3D電視用戶體驗:原理與測評方法

盧寶周

(中國石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，青島 266580)

1 引言

3D電視，又稱三維立體影像電視(Stereoscopic 3D TV)［1］，是當(dāng)前電視行業(yè)發(fā)展的主要趨勢之一。市場中銷售的電視中，大部分都具有3D播放功能。3D電視通過使左右眼看到的影像分離，根據(jù)視覺成像原理，從而使用戶產(chǎn)生立體的感覺，從而增強(qiáng)了觀看者的深度感知體驗，然而，也會帶來一定程度的負(fù)面體驗，如:視覺疲勞、頭暈等［2］。而用戶體驗是影響新產(chǎn)品能否被接受的重要因素。但是，目前國內(nèi)針對3D電視用戶觀看體驗的研究還比較缺乏［3］，對其維度構(gòu)成和評價方法也缺乏系統(tǒng)的總結(jié)。隨著3D電視的推廣，當(dāng)前亟需加強(qiáng)針對該領(lǐng)域的理論探索和實證研究。

在對國外研究文獻(xiàn)梳理和總結(jié)的基礎(chǔ)上，本文首先從心理學(xué)和生理學(xué)的角度分析了影響3D電視觀看體驗的原理;接下來總結(jié)和分析了目前影響3D電視觀看體驗的因素和測評方法;然后提出了一個多維度的3D電視體驗質(zhì)量模型(Quality of Experience Model for 3D TV);最后對該領(lǐng)域的研究趨勢進(jìn)行了簡要的分析。本文將為我國3D電視用戶體驗研究提供一定的理論基礎(chǔ)和測評方法。

2 3D電視觀看體驗的基本原理

目前的3D成像技術(shù)主要利用了視覺成像原理中的雙目視差(binocular disparity)。在生理上，人的雙眼呈橫向水平分布，平均瞳孔距離(interpupillary distance，IPD)為 63mm(Dodgson，2004)［4］。因此，左眼和右眼觀察物體的角度略有差異，造成雙眼中看到的圖像并不完全相同，這就是雙目視差。通過大腦的視覺融合能力和解釋能力將左右眼圖像融合成統(tǒng)一的感知圖像。雙目視差可以幫助人更精確的感知所觀察對象的相對距離和絕對距離，也是立體感知的主要形成因素之一。在觀看物體時，人眼主要通過兩種視覺功能實現(xiàn)對圖像的處理:(1)匯聚功能(convergence)，即通過調(diào)節(jié)雙眼的水平活動使其著眼點落在同一點上;(2)調(diào)焦功能(accommodation)，即通過眼部肌肉調(diào)節(jié)瞳孔的聚焦功能，來形成對所觀察物體的清晰圖像。

3D影像在制作時，通過攝像機(jī)模擬人眼來分別獲取兩幅2D圖像;而在播放時，通過播放技術(shù)(眼鏡3D和裸眼3D)分別向雙眼播放不同的2D圖像，通過大腦的視覺融合能力使觀看者形成統(tǒng)一的感知圖像。感知圖像向屏幕前方或者后方的偏離，從而造成立體的效果，其原理如圖1所示。如果雙眼圖像在顯示屏幕前交叉，則3D畫面向屏幕前方偏離，形成交叉視差，如圖1中F點所示;如果雙眼圖像在顯示屏幕后方交叉，則3D畫面向屏幕后方偏離，形成不交叉視差，如圖1中B點所示。

如上所述，在自然場景中，人主要利用匯聚和調(diào)焦兩種機(jī)制的協(xié)作來處理視覺圖像。在觀看3D影像時，人眼聚焦于現(xiàn)實屏幕，但是，雙眼視差感知到的畫面是偏離屏幕的，這就造成眼睛的調(diào)焦功能與匯聚功能之間的沖突。如果立體深度(偏離屏幕)過大，這種沖突就會加劇，進(jìn)而超出大腦能夠處理的范圍，給觀看者帶來視覺上的不適，如:模糊、重影等以及其他在心理和生理層面的不適。因此，3D影像在制作和播放時，應(yīng)該注意進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳疃蠕秩荆员ＷC一定的觀看舒適區(qū)域。

