基于環(huán)境光的HDR 影像視覺舒適度研究

顧曉娟 吳 悠

1.北京電影學(xué)院影視技術(shù)系，北京 100088 2.新華通訊社，北京 100803

1 引言

高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）影像技術(shù)可以為影像提供更廣的色域、更寬的亮度范圍和更高的對(duì)比度，使影像更加真實(shí)、生動(dòng)，更接近我們?nèi)庋鬯兄恼鎸?shí)場(chǎng)景。隨著近年來HDR 技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品，HDR 技術(shù)的應(yīng)用前景也非常廣闊，如消費(fèi)者的家庭影院、游戲和流媒體娛樂，以及大規(guī)模的辦公室展示和數(shù)字廣告牌等，此外，HDR 技術(shù)已逐步推廣應(yīng)用于商業(yè)院線。很多消費(fèi)級(jí)HDR 顯示設(shè)備已經(jīng)可以達(dá)到1000cd/m2的峰值亮度，SMPTE ST 2084標(biāo)準(zhǔn)[1]中，為PQ HDR 影像格式預(yù)留的最高亮度已達(dá)10000cd/m2。

HDR 影像的畫面平均亮度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（SDR）影像，其常以局部高光的方式表現(xiàn)畫面中的高光景物，如白天的太陽、黑暗中的燈光等，使得畫面具有高對(duì)比度，創(chuàng)造更真實(shí)、生動(dòng)的視覺效果。將兩段平均亮度差異很大的HDR 鏡頭剪輯在一起，可以造成畫面亮度上的跳躍，實(shí)現(xiàn)亮度在視聽語言上的表現(xiàn)。但是，如果在暗環(huán)境中觀看高亮度的HDR 影像，會(huì)因環(huán)境亮度和影像平均亮度的過高差異、畫面空間分布上的高亮度差以及影像鏡頭間較高的亮度差造成觀看者視覺系統(tǒng)的疲勞，甚至引發(fā)頭痛等不適癥狀[2]。在觀看環(huán)境中提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)境光照明，可以緩解這種視覺不適癥狀。

在環(huán)境光相關(guān)研究中，Wibom 等人在研究顯示終端對(duì)視覺疲勞的影響時(shí)認(rèn)為，在觀看電視等顯示設(shè)備的過程中，顯示設(shè)備與環(huán)境之間的高對(duì)比度會(huì)導(dǎo)致眼部的疲勞和不適感[3]；Bullough 等人對(duì)觀看電視時(shí)的環(huán)境光因素進(jìn)行了定性研究，認(rèn)為合適的環(huán)境光條件可以帶來更愉悅的視覺體驗(yàn)[4]；Bangor 研究了CRT 顯示器、液晶顯示屏（LCD）兩類顯示設(shè)備和環(huán)境光對(duì)視覺疲勞的影響，并通過主觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法生成了這兩類顯示設(shè)備與環(huán)境光照度的視覺疲勞相關(guān)性的衡量公式[5]；Rempel 等人研究了環(huán)境照明對(duì)觀看HDR 顯示內(nèi)容偏好的影響，發(fā)現(xiàn)被試者在黑暗環(huán)境下對(duì)亮度的偏好存在個(gè)體差異，而在模擬辦公場(chǎng)景的明亮環(huán)境中，對(duì)明亮屏幕的偏好強(qiáng)烈一致，證明環(huán)境光影響觀眾對(duì)顯示亮度的偏好[6]。

本文通過視覺舒適度量化評(píng)價(jià)方法，研究不同環(huán)境光照度下，畫面平均亮度、畫面亮度分布、鏡頭間亮度跳躍等HDR 影像亮度因素對(duì)視覺舒適度的影響，并給出觀看HDR 影像適宜的環(huán)境光照度。

2 HDR 影像舒適度主觀評(píng)價(jià)方法

心理物理學(xué)領(lǐng)域中對(duì)視覺舒適度的評(píng)價(jià)多從其對(duì)立面，即視覺不適度進(jìn)行定義。視覺不適度用于表征人們?cè)谟^看圖像或視頻時(shí)產(chǎn)生的困擾或妨礙的煩擾程度，一般認(rèn)為若不存在視覺不適便處于相對(duì)舒適的狀態(tài)。常用視覺舒適度評(píng)價(jià)指數(shù)（Visual Comfortable Index，VICO），采用完全獨(dú)立于各項(xiàng)物理指標(biāo)的方式，如測(cè)試影像的亮度、對(duì)比度、色度以及環(huán)境光照度、色溫等，客觀量化人眼不舒適的程度，從反方面評(píng)價(jià)視覺舒適度[7]，如表1 所示，其中眼睛不適主要包含眼睛干澀、脹痛、異物感、視覺疲勞和瞬目（眨眼）次數(shù)增多等癥狀[8]。

