基于HSI模型的立体电视图像视觉舒适度评价

吴冬燕，曹建东，范科峰，徐君书

（1.苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104；2.中国电子技术标准化研究院，北京 100007）

基于HSI模型的立体电视图像视觉舒适度评价

吴冬燕1，曹建东1，范科峰2，徐君书1

（1.苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104；2.中国电子技术标准化研究院，北京 100007）

舒适度是立体显示技术的重要指标之一。针对立体电视图像舒适度评价问题，利用HSI模型分解立体电视图像，分析了立体电视图像色调、色饱和度和亮度之间的数据关系。按照最小间隔10°将立体电视图像分割成36对新图像，分析了立体电视图像色调值与人眼舒适度的数据关系。通过实验者的人眼主观测试，验证了理论分析并给出了有效舒适度立体电视图像的色调值范围。

3D电视；舒适度；色调

电视技术改变了人们的生活，从黑白电视到彩色电视、模拟电视到数字电视、标清电视到高清电视，特别是2D电视到3D电视的转变，给人们极大的视觉冲击和享受，但其昂贵的价格让普通百姓望而止步。近年来，随着信息技术和材料科学的发展，3D电视的成本和技术难关已被攻克，立体显示技术（包括3D图片、3D电视、3D电影等）得到了飞速的提升。尤其是3D电视和电影，给人以真实的立体感和现场感，技术成本越来越低，产品价格也很亲民，深受广大消费者的喜爱。立体显示技术给人们带来了视觉享受的同时也存在一些问题，比如视觉不舒适感、视觉疲劳的问题。特别是儿童和老人，稍长时间观看立体视频节目就容易引起视觉疲劳，常见现象如：流眼泪、眼睛胀、头晕等不舒服感。事实上，3D电视图像的质量和舒适度问题，我国相关研究院、高校研究人员等已经着手研究，而且有了初步成果。其中，电子行业标准《立体电视图像质量检测方法》已递交审议，立体电视图像的舒适度规范及测试标准已完成送审稿。

关于立体电视图像舒适度方面的研究有很多，在国外：Frank L.Kooi等着重提出了影响立体图像舒适度的主要因素，如色度、亮度、双眼视差等，并提供了一套客观的立体显示图像舒适度评测流程和方法[1-2]。Pieter J.H.Seuntiens主要提出针对立体图像的主观评价方法，着重提出图像扭曲、串扰、深度等关键因素会造成视觉不舒适感[3]。Marc Lambooij重点提出了视图不匹配等4种影响视觉舒适度的指标[4]。国际标准化组织 ISO也发布了有关立体图像/视频安全性的文件IWA3：Image safety，其主要强调立体图像/视频双眼图像质量参数异常，如串扰、颜色、亮度等，会导致视觉疲劳、诱发眼睛疾病等。

在国内，天津大学是较早研究立体显示技术及图像质量、舒适度评价的高校，天津大学的李素梅、臧燕军、刘畅等针对立体显示图像的色度、亮度和饱和度进行定量分析，通过数据分析和主管评测的方法，分别得出了立体图像的色度、亮度、饱和度等三个指标与视觉舒适度的关系，并给出了相应的参数范围[5-8]。劳丽娟提出了基于HVS特性，通过左（右）视图分别变化与同时变化相结合的实验方法，定性研究了亮度、对比度、分辨率等指标与视觉舒适度的关系[8]。陈载清等研究双眼视差与3D舒适度的影响，得出了3D舒适度随着视差增加而降低的结论，其3D内容舒适视差的范围在-119至+115弧分之间[10]。

本文主要是在前期的研究基础上，提出了基于HSI（Hue，Saturation and Intensity）颜色模型的立体电视图像舒适度评价方法。

1 立体电视图像舒适度

立体视觉舒适度主要是指人们观看立体显示内容如3D电视、图像时，眼睛的主观视觉舒适感受程度。根据人的主观感受和生理反应，文献[4]给出了立体图像视觉不舒适感的四类症状，如表1所示。

