吳冬燕，曹建東，范科峰，徐君書(shū)

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007）

基于HSI模型的立體電視圖像視覺(jué)舒適度評(píng)價(jià)

吳冬燕1，曹建東1，范科峰2，徐君書(shū)1

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007）

舒適度是立體顯示技術(shù)的重要指標(biāo)之一。針對(duì)立體電視圖像舒適度評(píng)價(jià)問(wèn)題，利用HSI模型分解立體電視圖像，分析了立體電視圖像色調(diào)、色飽和度和亮度之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。按照最小間隔10°將立體電視圖像分割成36對(duì)新圖像，分析了立體電視圖像色調(diào)值與人眼舒適度的數(shù)據(jù)關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)者的人眼主觀測(cè)試，驗(yàn)證了理論分析并給出了有效舒適度立體電視圖像的色調(diào)值范圍。

3D電視；舒適度；色調(diào)

電視技術(shù)改變了人們的生活，從黑白電視到彩色電視、模擬電視到數(shù)字電視、標(biāo)清電視到高清電視，特別是2D電視到3D電視的轉(zhuǎn)變，給人們極大的視覺(jué)沖擊和享受，但其昂貴的價(jià)格讓普通百姓望而止步。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，3D電視的成本和技術(shù)難關(guān)已被攻克，立體顯示技術(shù)（包括3D圖片、3D電視、3D電影等）得到了飛速的提升。尤其是3D電視和電影，給人以真實(shí)的立體感和現(xiàn)場(chǎng)感，技術(shù)成本越來(lái)越低，產(chǎn)品價(jià)格也很親民，深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。立體顯示技術(shù)給人們帶來(lái)了視覺(jué)享受的同時(shí)也存在一些問(wèn)題，比如視覺(jué)不舒適感、視覺(jué)疲勞的問(wèn)題。特別是兒童和老人，稍長(zhǎng)時(shí)間觀看立體視頻節(jié)目就容易引起視覺(jué)疲勞，常見(jiàn)現(xiàn)象如：流眼淚、眼睛脹、頭暈等不舒服感。事實(shí)上，3D電視圖像的質(zhì)量和舒適度問(wèn)題，我國(guó)相關(guān)研究院、高校研究人員等已經(jīng)著手研究，而且有了初步成果。其中，電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《立體電視圖像質(zhì)量檢測(cè)方法》已遞交審議，立體電視圖像的舒適度規(guī)范及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)已完成送審稿。

關(guān)于立體電視圖像舒適度方面的研究有很多，在國(guó)外：Frank L.Kooi等著重提出了影響立體圖像舒適度的主要因素，如色度、亮度、雙眼視差等，并提供了一套客觀的立體顯示圖像舒適度評(píng)測(cè)流程和方法[1-2]。Pieter J.H.Seuntiens主要提出針對(duì)立體圖像的主觀評(píng)價(jià)方法，著重提出圖像扭曲、串?dāng)_、深度等關(guān)鍵因素會(huì)造成視覺(jué)不舒適感[3]。Marc Lambooij重點(diǎn)提出了視圖不匹配等4種影響視覺(jué)舒適度的指標(biāo)[4]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO也發(fā)布了有關(guān)立體圖像/視頻安全性的文件IWA3：Image safety，其主要強(qiáng)調(diào)立體圖像/視頻雙眼圖像質(zhì)量參數(shù)異常，如串?dāng)_、顏色、亮度等，會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)疲勞、誘發(fā)眼睛疾病等。

在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)是較早研究立體顯示技術(shù)及圖像質(zhì)量、舒適度評(píng)價(jià)的高校，天津大學(xué)的李素梅、臧燕軍、劉暢等針對(duì)立體顯示圖像的色度、亮度和飽和度進(jìn)行定量分析，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和主管評(píng)測(cè)的方法，分別得出了立體圖像的色度、亮度、飽和度等三個(gè)指標(biāo)與視覺(jué)舒適度的關(guān)系，并給出了相應(yīng)的參數(shù)范圍[5-8]。勞麗娟提出了基于HVS特性，通過(guò)左（右）視圖分別變化與同時(shí)變化相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，定性研究了亮度、對(duì)比度、分辨率等指標(biāo)與視覺(jué)舒適度的關(guān)系[8]。陳載清等研究雙眼視差與3D舒適度的影響，得出了3D舒適度隨著視差增加而降低的結(jié)論，其3D內(nèi)容舒適視差的范圍在-119至+115弧分之間[10]。

