(高清版)GB∕T 38199-2019 陸地觀測(cè)衛(wèi)星光學(xué)影像壓縮質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

ICS33.200V80中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星光學(xué)影像壓縮質(zhì)量評(píng)價(jià)方法Ev2019-10-18發(fā)布2020-05-01實(shí)施國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局GB／T38199—2019前言 引言 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4縮略語(yǔ) 5模擬數(shù)據(jù)源要求 6主觀評(píng)價(jià) 7客觀評(píng)價(jià) 7.2分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值 7.3灰度差值均值 7.4峰值信噪比 8評(píng)價(jià)結(jié)果判定 ⅠGB／T38199—2019本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC425)提出并歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所。ⅡGB／T38199—2019近年來(lái)，我國(guó)陸地觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量日益增多，遙感應(yīng)用廣度和深度迅速發(fā)展，正從科研實(shí)驗(yàn)型向應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，用戶對(duì)陸地觀測(cè)衛(wèi)星光學(xué)影像質(zhì)量提出越來(lái)越高的要求。受到衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和傳輸能力的影響，部分陸地觀測(cè)衛(wèi)星采用有損壓縮技術(shù)。壓縮能帶來(lái)傳輸和存儲(chǔ)效率的提高，也會(huì)引起影像紋理細(xì)節(jié)的損失，目前我國(guó)尚缺乏科學(xué)、規(guī)范的陸地觀測(cè)衛(wèi)星影像壓縮評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用本標(biāo)準(zhǔn)所使用的壓縮質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的資源系列、環(huán)境系列衛(wèi)星光學(xué)影像實(shí)現(xiàn)了壓縮質(zhì)量評(píng)價(jià)的規(guī)范化管理，對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(HJ-1A/B)、資源一號(hào)04(CBERS-04)等衛(wèi)星壓縮方案的優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用。1GB／T38199—2019陸地觀測(cè)衛(wèi)星光學(xué)影像壓縮質(zhì)量評(píng)價(jià)方法本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)陸地觀測(cè)衛(wèi)星可見(jiàn)光全色／多光譜壓縮模擬數(shù)據(jù)源要求、主觀評(píng)價(jià)、客觀評(píng)價(jià)和評(píng)價(jià)結(jié)果判定方面的內(nèi)容。本標(biāo)準(zhǔn)適用于陸地觀測(cè)衛(wèi)星研制階段壓縮對(duì)可見(jiàn)光全色／多光譜影像質(zhì)量的影響，高光譜和紅外影像壓縮質(zhì)量評(píng)價(jià)可參照使用。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T14950—2009攝影測(cè)量與遙感術(shù)語(yǔ)3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T14950—2009界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1影像壓縮通過(guò)去除影像灰度數(shù)據(jù)冗余，以節(jié)省存儲(chǔ)空間的影像處理技術(shù)。3.2有損壓縮壓縮允許與原影像有某種合理程度的失真，且滿足合理保真度限制的壓縮。3.3主觀評(píng)價(jià)通過(guò)人眼的觀測(cè)，由人的主觀感覺(jué)對(duì)影像質(zhì)量做出評(píng)定。3.4客觀評(píng)價(jià)使用客觀、量化的指標(biāo)評(píng)價(jià)影像質(zhì)量。3.5影像直方圖表示影像灰度值與像元數(shù)之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的概率密度分布圖。4縮略語(yǔ)下列縮略語(yǔ)適用于本文件。每英寸點(diǎn)數(shù)(2GB／T38199—20195模擬數(shù)據(jù)源要求模擬數(shù)據(jù)源要求包括生成模擬數(shù)據(jù)的一般要求和特殊要求，一般要求為本標(biāo)準(zhǔn)提供的兩種方法生成模擬影像的共性要求，特殊要求為根據(jù)兩種方法各自獨(dú)立的要求。5.2一般要求一般采用兩種方式生成模擬影像：采用空間分辨率相近或更高的未經(jīng)壓縮光學(xué)影像（含航空和航天）和航片數(shù)字化掃描。兩種方法的一般要求如下：a)載荷特性要求如下：1)量化位數(shù)：與所研制衛(wèi)星載荷的量化位數(shù)一致；2)波段設(shè)置：與所研制衛(wèi)星載荷的波段設(shè)置一致。b)地物特征如下：1)影像種類：具有代表性，充分反映光學(xué)影像的地域特征（涵蓋南北緯80°之間的范圍）、地形2)影像亮度：體現(xiàn)不同的亮度，低亮度均值為低于灰度最大值的30%,中等亮度均值為灰度最大值的30%~50%,高亮度均值為高于灰度最大值的50%。c)影像數(shù)量：不小于10幅，有條件時(shí)影像數(shù)量超過(guò)20幅。5.3特殊要求5.3.1采用空間分辨率更高的光學(xué)影像要求要求如下：a)空間分辨率：高于待模擬影像空間分辨率的3倍、4倍或5倍。將其進(jìn)行降采樣處理，使其分辨率等于或接近與所研制衛(wèi)星載荷。b)重采樣方式：立方卷積。5.3.2采用航片數(shù)字化掃描要求要求如下：a)掃描分辨率：影像空間分辨率等于掃描分辨率除以攝影比例尺的分母，根據(jù)這一約束條件計(jì)算掃描分辨率，掃描分辨率宜為250DPI~1000DPI。b)掃描儀光源亮度：當(dāng)掃描儀光源亮度增高，影像的灰度均值增高。通過(guò)設(shè)置掃描儀光源的亮度，可使影像直方圖范圍與所研制衛(wèi)星載荷對(duì)真實(shí)地物成像一致或相近。c)掃描儀量化位數(shù)：掃描儀的量化位數(shù)等于影像的量化位數(shù)，通過(guò)設(shè)置掃描儀量化比特?cái)?shù)，使影像的量化位數(shù)與設(shè)計(jì)值一致。6主觀評(píng)價(jià)主觀評(píng)價(jià)包括顯示方式、評(píng)價(jià)方式、評(píng)價(jià)要素和評(píng)價(jià)打分。3GB／T38199—2019軟拷貝要求如下：a)顯示器設(shè)置：影像處理軟件在顯示一幅影像時(shí)，顯示尺寸與屏幕分辨率匹配。此外，屏幕分辨率設(shè)置不恰當(dāng)可能使像元呈現(xiàn)長(zhǎng)方形，造成影像的變形，因此需要關(guān)注顯示器分辨率設(shè)定，特別是相互比例設(shè)置，避免出現(xiàn)幾何畸變。b)放大比例：影像在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，一般可采用100%全分辨率顯示。為了進(jìn)一步觀測(cè)影像細(xì)節(jié)特征，可采用較大的放大比例，放大比例可為200%~400%。c)顯示器標(biāo)定：使用的顯示器要經(jīng)過(guò)必要的標(biāo)定。硬拷貝要求如下：a)介質(zhì)：硬拷貝介質(zhì)包括膠片和紙張，打印介質(zhì)建議采用相紙。b)打印分辨率：根據(jù)人眼視覺(jué)特性，打印分辨率可設(shè)為50DPI~100DPI。c)輸出設(shè)備標(biāo)定：輸出設(shè)備應(yīng)經(jīng)過(guò)必要的標(biāo)定。評(píng)價(jià)方式如下：a)人員參與：由不少于10名專家構(gòu)成。b)評(píng)價(jià)方法：主觀評(píng)價(jià)采用4分制效果描述評(píng)價(jià)。針對(duì)影像模糊、變形及影像配準(zhǔn)等質(zhì)量情況，借鑒視頻影像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。表14分制目視評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分綜合效果效果描述0很差影像紋理細(xì)節(jié)模糊，平坦區(qū)域大面積抹平，地物發(fā)生明顯扭曲，多波段配準(zhǔn)重影嚴(yán)重，影像幾乎沒(méi)有應(yīng)用效果1較差影像紋理細(xì)節(jié)模糊，線性地物發(fā)生一定扭曲，多波段配準(zhǔn)有重影現(xiàn)象，影像應(yīng)用效果受到較大影響2一般影像紋理細(xì)節(jié)可見(jiàn)模糊，線性地物發(fā)生小頻率扭曲，多波段配準(zhǔn)少見(jiàn)重影現(xiàn)象，影像應(yīng)用效果受到一定影響3較好影像紋理細(xì)節(jié)只在平坦區(qū)域隱約可見(jiàn)模糊，細(xì)小線性地物極少發(fā)生小幅度扭曲，多波段配準(zhǔn)難現(xiàn)重影現(xiàn)象，影像應(yīng)用效果所受影響忽略不計(jì)4優(yōu)良影像變化難以察覺(jué)，應(yīng)用不受影響6.5評(píng)價(jià)打分在評(píng)價(jià)過(guò)程中進(jìn)一步采用相對(duì)尺度判據(jù)，用其評(píng)價(jià)一組解壓恢復(fù)影像對(duì)應(yīng)原始影像的相對(duì)質(zhì)量，為了保證統(tǒng)計(jì)上的可靠性，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算見(jiàn)式(1)。