表1 视觉不舒适的四类症状

1.1 舒适度的分类

另外，ITU（2002）电视图像质量主观评价推荐准则给出了舒适度的分类标准[11]，共分为5类，具体内容如表2所示。

表2 舒适度等级

1.2 引起立体视觉舒适度问题的主要因素

众所周知，引起视觉舒适度问题的原因来自于立体电视观看系统和人的生理系统。其中，立体电视观看系统是主要因素，如立体内容、立体电视机、观看的环境（距离、亮度、温湿度）等。而针对立体电视图像而言，闪烁、视差、色度、对比度等参数对人眼舒适度有较大影响，本文主要研究立体电视图像对视觉舒适度的影响。

1.3 HSI模型

图像处理和分析都是基于某种颜色空间下进行的，如RGB，HSV，HSI，LAB等。比较熟悉的是RGB模型，但RGB是一种不均匀的颜色空间，不能直接从该空间中感知饱和度和亮度等信息。为克服这一不足，提髙色彩的处理与识别的效果，在彩色图像处理中可使用彩色空间，它更符合颜色视觉特性。在HSI模型中（见图1），H表示色调（Hue）、S表示饱和度（Satura⁃tion），I表示亮度（Intensity），这3种基本特征量用来感知颜色，这三者之间的关系[12-13]为

图1 HSI颜色模型

通过以上公式、颜色模型可以看出，I分量和H分量是相对独立的，I分量与图像的彩色信息无关。其次是H及S分量与人感受彩色的方式紧密相关。这些特点使得HSI彩色空间非常适合基于人的颜色感知特性进行处理和分析的图像处理算法。HSI与RGB相比，HSI颜色空间大的3个分量独立性较强，各分量的数据[14]分割见表3。因此，本文采用HSI颜色模型分析能够减少立体图像处理的复杂性，提高分析效率，也符合人眼的视觉生理特性。

表3 HSI独立分量分割数据

2 实验

2.1 实验准备

1）实验条件

实验室环境温度：20～25℃，相对湿度：25%～75%，大气压：90～106 kPa。立体显示器采用G320S偏振式立体视窗，配备专用立体眼镜，全程实验在暗室中完成，根据立体电视图像的主观评价标准，人眼观看距离为屏幕高度的3～6倍。实验用图像素材见图2，并按照色调值分割成不同色调值的图片。

图2 house_原图

2）实验人员

本次实验挑选双目视生理正常者共45人，年龄19～35岁，男性19人，女性26人，眼睛视力正常、无眼部疾病。在正式实验之前，课题组有必要向实验人员详细介绍评判等级，并且强调评判依据的一致性，可以针对5个等级的立体图像进行初试。为了保证测试的客观性和准确性，每次的测试时间为20min。

2.2 实验过程

针对立体电视图像舒适度的测试，人眼的主观评测是关键，天津大学李素梅教授所带领的团队在立体图像饱和度、亮度、对比度等指标给出了定量分析，本文利用HSI模型，从色调H角度进行分析和实验。

1）图像转化

通过MATLAB 2012a分割源立体电视图像，实验将源图像由RGB转化为HSI，通过式（1）可知H的取值范围为0～2π。根据参考文献[6]提出的改进极限法，其中色调变量为H，则有

式中：Hmax是图像色调值的最大值；Hmin是图像色调值的最小值；Href是图像色调最小阈值；Ni为图像分段数；n为分级数。该算法通过分级分类，左右视图不同等级进行匹配，共形成725张新的左右视图，参考文献[6]通过此算法，待测样本明显减少，精简了测试过程、降低了测试难度。

本文为了进一步简化测试流程，提高效率，进行同步分割图像的左右视图。根据人眼的视觉特性，假设人眼对色调的最小阈值为10°，那么待测立体图像将被分割成左右视图各36张，并按分级一一对应。

2）实验步骤

（1）源立体图像由RGB转化为HSI，提取色调分量，并按照10°进行逐级提取和分割，形成36张左右新视图；

（2）将新组成的左右视图进行从小到大编号，并记录其不同色调值；

（3）按照既定程序，实验人员逐个观看待测立体图像样品，每张观看时间为20 s，时间间隔为5 s，每位实验人员测试总时间在15 min左右，符合人体舒适度要求；

（4）记录实验评价等级、数据；

（5）第2个实验人员开始实验，重复实验至最后一位人员。

测试期间，保证实验室人员观看图片的时间和间隔时间，如果有极不适应感，可以停止实验。

2.3 数据分析

1）数据处理

由于测试过程主要是人眼主观测试，难免会出现无效数据，测试数据必须进行筛选和甄别。根据主观测试图像的统计方法[6]，对同一图像的有效评分的均值得出，均值公式为

式中：m为图像舒适度等级数，即m=5；ci为被测图像属于第i类对应的分数；ni为判断被测图像属于第i类的实验者的人数[6]。当统计数据的平均值Cˉ，满足Cˉ≥4则达到舒适度要求。

