3D电视用户体验:原理与测评方法

卢宝周

(中国石油大学经济管理学院，青岛 266580)

1 引言

3D电视，又称三维立体影像电视(Stereoscopic 3D TV)［1］，是当前电视行业发展的主要趋势之一。市场中销售的电视中，大部分都具有3D播放功能。3D电视通过使左右眼看到的影像分离，根据视觉成像原理，从而使用户产生立体的感觉，从而增强了观看者的深度感知体验，然而，也会带来一定程度的负面体验，如:视觉疲劳、头晕等［2］。而用户体验是影响新产品能否被接受的重要因素。但是，目前国内针对3D电视用户观看体验的研究还比较缺乏［3］，对其维度构成和评价方法也缺乏系统的总结。随着3D电视的推广，当前亟需加强针对该领域的理论探索和实证研究。

在对国外研究文献梳理和总结的基础上，本文首先从心理学和生理学的角度分析了影响3D电视观看体验的原理;接下来总结和分析了目前影响3D电视观看体验的因素和测评方法;然后提出了一个多维度的3D电视体验质量模型(Quality of Experience Model for 3D TV);最后对该领域的研究趋势进行了简要的分析。本文将为我国3D电视用户体验研究提供一定的理论基础和测评方法。

2 3D电视观看体验的基本原理

目前的3D成像技术主要利用了视觉成像原理中的双目视差(binocular disparity)。在生理上，人的双眼呈横向水平分布，平均瞳孔距离(interpupillary distance，IPD)为 63mm(Dodgson，2004)［4］。因此，左眼和右眼观察物体的角度略有差异，造成双眼中看到的图像并不完全相同，这就是双目视差。通过大脑的视觉融合能力和解释能力将左右眼图像融合成统一的感知图像。双目视差可以帮助人更精确的感知所观察对象的相对距离和绝对距离，也是立体感知的主要形成因素之一。在观看物体时，人眼主要通过两种视觉功能实现对图像的处理:(1)汇聚功能(convergence)，即通过调节双眼的水平活动使其着眼点落在同一点上;(2)调焦功能(accommodation)，即通过眼部肌肉调节瞳孔的聚焦功能，来形成对所观察物体的清晰图像。

3D影像在制作时，通过摄像机模拟人眼来分别获取两幅2D图像;而在播放时，通过播放技术(眼镜3D和裸眼3D)分别向双眼播放不同的2D图像，通过大脑的视觉融合能力使观看者形成统一的感知图像。感知图像向屏幕前方或者后方的偏离，从而造成立体的效果，其原理如图1所示。如果双眼图像在显示屏幕前交叉，则3D画面向屏幕前方偏离，形成交叉视差，如图1中F点所示;如果双眼图像在显示屏幕后方交叉，则3D画面向屏幕后方偏离，形成不交叉视差，如图1中B点所示。

如上所述，在自然场景中，人主要利用汇聚和调焦两种机制的协作来处理视觉图像。在观看3D影像时，人眼聚焦于现实屏幕，但是，双眼视差感知到的画面是偏离屏幕的，这就造成眼睛的调焦功能与汇聚功能之间的冲突。如果立体深度(偏离屏幕)过大，这种冲突就会加剧，进而超出大脑能够处理的范围，给观看者带来视觉上的不适，如:模糊、重影等以及其他在心理和生理层面的不适。因此，3D影像在制作和播放时，应该注意进行适当的深度渲染，以保证一定的观看舒适区域。

一般用焦点深度(DOF，depth of focus)来表示3D画面偏离屏幕的程度，其被定义为3D图像与观看者之间距离倒数与屏幕与观看者之间距离倒数的差值。那么，当3D画面在屏幕后方时，DOF为负值;当3D画面在屏幕前方时，DOF为正值，即:

由上述公式，可得到成像距离和观看距离之间的关系，即:

当前，国际上经过试验检验所推荐的能够保证观看舒适区域的焦点深度为(－0.2o，+0.2o)(Yano，2004)［5］，将其带入上述公式(2)，即可得到 3D观看的舒适距离为［6］:

一般来讲，在播放时，可以通过调节两幅2D图像在屏幕上的位差(双目视差)，来控制立体深度。结合上述公式，我们进一步可以得到观看距离(d)、前后成像区域(Zb和Zf)、双目距离(e)、位差(s)、焦点深度以及深度渲染能力之间的关系［6］。在已知焦点深度(－0.2o，+0.2o)、双目距离(取平均值65mm)和观看距离(d取观看屏幕高度的4.5倍左右)的情况下，通过数学推导可以得到其他相关各个变量的数据。

图1 3D电视成像与视觉原理示意图(根据文献(Chen，2012)［6］)

3 3D电视观看体验影响因素分析

由上述内容可知，双目视差是形成3D效果的基础，也是影响3D电视体验的基本因素之一。除此之外，还有很多其他因素影响3D电视观看体验。这些因素与3D电视制播过程相关(王惠明等)［6－7］。结合文献［6 －7］，表 1 对其中的主要因素进行了汇总，并对其影响进行了简要解释。本文主要从制作、传输和播放三个环节对3D电视观看体验因素进行分析。

首先，制作环节的主要因素有:视差管理、左右视图、视野冲突管理、视野安全管理、3D视频内容与压缩编码等。其中，视差管理指3D视频内容拍摄、制作阶段指对于左右视差的处理与深度渲染，主要影响观看时的立体深度感知。左右视图拼接，指制作时通过左右视图进行分离采样。拼接过程会损失图像信息，降低图像质量。视野冲突与安全管理则包括边框效应、画面切换的空间跳跃、遮挡关系矛盾以及焦点平面与会聚平面矛盾等［6］，主要影响观看时的立体深度感知以及其他心理感受等。国家广电总局科技司发布的《3D电视技术指导意见 第一部分:节目制作播出》，已经要求对制播环节进行质量控制，以保证图像的视觉安全性。最后，研究表明，3D素材与内容也会影响观看体验，包括:3D内容、故事情节、特效、运动速度等。如:3D画面中物体的运动速度会带来视觉疲劳与身体不适［5，8］。

其次，传输环节的主要因素包括:信道失真与压缩编码。传输环节中，对图像质量影响最大的因素是压缩编码，不同的编码算法和编码参数设置，图像的损伤大小所不同［6］。其次，传输过程中由于自然原因造成的信道误码，导致信号丢失、串扰现象等，也会影响2D画面质量。

最后，播放环境的影响因素包括:播放设备与技术、深度渲染(depth rendering)、观看条件与用户的个体差异。播放设备与技术指3D电视播放的显示设备与播放技术，显示器的类型、屏幕尺寸、性能、3D眼镜的类型等，会影响图像清晰度、色彩与立体效果等。比如，屏幕尺寸会影响边框效应。边框效应指当画面主体太接近显示器边框而造成的一种视野冲突［6］。一般来说，大屏幕能够使观看者忽视边框的存在，从而减少该效应。另外，大屏幕能够增强观看的临场感和真实感。而3D显示器的性能，包括:亮度、对比度、色温、运动拖尾等指标，也会影响图像质量，同时也可能影响立体效果。另外，不同的3D眼镜技术，如:快门式、偏振式等，也会影响图像质量与立体效果。

深度渲染指通过调节播放设备的左右视差，调节3D图像的立体深度，对立体感知与视觉舒适等有直接影响。观看时的条件设置，包括:房间背景、显示器亮度与对比度设置、观看距离、观看位置，也对观看体验有影响［7］。而用户个体差异，包括:视觉能力、身体状况等，也会影响观看体验。因此，在对3D电视观看体验进行测评时，应该详细汇报实验环境条件并对测试对象进行严格的筛选。

4 3D电视观看体验模型

当前，围绕3D电视用户体验的研究主要集中在视觉不适与视觉疲劳等层面［2，5］，尚未形成完善和统一的评价体系［7］。但是，文献指出3D用户观看体验是一个复杂的概念，应该包括多个维度［9］。比如，Lambooij(2011)［10］指出 3D 体验中的自然度由图像质量与深度感知构成。Chen等(2012)［2］，提出了一个3D电视视觉体验模型，指出视觉体验由图像质量(image quality，IQ)、感知深度(depth quantity，DQ)与视觉舒适度(visual comfort，VC)三种体验构成。即:

表1 3D电视用户观看体验影响因素分析

在现有文献的基础上，本文提出了一个多维度的3D电视用户体验模型，如图2所示。3D用户体验影响满意度，而满意度则影响用户对于3D电视的态度和使用倾向。如果用户有较好的体验，那么满意度就较高，从而倾向于继续使用3D电视;反之，则不愿意继续使用。因此，保证用户具有比较好的3D观看体验就显得比较重要。而3D观看体验是一个比较抽象的概念，因此，采用多维度的模型将有助于我们更加深入的理解这一概念。本文提出的3D电视用户体验由正面体验和负面体验构成，而正面体验包括:自然度、临场感、立体感与视觉舒适度，而负面体验则主要包括:视觉不适(visual discomfort)与身体不适等。视觉舒适度与负面体验中的视觉不适具有相互替代关系。

