立體圖像對亮度差異對立體視融合的影響研究

武巖，李奇，韓相博，周嫻

（1.長春理工大學(xué)，長春　130022；2.中國北方車輛研究所，北京　100000）

立體圖像對亮度差異對立體視融合的影響研究

武巖1，李奇1，韓相博2，周嫻1

（1.長春理工大學(xué)，長春130022；2.中國北方車輛研究所，北京100000）

針對具有亮度差異的立體圖像對如何影響立體融合，提出了對不同亮度差異的立體圖像對識別融合的影響范圍。通過8名被試對亮度差異分別為0，10，20，30，40，50，60，70，80，90的立體圖像對融合識別的反應(yīng)時和正確率進(jìn)行分析，給出了亮度差異對立體視融合的定量影響范圍。結(jié)果表明：反應(yīng)時隨著亮度差異的增大逐漸增加，但識別正確率逐漸降低。亮度差異為20以下，立體識別可達(dá)到較好的識別效果，反應(yīng)時較短并且正確率很高。當(dāng)亮度差異介于20～60之間，反應(yīng)時急劇增加，正確率稍有降低。但當(dāng)亮度差異達(dá)到60以上，不僅反應(yīng)時急劇增加，而且正確率急劇降低，達(dá)到很難識別的程度。

立體視覺；立體圖像對；亮度差異；立體視融合

自2008年中國引進(jìn)了兩部數(shù)字3D電影《地心歷險記3D》和《閃電狗》開始，便開創(chuàng)了中國電影市場的3D時代；2009年，中國電影市場上的3D影片增加到了9部；2010年，3D影片的數(shù)量則超過了10部，尤其是好萊塢3D電影《阿凡達(dá)》更是創(chuàng)造了全球票房超過20億美元的神話。而且從2011年開始，不僅國外影片采用3D技術(shù)，國內(nèi)很多電影也均采用3D技術(shù)。

目前，我們立體電影、立體電視的制作就是模擬人眼視覺系統(tǒng)三維影像形成的過程，即先把左右眼的單眼圖像分別記錄下來，通過放映機(jī)和相應(yīng)的立體放映設(shè)備，讓觀眾左右眼分別看到相應(yīng)的單眼圖像，再通過大腦融合成三維圖像［1］。因此，左右眼分別看到的單眼圖像的匹配程度就決定了大腦融合的舒適程度。圖像的匹配程度包括兩圖像對的亮度、色度、對比度、頻率、視差特征等等［2］。若圖像的匹配程度差異達(dá)到一定的閾值，就會影響大腦的融合，導(dǎo)致視覺疲勞、眩暈、頭痛等癥狀［3］。所以，研究單眼圖像對的屬性匹配程度對減輕視覺疲勞，促進(jìn)立體影視業(yè)的發(fā)展有著非常重大的意義。本論文主要定量研究立體圖像對的亮度差異對立體視融合的影響。

1　實(shí)驗方法

1.1被試者

被試首先經(jīng)顏氏數(shù)字化立體視覺檢查圖檢查［4］，立體視銳度要優(yōu)于60''。而且在一個練習(xí)實(shí)驗中如果被試的識別反應(yīng)時超過5s，均不能參加正式實(shí)驗。最后有8名被試（5男，3女）參與了實(shí)驗，年齡在19歲到25歲之間，平均年齡為21.6歲，色覺正常，右利手。被試在被告知實(shí)驗的危險情況下，簽署了自愿同意書。被試對實(shí)驗設(shè)計的目的一無所知。

1.2實(shí)驗設(shè)備

1.2.1實(shí)驗刺激

實(shí)驗刺激圖片采用紅藍(lán)互補(bǔ)色原理，由Photoshop軟件制作得到。圖片大小為200*200像素點(diǎn)組成，所對應(yīng)的視角為4.12o寬，4.12o高，如圖1所示。該刺激圖片的視差角為22.89弧分。為了保證被試在實(shí)驗過程中認(rèn)真觀看刺激圖片，盡量少出現(xiàn)眼動現(xiàn)象，在實(shí)驗中要求被試眼睛固定在一個注視點(diǎn)“+”上。注視點(diǎn)“+”的視差為0，顯示在背景為白色的顯示屏幕上，位置在屏幕正中央，其視角為1.72o寬1.72o高，顏色為黑色，如圖2所示。亮度差異分別采用0，10，20，30，40，50，60，70，80，90十種。

