立體電視不同視差平面上的立體視銳度研究

鄭冠雯，鄧向冬

(國家新聞出版廣電總局廣播電視規(guī)劃院，北京 100866)

立體電視不同視差平面上的立體視銳度研究

鄭冠雯，鄧向冬

(國家新聞出版廣電總局廣播電視規(guī)劃院，北京 100866)

摘要:通過生理感知試驗，研究了雙路立體電視不同視差平面上的立體視銳度。根據(jù)試驗結果，人眼在0°視差平面上有最佳的立體視銳度，且隨著畫面中物體視差逐漸增大，人眼在觀看該出/入屏物體時的立體視銳度將逐漸下降。此外，相比入屏物體而言，人眼在觀看具有相同大小視差的出屏物體時具有更佳的立體視銳度。

關鍵詞:立體電視；視差；立體視銳度

隨著立體電視的發(fā)展和普及，立體電視節(jié)目的觀看舒適度受到了越來越廣泛的關注。目前，立體電視技術仍在發(fā)展當中，當前主流的雙路立體電視技術并不能完全還原真實世界的立體場景。受到成像技術的限制，雙路立體電視系統(tǒng)無法呈現(xiàn)真實立體場景的調(diào)節(jié)、運動視差等立體要素，這種技術上的缺陷會導致一系列的觀看問題[1]。其中，輻湊與調(diào)節(jié)的矛盾是當前雙路立體電視技術最主要的缺陷之一。Yano S等人[2-3]對雙路立體電視系統(tǒng)中輻湊與調(diào)節(jié)的矛盾進行了研究。研究結果表明，當立體畫面中物體的視差角大于1°時，評價員的觀看舒適度會顯著下降，甚至會對人眼的調(diào)節(jié)能力在短期內(nèi)造成不良的影響，并且這種矛盾會隨著畫面中物體視差的增大而增加[3]。國際電信聯(lián)盟的ITU-R BT.2293-1研究報告[4]和國內(nèi)《立體電視制播技術要求》[5]也對立體電視節(jié)目制作時的視差范圍進行了相應的限制。

在立體電視中，電視畫面由2D電視的水平方向、垂直方向2個維度增加到水平方向、垂直方向、深度方向3個維度，人眼在深度方向上分辨物體的能力稱為立體視銳度。在國際電信聯(lián)盟的ITU-R BT.2021-1[6]中，分析了在適當?shù)挠^看距離下，人眼能夠分辨當前立體系統(tǒng)所呈現(xiàn)的最小視差。然而，這一研究結果并未考慮輻湊與調(diào)節(jié)的矛盾對人眼立體視銳度造成的影響，也未考慮不同人立體視銳度的差異。醫(yī)學眼科研究中雖然有大量對立體視銳度的研究[7-8]，然而醫(yī)學眼科研究所使用的刺激源與雙路立體電視存在較大差異。本文針對輻湊與調(diào)節(jié)的矛盾可能對人眼立體視銳度造成影響這一問題，研究了人眼在觀看雙路立體電視時，在不同視差平面上立體視銳度的差異。

1試驗素材

1.1雙路立體電視上的立體視銳度測試素材

在ITU-R BT.2021-1[6]《立體電視系統(tǒng)主觀評價方法》的“6評價員”—“6.2視覺篩選”中，給出了包括立體視銳度檢查在內(nèi)的評價員視覺篩選方法。本文采用了ITU-R BT.2021-1 附件1中圖9的原理進行評價員立體視銳度的測試，基本測試圖像如圖1所示。

圖1　立體視銳度基本測試圖像

在左、右眼圖像中，均有9個大圓，每個大圓內(nèi)有4個小圓，在大圓中心處有數(shù)字“1”至數(shù)字“9”的標識。對于左、右眼圖像中相同位置的大圓，大圓內(nèi)的4個小圓里有3個小圓在左、右眼圖像中完全相同，只有1個小圓在左、右眼圖像中存在水平方向上的視差。當采用立體手段觀看上述測試圖像時，擁有正常視功能(包括立體視功能)的評價員將能夠通過視差線索辨別出存在水平方向視差的小圓。

