影響立體圖像舒適度的飽和度范圍測定

李素梅，付貝貝，臧艷軍，張英靜

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

觀看立體圖像/視頻引起的視覺不舒適現(xiàn)象已經(jīng)成為立體產(chǎn)品迅速普及并被用戶廣泛認同的主要制約因素之一[1-2]，過去十多年，國內(nèi)外專家學(xué)者對立體視覺舒適度的影響因素進行廣泛研究．Sohn等[3]通過大量主/客觀實驗測試立體圖像視差對于觀看舒適度的影響，并且提出了一種基于人眼觀看模型的立體深度感知舒適度評價方法；Frank等[4]通過主觀實驗比較系統(tǒng)地定性研究了影響雙目立體圖像舒適度的各種因素，如亮度、對比度、色度、串擾、視差等，實驗結(jié)果表明，當雙目視圖不匹配程度超過一定閾值時將嚴重降低立體圖像視覺舒適度．國際標準化組織ISO發(fā)行了關(guān)于立體圖像/視頻安全性的文件IWA3[5]，該文件明確闡述了立體圖像/視頻會對人體健康造成影響，如引起眼疲勞、誘發(fā)眼疾病等，同時提出了建議，以降低立體圖像/視頻對人體健康的影響．勞麗娟[6]基于人眼視覺系統(tǒng)(human visual system，HVS)特性，通過左/右視圖分別變化與同時變化相結(jié)合的實驗方法，定性研究了亮度、對比度、分辨率和色度4個因素對雙視點立體成像系統(tǒng)顯示效果的影響，并分析說明了各因素對成像效果造成影響的原因．

影響立體圖像舒適度的因素有很多，如亮度、色度、飽和度、對比度和視差等．然而，目前關(guān)于立體圖像/視頻舒適度評價國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的判定標準，國內(nèi)外對于立體圖像舒適度的影響因素研究大都是定性的，文獻[7]已從定量角度對亮度因素進行研究，本文首次從定量的角度研究飽和度因素對雙目立體圖像舒適度的影響．

1 立體視覺舒適度

目前，關(guān)于觀看立體圖像/視頻舒適度的定義非常多[1-4,8]，尚無統(tǒng)一定義，本文定義立體視覺舒適度(the degree of stereoscopic visual comfort)為觀看者在觀看立體內(nèi)容(圖像/視頻)時，人眼主觀的視覺舒適感受程度．

立體視覺不舒適感具體表現(xiàn)為4類癥狀[9]：①視覺疲勞，如眼酸痛和眼高壓等；②眼表癥狀，如眼干、眼充血、眼流淚和紅眼等；③調(diào)節(jié)下降，如雙眼復(fù)視、視物模糊、調(diào)節(jié)會聚速度下降、對比靈敏度下降和會聚能力下降等；④眼外癥狀，如頭痛、眼痛、脖子痛、背痛、肩痛、工作效率下降和注意力不集中等．

引起立體視覺不舒適的原因主要有3個方面[2,8]：一是立體顯示設(shè)備性能不佳；二是人的生理原因；三是立體內(nèi)容(圖像/視頻)的原因．本文以測試者具有正常視覺功能、立體顯示設(shè)備性能良好為前提，主要研究由立體圖像的內(nèi)容引起的不舒適．

2 HSV模型

H S V顏色模型包括色調(diào)(h u e)、飽和度(saturation)和亮度(value)，如圖 1所示，垂直軸表示亮度，半徑表示飽和度，圓周表示色調(diào)．當飽和度從0變化到 1時，相應(yīng)的顏色或者色調(diào)(hue)從不飽和(灰色陰影)變到飽和(沒有白色成分)．本文定量研究立體圖像飽和度變化對于立體視覺舒適度的影響．實驗過程中，采用 HSV顏色模型提取圖像的飽和度分量．

圖1 HSV顏色模型Fig.1 HSV color model

3 三級步長逼近法

為了更好地研究影響雙目立體圖像/視頻視覺舒適的飽和度因素，本文采用三級步長法對實驗數(shù)據(jù)進行處理．

實驗發(fā)現(xiàn)人眼能分辨飽和度級數(shù)最多約25種[10-11]，飽和度取值范圍為[0，1]，因此，本文假設(shè)人眼能分辨出的飽和度閾值為 0.04．首先從理論上使用主觀評價方法心理學(xué)測定方法的極限法，以最小步長 0.04對一幅源立體圖像左視圖進行飽和度處理，共得到51幅新左視圖，同理也得到51幅新右視圖，新左右視圖兩兩組合后得到 2,601幅立體圖像．但是，其中很多立體圖像舒適度明顯很差，逐一進行主觀測試將浪費大量實驗時間．

