CC BY
63
УДК 778.5
ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К ЧАСТНЫМ ПАРАМЕТРАМ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИМ КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Е.И. Нестерова
Кафедра прецизионных технологий и сертификации киновидеотехники, Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: аудиовизуальные системы; интеллектуальные квалиметрические методы; квалиметрические характеристики; коэффициенты весомости; коэффициенты чувствительности; психофизические квалиметрические методы.
Аннотация: Рассматриваются возможности использования психофизических субъективных квалиметрических экспертиз для оценивания результатов преобразований, происходящих в аудиовизуальных системах.
Приведена экспериментальная методика оценки коэффициентов чувствительности к частным квалиметрическим характеристикам изображения, обеспечиваемым аудиовизуальной системой, основанная на возможности зрительного анализатора замечать изменения оцениваемых характеристик.
Качество изображения является результатом преобразований, происходящих в аудиовизуальных системах. Характеристики, определяющие интегральное качество изображения, принято классифицировать на обобщенные и частные. В работе предлагается экспериментальная методика оценки коэффициентов чувствительности к частным параметрам, определяющим качество изображения.
Функционирование любой системы подразумевает использование большого числа оценочных процедур. Очевидно, что наибольшие сложности возникают, когда речь идет об оценке результативности, то есть степени достижения заданных квалиметрических характеристик интеллектуальной системы, поскольку именно в этом случае большую роль играют субъективные оценки. Среди таких систем особое место занимают аудиовизуальные системы, например, системы записи и воспроизведения изображения и звука. В таких системах тесно переплетаются инструментальные и субъективные методы измерения и контроля.
Результаты преобразований в отдельных звеньях таких систем могут быть оценены с использованием инструментальных методов измерения, контроля выходных характеристик и последующим сопоставлением фактических значений параметров с требованиями нормативно- технических документов и т. п. В то же время оценивание итоговых результатов преобразований, интегральная оценка качества аудиовизуальной техники, изображения и звука, услуг по видео- (аудио-, кино-, фото- и т.п.) обслуживанию невозможны без использования методов экспертной квалиметрии.
Как известно, экспертные методы неоднородны, субъективные квалиметриче-ские экспертизы необходимо делить на психофизические, основанные на ощущениях, возникающих в анализаторах эксперта (в аудиовизуальных системах используются при оценке качества изображения и звука), и интеллектуальные методы, основанные на предшествующем опыте, сложившихся представлениях экспертов (используются при формировании перечней характеристик объектов, при интегральной оценке качества и т. п.).
Обобщенный алгоритм и психофизической, и интеллектуальной квалиметри-ческой экспертизы по оценке качества изделий, услуг, систем, одинаков, и, как правило, включает формирование перечня обобщенных и частных квалиметриче-ских параметров; выбор оценочной системы; определение коэффициентов чувствительности при сенсорных квалиметрических экспертизах или коэффициентов весомости частных параметров при интеллектуальных квалиметрических процедурах; расчет коэффициентов весомости или чувствительности к обобщенным параметрам; определение парных коэффициентов корреляции между обобщенными и частными квалиметрическими показателями; расчет уровня качества изделий, услуг, систем с использованием какой-либо интегральной модели [2].
Необходимо отметить, что проблема оценки весовых коэффициентов не ограничивается рамками квалиметрических задач, а является одной из центральных задач и при математическом моделировании, например, при формировании моделей, основанных на статистических зависимостях, при решении задач классификации, ранжирования, в частности, с использованием методов семантического дифференциала и репертуарных решеток, кластерного анализа, метода нейронных сетей.
В данной работе изложена методика экспериментальной оценки коэффициентов чувствительности к частным квалиметрическим параметрам изображения (яркости, детальности, пространственным искажениям) на основе заметности изменений анализируемых характеристик.
Экспериментальная оценка коэффициентов чувствительности к характеристикам изображения проводилась в определенной последовательности, включающей формирование условий организации и проведения субъективной квалимет-рической экспертизы; разработку приборного и программного обеспечения для проведения исследований; построение зависимости между значениями анализируемой характеристики и значениями модулирующего параметра; экспериментальную оценку заметности изменений анализируемой характеристики на тест-объекте; экспериментальную оценку заметности изменений анализируемой характеристики на сюжете; расчет коэффициента чувствительности к анализируемой характеристике. Остановимся более подробно на отдельных этапах методики.