在9個大圓中，水平方向上存在視差的小圓擁有不同大小的視差。在大圓“1”至“9”中，小圓水平方向上的視差大小如表1所示。

表1小圓水平方向上的視差大小

序號存在視差小圓的方位在3倍屏幕高度下的視差角/(″)1↓4802←4203↓3604↑3005↑2406←1807→1208←609——

1.2不同視差平面上的立體視銳度測試

由于人眼在觀看雙路立體電視時存在輻湊與調(diào)節(jié)的矛盾，視差平面的位置可能會影響人眼的立體視銳度。對于本試驗的研究目的而言，1.1節(jié)中的基本試驗素材存在如下問題：

1)視差平面單一

原始測試圖像中，每個大圓的視差均為0°。因此，原始測試圖像只能反應評價員在觀看0°視差平面附近物體時的立體視銳度，而不能反應評價員在觀看其他視差平面上物體時的立體視銳度。

2)可重復性差

原始測試圖像中，9個大圓中存在視差小圓的位置是一定的。在進行重復試驗時，評價員的記憶將很可能影響試驗結果。

“地球在1萬年前就被黑洞吞噬了。”“顏姨”向他解說著，“即使不被黑洞吞噬，地球也已經(jīng)滿目瘡痍，我們拯救了剩余的人類。為了讓他們能夠繁衍生息，避免滅絕，我們?yōu)槊恳粋€個體創(chuàng)造了獨立的世界，有社會、生活交際、朋友圈等等。你不是想知道為什么會有面孔重疊的人嗎？因為迄今為止，人類只剩下6000人……構造你們的世界，唯有用重疊的方式。”

根據(jù)以上兩點，本試驗對原始素材進行了如下改進：

1)調(diào)整視差平面位置

參考Yano S等人對立體電視畫面中不同視差大小物體的觀看舒適度研究結果[3]以及當前立體電視系統(tǒng)的實際視差范圍[5]，本試驗選取-2°，-1°，0°，1°，2°共5個視差平面，分別研究各個視差平面上人眼的立體視銳度。

2)隨機安排測試圖像

對于不同的視差平面以及同一視差平面的不同的測試組，均隨機地安排大圓中存在視差小圓的位置。

1.3實際試驗素材

一組視差平面為0°的試驗素材的示意圖如圖2所示(白色區(qū)域表示凸出的小圓)。

圖2　一組視差平面為0°的試驗素材的示意圖

圖2中，每一排的5個大圓作為一組測試(編號“1”～“5”為一組、編號“6”～“10”為一組)，同一排的5個大圓中存在視差的小圓的視差相同。在一組測試中，會隨機安排1到2個小圓均不存在視差的大圓作為干擾項。

在第一排大圓中，編號“2”、“3”、“5”的大圓中突出小圓的視差為480″，編號“1”、“4” 的大圓中小圓的視差均為0°；在第二排大圓中，編號“6”、“8”、“9”、“10”的大圓中突出小圓的視差為420″，編號“7”的大圓中小圓的視差均為0°。此素材對應于下文表2試驗素材編排中的1A。

2試驗方法

2.1試驗素材編排

試驗素材按照表2中編排的順序進行播放。

表2試驗素材編排

組別測試圖像播放前顯示的編號大圓視差平面/(°)第一排小圓視差大小/(″)第二排小圓視差大小/(″)第一組1A1B1C1D1E048042036030024018012060組間視差平面平滑過渡(0°～-1°)第二組2A2B2C2D2E-148042036030024018012060組間視差平面平滑過渡(-1°～-2°)第三組3A3B3C3D3E-248042036030024018012060組間視差平面平滑過渡(-2°～1°)第四組4A4B4C4D4E148042036030024018012060組間視差平面平滑過渡(1°～2°)第五組5A5B5C5D5E248042036030024018012060

