彭毅鈞,陳載清,3,云利軍

(1.云南師范大學(xué) 信息學(xué)院,云南 昆明 650500; 2.云南師范大學(xué) 云南省教育廳計(jì)算機(jī)視覺(jué)與智能控制技術(shù)工程研究中心,云南 昆明 650500; 3.云南師范大學(xué) 云南省光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)

基于三維(3D)立體顯示技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)頭戴顯示器可以將具有視差線索的雙目圖像投射到人眼中,讓用戶產(chǎn)生臨場(chǎng)深度感的沉浸式體驗(yàn),已在教育、醫(yī)療、數(shù)字媒體、商業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3].目前,立體顯示技術(shù)主要是利用空間復(fù)用或時(shí)間復(fù)用等分像技術(shù)提供左右眼視差圖像來(lái)產(chǎn)生目標(biāo)的立體感,已經(jīng)有大量商用的借助輔助設(shè)備的立體眼鏡或頭盔顯示,以及不需要輔助設(shè)備的光柵式自由立體顯示技術(shù)產(chǎn)品.然而,視覺(jué)不舒適一直是制約立體顯示技術(shù)推廣和普及的主要障礙[4-7].

VR頭盔顯示器在出廠時(shí)會(huì)預(yù)先把伽馬值調(diào)好,但與普通二維平面顯示器不同的是,VR頭盔有兩塊顯示屏分別供左右眼觀看,因受硬件設(shè)備、軟件算法等因素影響,會(huì)導(dǎo)致VR頭盔左右兩塊顯示屏的伽馬值出現(xiàn)差異,并引起左右顯示屏顏色不對(duì)稱[8].當(dāng)VR頭盔左右顯示屏顏色差別過(guò)大時(shí),使用者就會(huì)出現(xiàn)雙目競(jìng)爭(zhēng),容易導(dǎo)致視覺(jué)不適和視覺(jué)疲勞等癥狀[9].此外,在立體顯示中,雙目視差是使用者獲得立體感與沉浸感的主要線索,但過(guò)大視差也會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的視覺(jué)疲勞現(xiàn)象,而視差過(guò)小時(shí),雖然可以獲得較為舒適的視覺(jué)感知,卻會(huì)削弱使用者的立體感與沉浸感[10-12].

在人眼視覺(jué)估計(jì)顯示器伽馬值方面,已經(jīng)有Gustav等[13]采用全視覺(jué)心理物理學(xué)方法估計(jì)CRT顯示器伽馬值;Attila Neumann等[14]改進(jìn)了人眼觀測(cè)技術(shù),可以精確獲得顯示設(shè)備色調(diào)再現(xiàn)曲線;張子揚(yáng)、李瓊等[15-16]采用了同色條紋混色法的視覺(jué)匹配方法視覺(jué)估計(jì)CRT與液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)伽馬值.在視差對(duì)立體視覺(jué)影響方面,Sumio Yano等[5]認(rèn)為過(guò)大的雙目視差將導(dǎo)致明顯的視覺(jué)疲勞;也有學(xué)者[17-19]討論了視差及其他原因?qū)αⅢw視覺(jué)舒適度的影響.因?yàn)樯市Ｕ暮脡膶?huì)直接影響顯示的質(zhì)量與使用者的體驗(yàn),傳統(tǒng)的伽馬校正使用的設(shè)備大多非常昂貴、調(diào)整時(shí)間慢,非常不方便.作者設(shè)計(jì)了人眼視覺(jué)估計(jì)VR頭盔伽馬值的實(shí)驗(yàn)方案,并重點(diǎn)討論視差線索對(duì)人眼視覺(jué)估計(jì)VR顯示器伽馬值的影響.

1 方法

1.1 儀器設(shè)備與實(shí)驗(yàn)條件

研究中使用的主要儀器如圖 1所示,在使用之前,它們都需要預(yù)熱半小時(shí)以上達(dá)到穩(wěn)態(tài)再進(jìn)行使用：

1) 頭戴式VR顯示器：PICO NEO 2 VR眼鏡一體機(jī)1臺(tái)(編號(hào)1JHJ,5.5英寸TFT顯示屏、分辨率 3 840×2 160、4 GB+128 GB).