本文提出采用改進的極限法，即由粗到細(from coarse to fine)的逐級步長逼近法[7]，飽和度參量S的分級公式為

式中：Ni和k均為整數(shù)，k為分級數(shù)，Ni為第i級分段數(shù)；Smin和 Smax為飽和度參量的最小值和最大值；Sref為飽和度參量能分辨的最小值．

各級分段步長計算公式為

各級分段數(shù) Ni可以相同也可以不同，從統(tǒng)計學(xué)角度看對實驗結(jié)果沒有影響．為便于計算與實驗處理，本文各級選取相同的分段數(shù)N，則式(1)變?yōu)?/p>

式(2)簡化為

特征參量飽和度最小值為 Smin= 0 ，最大值為Smax= 1 ，能分辨的最小值為 Sref= 0 .04，帶入式(4)有

為增加各級區(qū)分度且達到細化的目的，本文要求N≥3,k ≥3，由式(6)求得N = 3 ,k= 3 ，即逐級步長逼近法的級數(shù)為 3，每級的分段數(shù)為 3．由式(5)計算各級分段步長，得到=0.33，=0.11，=0.04．采用該三級步長逼近法對立體圖像飽和度進行線性變化，如圖2所示．在圖2中，x軸表示輸入源視圖的飽和度，y軸表示輸出新視圖的飽和度．

圖2 圖像飽和度三級步長線性變換示意Fig.2 Linear transformation with three step length on saturation

圖 2(b)為視圖飽和度第2級步長線性變化(圖中黑白方框?qū)?yīng)圖 2(a)中的標記)，步長為S?2=0.11，按此步長對黑白方框?qū)?yīng)的飽和度進行分段，分別得到 4幅飽和度增加的立體視圖( n2= 0 ,… ,3 )和 4幅飽和度減小的立體視圖( n2= 4 ,… ,7 )；n2max、 n2min為舒適度良好的二級立體圖像對應(yīng)的二級視圖的最大和最小序號，在圖中用白色圓點標記；圖中的黑色圓點對應(yīng)二級灰度視圖的序號為 n2max+ 1、n2min-1，如果 n2max+1＞7 或 n2min-1＜ 0，則不存在對應(yīng)的黑色圓點．

圖 2(c)為視圖飽和度第3級步長線性變化(圖中黑白圓點對應(yīng)圖 2(b)中的標記)，步長為S?3=0.04，按此步長對黑白圓點對應(yīng)的飽和度進行分段，分別得到 4幅飽和度增加的立體視圖( n3= 0 ,… ,3 )和 4幅飽和度減小的立體視圖( n3= 4 ,… ,7 )；n3max、 n3min為舒適度良好的三級立體圖像對應(yīng)的三級視圖的最大和最小序號，在圖中用星號標記出．

采用三級步長逼近法對源立體圖像進行飽和度變化只需對每一級邊界值進行細化處理，最多得到529幅立體飽和度圖像，從而大大降低了實驗復(fù)雜度，節(jié)約了實驗時間．

4 實驗方法

4.1 實驗素材

實驗選用“天津大學(xué)寬帶無線通信與立體圖像研究所”的立體圖像庫中4幅左右格式的源立體圖像 girl.bmp、flower.bmp、family.bmp 和 river.bmp，這4幅源立體圖像的圖像分辨率為 2,560×1,024，圖像色調(diào)包含了紅、綠、黃、藍等不同色調(diào)，具有非常好的立體感與立體視覺舒適度，如圖3所示．

實驗素材還包括采用三級步長法得到的左右視圖飽和度不同的降質(zhì)立體圖像對，本文實驗中共用到882幅立體圖像樣本．部分降質(zhì)立體圖像如圖 4所示，lS表示左視圖飽和度，rS表示右視圖飽和度．