本文主要是在前期的研究基礎(chǔ)上，提出了基于HSI（Hue，Saturation and Intensity）顏色模型的立體電視圖像舒適度評(píng)價(jià)方法。

1 立體電視圖像舒適度

立體視覺(jué)舒適度主要是指人們觀看立體顯示內(nèi)容如3D電視、圖像時(shí)，眼睛的主觀視覺(jué)舒適感受程度。根據(jù)人的主觀感受和生理反應(yīng)，文獻(xiàn)[4]給出了立體圖像視覺(jué)不舒適感的四類(lèi)癥狀，如表1所示。

表1 視覺(jué)不舒適的四類(lèi)癥狀

1.1 舒適度的分類(lèi)

另外，ITU（2002）電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)推薦準(zhǔn)則給出了舒適度的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[11]，共分為5類(lèi)，具體內(nèi)容如表2所示。

表2 舒適度等級(jí)

1.2 引起立體視覺(jué)舒適度問(wèn)題的主要因素

眾所周知，引起視覺(jué)舒適度問(wèn)題的原因來(lái)自于立體電視觀看系統(tǒng)和人的生理系統(tǒng)。其中，立體電視觀看系統(tǒng)是主要因素，如立體內(nèi)容、立體電視機(jī)、觀看的環(huán)境（距離、亮度、溫濕度）等。而針對(duì)立體電視圖像而言，閃爍、視差、色度、對(duì)比度等參數(shù)對(duì)人眼舒適度有較大影響，本文主要研究立體電視圖像對(duì)視覺(jué)舒適度的影響。

1.3 HSI模型

圖像處理和分析都是基于某種顏色空間下進(jìn)行的，如RGB，HSV，HSI，LAB等。比較熟悉的是RGB模型，但RGB是一種不均勻的顏色空間，不能直接從該空間中感知飽和度和亮度等信息。為克服這一不足，提髙色彩的處理與識(shí)別的效果，在彩色圖像處理中可使用彩色空間，它更符合顏色視覺(jué)特性。在HSI模型中（見(jiàn)圖1），H表示色調(diào)（Hue）、S表示飽和度（Satura?tion），I表示亮度（Intensity），這3種基本特征量用來(lái)感知顏色，這三者之間的關(guān)系[12-13]為

圖1 HSI顏色模型

通過(guò)以上公式、顏色模型可以看出，I分量和H分量是相對(duì)獨(dú)立的，I分量與圖像的彩色信息無(wú)關(guān)。其次是H及S分量與人感受彩色的方式緊密相關(guān)。這些特點(diǎn)使得HSI彩色空間非常適合基于人的顏色感知特性進(jìn)行處理和分析的圖像處理算法。HSI與RGB相比，HSI顏色空間大的3個(gè)分量獨(dú)立性較強(qiáng)，各分量的數(shù)據(jù)[14]分割見(jiàn)表3。因此，本文采用HSI顏色模型分析能夠減少立體圖像處理的復(fù)雜性，提高分析效率，也符合人眼的視覺(jué)生理特性。

表3 HSI獨(dú)立分量分割數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1）實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度：20～25℃，相對(duì)濕度：25%～75%，大氣壓：90～106 kPa。立體顯示器采用G320S偏振式立體視窗，配備專(zhuān)用立體眼鏡，全程實(shí)驗(yàn)在暗室中完成，根據(jù)立體電視圖像的主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，人眼觀看距離為屏幕高度的3～6倍。實(shí)驗(yàn)用圖像素材見(jiàn)圖2，并按照色調(diào)值分割成不同色調(diào)值的圖片。

