Image quality not reducing when I try to implement the given Mean structural similarity best-case/worst-case validation model in a paper

Im currently trying to implement the mathematical models in the paper ” Image Quality Assessment: From Error Visibility to Structural Similarity” by Zhou Wang.

At section IV.A the author introduced a mathematical model to validate the MSSIM model. The model modify the distroted image Y by increasing/decreasing MSSIM by descending/ascending the gradient of MSSIM w.r.t Y.

When I try to implement image quality descent, the output image quality is not what I expected as the image’s quality go better instead of worse.

For the implementation, I used skimage’s structural_similariy function imported as ssim. I defined load_gray_img function which loads an image and convert it to grayscale. Function P correspond to the Projection operation in the paper P(X,Y) and unit correspond to Unit vector operation E(X,Y).

Here is my implementation, I want to ask where the problem is and how can it be resolved? I have tried multiple different step_size and MSE constraints it all end up with the similar problem.

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from skimage.metrics import structural_similarity as ssim
from skimage.metrics import mean_squared_error as mse


def load_gray_img(image_path):
    # Load the image
    image = cv.imread(image_path)
    if image is None:
        raise ValueError("Image not found or unable to load.")
    
    # Convert to grayscale
    gray_image = cv.cvtColor(image, cv.COLOR_BGR2GRAY)
    return gray_image

X = load_gray_img("mos/reference_images/I01.BMP")
Y = load_gray_img("mos/distorted_images/I01_14_4.bmp")

plt.imshow(Y, cmap='gray')

final_mssim = ssim(X, Y, win_size=11, gaussian_weights=True, data_range=255)
final_mse = mse(X, Y)
print(f"Initial MSSIM: {final_mssim}")
print(f"Initial MSE: {final_mse}")

def P(X, Y):
    E = unit(X, Y)
    E = np.array(E, dtype=np.float32)
    E_T = E.T
    I = np.eye(E.shape[0])
    return I - np.dot(E, E_T)

def unit(X, Y):
    return (Y - X) / np.linalg.norm(Y - X, ord='fro')

lmbda = 0.5  # step size
sigma = 50  # MSE constraint

def quality_descent(X, Y, iterations=100):
    mse_list = []
    mssim_list = []
    for _ in range(iterations):
        current_mssim, grad = ssim(X, Y, gradient=True, win_size=11, gaussian_weights=True, data_range=255)
        Y = Y + lmbda * np.dot(P(X, Y), grad)
        Y = X + sigma * unit(X, Y)
        current_mse = mse(X, Y)
        mse_list.append(current_mse)
        mssim_list.append(current_mssim)
    return Y, mse_list, mssim_list

# Perform quality descent
Y, mse_list, mssim_list = quality_descent(X, Y)

# Plotting MSE and MSSIM over iterations
plt.figure(figsize=(12, 6))

plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(mse_list, label="MSE")
plt.xlabel("Iterations")
plt.ylabel("MSE")
plt.title("MSE over Iterations")
plt.legend()

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(mssim_list, label="MSSIM", color="orange")
plt.xlabel("Iterations")
plt.ylabel("MSSIM")
plt.title("MSSIM over Iterations")
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()

# Display the final image
plt.imshow(Y, cmap='gray')
plt.title("Final Image after Quality change")
plt.show()

# Print final MSSIM and MSE values
final_mssim = ssim(X, Y, win_size=11, gaussian_weights=True, data_range=255)
final_mse = mse(X, Y)
print(f"Final MSSIM: {final_mssim}")
print(f"Final MSE: {final_mse}")

Output:
Initial MSSIM: 0.8459229680970184
Initial MSE: 295.9006754557292

Final MSSIM: 0.9999909113990414
Final MSE: 0.01271565755208334

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật