立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)方法

楊嘉琛，楚容容，劉 允

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)方法

楊嘉琛，楚容容，劉 允

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

在充分研究立體相機(jī)參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，提出了一種立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)方法. 結(jié)合平行和會(huì)聚相機(jī)不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成像規(guī)則，分別研究?jī)煞N立體相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和場(chǎng)景參數(shù)對(duì)拍攝質(zhì)量的影響，通過(guò)大量主觀實(shí)驗(yàn)，最終建立了立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的評(píng)價(jià)模型與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，能夠反映立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量的優(yōu)劣.

立體相機(jī)；微距拍攝；客觀評(píng)價(jià)；立體圖像對(duì)；拍攝質(zhì)量

隨著立體技術(shù)的發(fā)展，立體(3D)影像的處理技術(shù)日臻成熟[1-3]，世界各國(guó)的立體影像源日益增多，滿足了人們渴望在屏幕上看到 3D影像的愿望．然而人們?cè)谟^看某些片源時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頭暈、惡心和身體平衡性下降等不適癥狀[4]，很多人將其歸咎于立體影像處理技術(shù)或顯示技術(shù)不足，因此開(kāi)展了立體影像處理和顯示技術(shù)的相關(guān)研究，并建立相應(yīng)評(píng)價(jià)理論體系[5-8].但這些評(píng)價(jià)體系仍不能完全解決觀看時(shí)出現(xiàn)的所有不適癥狀，因?yàn)槟壳暗脑u(píng)價(jià)理論都是針對(duì)立體影像處理前后特征提取的對(duì)比結(jié)果進(jìn)行主客觀評(píng)價(jià)，研究者們認(rèn)為獲取的立體影像是標(biāo)準(zhǔn)的、理想的，忽略了立體影像源在拍攝過(guò)程中由于參數(shù)設(shè)置不理想導(dǎo)致片源效果不佳的情況．基于以上原因，很多研究人員在立體相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)方面展開(kāi)了相關(guān)研究工作．例如 Kim等[9]通過(guò)分析相機(jī)拍攝參數(shù)對(duì)立體圖像質(zhì)量的影響建立了一種視覺(jué)疲勞預(yù)測(cè)指標(biāo)，此指標(biāo)可以代替主觀實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量；Yamanoue等[10]通過(guò)分析相機(jī)焦距和會(huì)聚點(diǎn)位置對(duì)雙眼視差的影響，提出了獲取較好立體圖像質(zhì)量的參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)則；Kishi等[11]從立體相機(jī)拍攝原理角度出發(fā)研究了視差對(duì)圖像質(zhì)量的影響；Hasmanda等[12]結(jié)合焦距、圖像寬度等參數(shù)對(duì)圖像視差的影響，提出了獲取高質(zhì)量圖像的部分相機(jī)參數(shù)的取值范圍；Xu等[13]以立體相機(jī)拍攝距離為基準(zhǔn)，提出了一種立體相機(jī)拍攝質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)方法；此外，王式孟[14]、陳恩言等[15]、Yu等[16]也在相機(jī)拍攝方面做了相關(guān)研究，指出了一些適用于立體相機(jī)的拍攝基本準(zhǔn)則．但上述研究成果大多是在特定的前提條件下，針對(duì)部分相機(jī)參數(shù)和場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行分析和研究，并沒(méi)有提出一個(gè)廣泛公認(rèn)的、全面包含相機(jī)參數(shù)和場(chǎng)景參數(shù)的立體相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)．

此外，由于人們?cè)谟^看不同距離的自然場(chǎng)景時(shí)，感興趣區(qū)域不同，人眼所獲取的信息也不同，由此可根據(jù)立體相機(jī)拍攝距離不同將拍攝類型分為微距、近距和遠(yuǎn)距[17-18]．筆者只針對(duì)微距拍攝進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，首先結(jié)合平行、會(huì)聚相機(jī)各自的拍攝特點(diǎn)和現(xiàn)存的拍攝準(zhǔn)則，探究和擴(kuò)展了多個(gè)立體相機(jī)拍攝參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響，并建立了相應(yīng)的子模型；同時(shí)結(jié)合微距拍攝的場(chǎng)景參數(shù)的限制，建立了一種立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模型．

1 立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型

對(duì)于立體相機(jī)微距拍攝來(lái)說(shuō)，由于相機(jī)類型(平行、會(huì)聚)不同，立體相機(jī)成像原理和參數(shù)要求也不同．本文建立的微距相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)總體模型如圖1所示．

圖1 立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型Fig.1 Objective evaluation model of stereo camera macro shooting quality