圖2 house_原圖

2）實(shí)驗(yàn)人員

本次實(shí)驗(yàn)挑選雙目視生理正常者共45人，年齡19～35歲，男性19人，女性26人，眼睛視力正常、無(wú)眼部疾病。在正式實(shí)驗(yàn)之前，課題組有必要向?qū)嶒?yàn)人員詳細(xì)介紹評(píng)判等級(jí)，并且強(qiáng)調(diào)評(píng)判依據(jù)的一致性，可以針對(duì)5個(gè)等級(jí)的立體圖像進(jìn)行初試。為了保證測(cè)試的客觀性和準(zhǔn)確性，每次的測(cè)試時(shí)間為20min。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

針對(duì)立體電視圖像舒適度的測(cè)試，人眼的主觀評(píng)測(cè)是關(guān)鍵，天津大學(xué)李素梅教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在立體圖像飽和度、亮度、對(duì)比度等指標(biāo)給出了定量分析，本文利用HSI模型，從色調(diào)H角度進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)。

1）圖像轉(zhuǎn)化

通過(guò)MATLAB 2012a分割源立體電視圖像，實(shí)驗(yàn)將源圖像由RGB轉(zhuǎn)化為HSI，通過(guò)式（1）可知H的取值范圍為0～2π。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]提出的改進(jìn)極限法，其中色調(diào)變量為H，則有

式中：Hmax是圖像色調(diào)值的最大值；Hmin是圖像色調(diào)值的最小值；Href是圖像色調(diào)最小閾值；Ni為圖像分段數(shù)；n為分級(jí)數(shù)。該算法通過(guò)分級(jí)分類(lèi)，左右視圖不同等級(jí)進(jìn)行匹配，共形成725張新的左右視圖，參考文獻(xiàn)[6]通過(guò)此算法，待測(cè)樣本明顯減少，精簡(jiǎn)了測(cè)試過(guò)程、降低了測(cè)試難度。

本文為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化測(cè)試流程，提高效率，進(jìn)行同步分割圖像的左右視圖。根據(jù)人眼的視覺(jué)特性，假設(shè)人眼對(duì)色調(diào)的最小閾值為10°，那么待測(cè)立體圖像將被分割成左右視圖各36張，并按分級(jí)一一對(duì)應(yīng)。

2）實(shí)驗(yàn)步驟

（1）源立體圖像由RGB轉(zhuǎn)化為HSI，提取色調(diào)分量，并按照10°進(jìn)行逐級(jí)提取和分割，形成36張左右新視圖；

（2）將新組成的左右視圖進(jìn)行從小到大編號(hào)，并記錄其不同色調(diào)值；

（3）按照既定程序，實(shí)驗(yàn)人員逐個(gè)觀看待測(cè)立體圖像樣品，每張觀看時(shí)間為20 s，時(shí)間間隔為5 s，每位實(shí)驗(yàn)人員測(cè)試總時(shí)間在15 min左右，符合人體舒適度要求；

（4）記錄實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等級(jí)、數(shù)據(jù)；

（5）第2個(gè)實(shí)驗(yàn)人員開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)至最后一位人員。

測(cè)試期間，保證實(shí)驗(yàn)室人員觀看圖片的時(shí)間和間隔時(shí)間，如果有極不適應(yīng)感，可以停止實(shí)驗(yàn)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

1）數(shù)據(jù)處理

由于測(cè)試過(guò)程主要是人眼主觀測(cè)試，難免會(huì)出現(xiàn)無(wú)效數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)必須進(jìn)行篩選和甄別。根據(jù)主觀測(cè)試圖像的統(tǒng)計(jì)方法[6]，對(duì)同一圖像的有效評(píng)分的均值得出，均值公式為

