立體內容舒適視差范圍研究

陳載清，石俊生，邰永航

(云南師范大學顏色與圖像視覺實驗室，昆明650092)

近年來，立體三維(Stereoscopic 3D)顯示技術在研究和商業活動方面發展迅猛，特別是在商業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，報告視覺不舒適［1－5］。視覺不舒適是目前視差型3D電影和電視的重要缺陷，如果這個問題得不到解決，立體顯示技術很難被推廣［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為3個方面:顯示技術、觀看環境和3D內容(3D Content)。目前和未來一段時間立體顯示領域的主流應用技術仍將是需要輔助設備的視差型立體顯示［7］，所固有的一些問題如調節會聚矛盾基本上沒有克服的方法，而顯示硬件技術的改進、發展及應用需要較長時間，無法滿足當前日益增長的應用需求。制作出具有一定舒適度的3D內容是目前非常緊迫的需求［8］，盡管有一些關于制作3D內容的指導［9］，但安全健康的內容制作規范和根據觀看環境、個人差異對3D內容進行滿足舒適度要求的預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］，而通過主客評價研究不同因素對立體內容視覺舒適度的影響是一種有效的途徑。

相比傳統的2D內容，潛在的3D內容視覺不舒適的重要來源是雙目視差。被引入到3D內容中的雙目視差信息，可以創建出“深度”和“銳度”的錯覺，但也帶來視覺不舒適的負面影響。由雙目視差導致的視覺不舒適可能包括:1)過大的雙目視差［1－3］;2)會聚調節沖突［11－12］;3)雙眼不對稱［13－15］;4)不合理的視差時間和空間分布［4，16，17］。每個人都存在一個安全的舒適視差范圍，一旦立體內容的視差值超出這個范圍，將迅速導致視覺不舒適。通過視覺心理實驗測量了不同視差水平下的3D內容視覺舒適度，以此研究視差信息和3D內容視覺舒適度的關系，從而獲得安全的舒適視差范圍。

1 實驗

1.1 設備和觀看環境

實驗在NVIDIA 3D Vision顯示平臺下進行，其配置為英特爾Core 2 Duo 3 GHz處理器、4 Gbyt內存、GeForce GTX 260顯卡、22寸120 Hz三星液晶顯示器、NVIDIA主動快門眼鏡。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。根據國際電信聯盟(ITU)的標準［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室內，評估者被要求坐在離顯示屏約90 cm處進行舒適度評估。

1.2 評估者

16名男性和5名女性參加評價實驗。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。參加者均非業內專家，在其正常的工作中不涉及立體圖形。無其他嚴格的排除標準，實驗遵循“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

立體視頻內容測試序列由計算機生產，序列是非常簡單的非彩色3D動畫，除了視差外不包含其他深度線索。影片中是一個以固定速度進行奔跑的人物，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內容屏幕平行視差轉換為雙眼視差后，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個視差等級，即序列間的視差間隔為27弧分。

圖1 3D內容示例Fig.1 A sam ple of 3D contents for experiment

1.4 過 程

參照ITU損傷評價方法(DSIS)［20］評估視差信息因素變量對立體內容視覺舒適度的影響。整個評估過程不超過20 min，其中包括解釋和對16段視差范圍在－162～+162弧分間的視頻序列的評分。每次測試中呈現兩個刺激:參考序列和測試序列(參考序列不包含視差信息，測試序列包含視差信息)。總是首先呈現參考序列，后呈現測試序列。測試順序是隨機的，評估者比較參考序列和測試序列的舒適度，使用如圖2所示的舒適度刻度表對測試序列的舒適度進行打分，60分對應的是“舒適”的開始，30分對應的是“不舒適”的中心值。

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

2 結果與討論

前4個測試是讓評估者熟悉評估方法和刺激內容，其結果未納入最終統計。圖3給出了12個視差水平的平均舒適度評分。從圖3中可看出，3D內容的視覺舒適度隨視差的增加(包括交叉和非交叉兩個方向)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分所對應的視差為舒適視差，則舒適視差的值可通過如下線性插值公式計算:

其中CD指舒適視差;i為評價分數低于60分的第一個評價數據點，Di和Si分別指視差值和主觀評價分數。由式(1)得到測試素材的舒適視差范圍在－119—+115弧分之間。這個范圍大大超過了文獻［1－2］所得到結果，可能的原因是其使用的是靜態立體圖，而筆者使用的是動態立體內容，在顯示設備，評價方法等方面也有所差異。

在已有文獻中，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］認為，視覺疲勞是指人類視覺系統的性能下降，其可以通過客觀測量得到，而視覺舒適度是一種主觀感受，有望作為一個指標衡量客觀的視覺疲勞。由此，視覺舒適度應該是一種反應心理變化的主觀感覺，并可以通過主觀測量確定。目前還沒有立體顯示視覺舒適度的主觀評價或測量標準［10］。許多研究者傾向于使用國際電訊聯盟(ITU)對立體圖像深度和質量主觀評價標準［21－22］的修改版，自定義舒適度刻度代替圖像質量的評估刻度進行舒適度測量［13，17，23，24］。但舒適度刻度只提供一維的視覺舒適度測量［10］，問卷調查表可被用于全面評估復雜的真實三維場景的視覺舒適度［25－29］。另外，舒適度的主觀測量還可使用探索性研究方法［30］，用預先確定的標準來評估立體顯示技術的附加價值，其中預定義多維屬性中可包含視覺舒適度方面的評估。

3 結論

由于3D內容的視覺舒適度和視差信息大小高度相關，筆者通過視覺心理實驗測量了不同視差水平下的3D內容視覺舒適度，以此評估視差信息對3D內容視覺舒適度的影響。結果表明3D內容的視覺舒適度隨視差的增加而降低，動態立體內容舒適視差的范圍在－119至+115弧分之間。總之，對立體內容的視覺舒適度進行主觀評價是一種可行的方法，但主觀評價僅是一個經驗的描述，并不能靈敏、準確、可靠和有效地對視覺舒適度進行測量。

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