基于環境光的HDR 影像視覺舒適度研究

顧曉娟 吳 悠

1.北京電影學院影視技術系，北京 100088 2.新華通訊社，北京 100803

1 引言

高動態范圍（HDR）影像技術可以為影像提供更廣的色域、更寬的亮度范圍和更高的對比度，使影像更加真實、生動，更接近我們肉眼所感知的真實場景。隨著近年來HDR 技術更加廣泛地應用于消費級電子產品，HDR 技術的應用前景也非常廣闊，如消費者的家庭影院、游戲和流媒體娛樂，以及大規模的辦公室展示和數字廣告牌等，此外，HDR 技術已逐步推廣應用于商業院線。很多消費級HDR 顯示設備已經可以達到1000cd/m2的峰值亮度，SMPTE ST 2084標準[1]中，為PQ HDR 影像格式預留的最高亮度已達10000cd/m2。

HDR 影像的畫面平均亮度明顯高于標準動態范圍（SDR）影像，其常以局部高光的方式表現畫面中的高光景物，如白天的太陽、黑暗中的燈光等，使得畫面具有高對比度，創造更真實、生動的視覺效果。將兩段平均亮度差異很大的HDR 鏡頭剪輯在一起，可以造成畫面亮度上的跳躍，實現亮度在視聽語言上的表現。但是，如果在暗環境中觀看高亮度的HDR 影像，會因環境亮度和影像平均亮度的過高差異、畫面空間分布上的高亮度差以及影像鏡頭間較高的亮度差造成觀看者視覺系統的疲勞，甚至引發頭痛等不適癥狀[2]。在觀看環境中提供適當的環境光照明，可以緩解這種視覺不適癥狀。

在環境光相關研究中，Wibom 等人在研究顯示終端對視覺疲勞的影響時認為，在觀看電視等顯示設備的過程中，顯示設備與環境之間的高對比度會導致眼部的疲勞和不適感[3]；Bullough 等人對觀看電視時的環境光因素進行了定性研究，認為合適的環境光條件可以帶來更愉悅的視覺體驗[4]；Bangor 研究了CRT 顯示器、液晶顯示屏（LCD）兩類顯示設備和環境光對視覺疲勞的影響，并通過主觀實驗數據，利用統計學方法生成了這兩類顯示設備與環境光照度的視覺疲勞相關性的衡量公式[5]；Rempel 等人研究了環境照明對觀看HDR 顯示內容偏好的影響，發現被試者在黑暗環境下對亮度的偏好存在個體差異，而在模擬辦公場景的明亮環境中，對明亮屏幕的偏好強烈一致，證明環境光影響觀眾對顯示亮度的偏好[6]。

本文通過視覺舒適度量化評價方法，研究不同環境光照度下，畫面平均亮度、畫面亮度分布、鏡頭間亮度跳躍等HDR 影像亮度因素對視覺舒適度的影響，并給出觀看HDR 影像適宜的環境光照度。

2 HDR 影像舒適度主觀評價方法

心理物理學領域中對視覺舒適度的評價多從其對立面，即視覺不適度進行定義。視覺不適度用于表征人們在觀看圖像或視頻時產生的困擾或妨礙的煩擾程度，一般認為若不存在視覺不適便處于相對舒適的狀態。常用視覺舒適度評價指數（Visual Comfortable Index，VICO），采用完全獨立于各項物理指標的方式，如測試影像的亮度、對比度、色度以及環境光照度、色溫等，客觀量化人眼不舒適的程度，從反方面評價視覺舒適度[7]，如表1 所示，其中眼睛不適主要包含眼睛干澀、脹痛、異物感、視覺疲勞和瞬目（眨眼）次數增多等癥狀[8]。