一般用焦點深度(DOF，depth of focus)來表示3D畫面偏離屏幕的程度，其被定義為3D圖像與觀看者之間距離倒數(shù)與屏幕與觀看者之間距離倒數(shù)的差值。那么，當(dāng)3D畫面在屏幕后方時，DOF為負(fù)值;當(dāng)3D畫面在屏幕前方時，DOF為正值，即:

由上述公式，可得到成像距離和觀看距離之間的關(guān)系，即:

當(dāng)前，國際上經(jīng)過試驗檢驗所推薦的能夠保證觀看舒適區(qū)域的焦點深度為(－0.2o，+0.2o)(Yano，2004)［5］，將其帶入上述公式(2)，即可得到 3D觀看的舒適距離為［6］:

一般來講，在播放時，可以通過調(diào)節(jié)兩幅2D圖像在屏幕上的位差(雙目視差)，來控制立體深度。結(jié)合上述公式，我們進(jìn)一步可以得到觀看距離(d)、前后成像區(qū)域(Zb和Zf)、雙目距離(e)、位差(s)、焦點深度以及深度渲染能力之間的關(guān)系［6］。在已知焦點深度(－0.2o，+0.2o)、雙目距離(取平均值65mm)和觀看距離(d取觀看屏幕高度的4.5倍左右)的情況下，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到其他相關(guān)各個變量的數(shù)據(jù)。

圖1 3D電視成像與視覺原理示意圖(根據(jù)文獻(xiàn)(Chen，2012)［6］)

3 3D電視觀看體驗影響因素分析

由上述內(nèi)容可知，雙目視差是形成3D效果的基礎(chǔ)，也是影響3D電視體驗的基本因素之一。除此之外，還有很多其他因素影響3D電視觀看體驗。這些因素與3D電視制播過程相關(guān)(王惠明等)［6－7］。結(jié)合文獻(xiàn)［6 －7］，表 1 對其中的主要因素進(jìn)行了匯總，并對其影響進(jìn)行了簡要解釋。本文主要從制作、傳輸和播放三個環(huán)節(jié)對3D電視觀看體驗因素進(jìn)行分析。

首先，制作環(huán)節(jié)的主要因素有:視差管理、左右視圖、視野沖突管理、視野安全管理、3D視頻內(nèi)容與壓縮編碼等。其中，視差管理指3D視頻內(nèi)容拍攝、制作階段指對于左右視差的處理與深度渲染，主要影響觀看時的立體深度感知。左右視圖拼接，指制作時通過左右視圖進(jìn)行分離采樣。拼接過程會損失圖像信息，降低圖像質(zhì)量。視野沖突與安全管理則包括邊框效應(yīng)、畫面切換的空間跳躍、遮擋關(guān)系矛盾以及焦點平面與會聚平面矛盾等［6］，主要影響觀看時的立體深度感知以及其他心理感受等。國家廣電總局科技司發(fā)布的《3D電視技術(shù)指導(dǎo)意見 第一部分:節(jié)目制作播出》，已經(jīng)要求對制播環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證圖像的視覺安全性。最后，研究表明，3D素材與內(nèi)容也會影響觀看體驗，包括:3D內(nèi)容、故事情節(jié)、特效、運動速度等。如:3D畫面中物體的運動速度會帶來視覺疲勞與身體不適［5，8］。

其次，傳輸環(huán)節(jié)的主要因素包括:信道失真與壓縮編碼。傳輸環(huán)節(jié)中，對圖像質(zhì)量影響最大的因素是壓縮編碼，不同的編碼算法和編碼參數(shù)設(shè)置，圖像的損傷大小所不同［6］。其次，傳輸過程中由于自然原因造成的信道誤碼，導(dǎo)致信號丟失、串?dāng)_現(xiàn)象等，也會影響2D畫面質(zhì)量。

