图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、SSIM基本定义

SSIM全称为“Structural Similarity Index”,中文意思即为结构相似性,是衡量图像质量的指标之一。给定两张图像x和y,其结构相似性可以定义为:

图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)

matlab中对SSIM的文档说明:

SSIM的范围为[0,1],其值越大,表示图像的质量越好。当两张图像一模一样时,此时SSIM=1。计算SSIM有两种方法:

方法一:使用开源结构相似性函数

方法二:直接使用matlab的内置函数ssim()

matlab中对ssim()函数的文档说明:
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)

二、matlab实现SSIM

1、方法二:SSIM.m

function [mssim, ssim_map] = SSIM(img1, img2, K, window, L)

% ========================================================================
% SSIM Index with automatic downsampling, Version 1.0
% Copyright(c) 2009 Zhou Wang
% All Rights Reserved.
%
% ----------------------------------------------------------------------
% Permission to use, copy, or modify this software and its documentation
% for educational and research purposes only and without fee is hereby
% granted, provided that this copyright notice and the original authors'
% names appear on all copies and supporting documentation. This program
% shall not be used, rewritten, or adapted as the basis of a commercial
% software or hardware product without first obtaining permission of the
% authors. The authors make no representations about the suitability of
% this software for any purpose. It is provided "as is" without express
% or implied warranty.
%----------------------------------------------------------------------
%
% This is an implementation of the algorithm for calculating the
% Structural SIMilarity (SSIM) index between two images
%
% Please refer to the following paper and the website with suggested usage
%
% Z. Wang, A. C. Bovik, H. R. Sheikh, and E. P. Simoncelli, "Image
% quality assessment: From error visibility to structural similarity,"
% IEEE Transactios on Image Processing, vol. 13, no. 4, pp. 600-612,
% Apr. 2004.
%
% http://www.ece.uwaterloo.ca/~z70wang/research/ssim/
%
% Note: This program is different from ssim_index.m, where no automatic
% downsampling is performed. (downsampling was done in the above paper
% and was described as suggested usage in the above website.)
%
% Kindly report any suggestions or corrections to zhouwang@ieee.org
%
%----------------------------------------------------------------------
%
%Input : (1) img1: the first image being compared
%        (2) img2: the second image being compared
%        (3) K: constants in the SSIM index formula (see the above
%            reference). defualt value: K = [0.01 0.03]
%        (4) window: local window for statistics (see the above
%            reference). default widnow is Gaussian given by
%            window = fspecial('gaussian', 11, 1.5);
%        (5) L: dynamic range of the images. default: L = 255
%
%Output: (1) mssim: the mean SSIM index value between 2 images.
%            If one of the images being compared is regarded as
%            perfect quality, then mssim can be considered as the
%            quality measure of the other image.
%            If img1 = img2, then mssim = 1.
%        (2) ssim_map: the SSIM index map of the test image. The map
%            has a smaller size than the input images. The actual size
%            depends on the window size and the downsampling factor.
%
%Basic Usage:
%   Given 2 test images img1 and img2, whose dynamic range is 0-255
%
%   [mssim, ssim_map] = ssim(img1, img2);
%
%Advanced Usage:
%   User defined parameters. For example
%
%   K = [0.05 0.05];
%   window = ones(8);
%   L = 100;
%   [mssim, ssim_map] = ssim(img1, img2, K, window, L);
%
%Visualize the results:
%
%   mssim                        %Gives the mssim value
%   imshow(max(0, ssim_map).^4)  %Shows the SSIM index map
%========================================================================


if (nargin < 2 || nargin > 5)
    mssim = -Inf;
    ssim_map = -Inf;
    return;
end

if (size(img1) ~= size(img2))
    mssim = -Inf;
    ssim_map = -Inf;
    return;
end