式中：m為圖像舒適度等級(jí)數(shù)，即m=5；ci為被測(cè)圖像屬于第i類(lèi)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)；ni為判斷被測(cè)圖像屬于第i類(lèi)的實(shí)驗(yàn)者的人數(shù)[6]。當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值Cˉ，滿(mǎn)足Cˉ≥4則達(dá)到舒適度要求。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得1 620個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其有效數(shù)據(jù)為1 296個(gè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理整理統(tǒng)計(jì)，針對(duì)不同色調(diào)值的圖像進(jìn)行等級(jí)統(tǒng)計(jì)，按照每幅圖片觀察者評(píng)估值進(jìn)行處理取平均值。最后數(shù)據(jù)處理后的舒適度曲線如圖6所示，根據(jù)HSI模型解析后，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)示意圖可以看出，色調(diào)值的取值與立體舒適度的關(guān)系。

2）分析結(jié)論

通過(guò)圖6可知，圖像色調(diào)值與舒適度之間的直接關(guān)系，并根據(jù)表2的舒適度等級(jí)可知，當(dāng)圖像色調(diào)值在180°～210°時(shí)，舒適度非常好，無(wú)任何不舒服，觀察無(wú)障礙；60°～180°、210°～235°時(shí)，舒適度等級(jí)在4～5之間，舒適度可確認(rèn)為好，舒適度有微小變化，不妨礙觀看；0°～60°、235°～360°時(shí)，舒適度等級(jí)在3～4之間，舒適度可認(rèn)為一般，對(duì)觀看稍微有妨礙，但仍可觀看。鑒于圖像色調(diào)值與舒適度的關(guān)系，根據(jù)表3色調(diào)值的分割，可看出圖像色調(diào)舒適度由高到低為：青（180°）、綠（120°）、黃（60°）、紅（0°）、藍(lán)（240°）。

圖6 立體圖像舒適度測(cè)試數(shù)據(jù)

3 小結(jié)

本文根據(jù)前期立體顯示技術(shù)研究成果[5-7]，結(jié)合立體電視圖像顯示特點(diǎn)，利用HSI模型將立體圖像進(jìn)行分解，按照色調(diào)值（每隔10°）進(jìn)行分割和排序形成新的圖像。通過(guò)人眼的主觀實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了立體電視圖像色調(diào)值與舒適度之間的數(shù)值關(guān)系，在53°～238°之間的圖像舒適度較好，定量地給出了符合舒適度的立體電視圖像色調(diào)范圍，為今后的立體電視圖像舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。另外，人眼主觀測(cè)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間和方法，以建立更加高效的立體電視圖像舒適度評(píng)價(jià)體系。

[1] FRANK L K.Visual com fort of binocular and 3D displays[J].Dis?plays，2004，25（2/3）：99-108.

[2] PAN H，YUAN C，DALY S.3D video disparity scaling for prefer?ence and prevention of discom fort[EB/OL].[2014-07-20].http:// spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.872582.

[3] SEUNTIENS P JH.Visual experience of 3D TV[D].Eindhoven: Eindhoven University Press Facilities，2006.

[4]LAMBOOIJM，IJSSELSTEIJNW，F(xiàn)ORTUIN M，et al.Visual dis?comfort and visual fatigue of stereoscopic displays：A review[J]. Imaging Science Technology，2009，53（3）:30-26.

[5] 李素梅，付貝貝，臧艷軍，等.影響立體圖像舒適度的飽和度范圍測(cè)定[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（8）:669-676.

[6] 劉暢，李素梅，朱丹，等.色度對(duì)立體圖像視覺(jué)舒適度影響的定量研究[J].光電子·激光，2014（1）:178-185.

[7] 劉暢，李素梅.影響立體圖像舒適度的對(duì)比度范圍的測(cè)定[J].光電子·激光，2014（4）:748-755.

[8] 臧艷軍，李素梅，衛(wèi)津津，等.影響立體圖像舒適度的亮度范圍測(cè)定[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012（2）:59-64.

[9] 勞麗娟.靜止立體圖像的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué)，2008.

[10]陳載清，石俊生，邰永航.立體內(nèi)容舒適視差范圍研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2013，43（S1）:35-40.

[11] ITU.ITU-R BT.500-11，Methodology for the subjective assess?ment of the quality of television pictures[S].2002.

[12] 張靜，董偉，張有會(huì)，等.基于HSI顏色模型重影畫(huà)面的自動(dòng)檢測(cè)[J].石家莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）:79-82.

