自由立體顯示效果測試綜述

程雪岷，談夢澤，郝 群，馬建設

（1.清華大學 深圳研究生院 深圳市LED封裝技術重點實驗室，廣東 深圳 518055；2.北京理工大學 光電學院，北京 100084）

1 引 言

自由立體顯示（Auto－stereo three－dimensional display，AS3D）技術是非佩戴式立體顯示技術，借由人體機能使觀察者對圖像形成立體視覺，具有廣泛的市場且有望成為下一代主流平面顯示技術。AS3D是國內外科研機構、公司的研究熱點［1－7］，現在多種 AS3D實現技術層出不窮，但是，其成像效果卻參差不齊。目前國內外AS3D顯示的測試及標準還不成熟，缺乏有效的測試手段成為AS3D產業的瓶頸，制約著AS3D的發展［8－14］。

AS3D顯示效果的測試方法不斷發展，現階段的主要的測試方法可以分為主觀評價法、客觀評價法［15－17］。主觀評價是由一定數量的受試者對顯示效果進行主觀判斷得出結果，如圖像質量、深度感、立體感等。主觀評價不可避免地受到受試者的個人影響［15－19］。客觀評價法一般采用攝像設備采集AS3D顯示設備的光息進行分析，然而由于實現AS3D的技術多種多樣，早期的客觀評價法沒有依據其技術原理去進行分析，而是單純以普通平面顯示設備的常規指標如亮度、分辨率等進行評價［21］。其后，在客觀測試的基礎上，發展了以亮度分布統計分析的測試法。綜上，如何設計更接近人本身觀測感受的測試法和標準，更好地利用AS3D顯示設備的光學信息，是AS3D檢測的研究重點，本文論述了AS3D主觀測試法、客觀測試法、統計測試法3類測試法，并對典型的AS3D測試方法和指標進行了分析。

23AS3D常規測法

人眼視野對應整個視網膜對外界的有效感光范圍，當雙眼注視于一點，所看到的全部范圍稱為雙目視野［22－23］。在觀看空間某個對象時，人的雙眼從左右兩邊稍有差別的角度進行觀察，因此被觀察的物體在人的左右眼視網膜上所形成的像有存在略微的差異，即視差［23］。視差的存在，以及人腦對視覺信息的綜合處理是產生立體視覺的主要原因（原理如圖1）。雙眼視覺通道傳遞雙眼接受到的視差視覺信息后，經過大腦視皮層加工即得到立體視覺，成像的最終結果既不是左眼像，也不是右眼像而是一個心理像［24－26］。基于這樣的生理基礎，AS3D的常規主觀、客觀測試法相應被提出。

圖1 雙目視差產生立體感Fig.1 Dimensional sense comes from binocular parallax

2.1 AS3D主觀測試

AS3D主觀測試，由受試者對AS3D設備進行體驗并打分，不同的方法在打分過程中有所不同，同時在測試時，其測試結果伴隨受試者的心理因素、測試條件、個人知識水平等會有相應的影響。其中，部分測試法從平面圖像的主觀測法發展而來。不同是AS3D主觀測試相應引入了深度信息、雙目視覺感受等3D顯示擁有的測試內容。目前其主要測試方法可以分為雙激勵法、單激勵法、成對比較法等［27－28］。

2.1.1 單激勵測法

單激勵測法中，不需要給受試者提供參考圖像，受試者直接根據自己的主觀感受，對AS3D顯示的材料效果好壞給出評價。在具體的測試中，根據評判結果是數值還是語言描述，可以分為數值分類判斷法、形容性分類判斷法、性能指標判斷法，受試者一邊觀看AS3D顯示的圖像一邊評分，其優點是受試者可以及時地給出相對準確的評價［29］。

