文章目录
- 前言
- 一、分贝（dB）的原理
- [二、峰值信噪比（PSNR, Peak Signal-to-Noise Ratio）](#二、峰值信噪比（PSNR, Peak Signal-to-Noise Ratio）)
- [三、信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）](#三、信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）)
- [四、动态范围（Dynamic Range）](#四、动态范围（Dynamic Range）)
- 五、分贝的意义
- [六、结构相似性指数（SSIM, Structural Similarity Index）](#六、结构相似性指数（SSIM, Structural Similarity Index）)
- 七、多尺度结构相似性指数（MS-SSIM）
- [八、平均绝对误差（MAE, Mean Absolute Error）](#八、平均绝对误差（MAE, Mean Absolute Error）)
- [九、视觉信息保真度（VIF, Visual Information Fidelity）](#九、视觉信息保真度（VIF, Visual Information Fidelity）)
- 十、学习感知图像块相似度（LPIPS）
- 总结
前言
在图像处理 中，参数的衡量常涉及对数单位（如分贝，dB） ，主要用于量化信号的强度、噪声水平或图像质量的相对变化。以下是常见参数的原理、计算方法和示例：
一、分贝（dB）的原理
分贝（Decibel）是一种对数单位 ，用于表示两个量（如信号与噪声）的比值 。其核心优势是将大范围的数值压缩到更易处理的尺度 ，并符合人类感官对强度的非线性感知特性。
1.公式
其中 𝑃1和 𝑃2是两个功率值 。若涉及幅度值（如电压、像素强度） ，公式需平方：
二、峰值信噪比（PSNR, Peak Signal-to-Noise Ratio）
1.用途
用途：衡量图像压缩或重建后的质量 （对比原始图像）。
2.公式
3.示例
三、信噪比（SNR, Signal-to-Noise Ratio）
1.用途
用途：量化信号中有效信息与噪声的比例。
2.公式
3.示例
四、动态范围（Dynamic Range）
1.用途
用途：描述图像中最亮与最暗区域的比值。
2.公式
五、分贝的意义
1.直观性
直观性：分贝将大范围数值压缩为小范围
（如 1:1000 → 30dB）。
2.人眼适应性
人眼适应性：符合人类对亮度变化的非线性感知 （韦伯-费希纳定律）。
3.标准化比较
标准化比较：便于跨不同设备或场景的图像质量评估。
六、结构相似性指数（SSIM, Structural Similarity Index）
1.原理
SSIM通过比较亮度（Luminance）、对比度（Contrast）和结构（Structure）三个因素来评估两幅图像的相似性 ，范围在**[-1, 1]**之间，1表示完全相同。
2.公式
3.示例代码
python
from skimage.metrics import structural_similarity as ssim
import cv2
读取图像（需保证尺寸相同）
img1 = cv2.imread('original.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
img2 = cv2.imread('processed.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
#计算SSIM
ssim_score = ssim(img1, img2, data_range=255) # 8位图像范围为0-255
print(f"SSIM: {ssim_score:.4f}")七、多尺度结构相似性指数（MS-SSIM）
1.原理
MS-SSIM在多个尺度（分辨率）下计算SSIM，综合各尺度的结果，更符合人类视觉系统 对多分辨率特征的感知。
2.示例代码
python
import tensorflow as tf # 需要安装tensorflow或使用其他库
#使用TensorFlow的MS-SSIM实现
def compute_ms_ssim(img1, img2):
img1 = tf.convert_to_tensor(img1, dtype=tf.float32)
img2 = tf.convert_to_tensor(img2, dtype=tf.float32)
return tf.image.ssim_multiscale(img1, img2, max_val=255)
#示例（假设img1和img2为numpy数组，形状[H, W, C]）
ms_ssim_score = compute_ms_ssim(img1, img2)
print(f"MS-SSIM: {ms_ssim_score.numpy():.4f}")八、平均绝对误差（MAE, Mean Absolute Error）
1.原理
计算两图像像素差的绝对值的均值，单位与像素强度相同。
2.公式
3.示例代码
python
def compute_mae(img1, img2):
return np.mean(np.abs(img1 - img2))
mae = compute_mae(img1, img2)
print(f"MAE: {mae:.2f}")九、视觉信息保真度（VIF, Visual Information Fidelity）
1.原理
通过自然场景统计模型 和人类视觉系统的失真感知 来评估图像质量，值越大表示质量越好 （通常范围在0到1之间）。
2.示例代码
python
#需要安装piq库：pip install piq
from piq import vif_p
#输入为PyTorch张量，形状[B, C, H, W]（B为批次大小）
img1_tensor = torch.tensor(img1).unsqueeze(0).permute(0, 3, 1, 2) # 示例转换
img2_tensor = torch.tensor(img2).unsqueeze(0).permute(0, 3, 1, 2)
vif_score = vif_p(img1_tensor, img2_tensor)
print(f"VIF: {vif_score.item():.4f}")十、学习感知图像块相似度（LPIPS）
1.原理
基于深度学习模型（如VGG）提取特征，计算特征空间的距离 ，值越小表示越相似。
2.示例代码
python
#需要安装lpips库：pip install lpips
import lpips
loss_fn = lpips.LPIPS(net='vgg') # 使用VGG网络
img1_tensor = lpips.im2tensor(lpips.load_image('original.png'))
img2_tensor = lpips.im2tensor(lpips.load_image('processed.png'))
lpips_score = loss_fn(img1_tensor, img2_tensor)
print(f"LPIPS: {lpips_score.item():.4f}")总结
以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了分贝、峰值信噪比、信噪比、动态范围等的公式、原理以及使用。