Организация экспертизы сводилась к обеспечению выполнения таких требований, как репрезентативность статистических выборок, достоверность оценок, компетентность экспертов, степень согласованности мнений экспертов и т. д. Приборное и программное обеспечение субъективных психофизических квали-метрических экспертиз аудиовизуальных систем представляет комплекс приборов, предназначенных для получения изображения, комплекс технических и программных средств моделирования параметров изображения, а также технических средств, позволяющих воспроизводить и оценивать результаты происходящих преобразований.
В экспериментальных исследованиях значения частных параметров изображения моделировались с использованием программы Photoshop. Примеры градуировочных зависимостей между значениями анализируемых характеристик (яркостью и детальностью) и значениями соответствующих моделирующих параметров на шкалах Photoshop приведены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость между Рис. 2. Зависимость между детальностью
величиной яркости В изображения Я и значениями на
и значениями на условной шкале детальности при различных
условной шкале масштабах экранного изображения:
1 - 16 %; 2 - 20 %; 3 - 25 %; 4 - 50 %
В качестве тест-объектов (рис. 3) использовались изображения, на которых, по возможности, присутствуют только анализируемые характеристики, а остальные факторы отсутствуют (для оценки яркости - изображение белого поля, для оценки детальности - штриховая мира, для оценки пространственных искажений -изображения правильных геометрических фигур).
Субъективная квалиметрическая экспертиза проводилась в определенной последовательности: группе экспертов предъявляли изображения тест-объектов, в которые вносились или не вносились ухудшения оцениваемой характеристики, эти изображения предъявлялись в случайном порядке в соответствии с таблицами случайных чисел; на экране присутствовали одновременно два поля изображения, значение характеристики на одном поле в течение серии экспериментов не менялось - оно оставалось эталонным, искажения вносились только во второе поле изображения; в специальной анкете каждый эксперт должен был отметить, заметил ли он искажения характеристики или нет; затем этой же группе экспертов предъявляли сюжеты с такой же величиной искажения исследуемой характеристики и в той же последовательности, как и в предыдущем эксперименте.
Анализ экспериментальных данных заключался в расчете вероятности правильного обнаружения Р(У/У) = т(У /У)/п(У) вносимых искажений и вероятности ложных тревог Р(У / N) = т(У / N)/ п( N). Коэффициент чувствительности к оцениваемой характеристике рассчитывался как кг- = ё^ /, где ё^ , - ста-
тистические параметры, зависящие от вероятностей правильного обнаружения и ложных тревог соответственно для тест-объекта и сюжета при одинаковом изменении моделирующего параметра, влияющего на анализируемую характеристику, т(У /У) - количество правильных ответов; п(У) - количество предъявлений изображений с искажениями; т(У / N) - количество ответов о том, что было замечено искажение, когда оно не вносилось; п(К) - количество предъявлений изображений, в которые не вносились искажения. Статистические параметры ё - это табличные величины, которые достаточно давно используются, например, в теории обнаружения сигнала, в статистической радиотехнике, психофизике [1].
Экспериментальная оценка коэффициента чувствительности целесообразна для частных квалиметрических характеристик, для которых можно без каких-либо затруднений построить градуировочную зависимость между значениями характеристики и величиной моделирующего параметра, подобрать тест-объект. Определить коэффициент чувствительности к обобщенной характеристике по приведенной выше методике невозможно, однако этот коэффициент может быть рассчитан [3]. Некоторые экспериментальные результаты приведены на рис. 4.
б) в)
Рис. 3. Тест-объекты для оценки заметности изменения яркости (а), детальности (б), пространственных искажений (в) изображения
120
100
80
60 В, кд/м
k2
а)
k3
1,0
0,5 Н
д, %
б)
Рис. 4. Зависимости коэффициентов чувствительности к частным параметрам изображения от физических параметров изображения:
а - зависимость коэффициента чувствительности k1 к яркости от величины яркости B; б - зависимость коэффициента чувствительности k2 к четкости от величины детальности R; в - зависимость коэффициента чувствительности kз к геометрическому подобию от величины геометрических искажений элементов изображения А
k
На основании полученных результатов можно сделать выводы о том, что поскольку коэффициенты чувствительности к яркости изображения ^ »0,7...0,9 и характеристикам, определяющим геометрическое подобие элементов изображения kз » 0,5, в незначительной степени зависят от условий рассматривания изображения, в качестве их значений могут быть приняты усредненные значения для любых условий рассматривания изображения, для любых типов зрительных залов. Коэффициент чувствительности к характеристикам, определяющим четкость изображения, должен быть определен для конкретного зала.