3D电视通过深度渲染增加用户观看的立体感，从而增了强观看者的现实感与身临其境的感觉;然而另一方面，过度的立体感造成视觉冲突，从而带来负面体验。因此，自然度和临场感，这两个维度属性与视觉舒适度之间，存在一定程度的冲突。深度渲染应该把握一个合适的度，既能保证观看3D所带来的正面体验，也能保证视觉和生理上的舒适。

3D电视用户体验的上述构成维度受到两个基本因素的影响:图像质量与深度渲染。而这两个基本因素则受到来自上述表1中其他多种因素的影响。现有研究一般通过调节图像质量与焦点深度(DOF)对3D电视用户的主观体验进行实验研究，如文献［2，5，7］。目前，针对我国3D用户观看体验的实证研究还比较匮乏。

图2 3D电视用户主观体验评价模型

5 3D电视观看体验的评价方法

3D电视用户体验的评价方法主要有两种:主观评价方法(subjective assessment)和客观评价方法(objective assessment)［7］。

5.1 主观评价方法

3D电视观看体验主观评价方法，指通过用户打分的方式对观看的体验进行评价。目前3D主观评价方法以2D图像的评价方法为基础，结合3D的特点进行扩展，已经形成了初步的规范。国际电信联盟(ITU)提供的与3D电视主观评价相关的指导性意见主要有:(1)ITU－R BT.500，2D图像的主观评价方法;(2)ITU－R BT.1438，3D电视的主观评价建议书;(3)ITU－R WP6和ITU－T SG9，针对ITU－R BT.1438的不足，提出了更充分的3D电视的主观评价建议;(4)ITU－R BT.1788，影像主观评价建议书。根据以上资料，结合文献［7］，本文整理了目前国际上普遍采用的3D电视的主观评价方法，参见表2:

(一)针对静态图片和短视频(＜60秒)，ITUR BT.500提出了四种评价方法，分别是

·双刺激法

包括两种:双刺激连续测量法(the doublestimulus－continuous－quality－scale method，DSCQS)与双刺激损害测量法(the double－stimulus impairment scales，DSIS)。顾名思义，双刺激法中，实验对象被要求对一系列的“图像对”进行测试。每个评价环节观看两幅图像，一幅为无损害图像(参照图像)，另外一幅为损害图像(测试图像)，看完之后就每幅图像的整体质量给出评价。DSCQS与DSIS的区别在于量表，前者的量表为图像质量的高低，而后者的量表为损害程度的大小。

·单刺激法(single－stimulus methods)

单刺激法中，实验对象被要求对每幅测试图像进行单独打分。

·单刺激比较法(stimulus－comparison methods)

单刺激比较法中，首先根据刺激因素，形成一系列的测试图像对。然后，实验对象对两幅图像进行比较，给出两者之间差异程度的评分。

(二)针对长视频(＞60秒，＜20分钟)，ITUR BT.500提出了两种评价方法:

·单刺激持续评价法(single stimulus continuous quality evaluation，SSCQE)

该方法中，实验对象被要求观看一系列长视频，并给出评分。其与单刺激法类似。

·双刺激持续评价法(simultaneous double stimulus for continuous evaluation，SDSCE)

该方法中，实验对象被要求同时观看两个视频，并就两个视频之间的差异程度进行评分。其与单刺激比较法类似。

(三)视频质量主观评价法(Subjective Assessment Methodology for Video Quality，SAMVIQ)，基于ITU－R BT.1788，主要用于多媒体评价。

该方法中，实验对象被要求观看一系列的短视频(10－15秒)。该方法的优点是实验对象能够在不同的视频之间进行切换并且可以更改评分。

5.2 客观评价方法

3D电视观看体验的客观评价方法指采用客观手段和仪器对用户的生理反应进行评价。目前采用的仪器主要包括:眼部跟踪设备、脑电波测量装置以及其他的人体和眼部健康诊断设备等。这些设备可以捕捉用户在观看3D电视时的生理反应，比如:瞳孔反应、视线轨迹、脑电波等，也可以用来测量观后的视觉与身体反应等。客观评价方法能够直接获取用户的客观体验数据，比主观评价方法具有一定的优势，也代表了主要的发展方向。因此，在国外已经开始使用，如:文献［7］使用了脑电波设备，而文献［11］则使用了眼部跟踪设备。但是，这些测量仪器价格昂贵，实验环境的搭建与管理也比较复杂。

