗａｇ等认 为人 眼视觉 系统 的 主要功 能是提 取图像和视频 中的结构信息 』并在文献［ ］ ， ８ 中提 出了结 构相似 度 （ ＳＭ） 图像质 量 评 价方 法 ， 过 ＳＩ 的 通 仿 真证 明 了它 优 于 Ｐ Ｎ Ｓ Ｒ方 法 ． 然 ＳＩ 算 法 简 虽 ＳＭ 单、 评价性能较好 ， 但是 ，ＳＭ算法不能较好地评价 ＳＩ 严 重模 糊 图像 的质量 。 有 鉴 于此 ， 中提 出了 一 ． 文 种基于梯度的结构相似度（ Ｓ Ｉ 的图像质量评价 Ｇ ＳＭ）
方法．
法 ， Ｄ．．ａｒｏ 如 ＪＳｋｉ ｎ的多 通 道 图像 感 知 尺 度 ，ｕ ｓ Ｌ— ｂｎ提 出 的视觉 差 分 图 （ Ｄ 模 型 ’ ． 这 些 方 ｉ Ｖ Ｍ） 等 但 法大 多是基 于人 眼 视 觉 系统 的视 觉 误 差 理论 ， 图 即
１ 结 构 相似 度
文献 ［ ］ ８ 中提 出的 Ｓ Ｉ 包 括 亮度 、 比度 和结 ＳＭ 对 构 ３个方 面 ， 模 型定义 为 其
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华 南 理 工 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第３ ４卷 第 ９期
２０ ０ ６年 ９月
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ｈ Ｃｈ ｎ ｎｖｅ ｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＳｏ ｔ ｉ ａ Ｕ ｉ ｒ ｉ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｙ
Ｖｏ１ ３ ＮＯ． ．４ ９
（ ａ ｒｌ ｃｅｃ ｄｔ ｎ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｅＥ ｉｏ ） ｕ ｎ ｉ
Ｓ ｐｔｍ ｂ ｒ ２ ０ ｅ ｅ ｅ ０ ６
文章编 号 ：１０ — ５ （ ０６ ０ —０ ２０ ００５ Ｘ ２ ０ ）９ ０ ２ —４ ６
基 于 梯 度 的结 构 相 似 度 的图 像 质 量评 价 方法 术
关键词 ： 图像质量； 评价 ； 结构相似度 ； 基于梯度的结构相似度 ； 人眼视觉 系统 中图分类号 ： Ｎ １．３ Ｔ ９ ７ １ 文献标识码 ： Ａ
图像质 量评 价 方法 分 为两 种 ： 观 评 价方 法 和 主 客观评 价方 法 ． 眼视 觉 系统 （ Ｖ ） 图像处 理 的 人 Ｈ Ｓ是 终 端 ， 以最 合理 的 图像 质 量评 价 方 法 是 主 观评 价 所 方法． 然而 ， 观评价需 要 组织 观察 者对失 真 图像进 主 行 评 分 ， 而使 劳 动强 度 增 加 ， 时 费 力 ， 不 能 直 从 费 且 接 应 用于 图像处 理 系 统 中 ， 以便 随 时改 善 图像处 理 算法 ． 观评价 方法 采 用 数 学 模 型计 算 失真 图像 和 客 原始 图像 的相 似 度 （ 失 真 度 ） 得 到 评 价 结 果 ， 或 ， 因 而具 有 简单 、 于 内置 于 图像 处理 系统 中的优点 ． 便 峰 值信 噪 比（ Ｓ Ｒ） Ｐ Ｎ 和均 方误 差 （ Ｓ ） 多年 来 应 用 ＭＥ是 最 广泛 的 客 观 评 价 标 准 ¨ Ｊ原 因在 于其 计算 复 杂 。， 度 低 ， 理 意 义清 晰． 在 ２ 物 但 ０世 纪 ７ ０年 代 ， 们 就 人 已发 现 均方误 差 不 能很 好 地 和视 觉 质 量 相 吻合 ，