通过实验所得1 620个数据点，其有效数据为1 296个，对数据进行数理整理统计，针对不同色调值的图像进行等级统计，按照每幅图片观察者评估值进行处理取平均值。最后数据处理后的舒适度曲线如图6所示，根据HSI模型解析后，通过测试数据示意图可以看出，色调值的取值与立体舒适度的关系。

2）分析结论

通过图6可知，图像色调值与舒适度之间的直接关系，并根据表2的舒适度等级可知，当图像色调值在180°～210°时，舒适度非常好，无任何不舒服，观察无障碍；60°～180°、210°～235°时，舒适度等级在4～5之间，舒适度可确认为好，舒适度有微小变化，不妨碍观看；0°～60°、235°～360°时，舒适度等级在3～4之间，舒适度可认为一般，对观看稍微有妨碍，但仍可观看。鉴于图像色调值与舒适度的关系，根据表3色调值的分割，可看出图像色调舒适度由高到低为：青（180°）、绿（120°）、黄（60°）、红（0°）、蓝（240°）。

图6 立体图像舒适度测试数据

3 小结

本文根据前期立体显示技术研究成果[5-7]，结合立体电视图像显示特点，利用HSI模型将立体图像进行分解，按照色调值（每隔10°）进行分割和排序形成新的图像。通过人眼的主观实验，发现了立体电视图像色调值与舒适度之间的数值关系，在53°～238°之间的图像舒适度较好，定量地给出了符合舒适度的立体电视图像色调范围，为今后的立体电视图像舒适度评价标准提供参考。另外，人眼主观测试，费时费力，还有进一步改进的空间和方法，以建立更加高效的立体电视图像舒适度评价体系。

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Visual Com fort Degree of 3D Television Image Based on HSI

WU Dongyan1，CAO Jiandong1，FAN Kefeng2，XU Junshu1
（1.Suzhou Institute of Industrial Technology，Jiangsu Suzhou 215104，China；2.China Electronics Standardization Institute，Beijing 100007，China）

Degree of com fort is an important index of 3D display technology.In order to solve the problems of visual discom fort which are caused by stereoscopic images,the data relationships are analyzed using HSI model among hue, saturation and intensity.3D TV image is segmented into 36 of the new image based on 10°.The stereoscopic television image color and comfort degree are analyzed.According to experimenter test,it confirms that the theory analysis is correct. As a result,value range of hue about the effective com fort stereoscopic television image is given in this paper.

3D TV；degree of com fort；hue

TN141；TN949

A

�� 薇

2014-09-29

中国联通：沃商店独立成子公司 命名“小沃科技”

【本文献信息】吴冬燕，曹建东，范科峰，等.基于HSI模型的立体电视图像视觉舒适度评价[J].电视技术，2014，38（24）.

江苏省高校“青蓝工程”项目；2012年苏州市科技发展项目（SYG201248)

吴冬燕（1980—），硕士，讲师，主研电子通信及信息处理方向；

曹建东（1961—），副教授，主研自动化技术；

范科峰（1978—），博士，高工，主研立体电视技术方向。

近日，中国联通旗下应用商店运营中心（以下简称“沃商店”）从原隶属企业上海联通整体剥离，并成立了“小沃科技有限公司”，于11月1日起正式独立化运作。新公司将引入外部优质合作伙伴资源，进一步以市场化规律运作，并可能引入混合经济所有制，即引入民营资本。新成立的“小沃科技有限公司”为中国联通的全资子公司，是中国联通创新体系的有机组成部分，专注于移动互联网领域，聚合产业链。联通集团明文确定小沃科技有限公司的定位为联通最核心的应用分发平台、联通唯一的手机游戏运营平台、联通基于移动互联网的能力开放平台。小沃科技有限公司旗下拥有四大产品，分别是综合性应用分发下载平台沃商店客户端，垂直游戏运营平台沃游戏客户端，线下应用分发渠道联通手机服务站，以及专注于家庭娱乐的V乐游戏大厅。