表1 VICO 評價指數量表

國際電信聯盟（ITU）曾提出主觀評價方法，對電視圖像質量和最佳觀看視場角等實驗內容進行了研究，并在其發布的ITU-R BT.500[9]、ITU-R BT.1788[10]、ITU-T P.910[11]等標準中總結提出了多種主觀評價實驗方法，如雙刺激損傷量表法、雙刺激連續質量量表法、單刺激法和單刺激連續質量評價法。根據是否存在參考圖像、實驗目的是否要求序列連續播放等影響因素決定上述對應的評價方法。由于不存在參考圖像，并且需要避免不同實驗序列的連續刺激，本文實驗采用單刺激法。單刺激法以完全隨機的方式向被試人展示多段視頻片段，為了保證實驗客觀性，不同被試者觀看到的實驗序列順序有所不同。被試者無需觀看作為參考標準的參考序列片段，只觀看實驗序列片段，對其質量打分。其實驗序列構成結構通常如圖1所示。

圖1 單刺激法實驗序列構成示意圖

單刺激法中每個測試序列的展示時間為5s～10s，其前后均設置灰場作為間隔，每段灰場展示時間為5s。前部灰場用于提示被試者為下一段測試畫面做好準備，后部灰場用于讓被試者得到短暫休息，使人眼狀態得到恢復，并給予被試者一段時間進行打分，為下一次觀看和評分做準備。

單刺激法多采用形容詞分類判斷法制作評價等級量表，提前將評價等級按照語義進行劃分，劃分標準通常為某種屬性的高低，常用評分測度為5 分制。結合視覺舒適度評價指數和ITU-R BT.500 相關標準，我們將HDR 影像視覺舒適度劃分為5 個等級，其中5 分舒適度最佳，引發不適感最明顯的評價為1分，如表2所示。

表2 本文實驗采用的視覺舒適度評價量級表

3 基于環境光的HDR 影像舒適度實驗

3.1 實驗設計

基于環境光的HDR 影像舒適度實驗通過在環境光照度下，觀察者對具有不同平均亮度、亮度分布和鏡頭間亮度差的HDR 影像實驗片段的主觀評分，研究環境光照度與觀看HDR 影像舒適度之間的關系，并由此得到適宜的HDR 觀看環境的環境光照度范圍。

該實驗在長寬高分別為2.4m、2.2m 和2.5m 的實驗室內進行。為了降低雜散光的影響，實驗室內頂部及四周覆蓋低反光率黑色植絨幕布，地面鋪設有低反光率的灰色地毯。實驗室頂部分布4 根藍光PavoTube II 6C LED 燈管作為環境光源，光源功率可調，用于提供觀看環境光的照度。實驗中使用的HDR 顯示設備為索尼BVM-X300 專業監視器，有效幅面大小為66.3cm×39.9cm。為滿足SMPTE 對影院觀影提出的最佳水平視場角[12]，觀察者座位應位于距離X300 監視器1m 處。實驗所用座椅高度可調，每次實驗開始前都會按照觀察者身高調整座椅高度，確保其在水平向前看時垂直落在顯示畫面的幾何中心處。

實驗中以觀察者雙眼連線的中點作為環境光照度測量點，對環境光源亮度與相應觀察者所處位置的實際照度進行標定。

視覺舒適度實驗要求觀察者參照表2 的視覺舒適度評價量級表進行打分。參與實驗的觀察者共21人，具有正常的色彩辨識能力和視力，年齡在19～60歲之間，其中男性14 人，女性7 人；8 人具有HDR 影像制作經歷，剩余13 人雖未參與過HDR 影像后期制作，但都了解HDR 影像相關專業知識，且在實驗前經過適應訓練。實驗前對觀察者進行相應的實驗指導，確保實驗過程中不受外界其他因素干擾。

3.2 主觀實驗結果分析

計算實驗序列j主觀評分的算術平均值μj和標準差σj，其計算公式如式（1）（2）所示：

其中rij為第i個實驗對象對第j個測試序列的主觀評分，N為參與實驗序列j的實驗總人數。

由于主觀評分極易受實驗對象個體差異影響出現較大偏差，實驗結果參考ITU-R BT.500 的實驗結果篩選方法，采用如下方式篩除不合理的實驗數據：實驗組規定實驗序列j的主觀評分置信區間為。令第i個實驗對象對每個實驗序列的評分結果大于對應置信區間的次數記為P，令評分小于此置信區間的次數記為Q。設該實驗對象參與評分的總實驗序列數為T，當滿足式（3）時，可認為該實驗對象在主觀實驗過程中曾受到較大個人因素影響，該實驗對象評分出現異常，則應篩除其實驗數據。最終以去除異常實驗數據后，重新計算得到評分均值作為該實驗序列的視覺舒適度評分。