2.1.2 雙激勵測法

AS3D雙激勵測法，可分為雙激勵失真測方法和雙激勵連續質量測法，前者是受試者知曉觀看的是原始圖像材料、以及AS3D設備顯示的原始圖像材料，然后再對AS3D設備顯示的圖像質量進行自己的主觀評測，并給出對應的分值。而雙激勵連續質量測試中，對受試者混合播放原始圖像材料與AS3D設備顯示圖像外，受試者不知道哪些圖像對應哪種設備或者對應原始圖像還是AS3D圖像，并要同時對所有測試進行打分［30］。這兩種方法中，雙激勵連續質量測法可以減輕受試者的主觀因素的影響。

2.1.3 成對測試

成對測試是將參與測試的多種AS3D顯示設備兩兩組合，對相同的測試圖像源，經過對應技術處理后，同一圖像兩兩分對，依次對受試者進行測試。受試者每次從兩者中選出認為立體感更強的一個，獲得相應的分數。在測試結束后，將各個設備的總分或者圖像序列的分數求和，依據所得分數的高低即可定義AS3D設備的顯示水平，以及對應指標的高低。

2.2 AS3D客觀測試

AS3D客觀測法對AS3D設備顯示的圖像進行采集，并試圖建立起圖像信息與人眼觀影感受相關的指標。部分學者提出用平面顯示的測法調整后，對采集的信息進行處理，最終得出對應指標可用于AS3D測試的客觀評價。從常規圖像測試改進而來主要有均方誤差法、峰值信噪比法、均方根誤差法等［31－32］。因為顯示設備最終對人眼的輸入信息仍是光學圖像，衡量AS3D設備輸出的圖像特點，可以對應評價顯示效果好壞。典型的，比如在雙目視差類AS3D設備中，因為左右眼觀察到的圖像不同，左右眼視域中圖像存在串擾，那么衡量雙目同時接受的圖像串擾程度，可以反應AS3D設備的優劣。圖2給出了視差型AS3D設備常規測試的結構示意。

圖2 視差型AS3D設備測試系統結構Fig.2 Testing system of AS3Ddevice architecture in parallax type

對AS3D設備的常規客觀評價指標除銳度、亮度、對比度、色相、飽和度等以外，以對采集到像質信息進行統計處理的方式進行分析為主，它們基于圖像每個像素的情況進行統計分析［30－31］。

2.2.1 均方誤差法

不同的AS3D設備，其圖像源需要對應進行處理，假設設計的圖像在顯示過程中像質沒有惡化，最終顯示設備輸出的圖像失真程度，與原始圖像之間的誤差越小，圖像質量越高。該方法衡量的是AS3D顯示圖像與原始參考圖像間的差異［31］。例如給定大小為A×B的數字圖像I（x，y）和原始圖像I0（x，y），計算公式為：

該方法其數值越小認為像質越好，算法上易于實現，但實際上源圖像的質量如何，其立體感的強弱，并不能很好地體現出來。

2.2.2 峰值信噪比法

不同于均方誤差，峰值信噪比法的計算方式與顯示質量的好壞正相關。AS3D設備顯示圖像的峰值信噪比值越高，被認為與原始圖像越接近，因此質量也就越好，該方法能反映圖像質量的大致情況，其計算公式如下［32］，Imax為對應圖像的灰度最大值：

峰值信噪比法與均方誤差法同樣只考慮了圖像和像源各個像素點之間的差異，而沒有考慮人眼的視覺特性，這種評價方法雖然從整體上估算了原始圖像和AS3D顯示圖像之間的差異，但也無法反映圖像局部區域差異不同的情況，并存在對立體感考察不足的問題。

2.2.3 結構相似度測法

Zhou Wang和Bovik等人提出了結構信息的概念［33］：人眼視覺的主要功能是提取背景中的結構信息，而且人眼視覺系統能高度自適應地實現這一目標，因此對圖像的結構失真的度量可以衡量人的觀察感覺。該測試方法基于對亮度信息的統計，但對亮度、對比度和圖像的結構相似度進行了加權統計［33－37］，如圖3所示。