4GB／T38199—2019IJ式中：-c—平均意見(jiàn)的分?jǐn)?shù)；j—第i名專家對(duì)第jI—專家總數(shù)；J—影像總數(shù)。7客觀評(píng)價(jià)客觀評(píng)價(jià)包括分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值、灰度差值均值和峰值信噪比三種評(píng)價(jià)指標(biāo)。7.2分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值通過(guò)對(duì)整幅影像均勻分塊后，比較解壓恢復(fù)影像相對(duì)于原始影像的分塊標(biāo)準(zhǔn)差，可以反應(yīng)影像細(xì)節(jié)的退化。推薦以5×5像素的窗口為單位將整幅影像分塊，最后計(jì)算各分塊影像標(biāo)準(zhǔn)差的平均值作為影像分塊標(biāo)準(zhǔn)差。分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值相關(guān)計(jì)算公式見(jiàn)式(2)~式(5)。式中：σ—子塊灰度標(biāo)準(zhǔn)差；∞—影像子塊的列數(shù)；h—影像子塊的行數(shù)；ijj）點(diǎn)的灰度值；μ—影像子塊平均灰度值。S式中：σf—原始影像分塊標(biāo)準(zhǔn)差均值；σs—第s子塊標(biāo)準(zhǔn)差； 式中：R—分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值；—解壓恢復(fù)影像分塊標(biāo)準(zhǔn)差均值。7.3灰度差值均值解壓恢復(fù)影像與原始影像灰度差值均值計(jì)算見(jiàn)式(6)。5GB／T38199—2019式中：diff—解壓恢復(fù)影像與原始影像灰度差值的均值；M—影像行數(shù)；N—影像列數(shù)；ij）點(diǎn)的灰度值。7.4峰值信噪比峰值信噪比定義為與均方誤差相關(guān)的一個(gè)量，峰值信噪比計(jì)算見(jiàn)式（7）。式中：PSNR—峰值信噪比，單位為分貝（dBn—量化位數(shù)；MSE—均方誤差。均方誤差MSE計(jì)算見(jiàn)式（8）。8評(píng)價(jià)結(jié)果判定評(píng)價(jià)結(jié)果判定包括主觀評(píng)價(jià)結(jié)果、客觀評(píng)價(jià)結(jié)果和總體評(píng)價(jià)的判定。采用4分制評(píng)價(jià)，得分大于或等于3分，壓縮對(duì)影像質(zhì)量的影響可以接受。解壓恢復(fù)影像與原始影像相比，分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值大于80%，壓縮對(duì)影像質(zhì)量的影響可以接受。8.3.2灰度差值均值灰度差值均值小于0.4，壓縮對(duì)影像質(zhì)量的影響可以接受。紋理豐富的地物（例如城市、山地等地區(qū)峰值信噪比不低于42dB，壓縮對(duì)影像質(zhì)量的影響可以接受。紋理單一的地物（例如沙漠、水域等地區(qū)峰值信噪比不低于45dB，壓縮對(duì)影像質(zhì)量的影響可以接受?？傮w評(píng)價(jià)結(jié)果由主觀評(píng)價(jià)、分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值、灰度差值均值和峰值信噪比四種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果按照計(jì)算出的分值相加而得。具體計(jì)分方法如下，計(jì)分規(guī)則見(jiàn)表2。6GB／T38199—2019總體評(píng)價(jià)結(jié)果大于或等于7分且主觀評(píng)價(jià)分值大于或等于3分，壓縮對(duì)影像質(zhì)量的影響可以接受。表2計(jì)分規(guī)則評(píng)價(jià)方法計(jì)分規(guī)則分值主觀評(píng)價(jià)影像紋理細(xì)節(jié)模糊，平坦區(qū)域大面積抹平，地物發(fā)生明顯扭曲，多波段配準(zhǔn)重影嚴(yán)重，影像幾乎沒(méi)有應(yīng)用效果0影像紋理細(xì)節(jié)模糊，線性地物發(fā)生一定扭曲，多波段配準(zhǔn)有重影現(xiàn)象，影像應(yīng)用效果受到較大影響1影像紋理細(xì)節(jié)可見(jiàn)模糊，線性地物發(fā)生小頻率扭曲，多波段配準(zhǔn)少見(jiàn)重影現(xiàn)象，影像應(yīng)用效果受到一定影響2影像紋理細(xì)節(jié)只在平坦區(qū)域隱約可見(jiàn)模糊，細(xì)小線性地物極少發(fā)生小幅度扭曲，多波段配準(zhǔn)難現(xiàn)重影現(xiàn)象，影像應(yīng)用效果所受影響忽略不計(jì)3影像變化難以察覺(jué)，應(yīng)用不受影響4分