圖3 源立體圖像Fig.3 Source stereoscopic images

4.2 實驗設(shè)備

實驗顯示設(shè)備為3,D WINDOWS-19A01型立體視窗，幅型比為 4∶3，對角線為 19,in，分辨率為1,280×1,024，亮度、對比度、色調(diào)和飽和度設(shè)置為50%，立體顯示類型為“Planar Mirror Left/Right”，即顯示左右格式的立體圖像．觀看者通過該立體視窗觀看立體圖像需要佩戴 3DG-L3型偏振光立體眼鏡，該立體眼鏡線性偏振片±45°正交，偏光率為97%，并且有很高的對比度和透過率．

4.3 實驗環(huán)境

實驗在暗室中進行，暗室中雜散光照度不大于3,lx[12]，暗室中的濕度保持在10%～80%、溫度保持在5～35,℃，以免影響立體視窗的使用性能．最佳觀看距離與屏幕高度有關(guān)，立體視窗對角線長 19,in，實驗選定觀看距離為 7倍的立體視窗屏幕高度[13]，約為2,m．

圖4 飽和度變化的降質(zhì)立體圖像Fig.4 Degraded stereoscopic images with the change of saturation

4.4 測試人員

Lambooij等[14]指出，雙目視覺生理異常的人觀看立體圖像時會產(chǎn)生視覺不舒適感或立體感不強，因此有必要篩選雙目視覺生理正常的測試者．測試者必須有大于 1′的視銳度[8,11](用 TNO Landolt-C測試，距離 5,m)、小于 30″的立體視覺[6,15-16](用隨機點立體圖測試)以及很好的彩色視覺(用 Ishihara彩色視覺表測試)[2,12]，為保證主觀評分具有統(tǒng)計意義，測試者應(yīng)至少有20人[11]．

本文實驗要求測試者在天津眼科醫(yī)院進行雙目視覺生理測試，從中篩選出符合要求的測試者共 25人：測試者年齡在 20～28歲之間；男性 11人，女性14人；有立體技術(shù)背景的 11人，沒有立體技術(shù)背景的14人；測試者主眼都是右眼．

4.5 主觀評價

本文采用主觀評價方法進行立體視覺舒適度研究．實驗前，先向測試者介紹測試方法、評價制和評分等級，語氣無偏向性，避免做出影響分數(shù)評定的暗示，然后給出舒適度顯著不同的5幅立體圖像示例培訓(xùn)被試者．測試者事先被告知測試過程中可能出現(xiàn)的不舒適癥狀，并且可以隨時終止測試[1]．

測試者獨立進行觀測，每個測試階段采用雙刺激方法[11]，每個測試階段包括若干次顯示．每次顯示的小計時間為 26～35,s，為了避免測試者因視覺疲勞而影響評價結(jié)果的準確性，連續(xù)測試總時間不超過30,min[17]，測試者連續(xù)觀測評分最多 60次．為了消除情景效應(yīng)，待測立體圖像顯示次序隨機安排[1,3]，同一幅立體圖像需顯示2次，以便對被試者評分結(jié)果的一致性進行檢查．連續(xù)測試中，當某測試者對同一立體圖像評分相差2級或2級以上時，刪除此評分；當某測試者給出的有效評分次數(shù)低于其總評分次數(shù)的85%時，取消其全部評分[17]．

依據(jù) ITU(2002)電視圖像質(zhì)量主觀評價推薦準則，對立體圖像舒適度分 5個等級進行評價[13]，如表1所示．

表1 立體圖像舒適度主觀評價等級Tab.1 Subjective evaluation criteria scoring visual comfort

測試過程中，允許測試者給出半分的分值[13]；主觀評分只有在統(tǒng)計上有意義，統(tǒng)計評分由所有測試者對同一圖像的有效評分的均值得出，均值公式為式中：m為圖像評分等級數(shù)；ci為圖像屬于第i類對應(yīng)的分數(shù)；ni為判斷該圖像屬于第i類的測試者人數(shù)．舒適度合格的立體圖像有效評分的統(tǒng)計平均值必須滿足≥ 4 分[18]．

4.6 實驗過程

本文實驗使用 Matlab R2010a通過線性變換對源立體圖像進行飽和度處理，圖像飽和度處理步驟如下．

步驟 1將一幅源立體圖像分割為源左右視圖，源左右視圖從 RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到 HSV顏色空間，提取飽和度分量S，得到源左右飽和度視圖．

步驟 2按圖 2(a)對源左右飽和度視圖的飽和度進行第1級步長線性變化，兩兩組合后得到第1級立體飽和度圖像．同時，對所得到的左右飽和度視圖分別進行排序，記錄經(jīng)第1級步長變化后的圖像序號及其對應(yīng)的飽和度值．

