立體內(nèi)容舒適視差范圍研究

陳載清，石俊生，邰永航

(云南師范大學(xué)顏色與圖像視覺實(shí)驗(yàn)室，昆明650092)

近年來，立體三維(Stereoscopic 3D)顯示技術(shù)在研究和商業(yè)活動(dòng)方面發(fā)展迅猛，特別是在商業(yè)立體電影上已獲得巨大成功，然而一些觀眾在觀看立體顯示時(shí)，報(bào)告視覺不舒適［1－5］。視覺不舒適是目前視差型3D電影和電視的重要缺陷，如果這個(gè)問題得不到解決，立體顯示技術(shù)很難被推廣［6］。

視覺不舒適是一種主觀感覺，通常用視覺舒適度衡量［5］。立體顯示視覺不舒適的來源可總結(jié)為3個(gè)方面:顯示技術(shù)、觀看環(huán)境和3D內(nèi)容(3D Content)。目前和未來一段時(shí)間立體顯示領(lǐng)域的主流應(yīng)用技術(shù)仍將是需要輔助設(shè)備的視差型立體顯示［7］，所固有的一些問題如調(diào)節(jié)會(huì)聚矛盾基本上沒有克服的方法，而顯示硬件技術(shù)的改進(jìn)、發(fā)展及應(yīng)用需要較長(zhǎng)時(shí)間，無法滿足當(dāng)前日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。制作出具有一定舒適度的3D內(nèi)容是目前非常緊迫的需求［8］，盡管有一些關(guān)于制作3D內(nèi)容的指導(dǎo)［9］，但安全健康的內(nèi)容制作規(guī)范和根據(jù)觀看環(huán)境、個(gè)人差異對(duì)3D內(nèi)容進(jìn)行滿足舒適度要求的預(yù)處理等問題亟待研究。這些問題的解決需要清楚造成視覺不舒適的原因，方可最小化甚至消除其影響［10］，而通過主客評(píng)價(jià)研究不同因素對(duì)立體內(nèi)容視覺舒適度的影響是一種有效的途徑。

相比傳統(tǒng)的2D內(nèi)容，潛在的3D內(nèi)容視覺不舒適的重要來源是雙目視差。被引入到3D內(nèi)容中的雙目視差信息，可以創(chuàng)建出“深度”和“銳度”的錯(cuò)覺，但也帶來視覺不舒適的負(fù)面影響。由雙目視差導(dǎo)致的視覺不舒適可能包括:1)過大的雙目視差［1－3］;2)會(huì)聚調(diào)節(jié)沖突［11－12］;3)雙眼不對(duì)稱［13－15］;4)不合理的視差時(shí)間和空間分布［4，16，17］。每個(gè)人都存在一個(gè)安全的舒適視差范圍，一旦立體內(nèi)容的視差值超出這個(gè)范圍，將迅速導(dǎo)致視覺不舒適。通過視覺心理實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同視差水平下的3D內(nèi)容視覺舒適度，以此研究視差信息和3D內(nèi)容視覺舒適度的關(guān)系，從而獲得安全的舒適視差范圍。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備和觀看環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在NVIDIA 3D Vision顯示平臺(tái)下進(jìn)行，其配置為英特爾Core 2 Duo 3 GHz處理器、4 Gbyt內(nèi)存、GeForce GTX 260顯卡、22寸120 Hz三星液晶顯示器、NVIDIA主動(dòng)快門眼鏡。顯示器像素尺寸為0.28×0.28 mm，分辨率為1 680×1 050像素，刷新速率為120 Hz。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)的標(biāo)準(zhǔn)［18］，HDTV的最佳觀看距離是3.1倍畫面高度(3.1H)，在照明條件固定的試驗(yàn)室內(nèi)，評(píng)估者被要求坐在離顯示屏約90 cm處進(jìn)行舒適度評(píng)估。

1.2 評(píng)估者

16名男性和5名女性參加評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。其年齡從20到32歲不等，平均年齡為25歲，均具有正常色覺和正常立體視力。參加者均非業(yè)內(nèi)專家，在其正常的工作中不涉及立體圖形。無其他嚴(yán)格的排除標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)遵循“赫爾辛基宣言”［19］，參與者均閱讀并簽署知情同意書，可在任何階段自行終止和離開。

1.3 刺 激

立體視頻內(nèi)容測(cè)試序列由計(jì)算機(jī)生產(chǎn)，序列是非常簡(jiǎn)單的非彩色3D動(dòng)畫，除了視差外不包含其他深度線索。影片中是一個(gè)以固定速度進(jìn)行奔跑的人物，如圖1所示，左邊和右邊的圖像存在像素上的屏幕平行視差。3D內(nèi)容屏幕平行視差轉(zhuǎn)換為雙眼視差后，其范圍在－162～+162弧分之間，“－”指交叉視差，“+”指非交叉視差。除了零視差序列外，共使用了12個(gè)視差等級(jí)，即序列間的視差間隔為27弧分。