2) 光譜儀：Photo Research公司生產(chǎn)的光譜儀PR-715.

3) 實(shí)驗(yàn)者共15人：實(shí)驗(yàn)者均為在校學(xué)生,每個(gè)人的左右眼視力均在1.2以上,并且有著正常的色視覺(jué);

4) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境：使用光譜儀PR-715測(cè)量VR頭盔伽馬值需要在暗室進(jìn)行,因人眼估計(jì)時(shí)需要將頭盔戴上相當(dāng)于暗室,因此估計(jì)實(shí)驗(yàn)可以在正常亮度環(huán)境下實(shí)驗(yàn).

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 儀器測(cè)量伽馬值

頭戴式VR顯示器伽馬值的測(cè)量模型選用由Berns等人提出且被CIE所推薦的非線性變化模型——增益-偏置-伽馬模型(gain-offset-gamma,GOG)[19-21],該模型使用較少的數(shù)據(jù)就可以獲得很高的測(cè)量精度.以灰色通道為例,該模型見(jiàn)等式(1).

(1)

其中,dgray表示VR頭盔在灰色通道的數(shù)字驅(qū)動(dòng)值,Lgray表示在該數(shù)字驅(qū)動(dòng)值下灰色亮度,Lgray,max表示灰色通道最大亮度,Gray是該數(shù)字驅(qū)動(dòng)值下亮度的歸一化,Kg,gray、ko,gray分別表示顯示器的增益與補(bǔ)償,γgray表示VR頭盔灰色通道伽馬值,N是顯示卡模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換比特?cái)?shù),一般N=8,且一般情況下kg,gray接近1,而ko,gray接近0,因此GOG模型等式可以簡(jiǎn)化為等式(2).

(2)

根據(jù)等式(2),使用光譜儀PR-715對(duì)VR顯示器伽馬值進(jìn)行了測(cè)量,由于黑點(diǎn)對(duì)其精度會(huì)造成影響,因此采用測(cè)量結(jié)果減黑點(diǎn)的式(3)模型作為評(píng)價(jià)伽馬準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn).

(3)

其中Lblack為表示數(shù)字驅(qū)動(dòng)值為0時(shí)的灰色亮度,即黑點(diǎn).根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明,每個(gè)通道選擇17個(gè)標(biāo)定點(diǎn)可以得到最好的預(yù)測(cè)精度[19,22],使用PR-715對(duì)4個(gè)顏色通道等距離的17個(gè)點(diǎn)進(jìn)行亮度測(cè)量,測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行歸一化,并計(jì)算其伽馬值,結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 儀器測(cè)量VR頭盔伽馬值

對(duì)PICO NEO 2(1#)光譜儀測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行畫(huà)線,得到曲線如圖2,可以看出4個(gè)顏色通道左右兩塊顯示屏伽馬值均有明顯差異.之后又測(cè)量了其它10部頭盔,10部VR頭盔左右顯示屏伽馬值平均差異為0.16,最大接近0.3.此實(shí)驗(yàn)證明VR頭盔左右兩塊顯示屏伽馬值確實(shí)存在差異.

1.3 人眼視覺(jué)估計(jì)伽馬值實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)選用混色條紋匹配法進(jìn)行人眼視覺(jué)估計(jì)VR頭盔伽馬值的實(shí)驗(yàn),此方法原理是利用混色技術(shù)在VR顯示器上呈現(xiàn)2種同色調(diào)不同亮度的顏色,人眼對(duì)其進(jìn)行融合,融合色塊的感知量正理論應(yīng)趨于這兩種顏色亮度的中間值,測(cè)試者對(duì)匹配色塊進(jìn)行調(diào)節(jié),使匹配色塊盡量接近甚至等于融合色塊,用等式(4)表示.

圖2 光譜儀測(cè)量的伽馬曲線

(4)

其中,Lfuse是融合色塊的亮度,Lestimate是視覺(jué)估計(jì)亮度,將式(3)帶入式(4),可得估算伽馬值等式(5)：

(5)

dlight、ddark分別為實(shí)驗(yàn)亮、暗條紋數(shù)字驅(qū)動(dòng)值,因此僅需人眼視覺(jué)估計(jì)值即可計(jì)算估計(jì)伽馬值.