最后，播放環(huán)境的影響因素包括:播放設(shè)備與技術(shù)、深度渲染(depth rendering)、觀看條件與用戶的個體差異。播放設(shè)備與技術(shù)指3D電視播放的顯示設(shè)備與播放技術(shù)，顯示器的類型、屏幕尺寸、性能、3D眼鏡的類型等，會影響圖像清晰度、色彩與立體效果等。比如，屏幕尺寸會影響邊框效應(yīng)。邊框效應(yīng)指當(dāng)畫面主體太接近顯示器邊框而造成的一種視野沖突［6］。一般來說，大屏幕能夠使觀看者忽視邊框的存在，從而減少該效應(yīng)。另外，大屏幕能夠增強(qiáng)觀看的臨場感和真實感。而3D顯示器的性能，包括:亮度、對比度、色溫、運動拖尾等指標(biāo)，也會影響圖像質(zhì)量，同時也可能影響立體效果。另外，不同的3D眼鏡技術(shù)，如:快門式、偏振式等，也會影響圖像質(zhì)量與立體效果。

深度渲染指通過調(diào)節(jié)播放設(shè)備的左右視差，調(diào)節(jié)3D圖像的立體深度，對立體感知與視覺舒適等有直接影響。觀看時的條件設(shè)置，包括:房間背景、顯示器亮度與對比度設(shè)置、觀看距離、觀看位置，也對觀看體驗有影響［7］。而用戶個體差異，包括:視覺能力、身體狀況等，也會影響觀看體驗。因此，在對3D電視觀看體驗進(jìn)行測評時，應(yīng)該詳細(xì)匯報實驗環(huán)境條件并對測試對象進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

4 3D電視觀看體驗?zāi)Ｐ?/h2>

當(dāng)前，圍繞3D電視用戶體驗的研究主要集中在視覺不適與視覺疲勞等層面［2，5］，尚未形成完善和統(tǒng)一的評價體系［7］。但是，文獻(xiàn)指出3D用戶觀看體驗是一個復(fù)雜的概念，應(yīng)該包括多個維度［9］。比如，Lambooij(2011)［10］指出 3D 體驗中的自然度由圖像質(zhì)量與深度感知構(gòu)成。Chen等(2012)［2］，提出了一個3D電視視覺體驗?zāi)Ｐ停赋鲆曈X體驗由圖像質(zhì)量(image quality，IQ)、感知深度(depth quantity，DQ)與視覺舒適度(visual comfort，VC)三種體驗構(gòu)成。即:

表1 3D電視用戶觀看體驗影響因素分析

在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一個多維度的3D電視用戶體驗?zāi)Ｐ?，如圖2所示。3D用戶體驗影響滿意度，而滿意度則影響用戶對于3D電視的態(tài)度和使用傾向。如果用戶有較好的體驗，那么滿意度就較高，從而傾向于繼續(xù)使用3D電視;反之，則不愿意繼續(xù)使用。因此，保證用戶具有比較好的3D觀看體驗就顯得比較重要。而3D觀看體驗是一個比較抽象的概念，因此，采用多維度的模型將有助于我們更加深入的理解這一概念。本文提出的3D電視用戶體驗由正面體驗和負(fù)面體驗構(gòu)成，而正面體驗包括:自然度、臨場感、立體感與視覺舒適度，而負(fù)面體驗則主要包括:視覺不適(visual discomfort)與身體不適等。視覺舒適度與負(fù)面體驗中的視覺不適具有相互替代關(guān)系。

3D電視通過深度渲染增加用戶觀看的立體感，從而增了強(qiáng)觀看者的現(xiàn)實感與身臨其境的感覺;然而另一方面，過度的立體感造成視覺沖突，從而帶來負(fù)面體驗。因此，自然度和臨場感，這兩個維度屬性與視覺舒適度之間，存在一定程度的沖突。深度渲染應(yīng)該把握一個合適的度，既能保證觀看3D所帶來的正面體驗，也能保證視覺和生理上的舒適。