表1 VICO 評(píng)價(jià)指數(shù)量表

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）曾提出主觀評(píng)價(jià)方法，對(duì)電視圖像質(zhì)量和最佳觀看視場(chǎng)角等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了研究，并在其發(fā)布的ITU-R BT.500[9]、ITU-R BT.1788[10]、ITU-T P.910[11]等標(biāo)準(zhǔn)中總結(jié)提出了多種主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法，如雙刺激損傷量表法、雙刺激連續(xù)質(zhì)量量表法、單刺激法和單刺激連續(xù)質(zhì)量評(píng)價(jià)法。根據(jù)是否存在參考圖像、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖欠褚笮蛄羞B續(xù)播放等影響因素決定上述對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。由于不存在參考圖像，并且需要避免不同實(shí)驗(yàn)序列的連續(xù)刺激，本文實(shí)驗(yàn)采用單刺激法。單刺激法以完全隨機(jī)的方式向被試人展示多段視頻片段，為了保證實(shí)驗(yàn)客觀性，不同被試者觀看到的實(shí)驗(yàn)序列順序有所不同。被試者無需觀看作為參考標(biāo)準(zhǔn)的參考序列片段，只觀看實(shí)驗(yàn)序列片段，對(duì)其質(zhì)量打分。其實(shí)驗(yàn)序列構(gòu)成結(jié)構(gòu)通常如圖1所示。

圖1 單刺激法實(shí)驗(yàn)序列構(gòu)成示意圖

單刺激法中每個(gè)測(cè)試序列的展示時(shí)間為5s～10s，其前后均設(shè)置灰場(chǎng)作為間隔，每段灰場(chǎng)展示時(shí)間為5s。前部灰場(chǎng)用于提示被試者為下一段測(cè)試畫面做好準(zhǔn)備，后部灰場(chǎng)用于讓被試者得到短暫休息，使人眼狀態(tài)得到恢復(fù)，并給予被試者一段時(shí)間進(jìn)行打分，為下一次觀看和評(píng)分做準(zhǔn)備。

單刺激法多采用形容詞分類判斷法制作評(píng)價(jià)等級(jí)量表，提前將評(píng)價(jià)等級(jí)按照語義進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)通常為某種屬性的高低，常用評(píng)分測(cè)度為5 分制。結(jié)合視覺舒適度評(píng)價(jià)指數(shù)和ITU-R BT.500 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們將HDR 影像視覺舒適度劃分為5 個(gè)等級(jí)，其中5 分舒適度最佳，引發(fā)不適感最明顯的評(píng)價(jià)為1分，如表2所示。

表2 本文實(shí)驗(yàn)采用的視覺舒適度評(píng)價(jià)量級(jí)表

3 基于環(huán)境光的HDR 影像舒適度實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于環(huán)境光的HDR 影像舒適度實(shí)驗(yàn)通過在環(huán)境光照度下，觀察者對(duì)具有不同平均亮度、亮度分布和鏡頭間亮度差的HDR 影像實(shí)驗(yàn)片段的主觀評(píng)分，研究環(huán)境光照度與觀看HDR 影像舒適度之間的關(guān)系，并由此得到適宜的HDR 觀看環(huán)境的環(huán)境光照度范圍。

該實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)寬高分別為2.4m、2.2m 和2.5m 的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。為了降低雜散光的影響，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)頂部及四周覆蓋低反光率黑色植絨幕布，地面鋪設(shè)有低反光率的灰色地毯。實(shí)驗(yàn)室頂部分布4 根藍(lán)光PavoTube II 6C LED 燈管作為環(huán)境光源，光源功率可調(diào)，用于提供觀看環(huán)境光的照度。實(shí)驗(yàn)中使用的HDR 顯示設(shè)備為索尼BVM-X300 專業(yè)監(jiān)視器，有效幅面大小為66.3cm×39.9cm。為滿足SMPTE 對(duì)影院觀影提出的最佳水平視場(chǎng)角[12]，觀察者座位應(yīng)位于距離X300 監(jiān)視器1m 處。實(shí)驗(yàn)所用座椅高度可調(diào)，每次實(shí)驗(yàn)開始前都會(huì)按照觀察者身高調(diào)整座椅高度，確保其在水平向前看時(shí)垂直落在顯示畫面的幾何中心處。

