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단순 라플라스 연산자를 사용한 새로운 고속 및 고성능 영상 화질 측정 척도
A Novel Fast and High-Performance Image Quality Assessment Metric using a Simple Laplace Operator 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.21 no.2, 2016년, pp.157 - 168  

배성호 (한국과학기술원 전기및전자공학부) ,  김문철 (한국과학기술원 전기및전자공학부)

초록
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영상 처리컴퓨터 비전 분야에 있어서, 평균 제곱 오차(Mean Squared Error: MSE)는 좋은 수학적 특성(예를 들어, 척도성(metricability), 미분가능성(differentiability) 및 볼록 성질(convexity))을 가짐으로 인해 많은 영상 화질 최적화 문제의 객관적 척도로 사용되어 왔다. 그러나 MSE가 영상의 왜곡 신호에 대한 시각적 인지 화질과 상관도가 높지 않다는 것이 알려지면서, 이를 해결하기 위해 위에서 언급한 좋은 수학적 특성과 높은 영상 화질 예측 성능을 동시에 가지는 객관적 영상 화질 측정(Image Quality Assessment: IQA)척도가 활발히 연구되어 왔다. 비록 최근 제안된 좋은 수학적 성질을 만족시키는 IQA 척도들은 MSE와 비교하여 매우 향상된 주관적 화질 예측 성능을 보이지만, 상대적으로 높은 계산 복잡도를 가진다. 본 논문은 이를 해결하기 위해, 단순 라플라스 연산자를 이용한 좋은 수학적 특성을 가지는 새로운 IQA 척도를 제안한다. 제안 IQA 방법에 도입한 단순 라플라스 연산자는 인간 시각 체계의 망막에서의 광도 자극에 대한 시신경 반응을 효과적으로 모사할 뿐만 아니라 계산이 매우 단순하기 때문에, 제안 IQA 척도는 단순 라플라스 연산자를 사용하여 매우 빠른 계산 속도와 높은 주관적 화질 점수 예측력을 확보하였다. 제안 IQA 척도의 효과를 검증하기 위해, 최신 IQA 척도들과 광범위한 성능비교 실험을 수행하였다. 실험 결과, 제안하는 IQA 척도는 모든 테스트 IQA 척도들 중 MSE를 제외하고 가장 빠른 처리 속도를 보였을 뿐만 아니라, 가장 높은 주관적 화질예측 성능을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In image processing and computer vision fields, mean squared error (MSE) has popularly been used as an objective metric in image quality optimization problems due to its desirable mathematical properties such as metricability, differentiability and convexity. However, as known that MSE is not highly...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 이 문제를 완화하기 위해 새로운 단순 라플라스 연산자를 이용한 FR-IQA 척도(Simple Laplace operator-based Quality Metric: SLQM)를 제안한다. 본 논문에서 FR-IQA 모델링을 위해 처음으로 도입한 단순 라플라스 연산자는 사람 시각 체계(Human Visual System: HVS)의 인지 화질 특성을 효과적으로 반영하면서 동시에 매우 낮은 연산 복잡도를 가지고 있기 때문에 제안 FR-IQA 척도는 높은 주관적 화질 예측 성능을 유지하면서 위에서 언급한 계산 복잡도 문제를 효과적으로 완화시킬 수 있다.
  • 본 논문에서는 단순 라플라스 연산자를 이용한 새로운 고속 및 고성능 FR-IQA 척도를 제안했다. 본 논문에서 도입한 단순 라플라스 연산자는 연산이 매우 빠를 뿐만 아니라 HVS의 영상 신호 인지 특성을 반영하고 있기 때문에 제안 FR-IQA 척도에 효과적으로 적용되었다.
  • 이에 따라, 최근 영상 화질 최적화 문제에 적용이 용이하도록, 좋은 수학적 특성을 만족시키면서 또한 높은 주관적 화질 예측 성능을 가지는 FR-IQA 척도를 개발하기 위한 활발한 노력이 있어 왔다[19],[20]. 본 논문에서는 영상 화질 최적화 문제 적용에 용이한 좋은 수학적 특성을 만족시키는 고속 FR-IQA 모델링 방법에 집중한다.
  • 그럼에도 불구하고, 최근 개발된 MoSSIM과 PAMSE는 상대적으로 높은 계산 복잡도를 요구한다. 본 논문에서는 이 문제를 완화하기 위해 새로운 단순 라플라스 연산자를 이용한 FR-IQA 척도(Simple Laplace operator-based Quality Metric: SLQM)를 제안한다. 본 논문에서 FR-IQA 모델링을 위해 처음으로 도입한 단순 라플라스 연산자는 사람 시각 체계(Human Visual System: HVS)의 인지 화질 특성을 효과적으로 반영하면서 동시에 매우 낮은 연산 복잡도를 가지고 있기 때문에 제안 FR-IQA 척도는 높은 주관적 화질 예측 성능을 유지하면서 위에서 언급한 계산 복잡도 문제를 효과적으로 완화시킬 수 있다.
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참고문헌 (24)