表2中，對于大圓的視差平面，負視差表示視差平面出屏，正視差表示視差平面入屏。小圓視差大小表示存在視差小圓相對于大圓視差的差值。例如：

1)對于編號為1E的立體圖像，畫面中大圓的視差值為0°，凸出的小圓的絕對視差值為-60″；

2)對于編號為2E的立體圖像，畫面中大圓的視差值為-1°，凸出的小圓的絕對視差值為-1°-60″，即-1°1′；

3)對于編號為4E的立體圖像，畫面中大圓的視差值為1°，凸出的小圓的絕對視差值為1°-60″，即59′。

不同組間，視差平面會發(fā)生較大的改變。如果這種視差改變是突然的，可能會導致評價員出現(xiàn)不適，甚至無法融合當前所觀看的立體圖像。為防止這種情況發(fā)生，本試驗在每組試驗素材之間加入組間視差平面的平滑過渡，使兩組測試圖像間不會出現(xiàn)視差的跳變。

此外，根據(jù)醫(yī)學眼科經(jīng)驗以及本試驗經(jīng)驗，評價員通常在判斷較小的視差時會出現(xiàn)分辨困難的情況。因此，本試驗在測試120″，60″的視差時，采用10個大圓作為一組測試，以增加試驗結果的準確性。

評價員被要求觀看如表2中的一組3D視頻序列。試驗員會隨機從每排5個大圓中選取3～5個，并要求評價員判斷大圓中的4個小圓哪一個有“凸出來”的感覺。評價員應給出“上”、“下”、“左”、“右”或“無法辨別”的評價結果。

2.2試驗環(huán)境

將雙路全高清立體電視圖像序列按照“3.1 試驗素材編排”中的方式編排后，采用Mistika非編工作站通過雙路HD-SDI信號輸出，使用SONY高清立體電視專業(yè)監(jiān)視器(SONY LMD-4251TD，42 in)進行評價。

國際電信聯(lián)盟在ITU-R BT.2021-1建議書中，規(guī)定立體電視觀看條件(包括屏幕亮度、對比度、背景照明度、觀看距離等)應與ITU-R BT.2022建議書(6/20號文件)[9]中SDTV/HDTV平板顯示設備的主觀質(zhì)量評價觀看條件保持一致。本試驗依照ITU-R BT.2022建議書搭建試驗室環(huán)境。

3試驗結果

3.1評價員

考慮到國外類似工作一般采用的評價員數(shù)量在5～10人，而ITU對2D視頻的評價員數(shù)量要求為15人。本試驗共選取了15名評價員。評價員年齡在23歲到42歲之間。經(jīng)遠視力表與Titmus立體圖檢查，參加試驗的評價員均具有正常的矯正視力與立體視功能。

3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計

評價完成后，試驗員根據(jù)評價員的評價結果與實際情況是否吻合，給出判別結果。試驗采用與遠視力檢查時類似的方式給出評價員立體視銳度判別結果，即：當評價員判斷正確率超過2/3時，認為評價員可辨別該大小的立體視銳度。

3.3試驗結果

將15名評價員試驗結果的平均值、最大值、最小值繪制如圖3所示。

圖3　試驗結果

3.4試驗結果分析

由圖3的試驗結果可知：

1)對比-2°，-1°，0°，1°，2°視差平面上評價員的平均立體視銳度，在0°視差平面上評價員的平均立體視銳度最高。

2)對于出屏物體(視差平面為-1°，-2°時)，隨著視差平面靠近評價員，評價員的平均立體視銳度逐漸下降。在視差平面-1°位置上，評價員的平均立體視銳度與在0°視差平面上的相比降低了8″；在視差平面-2°位置上，評價員的平均立體視銳度與在0°視差平面上的相比降低了32″。

