結合圖像內容的立體顯示灰階串擾量化方法研究

夏振平，李曉華

（1.蘇州科技學院電子與信息工程學院，江蘇蘇州215009；

2.東南大學電子科學與工程學院，江蘇南京210096）

結合圖像內容的立體顯示灰階串擾量化方法研究

夏振平1?，李曉華2

（1.蘇州科技學院電子與信息工程學院，江蘇蘇州215009；

2.東南大學電子科學與工程學院，江蘇南京210096）

為了更直接地評價和比較立體顯示中的串擾現象，結合圖像內容對灰階串擾進行了單一數值量化.提出的平均灰階轉換概念，選取了多幅具有代表性的立體圖像，并對立體顯示圖像中每一灰階轉換組合出現的概率進行了統計，得到的平均灰階轉換也是以矩陣的形式出現.灰階串擾單一數值量化就是利用平均灰階轉換矩陣對灰階串擾矩陣進行加權平均，加權平均后的串擾矩陣中所有值相加得到單一的串擾評價值.提出的灰階串擾單一數值量化方法充分考慮了圖像內容的影響，得到的灰階串擾單一數值評價結果更加客觀、準確.同時，研究結果對串擾現象的優化以及視覺舒適度的提高具有指導和推動作用.

立體顯示；灰階串擾；單一數值量化；平均灰階轉換

1　引 言

目前立體顯示主要是通過給人的雙眼分別提供具有視差的左右圖像，讓觀看者感受到立體深度.立體顯示中所用的左右視圖分別從人的雙眼位置拍攝或者通過模擬計算的方法得到.左右視圖應該分別投射到觀看者的左右眼，然而由于種種原因，具有視差的左右視圖并不能完全被分離，觀看者左右眼會分別看到本不該看到的另一只眼的圖像，即產生所謂的“鬼影”（Ghosting）.根據Seigel［1］的解釋，“鬼影”是由“串擾”（Crosstalk）產生的特殊圖像感知模式，“串擾”是左右眼視圖的電或光信號的混合.過高的串擾會使立體圖像無法融合從而導致立體圖像失真.Meesters等［2］的研究表明，串擾現象是影響立體顯示圖像質量和視覺舒適度的主要視覺因素之一.因此，建立符合人眼感知的串擾客觀評價方法顯得尤為重要.符合人因的串擾客觀評價方法對串擾的降低和消除［3-4］都起著積極的推動作用.

2　灰階串擾評價方法

由于串擾在一些立體顯示器（尤其是基于液晶顯示的時序式立體顯示器）中表現出的非線性以及不可疊加性，左右視圖不同灰階組合的串擾不同，所以研究人員提出了灰階串擾（Gray-to-Gray Crosstalk）的概念來評價此類立體顯示器中的串擾現象.

灰階串擾的串擾矩陣根據亮度測量矩陣計算而得.亮度矩陣透過觀察通道（Observed View）測得，對于一個8 bits的顯示器，觀察通道（Observed View）和非觀察通道（Unobserved View）分別從灰階0到灰階255有多級變化，為節省測量時間同時保證足夠的數據量做分析，通常采用9級灰階（0、32、64、96、128、160、192、224、255）.灰階串擾也與之對應采用9×9的矩陣.灰階串擾的計算就是將測量得到的亮度矩陣中的亮度數據進行組合計算，從而得到評價串擾的串擾矩陣，串擾的評價分左右通道分別測量亮度矩陣以及分別通過亮度矩陣計算得到串擾矩陣.提出的灰階串擾計算方法有很多［5-9］，系統的人因實驗結果表明基于韋伯定理提出的灰階串擾評價結果（式1）與串擾主觀感知的一致性最高［9］.根據式1計算的4臺的眼鏡式立體顯示器的灰階串擾如圖1所示.4臺顯示器均基于液晶顯示技術，其中一臺為基于偏振眼鏡的偏光式立體顯示器（#1），其余3臺為基于主動快門眼鏡的主動快門式立體顯示器（#2～4），3臺主動快門式立體顯示器分別應用了不同的技術.

圖1　串擾評價計算式對四臺立體顯示器的串擾評價矩陣Fig.1　Crosstalk evaluation matrix of four 3D displays using crosstalk evaluation calculation formula

3　灰階串擾單一數值化

從相關的實驗結果［9］可以看出，左右視圖的灰階組合對串擾大小具有絕對顯著的影響作用，也就是灰階串擾對圖像內容的依賴性很大，而不單單是器件的特性，所以在單一化數值的過程中采用直接平均等簡單方法就不夠準確，而應該充分考慮到圖像內容的影響.

3.1平均灰階轉換統計

實際觀看立體顯示內容時，對于串擾的實際感受與所顯示的立體圖像內容密切相關，這也和顯示器功耗與圖像內容的關系一樣，在評價顯示器功耗時引入了平均圖像水平（Average Picture Level，APL）的概念，以便對顯示器做出更為客觀合理的功耗測量和評價［10］.此處，對于立體顯示串擾的評價，定義類似的概念，即平均灰階轉換（Average Gray Level Transitions，AGLT）的概念.在已有的灰階串擾評價方法中加入平均灰階轉換的概念，對灰階串擾矩陣進行加權平均，最后使灰階串擾矩陣量化為單一數值.

