단순 라플라스 연산자를 사용한 새로운 고속 및 고성능 영상 화질 측정 척도

Abstract

영상 처리 및 컴퓨터 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. 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 correlated with perceived visual quality, much effort has been made to develop new image quality assessment (IQA) metrics having both the desirable mathematical properties aforementioned and high prediction performances for subjective visual quality scores. Although recent IQA metrics having the desirable mathematical properties have shown to give some promising results in prediction performance for visual quality scores, they also have high computation complexities. In order to alleviate this problem, we propose a new fast IQA metric using a simple Laplace operator. Since the Laplace operator used in our IQA metric can not only effectively mimic operations of receptive fields in retina for luminance stimulus but also be simply computed, our IQA metric can yield both very fast processing speed and high prediction performance. In order to verify the effectiveness of the proposed IQA metric, our method is compared to some state-of-the-art IQA metrics. The experimental results showed that the proposed IQA metric has the fastest running speed compared the IQA methods except MSE under comparison. Moreover, our IQA metric achieves the best prediction performance for subjective image quality scores among the state-of-the-art IQA metrics under test.