實(shí)驗(yàn)中以觀察者雙眼連線的中點(diǎn)作為環(huán)境光照度測(cè)量點(diǎn)，對(duì)環(huán)境光源亮度與相應(yīng)觀察者所處位置的實(shí)際照度進(jìn)行標(biāo)定。

視覺舒適度實(shí)驗(yàn)要求觀察者參照表2 的視覺舒適度評(píng)價(jià)量級(jí)表進(jìn)行打分。參與實(shí)驗(yàn)的觀察者共21人，具有正常的色彩辨識(shí)能力和視力，年齡在19～60歲之間，其中男性14 人，女性7 人；8 人具有HDR 影像制作經(jīng)歷，剩余13 人雖未參與過HDR 影像后期制作，但都了解HDR 影像相關(guān)專業(yè)知識(shí)，且在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過適應(yīng)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)前對(duì)觀察者進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，確保實(shí)驗(yàn)過程中不受外界其他因素干擾。

3.2 主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)算實(shí)驗(yàn)序列j主觀評(píng)分的算術(shù)平均值μj和標(biāo)準(zhǔn)差σj，其計(jì)算公式如式（1）（2）所示：

其中rij為第i個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)第j個(gè)測(cè)試序列的主觀評(píng)分，N為參與實(shí)驗(yàn)序列j的實(shí)驗(yàn)總?cè)藬?shù)。

由于主觀評(píng)分極易受實(shí)驗(yàn)對(duì)象個(gè)體差異影響出現(xiàn)較大偏差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果參考ITU-R BT.500 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果篩選方法，采用如下方式篩除不合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)組規(guī)定實(shí)驗(yàn)序列j的主觀評(píng)分置信區(qū)間為。令第i個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)序列的評(píng)分結(jié)果大于對(duì)應(yīng)置信區(qū)間的次數(shù)記為P，令評(píng)分小于此置信區(qū)間的次數(shù)記為Q。設(shè)該實(shí)驗(yàn)對(duì)象參與評(píng)分的總實(shí)驗(yàn)序列數(shù)為T，當(dāng)滿足式（3）時(shí)，可認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)對(duì)象在主觀實(shí)驗(yàn)過程中曾受到較大個(gè)人因素影響，該實(shí)驗(yàn)對(duì)象評(píng)分出現(xiàn)異常，則應(yīng)篩除其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最終以去除異常實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，重新計(jì)算得到評(píng)分均值作為該實(shí)驗(yàn)序列的視覺舒適度評(píng)分。

3.3 畫面亮度視覺舒適度實(shí)驗(yàn)

畫面亮度視覺舒適度實(shí)驗(yàn)主要研究觀察者觀看具有不同平均亮度和亮度分布的影像時(shí)，環(huán)境光照度對(duì)其視覺舒適度的影響。

（1）不同平均亮度影像情況下，環(huán)境光照度對(duì)其視覺舒適度的影響

實(shí)驗(yàn)選取了具有不同平均亮度的7 個(gè)實(shí)驗(yàn)序列進(jìn)行畫面平均亮度實(shí)驗(yàn)（表3），每個(gè)序列對(duì)應(yīng)的鏡頭畫面亮度分布較為均勻，無明顯高光聚集，鏡頭內(nèi)景物運(yùn)動(dòng)和亮度變化平緩，鏡頭內(nèi)亮度變化幅度均小于±5%，畫面顏色較為中性。經(jīng)過調(diào)整后，該組鏡頭的畫面平均亮度范圍控制在HDR 影片最常見的25cd/m2～150cd/m2。

表3 畫面平均亮度視覺舒適度實(shí)驗(yàn)序列信息

圖2 橫軸代表對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)序列的平均亮度，縱軸代表觀察者觀看不同照度的實(shí)驗(yàn)序列給出的舒適度評(píng)分均值。由圖2 可以看出，當(dāng)環(huán)境光照度為0lux，即觀察環(huán)境為黑暗環(huán)境，在畫面平均亮度不高于75cd/m2時(shí)，觀察者視覺舒適度評(píng)分較高；當(dāng)畫面平均亮度大于等于85cd/m2時(shí)，主觀評(píng)分均明顯下降，大部分觀察者會(huì)出現(xiàn)難以接受的視覺不適感。當(dāng)增加觀看環(huán)境照度至20lux 時(shí)，觀察者對(duì)所有實(shí)驗(yàn)序列的視覺舒適度均得到較大幅度提升，可接受實(shí)驗(yàn)序列畫面平均亮度閾值范圍上升至100cd/m2～120cd/m2。當(dāng)進(jìn)一步提高觀看環(huán)境照度至40lux 時(shí)，觀察者的舒適度評(píng)分進(jìn)一步提升，尤其對(duì)于平均亮度120cd/m2～150cd/m2等較高的實(shí)驗(yàn)序列，其舒適度評(píng)分明顯提升。當(dāng)進(jìn)一步提高觀看環(huán)境的照度水平至60lux、80lux、100lux 甚至120lux 時(shí)，觀察者觀看實(shí)驗(yàn)序列的視覺舒適度隨照度水平均有一定的提升，但提升幅度較小，多條曲線出現(xiàn)重合，大部分觀察者已經(jīng)難以分辨觀看環(huán)境照度上的差異。值得注意的是，對(duì)于畫面平均亮度為25cd/m2和50cd/m2的實(shí)驗(yàn)序列，繼續(xù)增加環(huán)境照度達(dá)到120lux 時(shí)，觀察者的視覺舒適度評(píng)分均值下降，其主要原因可能由于觀影背景墻反光至監(jiān)視器，降低了顯示內(nèi)容的對(duì)比度，進(jìn)而影響觀察者的舒適度評(píng)分。

