立體顯示器中的非對稱式串擾

李清蓉，夏 軍

(1.東南大學電子科學與工程學院，南京210096;2.東南大學顯示技術研究中心，南京210096)

圖像壓縮是為使用更少的比特流存儲或傳輸圖像信息，從而使存儲容量信道容量得到最有效的利用［1－4］。與平面圖像相比，立體圖像的數據量隨著視點數的增加而迅速增長，因此立體圖像更有必要對原始數據進行壓縮。同平面圖像一樣，立體圖像具有空間冗余信息，心理視覺冗余信息和編碼冗余信息。除了具有這些冗余信息以外，立體圖像還有視點間的交叉冗余信息。在立圖像中，左眼和右眼圖像高度相關，其中包含大量相似的信息，即交叉冗余信。但是左、右眼圖像又具有構成立體感重要的視差信息。這種差異的表現在:物視點對中相對位置的平移，旋轉，縮放，覆蓋等。觀看一幅圖像時，圖像對人眼的激勵是由若干個幅值的若干個頻率信號組合而成的。此時人眼對一個激勵的響應已經不僅僅受限于這個激勵本身，還要受到其他激勵信號的影響。比如把同樣的噪聲分別加入天空(單色的亮度均勻平坦區域)與大海(多單色的亮度非均勻區域)中，可很容易地從前一種組合中分辨出噪聲的存在，卻不容易在后一種組合中找出噪聲。也就是說，圖像中多個頻率信號的存在掩蓋了噪聲圖像。視覺掩蓋是指在一個視覺激勵存在的情況下，人眼視覺系統對另一個激勵可閾值提升(或可見性的降低)的現象。在圖像的同一個空間區域內.某個子帶中一個信號的存在將會提升該子帶中其他信號的觀測閾值。

立體顯示中的非對稱式是指在三維立體顯示中，左眼圖片和右眼圖片的圖片質量不一致。為降低三維立體的存儲或傳輸圖像信息，根據視覺掩飾，通過降低一只眼的圖像質量，探究單眼圖像質量對整體三維立體圖片質量的影響。通過基于圖片處理的加串擾方法降低圖片源的圖像質量，探究當一只眼睛的立體圖像質量降低，另外一只眼睛的圖片質量不變，圖片整體質量是否保持穩定。

1 理論方法

考慮左、右眼圖像中對應位置相同的點(x，y)，L、R為兩圖在該位置的對應亮度。α表示圖像亮度進入到正確的眼睛的比例，β表示圖像亮度進入到錯誤的眼睛的比例。因此，對左眼來說，考慮了串擾的影響后，所觀察到的左眼亮度L'可表示為

其中β/α表示顯示器件由光學結構引入的系統串擾。分析得出，人眼所觀察到的串擾是由顯示圖片串擾和系統串擾共同作用形成的。其中圖像左右眼的對比度很容易得到，而系統串擾則需要通過光學測量和計算得到。為研究單眼圖像質量下降對整體圖像質量的造成的影響，筆者采用基于圖像處理的人為加串擾的方法降低相應的圖像質量。通過Matlab生成4類串擾類型圖片:左眼和右眼均加串擾的圖片、左眼加串擾的圖片、右眼加串擾的圖片、原始實驗圖片。同時生成與之相對應的3類串擾等級:為0%(即原始實驗圖片original)、7.5%和10%。通過分析以上圖片之間的關系，探究單眼圖像質量下降對整體圖像質量影響。

1.1 雙眼加串擾

雙眼加串擾是指左、右眼圖片同時加上相同等級的串擾。通過人為加串擾的方法獲取串擾等級較高的圖片。由此可知，模擬串擾是由人為刺激產生的串擾和顯示器系統自身所帶串擾共同作用所產生的。因此很容易得出

模擬串擾:

人為串擾:

系統串擾:

式(1)中a，β為模擬三維顯示的串擾比例系數(β為期待預設值7.5%或10%);L，R為原始圖片所對應的亮度。式(2)中a'與β'為串擾圖片的串擾比例系數;L0，R0為人為加串擾后所對應的圖片亮度。式(3)中L0，R0為實驗圖片亮度(即人為加串擾后所對應的圖片亮度);a0與β0是顯示器系統自身的串擾比例系數。聯立式(2)，式(3)有

比較式(1)得出

將式(4)帶入式(2)得

式(5)是筆者合成具有左、右眼均加串擾的圖片方法，將生成的圖片放在顯示器上，就能觀察左右眼均帶有β串擾等級的圖片亮度。可以改變a，β的大小(β為7.5%、10%)，生成具有不同等級的串擾圖片。

1.2 左眼加串擾

左眼加串擾是指左眼圖片加上串擾，而右眼圖片保持不變。

模擬串擾:

人為串擾:

系統串擾:

聯立式(7)式(8)有

比較式(6)得出

將式(9)帶入式(7)得:

式(10)是筆者合成左眼加串擾的圖片方法。將生成的圖片放在顯示器上，就能觀察左眼帶有β串擾等級的圖片亮度。可改變a，β的大小(β為7.5%、10%)，生成具有不同等級的串擾圖片。

1.3 右眼加串擾

右眼加串擾是指右眼圖片加上串擾，而左眼圖片保持不變。

模擬串擾:

人為串擾:

系統串擾:

聯立式(12)，式(13)，得:

比較式(11)得出

將式(14)帶入式(12)得:

式(15)為筆者合成右眼加串擾的圖片方法。將生成的圖片放在顯示器上，就能觀察右眼帶有β串擾等級的圖片亮度。可改變a，β的大小(β為7.5%、10%)，生成具有不同等級的串擾圖片。

2 實驗結果與討論

該實驗目的是通過降低一只眼的圖像質量，保持另一只眼睛圖像質量不變，評估立體圖像整體質量是否保持穩定。

主觀實驗使用的是分辨率為1 920×1 080像素的106.68 cm的Sony 3D顯示器進行模擬自由立體顯示器。實驗觀看距離是2.1 m，環境亮度為5 lux。將6張實驗圖片根據式(5)，式(10)，式(15)，運用Matlab生成4組串擾類型(crosstalk type):左眼和右眼加串擾圖片(both)、左眼加串擾圖片(L)、右眼加串擾圖片(R)和原始實驗圖片(original)。改變β的值，得到不同等級的串擾圖片(crosstalk level)，預設為0%(即原始實驗圖片original)、7.5%和10%。將42張圖片隨機排序生成不同組別。

在每一部分實驗中均有20名被試，其中10名男性，10名女性，他們的年齡在21～27歲，平均年齡為24歲。所有的被試均為非色盲，(矯正)視力達到1.0及以上，并且具有正常的立體視覺銳度，達到實驗要求。被試者要求對所給圖片串擾可見度進行打分，采用5分制評分標準(其中5分表示圖片串擾不明顯，0分表示圖片串擾很明顯，以0.5分進階)。并同時要求被試寫出每張圖片的串擾源，即所觀察到的串擾來自哪只眼睛。

在實驗開始前有一個訓練過程，對被試呈現一批實驗用圖使被試對大體圖片串擾質量能有直觀認識和了解，并使被試熟悉實驗的用戶界面和過程。

使用SPSS統計軟件對20為被試的實驗數據進行多因素方差分析(MANOVA)，將score作為因變量，image和crosstalk作為固定因子。數據分析表明圖片內容(image)、串擾類型(crosstalk type)的sig值均小于0.05。串擾等級(crosstalk level)的sig值略大于0.05，因此得出圖片內容、串擾類型、串擾等級對三維立體圖像的串擾可見度均有顯著性影響。

從圖1可看出，10%串擾圖片的串擾可見度高于7.5%串擾圖片，7.5%串擾圖片的串擾可見度高于原始實驗圖片，從而表明經過加串擾算法后，圖片串擾可見度得到了明顯提高，驗證了加串擾算法的正確性。

圖1 串擾等級的箱圖分析Fig.1 Box analysis of crosstalk level

從圖2可看出，單眼串擾和雙眼串擾在不同串擾等級下串擾可見度不同。在低串擾時，雙眼串擾的可見度與單眼串擾的可見度區分不明顯。但是在高串擾時，雙眼串擾的可見度要高于單眼串擾。

圖2 串擾類型的誤差條形圖分析Fig.2 Box analysis of crosstalk type

圖3為被試的串擾源分析，每位被試在打分的同時需要寫出每張圖片的串擾源，即所觀察到的串擾來自哪只眼睛的立體圖片。在實驗前每位被試已測好主導眼，即在觀察三維立體圖像時，哪只眼睛占主導地位。20名被試中有16名被試的主導眼是右眼。圖3中帶星號的為串擾源判斷正確的柱狀圖。通過分析可知，被試在觀察圖片時，大部分被試都不能區分串擾源。

圖3 串擾源分析Fig.3 Analysis of crosstalk sources

3 結論

筆者從視覺掩蓋出發，提出了三維立體顯示的非對稱式串擾。基于圖像處理的方法提出形成非對稱式串擾圖像的加串擾算法，運用Matlab仿真生成非對稱式串擾圖像，通過主觀實驗探究單眼圖像質量對整體圖像質量的影響。最后運用spss進行數據分析得出了在串擾等級低的時候，單眼圖像質量與雙眼圖像質量區分度不大且被試不能區分串擾源。但在串擾等級高時，雙眼串擾的可見度要高于單眼串擾。這對于存儲或傳輸圖像信息具有重大的意義。

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