[13]謝妍梅，樊臻，張森林.基于HSI顏色空間的彩色圖像邊緣檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程，2013（9）:12-14.

[14] 戴天虹，王玉玨，趙貝貝.基于HSI三分量獨(dú)立性木材缺陷圖像分割[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009（6）:110-112.

[15] 吳冬燕，范科峰，卜樹(shù)坡，等.3D電視雙眼串?dāng)_測(cè)試方法[J].電視技術(shù)，2012，36（6）:87-89.

[16]吳冬燕，曹建東，范科峰.影響3D電視圖像舒適度的雙眼串?dāng)_范圍研究[J].電視技術(shù)，2013，37（22）:94-96.

[17] 吳冬燕，曹建東，范科峰.立體電視閃爍的客觀評(píng)價(jià)[J].電視技術(shù)，2013，37（23）:246-248.

Visual Com fort Degree of 3D Television Image Based on HSI

WU Dongyan1，CAO Jiandong1，F(xiàn)AN Kefeng2，XU Junshu1
（1.Suzhou Institute of Industrial Technology，Jiangsu Suzhou 215104，China；2.China Electronics Standardization Institute，Beijing 100007，China）

Degree of com fort is an important index of 3D display technology.In order to solve the problems of visual discom fort which are caused by stereoscopic images,the data relationships are analyzed using HSI model among hue, saturation and intensity.3D TV image is segmented into 36 of the new image based on 10°.The stereoscopic television image color and comfort degree are analyzed.According to experimenter test,it confirms that the theory analysis is correct. As a result,value range of hue about the effective com fort stereoscopic television image is given in this paper.

3D TV；degree of com fort；hue

TN141；TN949

A

?? 薇

2014-09-29

中國(guó)聯(lián)通：沃商店獨(dú)立成子公司 命名“小沃科技”

【本文獻(xiàn)信息】吳冬燕，曹建東，范科峰，等.基于HSI模型的立體電視圖像視覺(jué)舒適度評(píng)價(jià)[J].電視技術(shù)，2014，38（24）.

江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”項(xiàng)目；2012年蘇州市科技發(fā)展項(xiàng)目（SYG201248)

吳冬燕（1980—），碩士，講師，主研電子通信及信息處理方向；

曹建東（1961—），副教授，主研自動(dòng)化技術(shù)；

范科峰（1978—），博士，高工，主研立體電視技術(shù)方向。

近日，中國(guó)聯(lián)通旗下應(yīng)用商店運(yùn)營(yíng)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“沃商店”）從原隸屬企業(yè)上海聯(lián)通整體剝離，并成立了“小沃科技有限公司”，于11月1日起正式獨(dú)立化運(yùn)作。新公司將引入外部?jī)?yōu)質(zhì)合作伙伴資源，進(jìn)一步以市場(chǎng)化規(guī)律運(yùn)作，并可能引入混合經(jīng)濟(jì)所有制，即引入民營(yíng)資本。新成立的“小沃科技有限公司”為中國(guó)聯(lián)通的全資子公司，是中國(guó)聯(lián)通創(chuàng)新體系的有機(jī)組成部分，專(zhuān)注于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，聚合產(chǎn)業(yè)鏈。聯(lián)通集團(tuán)明文確定小沃科技有限公司的定位為聯(lián)通最核心的應(yīng)用分發(fā)平臺(tái)、聯(lián)通唯一的手機(jī)游戲運(yùn)營(yíng)平臺(tái)、聯(lián)通基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的能力開(kāi)放平臺(tái)。小沃科技有限公司旗下?lián)碛兴拇螽a(chǎn)品，分別是綜合性應(yīng)用分發(fā)下載平臺(tái)沃商店客戶(hù)端，垂直游戲運(yùn)營(yíng)平臺(tái)沃游戲客戶(hù)端，線下應(yīng)用分發(fā)渠道聯(lián)通手機(jī)服務(wù)站，以及專(zhuān)注于家庭娛樂(lè)的V樂(lè)游戲大廳。