圖2 畫面平均亮度的視覺舒適度評(píng)分均值隨環(huán)境照度變化的關(guān)系圖

（2）不同亮度分布影像情況下，環(huán)境光照度對(duì)其視覺舒適度的影響

實(shí)驗(yàn)中選取的6 個(gè)實(shí)驗(yàn)序列信息如表4 所示。這些實(shí)驗(yàn)序列的畫面平均亮度均為50cd/m2，畫面高光區(qū)域呈聚集性分布，鏡頭內(nèi)景物運(yùn)動(dòng)和亮度變化平緩，亮度變化差異較小，畫面顏色較為中性但是各序列的畫面峰值亮度、峰值亮度與平均亮度之比以及高光占比均不相同，這里高光占比是指畫面中顯示亮度超過100cd/m2的像素占比，即：

表4 畫面亮度空間分布視覺舒適度實(shí)驗(yàn)序列信息

其中N100為實(shí)驗(yàn)序列中顯示亮度大于100cd/m2的像素?cái)?shù)，N為實(shí)驗(yàn)序列的總像素?cái)?shù)。

圖3 橫軸坐標(biāo)的三個(gè)數(shù)字分別代表各實(shí)驗(yàn)序列的峰值亮度值、峰值亮度與平均亮度之比以及高光占比，縱軸為觀察者觀看對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)序列給出的舒適度評(píng)分均值。由圖3 可以看出，無論是否存在環(huán)境光，隨著實(shí)驗(yàn)序列的高光區(qū)域峰值亮度升高，視覺舒適度評(píng)分呈下降趨勢(shì)。如果增加環(huán)境光照度，各實(shí)驗(yàn)序列的視覺舒適度評(píng)分升高，特別在環(huán)境光照度為20lux、40lux 時(shí)，提高明顯。如果進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)環(huán)境照度水平至60lux、80lux 和100lux 時(shí)，視覺舒適度評(píng)分進(jìn)一步提升，但是提升并不明顯。當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的照度水平達(dá)到120lux 時(shí)，視覺舒適度評(píng)分出現(xiàn)小幅下降。

圖3 畫面亮度分布的視覺舒適度隨照度變化關(guān)系

畫面亮度視覺舒適度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：視覺舒適度受畫面平均亮度和峰值亮度的影響；對(duì)平均亮度相同并且峰值亮度相同的影像，高光占比對(duì)視覺舒適度的影響尚缺乏數(shù)據(jù)支撐，需要進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)；無論觀看環(huán)境是否存在環(huán)境光，影像內(nèi)容的平均亮度都不應(yīng)超過120cd/m2；如果適當(dāng)增加觀看環(huán)境光照度至20lux、40lux 可以明顯改善因畫面亮度升高引起的觀察者視覺不適感。

3.4 鏡頭間畫面亮度跳躍視覺舒適度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取了12 個(gè)實(shí)驗(yàn)序列（具體相關(guān)信息見表5），每一實(shí)驗(yàn)序列亮度分布較為平均，亮度變化平緩，畫面顏色較為中性。通過調(diào)整，12 個(gè)實(shí)驗(yàn)序列平均亮度分別控制在1cd/m2、5cd/m2、25cd/m2、50cd/m2、100cd/m2、150cd/m2左右，其中每?jī)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)序列具有相同的平均亮度。將12 個(gè)實(shí)驗(yàn)序列分為A、B 兩組，每組各6個(gè)實(shí)驗(yàn)序列，組中實(shí)驗(yàn)序列平均亮度各不相同。每組各取一個(gè)實(shí)驗(yàn)序列，采用硬切方式進(jìn)行剪接，形成一個(gè)序列對(duì)（去除平均亮度相同的實(shí)驗(yàn)序列對(duì)），共30 個(gè)序列對(duì)，實(shí)驗(yàn)時(shí)按照隨機(jī)順序播放這些序列對(duì)。