對(duì)于微距平行相機(jī)而言，將從 1/30法則[15，19-20]出發(fā)，建立平行相機(jī)微距拍攝客觀評(píng)價(jià)模型，通過(guò)輸入相關(guān)參數(shù)拍攝距離h、相機(jī)間距d、相機(jī)焦距f得到平行相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)值．

與平行相機(jī)不同，會(huì)聚相機(jī)光軸會(huì)聚于一點(diǎn)，立體圖像能夠產(chǎn)生凹凸感，會(huì)聚點(diǎn)的位置要根據(jù)不同的場(chǎng)景特點(diǎn)設(shè)置．因此，本文基于 12°理論[15]建立會(huì)聚相機(jī)微距拍攝客觀評(píng)價(jià)模型，通過(guò)輸入相關(guān)參數(shù)(拍攝距離h、相機(jī)間距d、相機(jī)焦距f)得到會(huì)聚相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)值．

2 微距拍攝準(zhǔn)則和評(píng)價(jià)理論

由于本文提出的客觀評(píng)價(jià)模型是在大量主觀實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的，因此下文將結(jié)合目前通用的5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示)進(jìn)行主觀實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型．

表1 相機(jī)微距拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Criteria for objective macro shooting quality evaluation of stereo camera

文中采用雙視點(diǎn)圖像對(duì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用的立體圖像庫(kù)是天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院三維立體實(shí)驗(yàn)室的立體圖像庫(kù)．該庫(kù)立體圖像來(lái)源于 Autodesk 3,ds Max做出的理想立體圖像對(duì)和實(shí)驗(yàn)室相機(jī)拍攝得到的現(xiàn)實(shí)圖像對(duì)．圖像尺寸為 1,024×768．實(shí)驗(yàn)參與者為20位非專業(yè)成年觀眾，年齡在21～36歲，雙目視覺(jué)均在 0.8以上．在實(shí)驗(yàn)前，所有參與者均需通過(guò)瞳孔距離測(cè)試、雙目顏色視覺(jué)和立體視覺(jué)測(cè)試．文中利用不同尺寸的自由立體顯示器、裸眼立體顯示器、偏振立體顯示器及配套立體鏡等立體設(shè)備進(jìn)行主觀實(shí)驗(yàn)．各立體顯示器分辨率均設(shè)為 1,024×768，屏幕刷新頻率設(shè)置為 100,Hz．根據(jù)顯示器提供的最佳觀看距離，觀看不同拍攝參數(shù)下的立體圖，實(shí)驗(yàn)中要求實(shí)驗(yàn)參與者根據(jù)自己的判斷獨(dú)立評(píng)價(jià)所看到的立體圖像．

2.1 平行相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊

圖2 f＝50,mm時(shí)h、d與MOS值的關(guān)系Fig.2 Relationship between h、d and MOS value when f＝50,mm

當(dāng)MOS＝5、4時(shí)，h-d關(guān)系如圖3所示，本文利用 MATLAB擬合h、d關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)h與d2.05成正比．同理，結(jié)合其他 MOS值下h、d的相互關(guān)系，綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了 f＝50,mm時(shí)的立體圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)k1，如式(1)所示．

圖3 MOS值分別為5和4時(shí)h-d對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between h and d when MOS＝5,and MOS＝4 respectively

式中h為相機(jī)拍攝距離．

改變f，分別取f為85、135、200,mm重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，k1與 f的關(guān)系如圖 4所示．利用MATLAB擬合得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系式k為

圖4 k1與 f關(guān)系示意Fig.4 Relationship between k1and f

結(jié)合主觀實(shí)驗(yàn) MOS分值、h、f及d范圍的相互影響關(guān)系，建立了平行相機(jī)微距拍攝客觀評(píng)價(jià)模型，如表 2所示，客觀輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng) 5個(gè)等級(jí)，其中Mp為平行相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)值．

表2 k值范圍與立體圖像質(zhì)量的相應(yīng)關(guān)系Tab.2 Relationship between k and stereo image quality

平行相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊著重研究了相機(jī)拍攝距離h、相機(jī)間距d、相機(jī)焦距 f對(duì)立體圖像質(zhì)量的影響，所提出的5級(jí)客觀評(píng)價(jià)模型較前人的2級(jí)評(píng)價(jià)模型更具實(shí)用性，能夠評(píng)價(jià)立體相機(jī)微距平行拍攝質(zhì)量．同時(shí)，可用于指導(dǎo)立體相機(jī)進(jìn)行微距平行拍攝．業(yè)余愛(ài)好者可以參照評(píng)價(jià)指數(shù)大于等于4分即評(píng)價(jià)指標(biāo)k〈0.918對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置相機(jī)參數(shù)和拍攝位置．

2.2 會(huì)聚相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊

對(duì)于會(huì)聚相機(jī)而言，12°理論[15]是立體相機(jī)微距拍攝時(shí)最常用的準(zhǔn)則之一，它要求相機(jī)基線夾角(如圖 5中?所示)控制在 12°以內(nèi)，相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系如式(3)所示.

