立体电视不同视差平面上的立体视锐度研究

郑冠雯，邓向冬

(国家新闻出版广电总局广播电视规划院，北京 100866)

立体电视不同视差平面上的立体视锐度研究

郑冠雯，邓向冬

(国家新闻出版广电总局广播电视规划院，北京 100866)

摘要:通过生理感知试验，研究了双路立体电视不同视差平面上的立体视锐度。根据试验结果，人眼在0°视差平面上有最佳的立体视锐度，且随着画面中物体视差逐渐增大，人眼在观看该出/入屏物体时的立体视锐度将逐渐下降。此外，相比入屏物体而言，人眼在观看具有相同大小视差的出屏物体时具有更佳的立体视锐度。

关键词:立体电视；视差；立体视锐度

随着立体电视的发展和普及，立体电视节目的观看舒适度受到了越来越广泛的关注。目前，立体电视技术仍在发展当中，当前主流的双路立体电视技术并不能完全还原真实世界的立体场景。受到成像技术的限制，双路立体电视系统无法呈现真实立体场景的调节、运动视差等立体要素，这种技术上的缺陷会导致一系列的观看问题[1]。其中，辐凑与调节的矛盾是当前双路立体电视技术最主要的缺陷之一。Yano S等人[2-3]对双路立体电视系统中辐凑与调节的矛盾进行了研究。研究结果表明，当立体画面中物体的视差角大于1°时，评价员的观看舒适度会显著下降，甚至会对人眼的调节能力在短期内造成不良的影响，并且这种矛盾会随着画面中物体视差的增大而增加[3]。国际电信联盟的ITU-R BT.2293-1研究报告[4]和国内《立体电视制播技术要求》[5]也对立体电视节目制作时的视差范围进行了相应的限制。

在立体电视中，电视画面由2D电视的水平方向、垂直方向2个维度增加到水平方向、垂直方向、深度方向3个维度，人眼在深度方向上分辨物体的能力称为立体视锐度。在国际电信联盟的ITU-R BT.2021-1[6]中，分析了在适当的观看距离下，人眼能够分辨当前立体系统所呈现的最小视差。然而，这一研究结果并未考虑辐凑与调节的矛盾对人眼立体视锐度造成的影响，也未考虑不同人立体视锐度的差异。医学眼科研究中虽然有大量对立体视锐度的研究[7-8]，然而医学眼科研究所使用的刺激源与双路立体电视存在较大差异。本文针对辐凑与调节的矛盾可能对人眼立体视锐度造成影响这一问题，研究了人眼在观看双路立体电视时，在不同视差平面上立体视锐度的差异。

1试验素材

1.1双路立体电视上的立体视锐度测试素材

在ITU-R BT.2021-1[6]《立体电视系统主观评价方法》的“6评价员”—“6.2视觉筛选”中，给出了包括立体视锐度检查在内的评价员视觉筛选方法。本文采用了ITU-R BT.2021-1 附件1中图9的原理进行评价员立体视锐度的测试，基本测试图像如图1所示。

图1　立体视锐度基本测试图像

在左、右眼图像中，均有9个大圆，每个大圆内有4个小圆，在大圆中心处有数字“1”至数字“9”的标识。对于左、右眼图像中相同位置的大圆，大圆内的4个小圆里有3个小圆在左、右眼图像中完全相同，只有1个小圆在左、右眼图像中存在水平方向上的视差。当采用立体手段观看上述测试图像时，拥有正常视功能(包括立体视功能)的评价员将能够通过视差线索辨别出存在水平方向视差的小圆。

在9个大圆中，水平方向上存在视差的小圆拥有不同大小的视差。在大圆“1”至“9”中，小圆水平方向上的视差大小如表1所示。

表1小圆水平方向上的视差大小

序号存在视差小圆的方位在3倍屏幕高度下的视差角/(″)1↓4802←4203↓3604↑3005↑2406←1807→1208←609——

1.2不同视差平面上的立体视锐度测试

由于人眼在观看双路立体电视时存在辐凑与调节的矛盾，视差平面的位置可能会影响人眼的立体视锐度。对于本试验的研究目的而言，1.1节中的基本试验素材存在如下问题：

1)视差平面单一

原始测试图像中，每个大圆的视差均为0°。因此，原始测试图像只能反应评价员在观看0°视差平面附近物体时的立体视锐度，而不能反应评价员在观看其他视差平面上物体时的立体视锐度。

2)可重复性差

原始测试图像中，9个大圆中存在视差小圆的位置是一定的。在进行重复试验时，评价员的记忆将很可能影响试验结果。

“地球在1万年前就被黑洞吞噬了。”“颜姨”向他解说着，“即使不被黑洞吞噬，地球也已经满目疮痍，我们拯救了剩余的人类。为了让他们能够繁衍生息，避免灭绝，我们为每一个个体创造了独立的世界，有社会、生活交际、朋友圈等等。你不是想知道为什么会有面孔重叠的人吗？因为迄今为止，人类只剩下6000人……构造你们的世界，唯有用重叠的方式。”