圖1　視差圖　

圖2　注視點(diǎn)示意圖

1.2.2數(shù)據(jù)分析

首先對每個被試實(shí)驗所得數(shù)據(jù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，將反應(yīng)過快或過慢的無效數(shù)據(jù)剔除。針對每種刺激類型的有效數(shù)據(jù)采用SPSS的單因素被試內(nèi)多水平F檢驗結(jié)合配對t檢驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，以p＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.3實(shí)驗過程

整個實(shí)驗包括10組，每組中亮度差異分別為0，10，20，30，40，50，60，70，80，90的立體圖像對各呈現(xiàn)3次。被試者組間和每組內(nèi)各種刺激均采用隨機(jī)處理，兩組實(shí)驗中間休息5～10分鐘。實(shí)驗在安靜的行為學(xué)測量室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗過程見圖3所示。在實(shí)驗過程時，被試位于距離屏幕正前方的60cm處，為了保證在實(shí)驗中觀測距離不變，被試的下頜固定在屏幕前的支架上。每組實(shí)驗首先在屏幕中央出現(xiàn)3000ms的注視點(diǎn)“+”。然后隨機(jī)呈現(xiàn)不同亮度差異的圖像對，呈現(xiàn)時間是4000ms。兩刺激之間呈現(xiàn)1500ms～2000ms的注視點(diǎn)‘+’穩(wěn)定雙眼。當(dāng)被測試者看到凹陷于顯示屏的平面時，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵。被試者對刺激反應(yīng)后，刺激圖片立即消失，隨即呈現(xiàn)注視點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一刺激的提示［5］。如果超過了4000ms被試者仍未對刺激給出反應(yīng)，刺激圖片也會消失，然后呈現(xiàn)注視點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一刺激的提示。實(shí)驗記錄被試的正確率和反應(yīng)時數(shù)據(jù)。

圖3　實(shí)驗過程示意圖

2　實(shí)驗結(jié)果

2.1反應(yīng)時

不同亮度差異的立體圖像對平均反應(yīng)時見圖4，其中當(dāng)亮度差異達(dá)到90時，平均反應(yīng)時達(dá)到了3284ms，亮度差異為10的圖像對平均反應(yīng)時最短，為730ms。

圖4　不同亮度差異平均反應(yīng)時結(jié)果示意圖

對被試平均反應(yīng)時數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示，亮度差異主效應(yīng)顯著［F（9，63）=252.751，P＜0.0005］，進(jìn)一步針對不同水平間的差異檢驗結(jié)果如表1所示。可以看出，亮度差異為0的立體圖像對和亮度差異為10的立體圖像對被試平均反應(yīng)時沒有顯著性差異。亮度差異為80的立體圖像對和亮度為90的立體圖像對反應(yīng)時沒有顯著性差異。其余的不同亮度差異的立體圖像對反應(yīng)時均有顯著性差異。

2.2正確率

不同亮度差異的立體圖像對反應(yīng)正確率見圖5，亮度差異從0～90，當(dāng)亮度差異為0時，對立體圖像對的識別正確率最高，達(dá)到了100%，而當(dāng)亮度差異達(dá)到90時，識別正確率降到最低，為46%左右。對被試的反應(yīng)正確率分析表明，亮度差異大小主效應(yīng)顯著［F（9，63）=539.417，P＜0.0005］，針對不同水平間的差異檢驗，t值如表2所示。

通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出亮度差異為0體圖像對和亮度差異為10的立體圖像對被試反應(yīng)正確率沒有顯著性差異。亮度差異為10的立體圖像對和亮度為20的立體圖像對反應(yīng)正確率沒有顯著性差異。其余的不同亮度差異的立體圖像對反應(yīng)正確率均有顯著性差異。

圖5　不同亮度差異立體圖像對平均正確率結(jié)果示意圖

3　討論

3.1反應(yīng)時

對于具有亮度差異的立體圖像對，平均反應(yīng)時從沒有亮度差異到亮度差異為90，呈現(xiàn)出隨著亮度差異的增大反應(yīng)時不斷增加的趨勢。這符合亮度差異越大，融合時間越長的基本立體視形成規(guī)律。除了亮度差異為0的立體圖像對和亮度差異為10的立體圖像對反應(yīng)時以及亮度差異為80的立體圖像對和亮度差異為90的立體圖像對反應(yīng)時沒有顯著性差異外，其它的亮度差異反應(yīng)時均具有顯著性差異。主要原因為立體圖像對亮度差異對立體視融合影響非常大，亮度差異增大會直接影像立體圖對融合［6］［7］。亮度差異為0和亮度差異為10的立體圖像對，左右眼圖像亮度差異較小，并沒有影響立體視的融合。但當(dāng)亮度差異達(dá)到20時，反應(yīng)時開始出現(xiàn)顯著性的增加，說明亮度差異達(dá)到20以上立體視融合時間明顯增加。而當(dāng)亮度差異達(dá)到80和90時，被試對立體圖像對的融合已經(jīng)非常困難，超過一半以上的立體圖對已不能正確融合識別，所以反應(yīng)時未表現(xiàn)出顯著性差異。