  1. Z. Wang and A. C. Bovik, “Mean squared error: Love it or leave it? A new look at signal fidelity measures,” IEEE Signal Process. Mag., vol. 26, no. 1, pp. 98-117, Jan. 2009. 

  2. S.-H. Bae, J. Kim, M. Kim, S. H. Cho, and J. S. Choi, “Assessments of subjective video quality on HEVC-encoded 4K-UHD video for beyond-HDTV broadcasting services,” IEEE Trans. on Broadcast., vol. 59, no. 2, pp. 209-222, Jun. 2013. 

  3. J.-S. Choi, S.-H. Bae and M. Kim, "Single image super-resolution based on self-examples using context-dependent subpatches," IEEE Int. Conf. on Image Proc, Sept. 27-30, 2015. 

  4. J.-S. Choi, S.-H. Bae and M. Kim, "A no-reference perceptual blurriness metric based fast super-resolution of still pictures using sparse representation," Proc. SPIE, vol. 9401, pp. 94010N.1-94010N.7, Mar. 2015. 

  5. J. Kim, S.-H. Bae, and M. Kim, “An HEVC-compliant perceptual video coding scheme based on JND models for variable block-sized transform kernels,” IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., vol. 25, no. 11, pp. 1786-1800, Sept. 2015. 

  6. S.-H Bae and M. Kim, “A novel DCT-based JND model for luminance adaptation effect in DCT frequency,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 20, no. 9, pp. 893-896, Sept. 2013 

  7. S.-H. Bae and M. Kim, "A new DCT-based JND model of monochrome images for contrast masking effects with texture complexity and frequency," IEEE Int. Conf. on Image Proc, Melborne, Australia, Sept. 15-18, pp. 431-434, 2013. 

  8. S.-H Bae and M. Kim, “A novel generalized DCT-based JND profile based on an elaborate CM-JND model for variable block-sized transforms in monochrome images,” IEEE Trans. on Image Process., vol. 23, no. 8, Aug. 2014. 

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  11. Z. Wang, A. C. Bovik, H. R. Sheikh, and E. P. Simoncelli, “Image quality assessment: from error visibility to structural similarity,” IEEE Trans. on Image Process., vol. 13, pp. 600-612, Apr. 2004. 

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  13. Z. Wang, E. P. Simoncelli, and A. C. Bovik, "Multiscale structural similarity for image quality assessment," Proc. 37th Asilomar Conf. Signals, Syst., Comput., pp. 1398-1402, Nov. 2003. 

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  17. S.-H. Bae and M. Kim,“A Novel Image Quality Assessment with Globally and Locally Consilient Visual Quality Perception,” IEEE Trans. on Image Process., to appear, 2016. 

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  20. W. Xue, X. Mou, L. Zhang, X. Feng, "Perceptual fidelity aware mean squared error"," Proc. IEEE Int. Conf. Computer Vision, Dec. 2013, pp. 705-712. 

  21. N. Ponomarenko et al., "Color image database TID2013: Peculiarities and preliminary results," Proc. 4th Eur. Workshop Vis. Inf. Process., Jun. 2013, pp. 106-111. 

  22. N. Ponomarenko, V. Lukin, A. Zelensky, K. Egiazarian, M. Carli, and F. Battisti, ”TID2008-A database for evaluation of full-reference visual quality assessment metrics,”Adv. Modern Radioelectron., vol. 10, pp. 30–45, 2009. 

  23. H.R. Sheikh, M.F. Sabir, and A.C. Bovik, ”A statistical evaluation of recent full reference image quality assessment algorithms,” IEEE Trans. Image Process., vol. 15, no. 11, pp. 3440-3451, Nov. 2006. 

  24. Final Report From the Video Quality Experts Group on the Validation of Objective Models of Video Quality Assessment VQEG. Available: http://www.vqeg.org, 2000. 

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