1.4 實(shí)驗(yàn)軟件與使用方法

實(shí)驗(yàn)軟件使用Unity3D引擎開(kāi)發(fā),軟件主體為 1 600×1 600 的正方形平面,具有默認(rèn)的深度距離(默認(rèn)深度距離為 1 000,為零視差),背景是2種同色調(diào)不同亮度的混色條紋,中心是亮度可以由被試者調(diào)節(jié)的匹配色塊,軟件界面如圖3所示.

圖3 人眼視覺(jué)估計(jì)VR顯示器伽馬值的實(shí)驗(yàn)軟件界面

為了討論視差線索對(duì)人眼視覺(jué)估計(jì)的影響,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了7個(gè)不同的視差距離,分別為：-120、-80、-40、0、40、80、120弧分.不同視差下的刺激如圖4所示.

圖4 不同視差下的軟件

本實(shí)驗(yàn)有4個(gè)顏色通道,每個(gè)顏色通道有9組暗條紋和亮條紋數(shù)字驅(qū)動(dòng)值：0和100、20和120、40和140、60和160、80和180、100和200、120和220、140和240、160和255.被試者通過(guò)對(duì)軟件左右按鈕調(diào)整中間匹配色塊的亮度,直至被試者認(rèn)為匹配色塊亮度被調(diào)整至亮暗條紋的中間亮度為止.被試者點(diǎn)擊確定按鈕即可將結(jié)果記錄在右下角白板處.為防止上一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)下一組實(shí)驗(yàn)造成影響,被試者將看不到右下角白板上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

邀請(qǐng)15位被試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所有被試者矯正視力均為1.2以上,對(duì)顏色感知正常.在告知實(shí)驗(yàn)方法步驟并在VR顯示器開(kāi)機(jī)穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),依次對(duì)4個(gè)顏色通道,每個(gè)通道9組不同亮度條紋進(jìn)行了估計(jì).

2 結(jié)果與討論

2.1可靠性分析

由于人眼視覺(jué)估計(jì)是被試者的主觀判斷,圖像的質(zhì)量及個(gè)體差異等多方面因素都將對(duì)主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響,因此需要對(duì)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾.我們計(jì)算了克隆巴赫系數(shù)(cronbach’s alpha)來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度,統(tǒng)計(jì)學(xué)中通常使用它作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度的方法.Jung Y J等人在舒適度主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中也使用了Cronbach’s alpha來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度[23].一般來(lái)說(shuō),Cronbach’s alpha系數(shù)的值越大,數(shù)據(jù)可信度越高, Cronbach’s alpha系數(shù)大于0.7時(shí),數(shù)據(jù)是可被接受的.

在表 2中,首先對(duì)15位被試者的估計(jì)結(jié)果計(jì)算Cronbach’s alpha系數(shù),然后再分別對(duì)每一個(gè)被試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行Cronbach’s alpha檢驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)可信度檢驗(yàn)如表 2和表3所示,在表2,項(xiàng)數(shù)表示共有15名被試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)的Cronbach’s alpha系數(shù)值為 0.998,基于標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)的Cronbach’s alpha為0.998,計(jì)算結(jié)果均高于0.9,因此可認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度很高.在表3中的項(xiàng)已刪除的Cronbach’s alpha值可以看出,無(wú)論刪除了哪一位被試者的數(shù)據(jù)后,其Cronbach’s alpha值仍大于0.9.在修正后的項(xiàng)與總計(jì)相關(guān)性中,計(jì)算結(jié)果都大于0.9,一般情況下,如果數(shù)據(jù)小于0.4,就認(rèn)為該被試者的數(shù)據(jù)與其他被試者沒(méi)有很強(qiáng)的相關(guān)性,可以剔除.因此在本實(shí)驗(yàn)的可靠性統(tǒng)計(jì)中,被試者的數(shù)據(jù)都無(wú)需剔除.

2.2 人眼視覺(jué)估計(jì)結(jié)果

VR顯示器在不同視差下伽馬估計(jì)的結(jié)果如表4和表5所示.