圖3 結構相似度測法流程Fig.3 Method of structural similarity measurement

結構相似度法需要對AS3D顯示圖像的采樣點間逐點計算亮度、對比度、結構間的差異并統計分析。若設參考圖像為X，待評價AS3D顯示圖像為Y，統計量μx、μy、σx、σy、σxy，分別是采樣下的總值、方差、協方差。對應計算出亮度、對比度、結構的統計比較值后，可得到一組測試圖像結構相似度SSIM參數，其中MSSIM是對多組測試取平均，并以之作為最終對AS3D顯示設備的度量，對應公式如下［38］：

綜上可知，常規的AS3D客觀測試避免了主觀測試法的不確定因素，但各類客觀測法獲得的結果對AS3D的立體感的評價相對存在不足。

3 亮度分布分析的AS3D測試法

在主觀、客觀測試的基礎上，部分學者結合人類的視覺系統（HVS）特征、立體視覺原理、立體感等新的指標提出了一系列基于亮度分布分析測法。目前市場主流的AS3D顯示設備都以視差型AS3D設備為 主［39－41］，因 為 AS3D 測 試 需 要 結 合具體的實現技術，對此現階段典型的測試方法與指標如下。

3.1 “立體度”測試

Shin－ichi Uehara，Hiroyasu Ujike以及Liang Fayun等認為，立體顯示的效果決定于左、右眼視圖的分離程度。如果不存在明顯的左、右眼視區，或左、右眼視區間的圖像相互串擾，則達不到視圖的分離效果，大腦無法進行立體感融合［42］，如圖4所示。

圖4 視域重疊帶來像質影響Fig.4 Overlapping of horizon brings impact to image quality

為此建立一種“立體度”標準，將每個獨立的立體觀察區域分離開進行測試。觀察區域的參數為觀察距離D，左、右視區間距W，它們是距離h和列像素間距p的函數，可以表示為：

進一步將屏幕視區劃分為左右L／R亞屏幕，分別采用特殊設計的僅能在L或R區顯示的測試圖片，如圖5。在測試L區時，播放僅R區可顯示的測試圖，此時理想狀態下L區亮度值應為0。測得此時實際的L／R視區亮度值大小后作比值，求得立體度St，測試R區時圖像源取反即可。多組測試后作統計平均即得到立體度值St：

圖5 用于分離視域顯示的圖像Fig.5 Image for the separation display

3.2 可視自由度（VF）與最佳距離（OVD）測試

Nokia Research Center提出，AS3D 顯示設備在空間中分隔成多個不同的左右眼視域，這種不同視域的間隔和大小顯著影響著立體感效果［43－44］。根據 AS3D顯示設備的像素大小，觀察者的雙目瞳距，以及分離視域的設備特性、圖像源的特點不同，視域大小也不相同。通常觀察者的入瞳大小從45mm到80mm不等，對應有不同的最佳距離（OVD），是隨著最佳位置開始角度偏離時，左、右眼分別達到串擾閾值時的角度，兩者滿足如下關系：

可視自由度是人眼可以觀察到較好AS3D像質的圓錐空間范圍。它表征觀察者可以AS3D顯示設備前多大的空間范圍內自由移動而不顯著降低觀影體驗，其既受到AS3D設備大小的限制，也受具體的實現技術的影響。圖6、圖7［43］呈現了這種影響關系。計算出最佳觀影距離后，從最佳位置開始做水平位置、孔徑角的逐漸變換，分析像質惡化的情況即可得到可視范圍并作為AS3D顯示設備的特性指標。

圖6 可視自由度與最佳距離測試關聯Fig.6 Relationship of OVD and VF

圖7 可視自由度與最佳距離測試示意Fig.7 Schematic view of OVD and VF testing

3.3 “光學測試站”測試法

3M 公司 Michael Sykora、John Schultz等人提出一種系統測試方案“光學測試站”（Optical Inspection Station），涉及 AS3D設備的4個指標，包括觀影距離、截止帶、截止角、“立體度”［44］。