3.3 畫面亮度視覺舒適度實驗

畫面亮度視覺舒適度實驗主要研究觀察者觀看具有不同平均亮度和亮度分布的影像時，環境光照度對其視覺舒適度的影響。

（1）不同平均亮度影像情況下，環境光照度對其視覺舒適度的影響

實驗選取了具有不同平均亮度的7 個實驗序列進行畫面平均亮度實驗（表3），每個序列對應的鏡頭畫面亮度分布較為均勻，無明顯高光聚集，鏡頭內景物運動和亮度變化平緩，鏡頭內亮度變化幅度均小于±5%，畫面顏色較為中性。經過調整后，該組鏡頭的畫面平均亮度范圍控制在HDR 影片最常見的25cd/m2～150cd/m2。

表3 畫面平均亮度視覺舒適度實驗序列信息

圖2 橫軸代表對應實驗序列的平均亮度，縱軸代表觀察者觀看不同照度的實驗序列給出的舒適度評分均值。由圖2 可以看出，當環境光照度為0lux，即觀察環境為黑暗環境，在畫面平均亮度不高于75cd/m2時，觀察者視覺舒適度評分較高；當畫面平均亮度大于等于85cd/m2時，主觀評分均明顯下降，大部分觀察者會出現難以接受的視覺不適感。當增加觀看環境照度至20lux 時，觀察者對所有實驗序列的視覺舒適度均得到較大幅度提升，可接受實驗序列畫面平均亮度閾值范圍上升至100cd/m2～120cd/m2。當進一步提高觀看環境照度至40lux 時，觀察者的舒適度評分進一步提升，尤其對于平均亮度120cd/m2～150cd/m2等較高的實驗序列，其舒適度評分明顯提升。當進一步提高觀看環境的照度水平至60lux、80lux、100lux 甚至120lux 時，觀察者觀看實驗序列的視覺舒適度隨照度水平均有一定的提升，但提升幅度較小，多條曲線出現重合，大部分觀察者已經難以分辨觀看環境照度上的差異。值得注意的是，對于畫面平均亮度為25cd/m2和50cd/m2的實驗序列，繼續增加環境照度達到120lux 時，觀察者的視覺舒適度評分均值下降，其主要原因可能由于觀影背景墻反光至監視器，降低了顯示內容的對比度，進而影響觀察者的舒適度評分。

圖2 畫面平均亮度的視覺舒適度評分均值隨環境照度變化的關系圖

（2）不同亮度分布影像情況下，環境光照度對其視覺舒適度的影響

實驗中選取的6 個實驗序列信息如表4 所示。這些實驗序列的畫面平均亮度均為50cd/m2，畫面高光區域呈聚集性分布，鏡頭內景物運動和亮度變化平緩，亮度變化差異較小，畫面顏色較為中性但是各序列的畫面峰值亮度、峰值亮度與平均亮度之比以及高光占比均不相同，這里高光占比是指畫面中顯示亮度超過100cd/m2的像素占比，即：

表4 畫面亮度空間分布視覺舒適度實驗序列信息

其中N100為實驗序列中顯示亮度大于100cd/m2的像素數，N為實驗序列的總像素數。

圖3 橫軸坐標的三個數字分別代表各實驗序列的峰值亮度值、峰值亮度與平均亮度之比以及高光占比，縱軸為觀察者觀看對應實驗序列給出的舒適度評分均值。由圖3 可以看出，無論是否存在環境光，隨著實驗序列的高光區域峰值亮度升高，視覺舒適度評分呈下降趨勢。如果增加環境光照度，各實驗序列的視覺舒適度評分升高，特別在環境光照度為20lux、40lux 時，提高明顯。如果進一步提升實驗環境照度水平至60lux、80lux 和100lux 時，視覺舒適度評分進一步提升，但是提升并不明顯。當實驗環境的照度水平達到120lux 時，視覺舒適度評分出現小幅下降。

