远紫外遥感O/N2反演图像质量的评价方法

电离层的状态监测对无线电通讯、导航等应用领域具有重要意义。自20世纪 70年代以来，为探测电离层的成分和温度变化情况，美国陆续发射了多颗携带远紫外成像光谱仪的卫星。这大大推动了根据远紫外成像光谱仪观测数据计算电离层参量的反演技术的发展，尤其是美国约翰霍普金斯大学应用物理试验室 (Applied PhysicalLab，APL)相关的反演算法 f ]相对成熟，许多学者利用其反演计算结果进行了大量研究 [2-a]。

收稿日期：2013-04-15作者简介：王静(1986.)，女，河北保定人，博士，主要研究方向为电离层参量的远紫外光谱诊断技术。

E-mail：wangjingO10243###yahoo.corn.anhttp：//journa1.sitp.ac.cn/hw INFRARED(MONTHLY)/VOL.34，No.5，MAY 2013 近几年，基于全球紫外成像仪 (Global Ultra-violet Imager，GUVI)的观测结果，王静 引、彭圣锋[0]等人研究了远紫外气辉数据的反演方法，初步得到了电离层 O/N2全球图像，并分析了2002年9月 29日到 10月4日磁暴期间电离层 O/N2的变化情况。由于 GUVI网站上发布的 O/N2数据文件的直接显示与其作为终级产品发布的O/Nz全球图像之间存在-定的差异，为了对反演数据的准确性进行有效评判，寻找合理有效的客观评价方法变得十分迫切。本文将反演图像作为待评价图像并将 GUVI发布的图像作为参考图像，提出了-种基于图像的远紫外遥感 O/N2反演的质量评价方法。其核心思想是利用 RGB颜色空间的评价函数和 HSV颜色 -空间直方图相交匹配方法评价待评价图像与参考图像间的相似度，从图像角度研究远紫外遥感 O/N。反演结果的质量评价。

1质量评价方法本文中，待评价图像与参考图像都是利用RGB颜色空间来表示的。RGB颜色空间为不均匀的颜色空间，两种颜色之间的知觉差异不能通过该颜色空间中两个颜色点之间的距离来表示，也不符合人们对颜色相似性的主观判断。

而 HSV颜色空间中，亮度分量与图像的彩色信息无关；色调与饱和度分量与人感受颜色的方式紧密相连。因此，本文不仅利用 RGB颜色空间的评价函数对待评价图像与参考图像进行比较，还利用基于 HSV颜色 -空间的直方图法计算了待评价图像与参考图像间的相似度，得到了反演结果的客观质量评价结果。

1.1 RGB颜色空间的评价方法本文采用有参评价方法和无参评价方法 [7)8]来评价远紫外遥感电离层 O/N2的反演结果。其中，有参评价方法采用的评价函数为归-化均方误差 (Normalized Mean-Squared Error，NMSE)、信噪比 (Signal-to-Noise Ratio，SNR)和峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio，PSNR)；无参评价方法的评价函数为灰度平均梯度 (Gray MeanGrads，GMG)。

INFRARED(MONTHLY)/VoL.34，No.5，MAY 2013归-化均方误差是-种基于能量归-化的评价函数，其计算公式为NM sE M N M N(∑∑ ，歹)-，(， )/(∑∑[9( ， )(1)ii j1 iI j1式中，g(i，J)和f(i，J)分别为待评价图像和参考图像的像素灰度值。

信噪比和峰值信噪比也是用以比较待评价图像与参考图像信息含量的参数。假设图像的灰度值均已归-化到 [0，255]的区间内，信噪比和峰值信噪比的计算公式如下：sNRM N M N101og o ∑ /∑∑ )-，(， ]i1jl i1jl(2)PsNR M N1010g10[255 xMxN)/∑∑ ，j)-f(i， (3)t1 J1在有参图像质量评价函数中，归-化均方误差越小，信噪比与峰值信噪比就越大，图像质量就越好。

灰度平均梯度是分别对图像长度和宽度方向上的相邻像素灰度值求差后求平方和再求均方根值，其计算公式为GM G !! ± 2二 ! 2]!± ± ! 2二 ! )厶 L V 2 i-- 1 jl(4)灰度平均梯度反映图像的对比度和纹理变化特征，其值越大，图像质量就越好，图像越清晰。

1.2 HSV颜色空间直方图相交匹配方法颜色直方图能够描述不同色彩在整幅图像中所占的比例。基于颜色直方图特征的图像评价方法简单、高效，但丢失了颜色的空间分布信息，而颜色的空间分布特征对于区分图像的内容是非常重要的。因此，本文采用 HSV颜色http：//journa1.sitp.ac.cn/hw空间直方图相交匹配方法 [9，1o]评价电离层 O/N的反演结果，其流程如图 1所示。该方法压缩了直方图的颜色维数并在-定程度上保留了颜色的空间分布信息。