OIS測試法實體系統結構如圖8所示，包括包括一個攝影設備，漫反射板，以及被測裝置。攝影設備的鏡頭距離散射板約200mm，資料中使用的設備此時的空間分辨率大約為0.2mm。散射板放在設定好的觀察距離上，因為觀察距離存在一定的范圍，所以要利用錐光計測定好測量的范圍。然后讓AS3D設備顯示黑白線對，改變攝影設備的角度、水平位置，測出亮度變化曲線。設定閾值以后，通過記錄亮度低于閾值的角度范圍和移動距離，就可以得到各個指標的變化曲線。

圖8 OIS系統結構Fig.8 System architecture of OIS

OIS測試法首先要確定AS3D設備的最佳觀影位置，為此以柵格法對觀影區域做7×5的點列劃分，對每一個點采集到的圖像信息做比較，以立體度為參考，尋找最佳觀影點，如圖9。

圖9 OIS測試柵格點列Fig.9 Test grid of OIS

觀察者在水平位置上做固定點上視角變化，其允許范圍是截止帶（角度范圍）。在固定測試范圍以后，會有多個雙目視野交疊范圍，其中測得最小值即為該測試位置的截止帶。對應的截止角通過統計測試柵格5列的位置測得數據得出，如式（10）所示，其中tan（θBOi）表示第i個位置測得的截止帶數據，VD 是觀影距離，φBA則是獲得的截止角數據。最后立體度指標通過網格點的測試值做統計平均即得。

4 AS3D測試發展趨勢

分析可知，主觀測法得到的結果更接近人的真實感受，但容易受到測試者的影響。客觀測試法盡管成本低、結果穩定，但與人眼實際觀察感受有一定差距。為此，各類測法目前朝著克服自身不足的方向發展，對主觀測法，學者對測法的整個過程進行了統計設計［45］，包括設立AS3D圖像源信息庫，建立測試者隨機篩選機制、培訓機制，界定測試環境、條件等，并對實驗結果的同樣進行統計處理。例如，Foley J.M.在改進測試的同時，進行大量樣本進行實驗，并從結果中總結AS3D測試的主要測試維度：左右圖像質量、立體效果、層次感、舒適感等［46］。

對于客觀測法，由于人類視覺系統是光學系統和神經中樞組成的綜合系統。其中光學系統采集光信息，神經中樞處理光信息，綜合產生立體視覺。隨著學者對人類視覺特性研究的深入，對AS3D客觀測試法的研究現朝著仿生信息處理和仿生采集的方向發展。仿生信息處理指結合人眼的特點設計數據處理方法，側重于對后端的數據分析，例如 Weber Fencher、Michelson等多位學者關于人類視覺系統的研究，將人類在視覺信息處理過程總結成多通道效應、對比度敏感效應、幅度非線性效應，和掩蓋效應4種特點，并編寫對應算法用于處理測試數據［47－53］。而仿生采集則是在AS3D效果測試時，直接在設備后端光信息采集處，引入仿生調制，也是目前AS3D效果測試的發展趨勢之一。

5 結 論

自由立體顯示作為近年來活躍的領域，其測試方法已成為規范產業，引領技術發展的重要部分。研究先進的測試方法，能夠制定行業標準的先行者將能引導市場，也將掌握技術創新主動性。未來，伴隨對人類視覺的生理特性，仿生學及統計分析的研究，自由立體顯示測試方法將朝向全面利用光學信息，更為客觀的統計手段，更接近人的觀測感受的方向發展。優秀的主觀測法和客觀測法將相輔相成，互為補充。一旦技術成熟，自由立體顯示技術在新測法和指標的規劃下贏得更廣泛的市場，在工業生產，生活娛樂，航空、醫療等領域得到更廣泛的應用。

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