根据以上两点，本试验对原始素材进行了如下改进：

1)调整视差平面位置

参考Yano S等人对立体电视画面中不同视差大小物体的观看舒适度研究结果[3]以及当前立体电视系统的实际视差范围[5]，本试验选取-2°，-1°，0°，1°，2°共5个视差平面，分别研究各个视差平面上人眼的立体视锐度。

2)随机安排测试图像

对于不同的视差平面以及同一视差平面的不同的测试组，均随机地安排大圆中存在视差小圆的位置。

1.3实际试验素材

一组视差平面为0°的试验素材的示意图如图2所示(白色区域表示凸出的小圆)。

图2　一组视差平面为0°的试验素材的示意图

图2中，每一排的5个大圆作为一组测试(编号“1”～“5”为一组、编号“6”～“10”为一组)，同一排的5个大圆中存在视差的小圆的视差相同。在一组测试中，会随机安排1到2个小圆均不存在视差的大圆作为干扰项。

在第一排大圆中，编号“2”、“3”、“5”的大圆中突出小圆的视差为480″，编号“1”、“4” 的大圆中小圆的视差均为0°；在第二排大圆中，编号“6”、“8”、“9”、“10”的大圆中突出小圆的视差为420″，编号“7”的大圆中小圆的视差均为0°。此素材对应于下文表2试验素材编排中的1A。

2试验方法

2.1试验素材编排

试验素材按照表2中编排的顺序进行播放。

表2试验素材编排

组别测试图像播放前显示的编号大圆视差平面/(°)第一排小圆视差大小/(″)第二排小圆视差大小/(″)第一组1A1B1C1D1E048042036030024018012060组间视差平面平滑过渡(0°～-1°)第二组2A2B2C2D2E-148042036030024018012060组间视差平面平滑过渡(-1°～-2°)第三组3A3B3C3D3E-248042036030024018012060组间视差平面平滑过渡(-2°～1°)第四组4A4B4C4D4E148042036030024018012060组间视差平面平滑过渡(1°～2°)第五组5A5B5C5D5E248042036030024018012060

表2中，对于大圆的视差平面，负视差表示视差平面出屏，正视差表示视差平面入屏。小圆视差大小表示存在视差小圆相对于大圆视差的差值。例如：

1)对于编号为1E的立体图像，画面中大圆的视差值为0°，凸出的小圆的绝对视差值为-60″；

2)对于编号为2E的立体图像，画面中大圆的视差值为-1°，凸出的小圆的绝对视差值为-1°-60″，即-1°1′；

3)对于编号为4E的立体图像，画面中大圆的视差值为1°，凸出的小圆的绝对视差值为1°-60″，即59′。

不同组间，视差平面会发生较大的改变。如果这种视差改变是突然的，可能会导致评价员出现不适，甚至无法融合当前所观看的立体图像。为防止这种情况发生，本试验在每组试验素材之间加入组间视差平面的平滑过渡，使两组测试图像间不会出现视差的跳变。

此外，根据医学眼科经验以及本试验经验，评价员通常在判断较小的视差时会出现分辨困难的情况。因此，本试验在测试120″，60″的视差时，采用10个大圆作为一组测试，以增加试验结果的准确性。

评价员被要求观看如表2中的一组3D视频序列。试验员会随机从每排5个大圆中选取3～5个，并要求评价员判断大圆中的4个小圆哪一个有“凸出来”的感觉。评价员应给出“上”、“下”、“左”、“右”或“无法辨别”的评价结果。

2.2试验环境

将双路全高清立体电视图像序列按照“3.1 试验素材编排”中的方式编排后，采用Mistika非编工作站通过双路HD-SDI信号输出，使用SONY高清立体电视专业监视器(SONY LMD-4251TD，42 in)进行评价。

国际电信联盟在ITU-R BT.2021-1建议书中，规定立体电视观看条件(包括屏幕亮度、对比度、背景照明度、观看距离等)应与ITU-R BT.2022建议书(6/20号文件)[9]中SDTV/HDTV平板显示设备的主观质量评价观看条件保持一致。本试验依照ITU-R BT.2022建议书搭建试验室环境。

3试验结果

3.1评价员

考虑到国外类似工作一般采用的评价员数量在5～10人，而ITU对2D视频的评价员数量要求为15人。本试验共选取了15名评价员。评价员年龄在23岁到42岁之间。经远视力表与Titmus立体图检查，参加试验的评价员均具有正常的矫正视力与立体视功能。