表1　不同亮度差異圖像對識別平均反應(yīng)時配對t檢驗結(jié)果表

表2　不同亮度差異圖像對識別正確率配對t檢驗結(jié)果

3.2正確率

亮度差異不同的立體圖像對識別正確率，從亮度差異0到亮度差異90隨著亮度差異的增加正確率在不斷降低。這一變化規(guī)律符合隨著亮度差異的增大立體圖像對融合越來越困難的規(guī)律，識別出刺激正確率就會越來越低。經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析，除亮度差異為0的立體圖像對識別正確率和亮度差異為10的立體圖像對識別正確率，以及亮度差異為10的識別正確率和亮度差異為20的識別正確率沒有顯著性差異以外，其余各亮度差異立體圖像對的識別正確率都存在顯著性差異。說明在亮度差異增加的條件下，立體圖越來越難融合［8］，所以出現(xiàn)識別正確率持續(xù)下降的趨勢。

4　結(jié)論

本實(shí)驗通過對8名被試在立體圖像對亮度差異為0，10，20，30，40，50，60，70，80，90條件下，對立體圖像對融合識別的反應(yīng)時和正確率進(jìn)行分析。存在隨著亮度差異的增大反應(yīng)時逐漸增加，但識別正確率逐漸降低的趨勢。亮度差異為0和10時，反應(yīng)時短并且正確率高。實(shí)驗結(jié)果支持立體圖像對屬性差異越大越難融合的觀點(diǎn)。亮度差異為20以下，立體識別可達(dá)到較好的識別效果，反應(yīng)時較短并且正確率很高。當(dāng)亮度差異介于20～60之間，反應(yīng)時急劇增加，正確率稍有降低，說明亮度差異在20～60之間的立體圖像對雖然融合困難，但仍可識別。但當(dāng)亮度差異達(dá)到60以上，不僅反應(yīng)時急劇增加，而且正確率急劇降低，達(dá)到很難識別的程度。

［1］ 劉運(yùn)周.觀看立體圖像時視覺疲勞的研究及改進(jìn)措施［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2010.

［2］ Marc L，Wijnand I.Visual discomfort and visual fatigue of stereoscopic display：a review［J］.Journal of ImagingScienceandTechnology，2009，53（3）：03020101-03020114.

［3］ Sumio Y，Masaki E，Tetsuo M.Two factors in visual fatigue caused by stereoscopic HDTV images ［J］.Displays，2004，25：141-150.

［4］ 顏少明.數(shù)字化立體視覺檢查圖（第二版）［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，1985.

［5］ 武巖，李奇，顏雁.精細(xì)交叉視差信息加工的事件相關(guān)電位研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，37 （5）：122-125.

［6］ 楊蕾.多視點(diǎn)靜止自由立體圖像處理的理論分析及實(shí)驗研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［7］ 李小方，王瓊?cè)A.自由立體顯示器觀看視疲勞［J］.液晶與顯示.2008，23（4）：464-466.

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

Study on the Effect of the Binocular Fusion with Luminance Difference Images

WU Yan1，LI Qi1，HAN Xiangbo2，ZHOU Xian1
（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.China North Vehicle Research Institute，Beijing 100000）

The stereo images with different luminance were utilized as stimulus to investigate the stereopsis fusion in 8 normal subjects.The response of every subject was recorded in ten luminance difference（0，10，20，30，40，50，60，70，80，90） and the fusion range of luminance difference was proposed.The results showed：Response times were increasing with the increasing luminance difference and accuracies were decreasing with the increasing luminance difference. When the luminance difference was below 20，the discrimination could achieve better effect.The response time was short and the accuracy was high.And when the luminance differences were between 20 and 60，the response times increased sharply.But when the luminance difference reached 60，not only the response times increased sharply，but also the accuracies decreased sharply.It was very difficult to fuse the stereo images.

stereo vision；stereo images；luminance difference；stereopsis fusion

B849

A

1672-9870（2015）06-0034-04

2015-07-15

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究（KYC-JC-XM-2015-096）

武巖（1978-），女，碩士，講師，E-mail：wuyan@cust.edu.cn