式中：wd為理論相機(jī)間距；?為相機(jī)基線夾角，

圖5 會(huì)聚相機(jī)12°理論示意Fig.5 12° theory of toed-in camera

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相機(jī)間距d稍大于或稍小于理論相機(jī)間距wd時(shí)，立體效果都較好．因此，12°并不是一個(gè)嚴(yán)格的角度界限，不能直接運(yùn)用 12°理論對(duì)相機(jī)拍攝質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)．此外，這里發(fā)現(xiàn)f對(duì)圖像質(zhì)量也有一定程度的影響．因此，為了獲取會(huì)聚相機(jī)微距拍攝時(shí)相應(yīng)的拍攝準(zhǔn)則，結(jié)合 Autodesk 3,ds Max和實(shí)際拍攝探究相機(jī)基線夾角的設(shè)置準(zhǔn)則．首先在f不變的情況下，h一定時(shí)設(shè)置不同的相機(jī)間距d，拍攝一系列圖像對(duì)，然后改變h重復(fù)以上過(guò)程，最后改變 f重復(fù)以上過(guò)程．通過(guò)主觀實(shí)驗(yàn)探究微距拍攝準(zhǔn)則，結(jié)果如圖6所示，其中α=arctan (d/2h). 圖 6中各曲線的關(guān)系式如表3所示．

圖6 α、f與MOS值關(guān)系式示意Fig.6 Relationship betweenα、f and MOS value

表3 圖6中各曲線的關(guān)系式Tab.3 Curvilinear relational expression in Fig.6

結(jié)合上述分析結(jié)果，建立了主觀評(píng)價(jià)值與相機(jī)拍攝距離h、相機(jī)間距d、相機(jī)焦距f的關(guān)系式，并選其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，記為p，則

指標(biāo)p和立體圖像質(zhì)量的變化規(guī)律如表4所示，客觀輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng) 5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，其中hM 為會(huì)聚相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)值.

表4 p值范圍與立體圖像質(zhì)量的相應(yīng)關(guān)系Tab.4 Relationship between p and stereo image quality

會(huì)聚相機(jī)微距拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊著重研究了h、d、f對(duì)立體圖像質(zhì)量的影響，所提出的 5級(jí)客觀評(píng)價(jià)模型能夠很好地評(píng)價(jià)立體相機(jī)微距會(huì)聚拍攝質(zhì)量，也可用于指導(dǎo)立體相機(jī)進(jìn)行微距會(huì)聚拍攝.人們可以參照評(píng)價(jià)指標(biāo)大于等于 4分即p〈163.5時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行微距拍攝．

2.3 綜合質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)因子Q

微距相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型的子模型主要包括平行相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊和會(huì)聚相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊，子模型間相互獨(dú)立，所以綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)因子Q可由各子模型評(píng)價(jià)因子的線性組合獲取．本文提出的客觀評(píng)價(jià)模型輸出值Q為

式中Z為相機(jī)類型， =0Z 表示平行相機(jī)， =1Z 表示會(huì)聚相機(jī)．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取兩種場(chǎng)景分析驗(yàn)證本文的評(píng)價(jià)模型(如圖 7所示)，分別利用軟件和實(shí)驗(yàn)室立體相機(jī)進(jìn)行微距會(huì)聚和微距平行拍攝．改變主要參數(shù)h、d、f進(jìn)行立體拍攝，得到一系列立體圖像對(duì)．驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)部分參與者為 30名非專業(yè)成年人，雙目視覺(jué)正常．實(shí)驗(yàn)前也需通過(guò)瞳孔距離測(cè)試、雙目顏色視覺(jué)和立體視覺(jué)測(cè)試．然后采用主觀實(shí)驗(yàn)的方法獲取主觀評(píng)價(jià)值(DMOS)，并將所得 DMOS與模型輸出的客觀評(píng)價(jià)值(Q)進(jìn)行對(duì)比分析．

圖7 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示意Fig.7 Schematic diagram of focused scene