图 1 HSV颜色空间直方图相交匹配方法的流程(1)RGB到 HSV颜色空19变换本文中，待评价图像与参考图像均是在 RGB颜色空间表示的，因此首先要进行 RGB到HSV颜色空间的变换，其变换公式 n]为 1(RGB) (5)s1- m州 R，G，B) (6)日 丌 - 星三 c7式 中0arccos (R-G)(R-B)](R-G) (R-B)(G-B)(2)HSV颜色空间非均匀量化- 般末说，-幅图像中包含的色彩是十分丰富的。因此，颜色直方图矢量的维数非常多，这会带来很大的计算量。如果对 HSV颜色空间进行适当的量化后再计算直方图，可减少计算量，提高计算效率。本文中，在计算颜色直方图http：//journa1.sitp.ac.cn/hw之前，先将 HSV颜色空间按式 (8)非均匀量化成72维 [12，13]，以简化计算。

H 0，h∈[316，20]1，h∈[21，40]2，h∈41，75]3，h∈76，155]4，h∈[156，190]5，h∈[191，2706，h∈[271，295]7，h∈[296，315]1 0，h∈[0，0.2]S1，h∈[0.2，0.7I 2，h∈[0.7，11 0，h∈0，0.2]V1，h∈[0.2，0.7] (8)I 2，h∈0.7，1](3)颜色-空间直方图相交匹配法颜色-空间直方图需要分块，分块越多，包含的空间信息就越多。但分块过多会造成计算量增大。本文按从左到右、由上而下的顺序将待评价图像与参考图像分成 4x2个子块。首先分别计算待评价图像与参考图像每个子块的颜色直方图，例如-幅大小为 MxN的彩色图像，其颜色直方图中某颜色 A(ho，s0，v0)出现的概率可由下式得到j - (9)式中， K是颜色 A(ho，s0，v0)在图像中出现的次数。然后逐-计算待评价图像与参考图像对应子块的相似度；最后利用等权平均得到两组图像的整体相似度。

本文根据直方图相交匹配方法 [14]计算待评价图像与参考图像各对应子块间的相似度。若Pobj。 t( )和 。，( )分别表示待评价图像和参考图像各子块颜色直方图中颜色i的概率，则两图像对应子块的相似度 (P0bJ t， ，)为N ss(Pobj ， ，)∑min(Pobj ( )， 。，t 1(10)INFRARED(MONTHLY)/VoL.34，No.5，MAY 2013表 1 RGB颜色空间评价结果表 2 待评价 图像与参考图像的相似度由表 2可知，利用 HSV颜色空间直方图相交匹配方法计算得到 2002年9月29日到 10月4日连续 6天的平均整体相似度为 84.8%，说明待评价图像与参考图像具有较高的-致性，从而证明了远紫外遥感 O/N2反演算法的正确性。

3结论本文分别从 RGB和 HSV两种颜色空间对2002年 9月 29 El到 10月4日六幅 O/N2图像的反演质量进行了评价。其中将反演图像作为待评价图像，并将GUVI网站发布的图像作为参考图INFRARED(MONTHLY)/VOL.34，No.5，MAY 2013像。

在RGB颜色空间中，采用有参评价和无参评价多种评价函数 (GMG、 NMSE、 SNR和PSNR)衡量待评价图像与参考图像的-致性。无参评价结果表明两组图像的对比度差别不大；有参评价结果表明与参考图像相比，待评价图像与其接近程度为88.12%。在HSV颜色空间中，采用颜色直方图相交匹配方法计算得到了待评价图像与参考图像的局部相似度和整体相似度，(下转 第34页 )htp：//journa1.sitp.ac.cn/hw l 00 0 0≮ 薯 曩0- l0 l 0l 5月实际测量中，探测系统的温度不会保持恒定，会在-定范围内发生波动变化。由于偏振片已经与探测器杜瓦集成，不会受到干扰；而透镜会因此发生-定程度的自发辐射量变化。表 4是系统温度波动在300 K±3 K的情况下，偏振度的探测结果变化。

从上面结果可知，随着系统温度的波动，在6 K的温度变化范围内，探测偏振度的变化范围为0.0184%。这个波动量十分小，在定标时候可以不予考虑。

4 结论本文首先建立了长波红外偏振探测的原理模型，并在该原理模型的基础上进行了参数设定、理论计算以及分析，探讨了整个系统模型中各种因素对最终偏振度探测结果的影响，并根据其分析结果提出了-些如何提高探测准确度的方法与建议。所进行的理论分析及数学计算对于长波红外偏振探测有着-定的意义与价值，为进-步的实验验证和实际探测提供了可供参考比照的相关理论数据。