步驟 3按第 4.5節(jié)所述，對立體飽和度圖像進行主觀評分，刪除無效評分，進行統(tǒng)計分析，選取統(tǒng)計評均值≥ 4 的立體飽和度圖像．

步驟 4分別記錄經(jīng)步驟 3得到的滿足舒適度要求的第1級左右視圖的最大和最小序號，即邊界序號值，及其對應(yīng)的視圖飽和度值．

步驟 5由于第1級步長較大，對滿足舒適度要求的邊界處的視圖判斷較粗糙，實驗要求對舒適度邊界處的不舒適的視圖進行第2級步長的細化．按圖2(b)對源左右飽和度視圖飽和度進行第2級步長線性變化，得到第2級左右飽和度視圖，組合后得到第2級立體飽和度圖像，按步驟1的方式對第2級立體飽和度左右視圖進行排序．重復(fù)步驟3．

步驟 6分別記錄經(jīng)步驟 5得到的滿足舒適度要求的第2級左右視圖的最大和最小序號，即邊界值序號，并記錄對應(yīng)的視圖飽和度．

步驟 7對經(jīng)第2級變化后邊界處的不舒適視圖進行第 3級步長的細化，按圖 2(c)對源左右飽和度視圖飽和度進行第3級步長線性變化，得到第3級左右飽和度視圖，組合后得到第3級立體飽和度圖像，按步驟1的方式對第3級立體飽和度左右視圖進行排序．重復(fù)步驟3．

步驟 8分別記錄經(jīng)步驟 7得到的滿足舒適度要求的第3級左右視圖的最大和最小序號，即邊界序號值，并記錄對應(yīng)的視圖飽和度．

5 實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果

對實驗數(shù)據(jù)進行處理的過程中，采用分段線性乘擬合(piecewise linear fitting，PLF)的方法對4幅源立體圖像的實驗數(shù)據(jù)分別進行擬合．該方法能夠明顯地簡化處理程序，減少運行時間，并能夠得到比較簡單的數(shù)學(xué)模型[19]．

圖 5表示 4幅源立體圖像實驗數(shù)據(jù)的分段線性擬合，橫坐標為左視圖飽和度，縱坐標為右視圖飽和度．圖 5中分段直線所圍區(qū)域表示在不同的左視圖飽和度值下，與左視圖組合成立體圖像后立體視覺舒適度良好(≥ 4)的右視圖飽和度值范圍．本文稱以這種方式得到的左右視圖舒適飽和度匹配范圍圖為立體圖像舒適飽和度匹配圖．圖 6表示當立體圖像視覺舒適度良好時，右視圖飽和度與左視圖飽和度的差值范圍，橫坐標為左視圖飽和度，縱坐標為右視圖飽和度與左視圖飽和度的差值，本文稱以這種方式得到的左右視圖舒適飽和度差值范圍圖為立體圖像舒適飽和度差異圖．

圖5 4幅源立體圖像舒適飽和度匹配Fig.5 Comfortable saturation matching map of four source stereoscopic images

圖6 4幅源立體圖像舒適飽和度差異Fig.6 Comfortable saturation difference map of four source stereoscopic images

對圖 5所示 4幅源立體圖像的實驗數(shù)據(jù)及差值數(shù)據(jù)求平均，得到飽和度綜合分段線性擬合直線，即立體圖像舒適飽和度匹配，如圖7所示．對圖6所示4幅源立體圖像的差值數(shù)據(jù)求平均，得到飽和度差值綜合分段線性擬合直線，即立體圖像舒適飽和度差異，如圖8所示．

圖7 立體圖像舒適飽和度匹配Fig.7 Comfortable saturation matching map of stereoscopic image

在圖 7和圖 8中，分段直線所圍區(qū)域 R1+ R2+R3+ R4的解釋如下．

圖8 立體圖像舒適飽和度差異Fig.8 Comfortable saturation difference map of stereoscopic image

1)區(qū)域 R1+R2+ R3+R4

該區(qū)域為立體圖像統(tǒng)計評分C≥ 4 分的飽和度舒適區(qū)域．當左右視圖的飽和度坐標包含在該區(qū)域內(nèi)時，立體圖像的觀看舒適性良好．對該區(qū)域整體而言，左右視圖飽和度差異不能過大，否則雙眼無法在潘諾(Panum)融像區(qū)內(nèi)舒適融像．