微距平行拍攝且f＝85,mm、h＝400,mm、d＝10,mm時(shí)，客觀評(píng)價(jià)模型的輸出值Q＝3，人眼主觀評(píng)價(jià)平均值為 3.45，在模型允許的誤差范圍內(nèi)，此模型輸出結(jié)果與人眼主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合．微距會(huì)聚拍攝且f＝85,mm、h＝400,mm、d＝10,mm時(shí)，客觀評(píng)價(jià)模型的輸出值Q＝5，人眼主觀評(píng)價(jià)平均值為5，此模型輸出結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果完全吻合．

此外，從立體圖像庫(kù)中任意選取100幅立體圖像進(jìn)行主客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)，這里客觀模型的輸出值為整數(shù)，主觀評(píng)價(jià)值 DMOS取所有參與者評(píng)價(jià)值的平均值．主客觀評(píng)價(jià)值相關(guān)性如圖8所示．

圖8 主客觀評(píng)價(jià)值相關(guān)性示意Fig.8 Correlation between objective and subjective evaluation values

為進(jìn)一步驗(yàn)證立體相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)值與主觀感知評(píng)價(jià)值之間的一致性，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient，PCC)指標(biāo)計(jì)算所選取 100幅立體圖像的主客觀評(píng)價(jià)值的 PCC相關(guān)系數(shù)，如圖9所示．

PCC的取值范圍為[0，1]，值越接近1，表明立體相機(jī)拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型越好，反之亦然．從圖 8和圖9中可以看出，本文所提出模型的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果與人眼主觀評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，相關(guān)性較好．對(duì)比主觀測(cè)試結(jié)果和理論分析，可以看出本文所提出的客觀評(píng)價(jià)模型適合對(duì)立體相機(jī)拍攝質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)．

圖9 主客觀評(píng)價(jià)值PCC示意Fig.9 Pearson correlation coefficient of objective and subjective evaluation

同時(shí)，當(dāng) MOS值為 4分及以上時(shí)，所得圖像的立體感和自然感均符合人眼視覺(jué)特性，可將此時(shí)的參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)則用于指導(dǎo)立體拍攝，有效解決了非專業(yè)人士拍攝立體圖像時(shí)的場(chǎng)景設(shè)置問(wèn)題．

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種聯(lián)合相機(jī)參數(shù)和場(chǎng)景參數(shù)的立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)模型．利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的立體相機(jī)和Autodesk 3,ds Max軟件拍攝上百組立體圖像對(duì)，分析相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置指標(biāo)，建立了相應(yīng)的立體相機(jī)微距拍攝客觀評(píng)價(jià)模型．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的模型與人的主觀感受十分一致，因此該評(píng)價(jià)模型能夠有效地用于立體相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)．

本文所建立的評(píng)價(jià)模型不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)立體相機(jī)微距拍攝質(zhì)量的評(píng)價(jià)，而且還可以用于指導(dǎo)立體拍攝，為業(yè)余愛(ài)好者提供了一個(gè)合理設(shè)置拍攝參數(shù)的依據(jù)．此外，本文建立的模型綜合考慮了大部分拍攝參數(shù)，但并未涵蓋所有的拍攝參數(shù)，今后將進(jìn)一步研究和分析其他拍攝參數(shù)對(duì)拍攝質(zhì)量的影響，以建立包含所有拍攝參數(shù)、更加全面的評(píng)價(jià)模型．關(guān)于近距和遠(yuǎn)距拍攝時(shí)對(duì)立體相機(jī)拍攝質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法將在今后進(jìn)行詳細(xì)研究探討．

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(責(zé)任編輯：趙艷靜)

Objective Macro Shooting Quality Evaluation Criteria for Stereo Cameras

Yang Jiachen，Chu Rongrong，Liu Yun
(School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Through analyzing the parameter setting rules of stereo cameras，an objective macro shooting quality evaluation method of stereo cameras was proposed in this paper. Combining the different internal structure and imageforming rules between parallel and toed-in camera configurations，the influence of camera inner parameters and scene parameters on stereo cameras shooting quality was researched respectively. Then according to the subjective assessment，the objective macro shooting quality evaluation criteria for stereo cameras were built. The experimental results show that the proposed evaluation method is basically in accordance with subjective evaluation and can reflect the stereo cameras′macro shooting quality.

stereo cameras；macro shooting；objective evaluation；stereoscopic image pair；shooting quality

TP391.4

A

0493-2137(2014)12-1121-06

10.11784/tdxbz201307033

2013-07-13；

2013-11-07.

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0400)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61101224)；中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2012M520574)；航空基金資助項(xiàng)目(2012ZC48003)；天津市自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(12jcqnjc00500).

楊嘉琛（1979— ），男，博士，副教授.

楊嘉琛，yangjiachen@tju.edu.cn.

時(shí)間：2013-11-18. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131118.1655.003.html.