3D電視用戶體驗的上述構(gòu)成維度受到兩個基本因素的影響:圖像質(zhì)量與深度渲染。而這兩個基本因素則受到來自上述表1中其他多種因素的影響。現(xiàn)有研究一般通過調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量與焦點深度(DOF)對3D電視用戶的主觀體驗進(jìn)行實驗研究，如文獻(xiàn)［2，5，7］。目前，針對我國3D用戶觀看體驗的實證研究還比較匱乏。

圖2 3D電視用戶主觀體驗評價模型

5 3D電視觀看體驗的評價方法

3D電視用戶體驗的評價方法主要有兩種:主觀評價方法(subjective assessment)和客觀評價方法(objective assessment)［7］。

5.1 主觀評價方法

3D電視觀看體驗主觀評價方法，指通過用戶打分的方式對觀看的體驗進(jìn)行評價。目前3D主觀評價方法以2D圖像的評價方法為基礎(chǔ)，結(jié)合3D的特點進(jìn)行擴(kuò)展，已經(jīng)形成了初步的規(guī)范。國際電信聯(lián)盟(ITU)提供的與3D電視主觀評價相關(guān)的指導(dǎo)性意見主要有:(1)ITU－R BT.500，2D圖像的主觀評價方法;(2)ITU－R BT.1438，3D電視的主觀評價建議書;(3)ITU－R WP6和ITU－T SG9，針對ITU－R BT.1438的不足，提出了更充分的3D電視的主觀評價建議;(4)ITU－R BT.1788，影像主觀評價建議書。根據(jù)以上資料，結(jié)合文獻(xiàn)［7］，本文整理了目前國際上普遍采用的3D電視的主觀評價方法，參見表2:

(一)針對靜態(tài)圖片和短視頻(＜60秒)，ITUR BT.500提出了四種評價方法，分別是

·雙刺激法

包括兩種:雙刺激連續(xù)測量法(the doublestimulus－continuous－quality－scale method，DSCQS)與雙刺激損害測量法(the double－stimulus impairment scales，DSIS)。顧名思義，雙刺激法中，實驗對象被要求對一系列的“圖像對”進(jìn)行測試。每個評價環(huán)節(jié)觀看兩幅圖像，一幅為無損害圖像(參照圖像)，另外一幅為損害圖像(測試圖像)，看完之后就每幅圖像的整體質(zhì)量給出評價。DSCQS與DSIS的區(qū)別在于量表，前者的量表為圖像質(zhì)量的高低，而后者的量表為損害程度的大小。

·單刺激法(single－stimulus methods)

單刺激法中，實驗對象被要求對每幅測試圖像進(jìn)行單獨打分。

·單刺激比較法(stimulus－comparison methods)

單刺激比較法中，首先根據(jù)刺激因素，形成一系列的測試圖像對。然后，實驗對象對兩幅圖像進(jìn)行比較，給出兩者之間差異程度的評分。

(二)針對長視頻(＞60秒，＜20分鐘)，ITUR BT.500提出了兩種評價方法:

·單刺激持續(xù)評價法(single stimulus continuous quality evaluation，SSCQE)

該方法中，實驗對象被要求觀看一系列長視頻，并給出評分。其與單刺激法類似。

·雙刺激持續(xù)評價法(simultaneous double stimulus for continuous evaluation，SDSCE)

該方法中，實驗對象被要求同時觀看兩個視頻，并就兩個視頻之間的差異程度進(jìn)行評分。其與單刺激比較法類似。

(三)視頻質(zhì)量主觀評價法(Subjective Assessment Methodology for Video Quality，SAMVIQ)，基于ITU－R BT.1788，主要用于多媒體評價。