圖3 畫面亮度分布的視覺舒適度隨照度變化關系

畫面亮度視覺舒適度實驗的結果表明：視覺舒適度受畫面平均亮度和峰值亮度的影響；對平均亮度相同并且峰值亮度相同的影像，高光占比對視覺舒適度的影響尚缺乏數據支撐，需要進行進一步實驗；無論觀看環境是否存在環境光，影像內容的平均亮度都不應超過120cd/m2；如果適當增加觀看環境光照度至20lux、40lux 可以明顯改善因畫面亮度升高引起的觀察者視覺不適感。

3.4 鏡頭間畫面亮度跳躍視覺舒適度實驗

實驗選取了12 個實驗序列（具體相關信息見表5），每一實驗序列亮度分布較為平均，亮度變化平緩，畫面顏色較為中性。通過調整，12 個實驗序列平均亮度分別控制在1cd/m2、5cd/m2、25cd/m2、50cd/m2、100cd/m2、150cd/m2左右，其中每兩個實驗序列具有相同的平均亮度。將12 個實驗序列分為A、B 兩組，每組各6個實驗序列，組中實驗序列平均亮度各不相同。每組各取一個實驗序列，采用硬切方式進行剪接，形成一個序列對（去除平均亮度相同的實驗序列對），共30 個序列對，實驗時按照隨機順序播放這些序列對。

表5 亮度跳躍視覺舒適度實驗序列信息

圖4 為環境 光照度分 別為0lux、20lux、40lux、60lux、80lux、100lux 和120lux 時，觀察者觀看各序列對的視覺舒適度評分均值。第一列數值表示序列對中A 組實驗序列的平均亮度，第一行的數值表示B 組實驗序列的平均亮度，其它行列中的數據為對應序列對的視覺舒適度評分均值。我們令Ld為序列對亮度差，表示序列對中兩個實驗序列的平均亮度差，即：

圖4 不同環境光照度下畫面亮度跳躍舒適度評分均值

式（5）中，L1,L2分別為序列對中第一個序列和第二個序列的平均亮度值。若序列對的亮度差Ld〉 0，表示該序列對的平均亮度變化是由亮到暗；Ld〈 0 則表示該序列對的平均亮度變化是由暗到亮。圖4 中各表對角線下方的值為觀察者對Ld〈 0 的序列對的視覺舒適度評分；對角線上方的值為觀察者對Ld〉 0的序列對的視覺舒適度評分；每個評分值對應的行列下標差越大，對應的序列對 |Ld|值越大。

實驗結果表明：

（1）無論是否存在環境光，觀察者對亮度差-|Ld|的序列對評分值高于對 |Ld|的序列對的評分值，即亮度較高場景切換至較低亮度場景時，觀察者在視覺感受上更為舒適；亮度差 |Ld|值越小的序列對對應的視覺舒適度值越高，當序列對亮度差Ld達到最大（由150cd/m2實驗序列切換到1cd/m2實驗序列），觀察者感覺明顯的視覺不適；

（2）增加環境光照度至80lux、100lux 可以明顯改善實驗對因高亮度差變化引起的觀察者視覺不適，但是它對亮度差 |Ld|值較小的序列對影響有限；繼續增加環境光照度至120lux，觀察者的視覺舒適度評分沒有明顯改變；

（3）當環境光照度高于40lux，對于同時包含兩個亮度較低（1cd/m2或5cd/m2）實驗序列的實驗對，觀察者的舒適度評分逐漸降低。這些低亮度實驗序列通常為夜景場景，部分觀察者認為環境光使得實驗環境出現了難以忽略的雜散光，影響了夜景場景的呈現，引起舒適度評分下降。因此，對于低亮度場景，環境光照度范圍應控制在40lux以內。

4 結語

目前我國影院放映設備大多數仍然是標準動態范圍（SDR）的放映機。HDR 顯示技術能夠為觀眾呈現更優質的影像畫面，傳統影院已經在逐漸進行HDR 放映技術升級。但是在傳統黑暗觀影環境中觀看高亮度影像容易引起觀眾視覺不適癥狀。可以在HDR 觀影空間中引入環境光，以提高觀眾的視覺舒適度。本文的研究成果可以為搭建配有環境光的HDR 影院提供理論數據支持和可借鑒的環境光設計方案，對推動HDR 影像技術的發展和普及具有實際應用意義。