一般进行图像噪声的评估手段有四种,分别是:
下面分别介绍这四种评估指标。
均方差值是用于比较两幅图像 K K K, I I I 的均方差值
M S E = 1 m n ∑ i = 0 n − 1 ∑ j = 0 m − 1 ∥ K ( i , j ) − I ( i , j ) ∥ 2 M S E=\frac{1}{m n} \sum_{i=0}^{n-1} \sum_{j=0}^{m-1}\|K(i, j)-I(i, j)\|^{2} MSE=mn1i=0∑n−1j=0∑m−1∥K(i,j)−I(i,j)∥2
SNR用于描述信号与噪声的比值
S N R ( d B ) = 10 log 10 [ ∑ x = 0 m − 1 ∑ y = 0 n − 1 ( f ( x , y ) ) 2 ∑ x = 0 m − 1 ∑ y = 0 n − 1 ( f ( x , y ) − f ^ ( x , y ) ) 2 ] S N R(d B)=10 \log _{10}\left[\frac{\sum_{x=0}^{m-1} \sum_{y=0}^{n-1}(f(x, y))^{2}}{\sum_{x=0}^{m-1} \sum_{y=0}^{n-1}(f(x, y)-\hat{f}(x, y))^{2}}\right] SNR(dB)=10log10[∑x=0m−1∑y=0n−1(f(x,y)−f^(x,y))2∑x=0m−1∑y=0n−1(f(x,y))2]
下面的代码是加入信噪比未为level
dB的噪声的代码:
def add_noise(y, level):
with torch.no_grad():
sigma = 10 ** (- (1 / 20) * level)
y = y + sigma * torch.randn(y.size()).to(self.device)
return y
给定一个大小为 m × n m\times n m×n的干净图像 I I I和噪声图像 K K K,均方误差( M S E MSE MSE)定义为:
M S E = 1 m n ∑ i = 0 m − 1 ∑ j = 0 n − 1 [ I ( i , j ) − K ( i , j ) ] 2 M S E=\frac{1}{m n} \sum_{i=0}^{m-1} \sum_{j=0}^{n-1}[I(i, j)-K(i, j)]^{2} MSE=mn1i=0∑m−1j=0∑n−1[I(i,j)−K(i,j)]2
在此基础上,PSNR(dB)被定义为:
P S N R = 10 ⋅ log 10 ( M A X I 2 M S E ) P S N R=10 \cdot \log _{10}\left(\frac{M A X_{I}^{2}}{M S E}\right) PSNR=10⋅log10(MSEMAXI2)
其中 M A X I 2 MAX_I^2 MAXI2为图片可能的最大像素值。如果每个像素都由 8 位二进制来表示,那么就为 255。通常,如果像素值由 B B B位二进制来表示,那么 M A X I = 2 B − 1 MAX_I=2^B-1 MAXI=2B−1。
一般地,针对 uint8 数据,最大像素值为 255;针对浮点型数据,最大像素值为 1。
如果是彩色图像,通常有三种方法来计算。
其中,第二和第三种方法比较常见。
峰值信噪比PSNR衡量图像失真或是噪声水平的客观标准。2个图像之间PSNR值越大,则越相似。普遍基准为30dB,30dB以下的图像劣化较为明显。
方法一:利用skimage模块的compare_psnr
函数计算。
# method 1
diff = im1 - im2
mse = np.mean(np.square(diff))
psnr = 10 * np.log10(255 * 255 / mse)
# method 2
psnr = skimage.measure.compare_psnr(im1, im2, 255)
方法二:来自大佬LeCun的PSNR函数:
# 计算PSNR
def PSNR(target, pred, R=1, dummy=1e-4, reduction='mean'):
with torch.no_grad():
dims = (1, 2, 3) if len(target.shape) == 4 else 1
mean_sq_err = ((target - pred) ** 2).mean(dims)
mean_sq_err = mean_sq_err + (mean_sq_err == 0).float() * dummy # if 0, fill with dummy -> PSNR of 40 by default
output = 10 * torch.log10(R ** 2 / mean_sq_err)
if reduction == 'mean':
return output.mean()
elif reduction == 'none':
return output
SSIM 描述两个图像的相似性,公式基于样本 x x x和 y y y之间的三个比较衡量:亮度 (luminance)、对比度 (contrast) 和结构 (structure)。
l ( x , y ) = 2 μ x μ y + c 1 μ x 2 + μ y 2 + c 1 c ( x , y ) = 2 σ x σ y + c 2 σ x 2 + σ y 2 + c 2 s ( x , y ) = σ x y + c 3 σ x σ y + c 3 l(x, y)=\frac{2 \mu_{x} \mu_{y}+c_{1}}{\mu_{x}^{2}+\mu_{y}^{2}+c_{1}} c(x, y)=\frac{2 \sigma_{x} \sigma_{y}+c_{2}}{\sigma_{x}^{2}+\sigma_{y}^{2}+c_{2}} s(x, y)=\frac{\sigma_{x y}+c_{3}}{\sigma_{x} \sigma_{y}+c_{3}} l(x,y)=μx2+μy2+c12μxμy+c1c(x,y)=σx2+σy2+c22σxσy+c2s(x,y)=σxσy+c3σxy+c3
一般取 c 3 = c 2 / 2 c_3=c_2/2 c3=c2/2。
那么:
SSIM ( x , y ) = [ l ( x , y ) α ⋅ c ( x , y ) β ⋅ s ( x , y ) γ ] \operatorname{SSIM}(x, y)=\left[l(x, y)^{\alpha} \cdot c(x, y)^{\beta} \cdot s(x, y)^{\gamma}\right] SSIM(x,y)=[l(x,y)α⋅c(x,y)β⋅s(x,y)γ]
将 α , β , γ \alpha,\beta,\gamma α,β,γ设为 1,可以得到
SSIM ( x , y ) = ( 2 μ x μ y + c 1 ) ( 2 σ x y + c 2 ) ( μ x 2 + μ y 2 + c 1 ) ( σ x 2 + σ y 2 + c 2 ) \operatorname{SSIM}(x, y)=\frac{\left(2 \mu_{x} \mu_{y}+c_{1}\right)\left(2 \sigma_{x y}+c_{2}\right)}{\left(\mu_{x}^{2}+\mu_{y}^{2}+c_{1}\right)\left(\sigma_{x}^{2}+\sigma_{y}^{2}+c_{2}\right)} SSIM(x,y)=(μx2+μy2+c1)(σx2+σy2+c2)(2μxμy+c1)(2σxy+c2)
每次计算的时候都从图片上取一个 N × M N\times M N×M的窗口,然后不断滑动窗口进行计算,最后取平均值作为全局的 SSIM。
SSIM返回图像的MSSIM。这也是一个介于零和一之间的浮点数(越高越好)
# im1 和 im2 都为灰度图像,uint8 类型
ssim = skimage.measure.compare_ssim(im1, im2, data_range=255)