3)對于入屏物體(視差平面為1°，2°時)，隨著視差平面遠離評價員，評價員的平均立體視銳度逐漸下降。在視差平面1°位置上，評價員的平均立體視銳度與在0°視差平面上的相比降低了20″；在視差平面2°位置上，評價員的平均立體視銳度與在0°視差平面上的相比降低了80″。

4)評價員在觀看出屏物體時的立體視銳度要顯著高于觀看入屏物體時的立體視銳度。具體地，評價員在視差平面-1°位置上的平均立體視銳度比在視差平面1°位置上的高12″；評價員在視差平面-2°位置上的平均立體視銳度比在視差平面2°位置上的高48″。

5)評價員在觀看視差1°內(nèi)物體時的立體視銳度要顯著高于觀看視差1°外物體時的立體視銳度。具體的，評價員在視差平面±1°位置上的平均立體視銳度比視差平面±2°位置上的高42″。

4試驗結論及建議

4.1試驗結論

根據(jù)試驗結果分析，得出結論：1)在觀看雙路立體電視圖像時，人眼在0°視差平面上有最佳的立體視銳度；2)隨著畫面中物體視差逐漸增大，人眼在觀看該出/入屏物體時的立體視銳度將逐漸下降；3)人眼在觀看視差在±1°內(nèi)的物體時，立體視銳度變化不顯著；當所觀看物體視差超出±1°時，立體視銳度將有較明顯的下降；4)相比入屏物體而言，人眼在觀看具有相同大小視差的出屏物體時有著更佳的立體視銳度。

4.2關于在雙路立體電視系統(tǒng)中呈現(xiàn)良好深度質(zhì)量的建議

ITU-R BT.2021-1將立體電視圖像的基本質(zhì)量分為圖像質(zhì)量、深度質(zhì)量、觀看舒適度三個維度。立體視銳度反應了人眼分辨深度細節(jié)的能力，立體視銳度的下降將會影響觀眾對立體電視圖像深度質(zhì)量的主觀感知。根據(jù)本試驗結果，為保證立體電視系統(tǒng)能夠為觀眾呈現(xiàn)出良好的深度質(zhì)量，建議：

1)為保證畫面主體的深度質(zhì)量，建議將畫面主體控制在0°視差平面附近；2)為保證畫面整體的深度質(zhì)量，建議將畫面整體的視差范圍控制在±1°內(nèi)；3)如因藝術創(chuàng)作需求，需要表現(xiàn)強烈的立體效果，建議以出屏(負視差)方式呈現(xiàn)畫面主體，以保證畫面主體的深度質(zhì)量。

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[9]ITU-R BT.2022， General viewing conditions for subjective assessment of quality of SDTV and HDTV television pictures on flat panel displays[S].[S.l.]:ITU,2012.

Stereo acuity at different disparity plane on 3DTV

ZHENG Guanwen，DENG Xiangdong

(AcademyofBroadcastingPlanning，SAPPRFT，Beijing100866，China)

Abstract:In this paper， the stereo acuity at different disparity plane when people watching double-channel 3DTV is studied based on physiological perception experiment. The experiment result shows that the optimal stereo acuity is obtained by people at zero disparity plane， and the stereo acuity obtained by people will decrease when the object in 3DTV is far from zero disparity plane. Moreover， compared with in-screen object， a better stereo acuity is obtained by people when watching an out-screen object.

Key words:3DTV； disparity； stereo acuity

中圖分類號：TN949.13

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.001

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2012BAH39F03)；國家自然科學基金項目(61271445)

作者簡介：

鄭冠雯(1989— )，工程師，主研電視中心技術；

鄧向冬(1974— )，教授級高工，主研電視中心技術。

責任編輯：時雯

收稿日期：2015-12-10

文獻引用格式：鄭冠雯，鄧向冬.立體電視不同視差平面上的立體視銳度研究[J].電視技術，2016，40(6)：1-4.

ZHENG G W，DENG X D.Stereo acuity at different disparity plane on 3DTV[J].Video engineering，2016,40(6)：1-4.