圖2　計算平均灰階轉換值所選取的圖像Fig.2　Images used for average gray level transitions calculation

為計算平均灰階轉換值，圖2選擇了8幅具有代表性的全高清（1 920 pixel×1 080 pixel）立體圖像，這8幅立體圖像中包含人物、動物、建筑、風景、動畫、煙花等.具體計算時將對可能存在的256×256種灰階轉換進行逐一像素、逐一顏色（RGB）的統計，生成灰階轉換統計矩陣.由于現在的灰階串擾尚不考慮不同顏色，所以將生成的3個灰階轉換統計矩陣（R、G、B）進行平均，得到一個256×256的灰階轉換統計矩陣.灰階串擾的評價中通常采用9×9的矩陣，此處為與之對應，灰階轉換統計矩陣從256×256矩陣中根據灰階選取值（0、32、64、96、128、160、192、224、255）提取出9×9的矩陣.最后，9×9的灰階轉換統計矩陣中的每個數據再除以所有矩陣數據之和，得到9×9的灰階轉換權重.中間灰階（96、128、160）之間的灰階轉換權重遠大于極端灰階（0、255）之間的灰階轉換權重.

3.2量化為單一數值

在灰階串擾量化為單一數值的操作中，為了更為直觀地表達串擾，決定采用百分數的形式，因此在實際應用時，灰階串擾評價計算方法在原式（1）的基礎上進行了改進，改進后灰階串擾值的范圍嚴格限制在0～100%（如式2所示）.

圖3展示了利用平均灰階轉換對灰階串擾進行加權平均的過程，灰階串擾矩陣與灰階轉換權重矩陣相乘（矩陣對應數據相乘）得到加權后的9×9串擾矩陣，最后將加權后的串擾矩陣中的所有數據相加，即得到從灰階串擾矩陣量化的單一串擾評價值.灰階串擾矩陣中，白到黑的串擾遠大于黑到白的串擾，串擾較大值均分布于對角線的左側（測試通道灰階值小于非測試通道灰階值）.灰階轉換權重矩陣中，數值的分布基本關于對角線對稱，這也是與事實相符的，在圖像內容上左右視圖理論上沒有差別，而且采用的圖像越多，數據分布越對稱.

圖3　利用平均灰階轉換對灰階串擾進行加權平均Fig.3　Using average gray level transitions matrix to weight gray-to-gray crosstalk matrix

3.3方法應用

方法應用中，利用量化單一數值方法對圖1所涉及的4臺立體顯示器進行了評價，4臺顯示器的單一串擾值分別為1.57%、12.7%、6.51%和3.91%（圖4）.其中，顯示器#1為偏振式立體顯示（中心點垂直測量），串擾值最小.

圖4　單一數值方法的串擾評價結果Fig.4　Crosstalk evaluation results using single value method

4　結 論

串擾現象是影響立體顯示圖像質量和視覺舒適度的重要指標，合理的串擾評價方法對其改進有重大影響.在灰階串擾的評價中，左右視圖的灰階組合對串擾大小具有絕對顯著的影響作用，也就是灰階串擾對圖像內容的依賴性很大，而不單單是器件的特性.因此本文定義了平均灰階轉換的概念，對立體顯示圖像中每一灰階組合出現的概率進行統計，再利用統計的結果對計算得到的灰階串擾值進行加權平均，最終得到單一量化的串擾評價值.單一數值對于評價顯示器灰階串擾確實具有很大的便利性，可以更為直觀地進行比較.研究結果對串擾現象的優化以及視覺舒適度的提高具有指導和推動作用.

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Evaluation of gray-to-gray crosstalk in stereoscopic displays combined with image content

XIA Zhen-ping1?，LI Xiao-hua2

（1.College of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China；
2.School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

To evaluate and compare the crosstalk phenomenon more directly in stereoscopic displays，single value evaluation method which combined with image content is applied to gray-to-gray crosstalk.The proposed average gray level transitions concept chooses a group of representative three dimensional（3D）images and applies statistic analysis to derive probability of each gray level transition which also exist in matrix form. The single value evaluation of gray-to-gray crosstalk is using average gray level transitions matrix to weight gray-to-gray crosstalk matrix and the values of weighted averaged gray-to-gray crosstalk matrix are added as the final single value for crosstalk evaluation.The proposed single value evaluation method of gray-to-gray crosstalk fully considers the effect of 3D image content on crosstalk，and the derived single value crosstalk evaluation is more objective and precise.The investigation result helps with the optimization of crosstalk and the improvement of visual comfort.

3D display；gray-to-gray crosstalk；single value evaluation；average gray level transitions

TN27

A doi:10.3788/YJYXS20153006.1040

1007-2780（2015）06-1040-05

夏振平（1985-），男，江蘇興化人，博士，講師，主要從事立體顯示圖像質量測量、評價和優化方面的研究. E-mail:xzp@mail.usts.edu.cn

李曉華（1961-），男，江蘇南京人，教授，博士生導師，主要從事平板顯示器件測量和評價標準方面的研究. E-mail:lxh@seu.edu.cn

2015-01-15；

2015-03-26.

國家973計劃（No.2013CB328803）；國家863計劃（No.2013AA011004）；江蘇省自然科學基金（No. BK2012166）；蘇州科技學院科研基金（No.XKQ201421）

Supported by National Program on Key Basic Research Project of China（No.2013CB328803）；National High-tech R&D Program of China（No.2013AA011004）；Nature Foundation of Jiangsu Province under Grant（BK2012166）；Science Research Foundation of Suzhou University of Science and Technology（No.XKQ201421）

?通信聯系人，E-mail:xzp@mail.usts.edu.cn