При проведении исследований стало очевидным, что вследствие влияния большого числа внешних факторов и особенностей субъективного восприятия, закономерности изменения коэффициентов чувствительности могут быть обнаружены только при больших объемах экспериментальных результатов, а резуль-
таты проводимой экспертизы становятся более достоверными в том случае, когда эксперту задаются более простые вопросы. Эти особенности были учтены при разработке программного и информационного обеспечения, используемого при проведении экспертизы и при обработке полученных результатов [4]. Информационное обеспечение включало анкеты для регистрации ответов экспертов и тест-фильмы, которые предъявлялись экспертам. Каждая часть фильма предназначалась для оценки коэффициента чувствительности при определенном значении искажения и содержала две последовательности изображений: для тест-объекта и сюжета. Программное обеспечение позволяло обрабатывать полученные экспериментальные результаты.
Предложенная методика и результаты, полученные в результате ее использования, могут быть полезны при решении квалиметрических, классификационных и сертификационных вопросов, связанных с аудиовизуальными системами.
Список литературы
1. Леонов, Ю.М. Теория статистических решений и психофизика / Ю.М. Леонов. - М. : Наука, 1977. - 223 с.
2. Нестерова, Е.И. Методология экспертной квалиметрии и сертификации систем качества в кинематографии / Е.И. Нестерова. - СПб. : Политехника, 2005. -248 с.
3. Нестерова, Е. И. Экспертная квалиметрия : коэффициенты весомости обобщенных характеристик / Е.И. Нестерова // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве : материалы XVIII Всероссийской научнотехнической конференции (Computer-Based Conferences) / Межрегион. Верхн.-Волж. отд-ние Акад. технолог. наук РФ. - Н. Новгород, 2006. - С. 15-11.
4. Нестерова, Е. И. Программное обеспечение субъективных квалиметриче-ских экспертиз / Е.И. Нестерова // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве : материалы XV Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conferences) / Межрегион. Верхн.-Волж. отд-ние Акад. технолог. наук РФ. - Н. Новгород, 2005. - С. 9-15.
Evaluation of Sensitivity Indexes to Particular Parameters Determining the Quality of Image
E.I. Nesterova
Department of Precision Technologies and Cinema and Video Equipment Certification, St. Petersburg State University of Cinema and Television
Key words and phrases: audio-visual systems; intelligent qualimetric methods; ponderability coefficients; psycho-physical qualimetric methods; qualimetric characteristics; sensitivity coefficients.
Abstract: The possibilities of using psycho-physical subjective qualimetric expert examinations for evaluation of the results of transformations in audio-visual systems are considered. Experimental methodology of evaluation of sensitivity coefficients to particular qualimetric characteristics of image provided by audio-visual system is
given; it is based on the possibility of visual analyzer to detect changes in evaluated characteristics.
Einschatzung der Koeffizienten der Empfindlichkeit zu den die Abbildungsqualitat bestimmenden Einzelparametern
Zusammenfassung: Im Artikel werden die Moglichkeiten der Benutzung der psychophysikalischen subjektiven Qualimetriexpertisen fur die Einschatzung der Umgestaltungsergebnissen, die in den Audiovisuellsystemen erfolgen, betrachtet. Es wird die Experimentellmethodik der Einschatzung der Empfehlungskoeffizienten zu den einzelqualimetrischen Charakteristiken der Abbildung, die auf die Moglichkeit des Sehanalysators die Veranderungen der einschatzenden Charakteristiken begrundet ist, angefuhrt.
Estimation du coefficient de sensibilite pour les parametres particuliers definissant la qualite de l’image
Resume: Sont examinees les possibilites de l’utilisation des expertises qualimetriques psychophysiques subjectives pour l’estimation des resultats des transformations qui ont lieu dans les systemes audivisuels. Est effectuee une methode experimentale de l’estimation du coefficient de sensibilite pour les caracteristiques particulieres qualimetriques de l’image, assurees par le systeme audivisuel, qui est fondee sur la possibilite de l’analysateur visuel de remarquer les changements des caracteristiques estimees.