圖1 3D內(nèi)容示例Fig.1 A sam ple of 3D contents for experiment

1.4 過 程

參照ITU損傷評(píng)價(jià)方法(DSIS)［20］評(píng)估視差信息因素變量對(duì)立體內(nèi)容視覺舒適度的影響。整個(gè)評(píng)估過程不超過20 min，其中包括解釋和對(duì)16段視差范圍在－162～+162弧分間的視頻序列的評(píng)分。每次測(cè)試中呈現(xiàn)兩個(gè)刺激:參考序列和測(cè)試序列(參考序列不包含視差信息，測(cè)試序列包含視差信息)?？偸鞘紫瘸尸F(xiàn)參考序列，后呈現(xiàn)測(cè)試序列。測(cè)試順序是隨機(jī)的，評(píng)估者比較參考序列和測(cè)試序列的舒適度，使用如圖2所示的舒適度刻度表對(duì)測(cè)試序列的舒適度進(jìn)行打分，60分對(duì)應(yīng)的是“舒適”的開始，30分對(duì)應(yīng)的是“不舒適”的中心值。

圖2 用于評(píng)估的舒適度刻度表Fig.2 Rating scale used for assessing visual com fort

2 結(jié)果與討論

前4個(gè)測(cè)試是讓評(píng)估者熟悉評(píng)估方法和刺激內(nèi)容，其結(jié)果未納入最終統(tǒng)計(jì)。圖3給出了12個(gè)視差水平的平均舒適度評(píng)分。從圖3中可看出，3D內(nèi)容的視覺舒適度隨視差的增加(包括交叉和非交叉兩個(gè)方向)而降低。

圖3 舒適度隨視差大小變化曲線Fig.3 Visual com fort as a function of the disparity

選擇60分所對(duì)應(yīng)的視差為舒適視差，則舒適視差的值可通過如下線性插值公式計(jì)算:

其中CD指舒適視差;i為評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)低于60分的第一個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)點(diǎn)，Di和Si分別指視差值和主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。由式(1)得到測(cè)試素材的舒適視差范圍在－119—+115弧分之間。這個(gè)范圍大大超過了文獻(xiàn)［1－2］所得到結(jié)果，可能的原因是其使用的是靜態(tài)立體圖，而筆者使用的是動(dòng)態(tài)立體內(nèi)容，在顯示設(shè)備，評(píng)價(jià)方法等方面也有所差異。

在已有文獻(xiàn)中，視覺舒適度和視覺疲勞被交替使用來描述立體顯示視覺不舒適。Lambooij等［5］認(rèn)為，視覺疲勞是指人類視覺系統(tǒng)的性能下降，其可以通過客觀測(cè)量得到，而視覺舒適度是一種主觀感受，有望作為一個(gè)指標(biāo)衡量客觀的視覺疲勞。由此，視覺舒適度應(yīng)該是一種反應(yīng)心理變化的主觀感覺，并可以通過主觀測(cè)量確定。目前還沒有立體顯示視覺舒適度的主觀評(píng)價(jià)或測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)［10］。許多研究者傾向于使用國(guó)際電訊聯(lián)盟(ITU)對(duì)立體圖像深度和質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［21－22］的修改版，自定義舒適度刻度代替圖像質(zhì)量的評(píng)估刻度進(jìn)行舒適度測(cè)量［13，17，23，24］。但舒適度刻度只提供一維的視覺舒適度測(cè)量［10］，問卷調(diào)查表可被用于全面評(píng)估復(fù)雜的真實(shí)三維場(chǎng)景的視覺舒適度［25－29］。另外，舒適度的主觀測(cè)量還可使用探索性研究方法［30］，用預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估立體顯示技術(shù)的附加價(jià)值，其中預(yù)定義多維屬性中可包含視覺舒適度方面的評(píng)估。

3 結(jié)論

由于3D內(nèi)容的視覺舒適度和視差信息大小高度相關(guān)，筆者通過視覺心理實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同視差水平下的3D內(nèi)容視覺舒適度，以此評(píng)估視差信息對(duì)3D內(nèi)容視覺舒適度的影響。結(jié)果表明3D內(nèi)容的視覺舒適度隨視差的增加而降低，動(dòng)態(tài)立體內(nèi)容舒適視差的范圍在－119至+115弧分之間?？傊?，對(duì)立體內(nèi)容的視覺舒適度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)是一種可行的方法，但主觀評(píng)價(jià)僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的描述，并不能靈敏、準(zhǔn)確、可靠和有效地對(duì)視覺舒適度進(jìn)行測(cè)量。

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