2)區(qū)域 R1

該區(qū)域是左右視圖低飽和度舒適匹配區(qū)域．該區(qū)域左右視圖飽和度較低，顏色層次不分明，紋理不清晰，若兩視圖飽和度差異增大，會使人眼觀看到的2個視圖紋理不一致，顏色差異增大，易造成觀看不舒適，所以該區(qū)域右視圖飽和度變化范圍較小．

3)區(qū)域 R2+R3

該區(qū)域是左右視圖適中飽和度舒適匹配區(qū)域．該區(qū)域左視圖圖像飽和度適中，紋理清晰，右視圖飽和度舒適范圍逐漸增大．當左視圖飽和度為 0.6時，左右視圖飽和度差異為 0.27，當左視圖飽和度為0.7時，左右視圖飽和度差異為-0.27．

4)區(qū)域4R

該區(qū)域起主要作用的是飽和度刺激．該區(qū)域左右視圖飽和度過高，視圖紋理模糊，濃烈色彩刺激人眼，造成視覺不舒適，隨著左視圖飽和度的增加，右視圖飽和度舒適范圍逐漸減?。?/p>

5)舒適飽和度匹配圖和差異圖與主輔眼的關(guān)系

立體圖像舒適飽和度匹配圖關(guān)于正對角線軸是近似對稱的，立體圖像舒適飽和度差異圖關(guān)于水平軸(過縱坐標零點的水平直線)是近似對稱的，立體圖像飽和度差異圖上下部分面積百分比為 55.3%與44.7%．所以主輔眼對舒適飽和度區(qū)域的影響不大．

6)飽和度舒適區(qū)域外的區(qū)域

在飽和度舒適區(qū)域外，由于左右視圖飽和度差異過大，雙眼無法舒適融像，并且也會出現(xiàn)雙眼競爭現(xiàn)象，造成視覺不舒適．

從圖7和圖8中計算面積可得，立體圖像舒適飽和度區(qū)域占整個飽和度區(qū)域的百分比約為 34.4%，即在整個飽和度空間中，大約有1/3的空間人眼觀看舒適性良好，由圖8得立體圖像飽和度匹配閾值區(qū)間為[-0.27，0.27]．

6 實驗驗證

為驗證由實驗得到的立體圖像舒適飽和度匹配圖與舒適飽和度差異圖是否具有普適性，實驗另外選取 2幅源立體圖像 boy.bmp和 tju9.bmp，如圖 9所示，按照第3節(jié)所述以0.1為步長對其飽和度進行線性處理，從得到的2組新立體飽和度圖像中各隨機選取50幅，然后讓被試者進行主觀評分．

圖9 實驗驗證立體圖像Fig.9 Source stereoscopic images for saturation experiment verification

實驗驗證結(jié)果如表2所示，在選取的2組50幅立體圖像中，第 1組統(tǒng)計評分C≥ 4 分的合格立體圖像有 22幅，其中左右視圖平均飽和度坐標落在立體圖像舒適飽和度匹配圖內(nèi)的立體圖像有 21幅，在合格立體圖像中所占的比例(即正確率)為 95.5%；同理第2組正確率為92.0%．2組正確率都超過了90.0%，表明實驗結(jié)論在用于評價雙目立體圖像的視覺舒適度時與主觀評價有較高的一致性，由此驗證了立體圖像舒適飽和度匹配圖和舒適飽和度差異圖具有一定的普適性．

表2 飽和度驗證實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of saturation verification

7 結(jié) 語

通過大量實驗比較系統(tǒng)地研究了飽和度對于立體圖像觀看舒適度的影響，并定義了舒適飽和度匹配圖和舒適飽和度差異圖，兩圖可以用于評價雙目立體圖像的視覺舒適度，為立體圖像/視頻舒適度的評價以及立體圖像/視頻壓縮傳輸處理的研究提供新的思路，同時也為制作出具有更好舒適度的立體圖像/視頻提供了依據(jù)．

但是，影響立體圖像/視頻內(nèi)容舒適度的因素有很多，要準確評價立體圖像/視頻內(nèi)容的舒適度，還需要在后期采用定量方法進一步研究其他主要因素(對色度、對比度、視差、串擾)的舒適度范圍，并且需要進一步擴大實驗人群．

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