[M N] = size(img1);

if (nargin == 2)
    if ((M < 11) || (N < 11))
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return
    end
    window = fspecial('gaussian', 11, 1.5);	%
    K(1) = 0.01;					% default settings
    K(2) = 0.03;					%
    L = 255;                                     %
end

if (nargin == 3)
    if ((M < 11) || (N < 11))
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return
    end
    window = fspecial('gaussian', 11, 1.5);
    L = 255;
    if (length(K) == 2)
        if (K(1) < 0 || K(2) < 0)
            mssim = -Inf;
            ssim_map = -Inf;
            return;
        end
    else
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return;
    end
end

if (nargin == 4)
    [H W] = size(window);
    if ((H*W) < 4 || (H > M) || (W > N))
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return
    end
    L = 255;
    if (length(K) == 2)
        if (K(1) < 0 || K(2) < 0)
            mssim = -Inf;
            ssim_map = -Inf;
            return;
        end
    else
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return;
    end
end

if (nargin == 5)
    [H W] = size(window);
    if ((H*W) < 4 || (H > M) || (W > N))
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return
    end
    if (length(K) == 2)
        if (K(1) < 0 || K(2) < 0)
            mssim = -Inf;
            ssim_map = -Inf;
            return;
        end
    else
        mssim = -Inf;
        ssim_map = -Inf;
        return;
    end
end


img1 = double(img1);
img2 = double(img2);

% automatic downsampling
f = max(1,round(min(M,N)/256));
%downsampling by f
%use a simple low-pass filter
if(f>1)
    lpf = ones(f,f);
    lpf = lpf/sum(lpf(:));
    img1 = imfilter(img1,lpf,'symmetric','same');
    img2 = imfilter(img2,lpf,'symmetric','same');
    
    img1 = img1(1:f:end,1:f:end);
    img2 = img2(1:f:end,1:f:end);
end

C1 = (K(1)*L)^2;
C2 = (K(2)*L)^2;
window = window/sum(sum(window));

mu1   = filter2(window, img1, 'valid');
mu2   = filter2(window, img2, 'valid');
mu1_sq = mu1.*mu1;
mu2_sq = mu2.*mu2;
mu1_mu2 = mu1.*mu2;
sigma1_sq = filter2(window, img1.*img1, 'valid') - mu1_sq;
sigma2_sq = filter2(window, img2.*img2, 'valid') - mu2_sq;
sigma12 = filter2(window, img1.*img2, 'valid') - mu1_mu2;

if (C1 > 0 && C2 > 0)
    ssim_map = ((2*mu1_mu2 + C1).*(2*sigma12 + C2))./((mu1_sq + mu2_sq + C1).*(sigma1_sq + sigma2_sq + C2));
else
    numerator1 = 2*mu1_mu2 + C1;
    numerator2 = 2*sigma12 + C2;
    denominator1 = mu1_sq + mu2_sq + C1;
    denominator2 = sigma1_sq + sigma2_sq + C2;
    ssim_map = ones(size(mu1));
    index = (denominator1.*denominator2 > 0);
    ssim_map(index) = (numerator1(index).*numerator2(index))./(denominator1(index).*denominator2(index));
    index = (denominator1 ~= 0) & (denominator2 == 0);
    ssim_map(index) = numerator1(index)./denominator1(index);
end
mssim = mean2(ssim_map);
return

2、主函数main.m

clc;clear;close all;
rgbimage=imread('boy.jpg');
attack_rgbimage=imnoise(rgbimage,'salt & pepper',0.1);
figure(1),
subplot(121),imshow(rgbimage);
title('原始图像');
subplot(122),imshow(attack_rgbimage);
title('噪声攻击图像');

ssimval1=SSIM(rgbimage,attack_rgbimage);% 方法一
disp('SSIM函数的结构相似性:');
disp(ssimval1);

ssimval2=ssim(rgbimage,attack_rgbimage);% 方法二
disp('matlab内置函数的结构相似性:');
disp(ssimval2);

三、实现结果分析

1、输出结果
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)
2、结果分析

1、注意每次运行主函数main.m文件,输出的SSIM值都会有细微差别,可以对比上下两张图。
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)
2、可以发现开源函数计算的SSIM值总比matlab内置函数计算的SSIM值大,具体原因不可知。

3、仅以椒盐噪声的参数为讨论,我们将主函数main.m文件椒盐噪声的方差改为0.01,可以与上方得到方差为0.05的SSIM结果进行对比,可以看出得到的SSIM要大很多。
图像处理之图像质量评价指标SSIM(结构相似性)

参考博客:图像质量评估指标:MSE,PSNR,SSIM文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-466263.html

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