5.3 实验环境

除了上述评价方法，ITU的建议书以及文献［7］也指出，在进行实验研究时，研究人员应该注意的其他方面的影响因素，遵循一定的实验规范，以剔除其他非相关变量的影响。表2也对此进行了总结。这些因素包括:观看条件、信号源、测试素材、实验对象筛选、实验时长以及评价方法等。3D用户体验实验应该尽量降低无关变量对3D观看效果的影响，比如，对于显示器亮度和对比度的调整，对于房间亮度与观看距离的安排，实验素材的选择等。为了使研究结果具有可比较性和可复制性，研究人员也应该提供详尽的实验过程和详细的实验环境。

6 3D电视用户体验研究趋势

国内的3D电视用户体验研究起步较晚，但是，3D电视市场发展较快。因此，有必要加强这方面的研究，以保证用户具有较好的3D体验，并促进3D技术和市场的良性发展。在该领域主要有以下几个方面的研究趋势:

表2 3D电视体验实验研究影响因素与实验规范

(1)3D电视用户主观体验的构成维度实证研究，本文虽然提出了一个多维度的3D用户体验概念模型，但是这个模型有效性还需要进一步的探索，各个维度对用户体验的贡献度也需要进一步的实证检验;

(2)3D电视用户视觉舒适度研究，视觉舒适度是3D电视体验中的一个非常重要的维度，将来的研究有必要通过规范的实验研究，探索相关变量对于舒适度的影响，包括:双目视差、图像质量、观看时长、观看角度等;

(3)不同的播放设备对3D电视效果的影响，当前3D播放设备和技术差别较大，因此有必要针对这些3D技术的用户体验进行研究;

(4)3D电视用户接受或者拒绝研究，用户体验决定了用户对于3D电视的态度，而态度最终决定用户的行为，即接受或者拒绝。因此，将来的研究应该探索3D电视用户接受或决绝行为的影响机制研究。

7 结论

随着3D电视的普及，3D电视用户体验研究的重要性日益增加。本文从理论上分析了3D电视用户体验的基本原理，从制播流程角度总结了影响3D电视体验的主要影响因素，然后，提出了一个多维度的3D电视体验模型。接下来，结合文献分析和总结了3D电视用户体验的主要评价方法，最后，提出了几个将来的主要研究方向。本文也为将来的3D电视用户体验研究以及用户行为研究提供了一定的理论基础。

［1］Li J，Barkowsky M，Le Callet P.Recent advances in standardization on 3d quality of experience［J］.IEEE COMSOCMMTC E － Letter，8(3):20 －23，2013.

［2］Chen W，Fournier J，Barkowsky M，Le Callet P.Quality of experience model for 3DTV［J］.In IS＆T/SPIE Electronic Imaging，International Society for Optics and Photonics，2012.

［3］夏丹.3D电视与3D电视节目质量模糊综合评价方法研究［J］.现代传播，12，2013.

［4］Dodgson N A.Variation and extrema of human interpupillary distance［J］.Stereoscopic displays and virtual reality system XI，2004，36 －46.

［5］Yano S，Emoto M，Mitsuhashu T.Two factors in visual fatigue caused by stereoscopic HDTV images［J］.Displays，25，141 －150，2004.

［6］王惠明，董文辉，邓向冬.3D电视的分级结构和主客观测评［J］.广播与电视技术，1，2012.

［7］Chen W.Multidimensional characterization of quality of experience of stereoscopic 3D TV［J］.Doctoral dissertation，Université de Nantes Angers Le Mans，2012.

［8］Li J，Barkowsky M，Wang J，Le Callet P.Study on visual discomfort induced by stimulus movement at fixed depth on stereoscopic displays using shutter glasses［J］.In Digital Signal Processing(DSP)，17th International Conference，1 －8，2011.

［9］IJsselsteijn W A，Seuntiёns P J H，Meesters L M J.State－of－the－art in human factors and quality issues of stereoscopic broadcast television［J］.ATTEST Proj Deliverable，2002.

［10］Lambooij M，Ijsselsteijn W，Bouwhuis D G，Heynderickx I.Evaluation of Stereoscopic Images:Beyond 2D Quality，Broadcasting［J］.IEEE Transactions on，57:432 －444，2011.

［11］Wang J.From 2D to Stereoscopic －3D Visual Saliency:Revisiting Psychophysical Methods and Computational Modeling［J］.Doctoral dissertation Université de Nantes Angers Le Mans，2012.