3.2数据统计

评价完成后，试验员根据评价员的评价结果与实际情况是否吻合，给出判别结果。试验采用与远视力检查时类似的方式给出评价员立体视锐度判别结果，即：当评价员判断正确率超过2/3时，认为评价员可辨别该大小的立体视锐度。

3.3试验结果

将15名评价员试验结果的平均值、最大值、最小值绘制如图3所示。

图3　试验结果

3.4试验结果分析

由图3的试验结果可知：

1)对比-2°，-1°，0°，1°，2°视差平面上评价员的平均立体视锐度，在0°视差平面上评价员的平均立体视锐度最高。

2)对于出屏物体(视差平面为-1°，-2°时)，随着视差平面靠近评价员，评价员的平均立体视锐度逐渐下降。在视差平面-1°位置上，评价员的平均立体视锐度与在0°视差平面上的相比降低了8″；在视差平面-2°位置上，评价员的平均立体视锐度与在0°视差平面上的相比降低了32″。

3)对于入屏物体(视差平面为1°，2°时)，随着视差平面远离评价员，评价员的平均立体视锐度逐渐下降。在视差平面1°位置上，评价员的平均立体视锐度与在0°视差平面上的相比降低了20″；在视差平面2°位置上，评价员的平均立体视锐度与在0°视差平面上的相比降低了80″。

4)评价员在观看出屏物体时的立体视锐度要显著高于观看入屏物体时的立体视锐度。具体地，评价员在视差平面-1°位置上的平均立体视锐度比在视差平面1°位置上的高12″；评价员在视差平面-2°位置上的平均立体视锐度比在视差平面2°位置上的高48″。

5)评价员在观看视差1°内物体时的立体视锐度要显著高于观看视差1°外物体时的立体视锐度。具体的，评价员在视差平面±1°位置上的平均立体视锐度比视差平面±2°位置上的高42″。

4试验结论及建议

4.1试验结论

根据试验结果分析，得出结论：1)在观看双路立体电视图像时，人眼在0°视差平面上有最佳的立体视锐度；2)随着画面中物体视差逐渐增大，人眼在观看该出/入屏物体时的立体视锐度将逐渐下降；3)人眼在观看视差在±1°内的物体时，立体视锐度变化不显著；当所观看物体视差超出±1°时，立体视锐度将有较明显的下降；4)相比入屏物体而言，人眼在观看具有相同大小视差的出屏物体时有着更佳的立体视锐度。

4.2关于在双路立体电视系统中呈现良好深度质量的建议

ITU-R BT.2021-1将立体电视图像的基本质量分为图像质量、深度质量、观看舒适度三个维度。立体视锐度反应了人眼分辨深度细节的能力，立体视锐度的下降将会影响观众对立体电视图像深度质量的主观感知。根据本试验结果，为保证立体电视系统能够为观众呈现出良好的深度质量，建议：

1)为保证画面主体的深度质量，建议将画面主体控制在0°视差平面附近；2)为保证画面整体的深度质量，建议将画面整体的视差范围控制在±1°内；3)如因艺术创作需求，需要表现强烈的立体效果，建议以出屏(负视差)方式呈现画面主体，以保证画面主体的深度质量。

参考文献：

[1]LAMBOOIJ M，IJSSELSTEIJN W. Visual discomfort and visual fatigue of stereoscopic displays： a review[J]. Journal of imaging science and technology，2009，53(3)：1-14.

[2]YANO S，IDE S，MITSUHASHI T. A study of visual fatigue and visual comfort for 3D HDTV/HDTV images[J]. Displays， 2002，23(4)：191-201.

[3]YANO S， EMOTOA M， MITSUHASHI T. Two factors in visual fatigue caused by stereoscopic HDTV images[J]. Displays， 2004， 25(4)： 141-150.

[4]Report ITU-R BT.2293-1， Principles for the comfortable viewing of stereoscopic three-dimensional television (3DTV) images[R].[S.l.]:ITU,2014.

[5]GD/J 054—2014，立体电视制播技术要求[S].2014.

[6]ITU-R BT.2021-1， Subjective methods for the assessment of stereoscopic 3DTV systems[S].2015.

[7]刘海峰，许澍翔，李维宁，等.不同年龄人群的立体视觉检查与比较[J].眼视光学杂志，2001，3(1)：30-31.

[8]韩爱军，孙卫锋，赵平.静态立体图视差图形与立体视锐度相关关系探讨 [J].山东医药，2011(26)：15-20.

[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

中图分类号：TN949.13

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.001

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAH39F03)；国家自然科学基金项目(61271445)

作者简介：

郑冠雯(1989— )，工程师，主研电视中心技术；

邓向冬(1974— )，教授级高工，主研电视中心技术。

责任编辑：时雯

收稿日期：2015-12-10

文献引用格式：郑冠雯，邓向冬.立体电视不同视差平面上的立体视锐度研究[J].电视技术，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.