表5 亮度跳躍視覺舒適度實(shí)驗(yàn)序列信息

圖4 為環(huán)境 光照度分 別為0lux、20lux、40lux、60lux、80lux、100lux 和120lux 時(shí)，觀察者觀看各序列對(duì)的視覺舒適度評(píng)分均值。第一列數(shù)值表示序列對(duì)中A 組實(shí)驗(yàn)序列的平均亮度，第一行的數(shù)值表示B 組實(shí)驗(yàn)序列的平均亮度，其它行列中的數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)序列對(duì)的視覺舒適度評(píng)分均值。我們令Ld為序列對(duì)亮度差，表示序列對(duì)中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)序列的平均亮度差，即：

圖4 不同環(huán)境光照度下畫面亮度跳躍舒適度評(píng)分均值

式（5）中，L1,L2分別為序列對(duì)中第一個(gè)序列和第二個(gè)序列的平均亮度值。若序列對(duì)的亮度差Ld〉 0，表示該序列對(duì)的平均亮度變化是由亮到暗；Ld〈 0 則表示該序列對(duì)的平均亮度變化是由暗到亮。圖4 中各表對(duì)角線下方的值為觀察者對(duì)Ld〈 0 的序列對(duì)的視覺舒適度評(píng)分；對(duì)角線上方的值為觀察者對(duì)Ld〉 0的序列對(duì)的視覺舒適度評(píng)分；每個(gè)評(píng)分值對(duì)應(yīng)的行列下標(biāo)差越大，對(duì)應(yīng)的序列對(duì) |Ld|值越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）無論是否存在環(huán)境光，觀察者對(duì)亮度差-|Ld|的序列對(duì)評(píng)分值高于對(duì) |Ld|的序列對(duì)的評(píng)分值，即亮度較高場(chǎng)景切換至較低亮度場(chǎng)景時(shí)，觀察者在視覺感受上更為舒適；亮度差 |Ld|值越小的序列對(duì)對(duì)應(yīng)的視覺舒適度值越高，當(dāng)序列對(duì)亮度差Ld達(dá)到最大（由150cd/m2實(shí)驗(yàn)序列切換到1cd/m2實(shí)驗(yàn)序列），觀察者感覺明顯的視覺不適；

（2）增加環(huán)境光照度至80lux、100lux 可以明顯改善實(shí)驗(yàn)對(duì)因高亮度差變化引起的觀察者視覺不適，但是它對(duì)亮度差 |Ld|值較小的序列對(duì)影響有限；繼續(xù)增加環(huán)境光照度至120lux，觀察者的視覺舒適度評(píng)分沒有明顯改變；

（3）當(dāng)環(huán)境光照度高于40lux，對(duì)于同時(shí)包含兩個(gè)亮度較低（1cd/m2或5cd/m2）實(shí)驗(yàn)序列的實(shí)驗(yàn)對(duì)，觀察者的舒適度評(píng)分逐漸降低。這些低亮度實(shí)驗(yàn)序列通常為夜景場(chǎng)景，部分觀察者認(rèn)為環(huán)境光使得實(shí)驗(yàn)環(huán)境出現(xiàn)了難以忽略的雜散光，影響了夜景場(chǎng)景的呈現(xiàn)，引起舒適度評(píng)分下降。因此，對(duì)于低亮度場(chǎng)景，環(huán)境光照度范圍應(yīng)控制在40lux以內(nèi)。

4 結(jié)語

目前我國(guó)影院放映設(shè)備大多數(shù)仍然是標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（SDR）的放映機(jī)。HDR 顯示技術(shù)能夠?yàn)橛^眾呈現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的影像畫面，傳統(tǒng)影院已經(jīng)在逐漸進(jìn)行HDR 放映技術(shù)升級(jí)。但是在傳統(tǒng)黑暗觀影環(huán)境中觀看高亮度影像容易引起觀眾視覺不適癥狀。可以在HDR 觀影空間中引入環(huán)境光，以提高觀眾的視覺舒適度。本文的研究成果可以為搭建配有環(huán)境光的HDR 影院提供理論數(shù)據(jù)支持和可借鑒的環(huán)境光設(shè)計(jì)方案，對(duì)推動(dòng)HDR 影像技術(shù)的發(fā)展和普及具有實(shí)際應(yīng)用意義。