表2 人眼估計(jì)實(shí)驗(yàn)可靠性統(tǒng)計(jì)

表3 人眼估計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)總計(jì)統(tǒng)計(jì)量

表4 VR顯示器不同視差下人眼視覺(jué)估計(jì)伽馬值

表5 VR顯示器不同視差下伽馬估計(jì)的誤差

根據(jù)表5繪制誤差圖,如圖 5所示.在被試者所估計(jì)的四個(gè)顏色通道中,其中灰色通道在-40弧分和0弧分視差時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的誤差最小、紅色通道在-80弧分和0弧分視差時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的誤差最小、綠色通道在-40弧分和+40弧分視差時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的誤差最小、藍(lán)色通道在-80弧分和-40弧分視差時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的誤差最小.當(dāng)四個(gè)通道視差為+80弧分到+120弧分時(shí),被試者估計(jì)誤差較大,估計(jì)值不夠準(zhǔn)確;當(dāng)視差為-120弧分到+40弧分時(shí),被試者估計(jì)誤差較小.

圖5 不同視差下4通道估計(jì)誤差

從平均誤差看,當(dāng)視差為-40弧分時(shí),被試者伽馬值估計(jì)準(zhǔn)確度最高,之后隨著視差的增大,估計(jì)誤差也隨之增大,當(dāng)視差到達(dá)+80弧分與+120弧分時(shí),可能因?yàn)橐暡钸^(guò)大,人眼對(duì)顏色的敏感度降低,被試者已經(jīng)難以進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì),導(dǎo)致產(chǎn)生較大的估計(jì)誤差.而視差在-120弧分與-80弧分時(shí),可能因?yàn)樨?fù)視差過(guò)大削弱了沉浸感且估計(jì)目標(biāo)離得過(guò)近不方便操作等原因,估計(jì)誤差反而略微增大.

因此,隨著視差的變化,人眼視覺(jué)估計(jì)的伽馬值與測(cè)量值之間的誤差也隨之變化,說(shuō)明視差對(duì)被試者的視覺(jué)估計(jì)產(chǎn)生了一定影響.這些影響到底會(huì)帶來(lái)多大的顏色感覺(jué)變化,我們可以使用色差來(lái)描述.根據(jù)Snjezana研究結(jié)果表明[24],伽馬值每變化0.1時(shí),產(chǎn)生的誤差為3.58個(gè)CIELAB色差單位,當(dāng)伽馬值偏差0.3時(shí),產(chǎn)生的誤差為9.9個(gè)CIELAB色差單位.

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同視差對(duì)VR顯示器伽馬估計(jì)產(chǎn)生的影響.實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)視差為-40弧分時(shí),被試者人眼視覺(jué)估計(jì)VR立體顯示器伽馬值的準(zhǔn)確度最高,平均估計(jì)誤差在1.61個(gè)CIELAB色差單位,之后隨著VR立體顯示器中視差由近及遠(yuǎn)時(shí),視覺(jué)估計(jì)伽馬值的誤差逐漸增加,在視差為+120弧分時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的顏色誤差在6.8個(gè)CIELAB色差單位,并且從-40弧分視差由遠(yuǎn)及近時(shí),視覺(jué)估計(jì)伽馬值誤差也會(huì)增加,在視差為-120弧分時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的顏色誤差大致在3.76個(gè)CIELAB色差單位.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明視差線索對(duì)被試者視覺(jué)估計(jì)VR顯示器伽馬值產(chǎn)生了影響,當(dāng)視差在一定的范圍時(shí)視覺(jué)估計(jì)較為準(zhǔn)確,誤差較小;當(dāng)視差過(guò)大或過(guò)小時(shí)均會(huì)對(duì)被試者視覺(jué)估計(jì)造成一定影響,從而降低視覺(jué)估計(jì)VR顯示器伽馬值的準(zhǔn)確度.

本文的實(shí)驗(yàn)被試者均為25到30歲的學(xué)生群體,樣本較為單一,后續(xù)還需要增加不同年齡、不同職業(yè)的被試者,來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的可靠性.未來(lái)還將進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)方法,精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)流程,進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)精度.