該方法中，實驗對象被要求觀看一系列的短視頻(10－15秒)。該方法的優(yōu)點是實驗對象能夠在不同的視頻之間進(jìn)行切換并且可以更改評分。

5.2 客觀評價方法

3D電視觀看體驗的客觀評價方法指采用客觀手段和儀器對用戶的生理反應(yīng)進(jìn)行評價。目前采用的儀器主要包括:眼部跟蹤設(shè)備、腦電波測量裝置以及其他的人體和眼部健康診斷設(shè)備等。這些設(shè)備可以捕捉用戶在觀看3D電視時的生理反應(yīng)，比如:瞳孔反應(yīng)、視線軌跡、腦電波等，也可以用來測量觀后的視覺與身體反應(yīng)等?？陀^評價方法能夠直接獲取用戶的客觀體驗數(shù)據(jù)，比主觀評價方法具有一定的優(yōu)勢，也代表了主要的發(fā)展方向。因此，在國外已經(jīng)開始使用，如:文獻(xiàn)［7］使用了腦電波設(shè)備，而文獻(xiàn)［11］則使用了眼部跟蹤設(shè)備。但是，這些測量儀器價格昂貴，實驗環(huán)境的搭建與管理也比較復(fù)雜。

5.3 實驗環(huán)境

除了上述評價方法，ITU的建議書以及文獻(xiàn)［7］也指出，在進(jìn)行實驗研究時，研究人員應(yīng)該注意的其他方面的影響因素，遵循一定的實驗規(guī)范，以剔除其他非相關(guān)變量的影響。表2也對此進(jìn)行了總結(jié)。這些因素包括:觀看條件、信號源、測試素材、實驗對象篩選、實驗時長以及評價方法等。3D用戶體驗實驗應(yīng)該盡量降低無關(guān)變量對3D觀看效果的影響，比如，對于顯示器亮度和對比度的調(diào)整，對于房間亮度與觀看距離的安排，實驗素材的選擇等。為了使研究結(jié)果具有可比較性和可復(fù)制性，研究人員也應(yīng)該提供詳盡的實驗過程和詳細(xì)的實驗環(huán)境。

6 3D電視用戶體驗研究趨勢

國內(nèi)的3D電視用戶體驗研究起步較晚，但是，3D電視市場發(fā)展較快。因此，有必要加強(qiáng)這方面的研究，以保證用戶具有較好的3D體驗，并促進(jìn)3D技術(shù)和市場的良性發(fā)展。在該領(lǐng)域主要有以下幾個方面的研究趨勢:

表2 3D電視體驗實驗研究影響因素與實驗規(guī)范

(1)3D電視用戶主觀體驗的構(gòu)成維度實證研究，本文雖然提出了一個多維度的3D用戶體驗概念模型，但是這個模型有效性還需要進(jìn)一步的探索，各個維度對用戶體驗的貢獻(xiàn)度也需要進(jìn)一步的實證檢驗;

(2)3D電視用戶視覺舒適度研究，視覺舒適度是3D電視體驗中的一個非常重要的維度，將來的研究有必要通過規(guī)范的實驗研究，探索相關(guān)變量對于舒適度的影響，包括:雙目視差、圖像質(zhì)量、觀看時長、觀看角度等;

(3)不同的播放設(shè)備對3D電視效果的影響，當(dāng)前3D播放設(shè)備和技術(shù)差別較大，因此有必要針對這些3D技術(shù)的用戶體驗進(jìn)行研究;

(4)3D電視用戶接受或者拒絕研究，用戶體驗決定了用戶對于3D電視的態(tài)度，而態(tài)度最終決定用戶的行為，即接受或者拒絕。因此，將來的研究應(yīng)該探索3D電視用戶接受或決絕行為的影響機(jī)制研究。

7 結(jié)論

隨著3D電視的普及，3D電視用戶體驗研究的重要性日益增加。本文從理論上分析了3D電視用戶體驗的基本原理，從制播流程角度總結(jié)了影響3D電視體驗的主要影響因素，然后，提出了一個多維度的3D電視體驗?zāi)Ｐ?。接下來，結(jié)合文獻(xiàn)分析和總結(jié)了3D電視用戶體驗的主要評價方法，最后，提出了幾個將來的主要研究方向。本文也為將來的3D電視用戶體驗研究以及用戶行為研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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