立体图像对亮度差异对立体视融合的影响研究

武岩，李奇，韩相博，周娴

（1.长春理工大学，长春　130022；2.中国北方车辆研究所，北京　100000）

立体图像对亮度差异对立体视融合的影响研究

武岩1，李奇1，韩相博2，周娴1

（1.长春理工大学，长春130022；2.中国北方车辆研究所，北京100000）

针对具有亮度差异的立体图像对如何影响立体融合，提出了对不同亮度差异的立体图像对识别融合的影响范围。通过8名被试对亮度差异分别为0，10，20，30，40，50，60，70，80，90的立体图像对融合识别的反应时和正确率进行分析，给出了亮度差异对立体视融合的定量影响范围。结果表明：反应时随着亮度差异的增大逐渐增加，但识别正确率逐渐降低。亮度差异为20以下，立体识别可达到较好的识别效果，反应时较短并且正确率很高。当亮度差异介于20～60之间，反应时急剧增加，正确率稍有降低。但当亮度差异达到60以上，不仅反应时急剧增加，而且正确率急剧降低，达到很难识别的程度。

立体视觉；立体图像对；亮度差异；立体视融合

自2008年中国引进了两部数字3D电影《地心历险记3D》和《闪电狗》开始，便开创了中国电影市场的3D时代；2009年，中国电影市场上的3D影片增加到了9部；2010年，3D影片的数量则超过了10部，尤其是好莱坞3D电影《阿凡达》更是创造了全球票房超过20亿美元的神话。而且从2011年开始，不仅国外影片采用3D技术，国内很多电影也均采用3D技术。

目前，我们立体电影、立体电视的制作就是模拟人眼视觉系统三维影像形成的过程，即先把左右眼的单眼图像分别记录下来，通过放映机和相应的立体放映设备，让观众左右眼分别看到相应的单眼图像，再通过大脑融合成三维图像［1］。因此，左右眼分别看到的单眼图像的匹配程度就决定了大脑融合的舒适程度。图像的匹配程度包括两图像对的亮度、色度、对比度、频率、视差特征等等［2］。若图像的匹配程度差异达到一定的阈值，就会影响大脑的融合，导致视觉疲劳、眩晕、头痛等症状［3］。所以，研究单眼图像对的属性匹配程度对减轻视觉疲劳，促进立体影视业的发展有着非常重大的意义。本论文主要定量研究立体图像对的亮度差异对立体视融合的影响。

1　实验方法

1.1被试者

被试首先经颜氏数字化立体视觉检查图检查［4］，立体视锐度要优于60''。而且在一个练习实验中如果被试的识别反应时超过5s，均不能参加正式实验。最后有8名被试（5男，3女）参与了实验，年龄在19岁到25岁之间，平均年龄为21.6岁，色觉正常，右利手。被试在被告知实验的危险情况下，签署了自愿同意书。被试对实验设计的目的一无所知。

1.2实验设备

1.2.1实验刺激

实验刺激图片采用红蓝互补色原理，由Photoshop软件制作得到。图片大小为200*200像素点组成，所对应的视角为4.12o宽，4.12o高，如图1所示。该刺激图片的视差角为22.89弧分。为了保证被试在实验过程中认真观看刺激图片，尽量少出现眼动现象，在实验中要求被试眼睛固定在一个注视点“+”上。注视点“+”的视差为0，显示在背景为白色的显示屏幕上，位置在屏幕正中央，其视角为1.72o宽1.72o高，颜色为黑色，如图2所示。亮度差异分别采用0，10，20，30，40，50，60，70，80，90十种。

图1　视差图　

图2　注视点示意图

1.2.2数据分析

首先对每个被试实验所得数据依据标准差进行分析，将反应过快或过慢的无效数据剔除。针对每种刺激类型的有效数据采用SPSS的单因素被试内多水平F检验结合配对t检验对数据进行统计学分析，以p＜0.05为差异有统计学意义。

1.3实验过程

整个实验包括10组，每组中亮度差异分别为0，10，20，30，40，50，60，70，80，90的立体图像对各呈现3次。被试者组间和每组内各种刺激均采用随机处理，两组实验中间休息5～10分钟。实验在安静的行为学测量室内进行，实验过程见图3所示。在实验过程时，被试位于距离屏幕正前方的60cm处，为了保证在实验中观测距离不变，被试的下颌固定在屏幕前的支架上。每组实验首先在屏幕中央出现3000ms的注视点“+”。然后随机呈现不同亮度差异的图像对，呈现时间是4000ms。两刺激之间呈现1500ms～2000ms的注视点‘+’稳定双眼。当被测试者看到凹陷于显示屏的平面时，点击鼠标左键。被试者对刺激反应后，刺激图片立即消失，随即呈现注视点，准备进行下一刺激的提示［5］。如果超过了4000ms被试者仍未对刺激给出反应，刺激图片也会消失，然后呈现注视点，准备进入下一刺激的提示。实验记录被试的正确率和反应时数据。

图3　实验过程示意图

2　实验结果

2.1反应时

不同亮度差异的立体图像对平均反应时见图4，其中当亮度差异达到90时，平均反应时达到了3284ms，亮度差异为10的图像对平均反应时最短，为730ms。

图4　不同亮度差异平均反应时结果示意图

对被试平均反应时数据分析的结果显示，亮度差异主效应显著［F（9，63）=252.751，P＜0.0005］，进一步针对不同水平间的差异检验结果如表1所示。可以看出，亮度差异为0的立体图像对和亮度差异为10的立体图像对被试平均反应时没有显著性差异。亮度差异为80的立体图像对和亮度为90的立体图像对反应时没有显著性差异。其余的不同亮度差异的立体图像对反应时均有显著性差异。

2.2正确率

不同亮度差异的立体图像对反应正确率见图5，亮度差异从0～90，当亮度差异为0时，对立体图像对的识别正确率最高，达到了100%，而当亮度差异达到90时，识别正确率降到最低，为46%左右。对被试的反应正确率分析表明，亮度差异大小主效应显著［F（9，63）=539.417，P＜0.0005］，针对不同水平间的差异检验，t值如表2所示。

通过数据分析结果可以看出亮度差异为0体图像对和亮度差异为10的立体图像对被试反应正确率没有显著性差异。亮度差异为10的立体图像对和亮度为20的立体图像对反应正确率没有显著性差异。其余的不同亮度差异的立体图像对反应正确率均有显著性差异。

图5　不同亮度差异立体图像对平均正确率结果示意图

3　讨论

3.1反应时

对于具有亮度差异的立体图像对，平均反应时从没有亮度差异到亮度差异为90，呈现出随着亮度差异的增大反应时不断增加的趋势。这符合亮度差异越大，融合时间越长的基本立体视形成规律。除了亮度差异为0的立体图像对和亮度差异为10的立体图像对反应时以及亮度差异为80的立体图像对和亮度差异为90的立体图像对反应时没有显著性差异外，其它的亮度差异反应时均具有显著性差异。主要原因为立体图像对亮度差异对立体视融合影响非常大，亮度差异增大会直接影像立体图对融合［6］［7］。亮度差异为0和亮度差异为10的立体图像对，左右眼图像亮度差异较小，并没有影响立体视的融合。但当亮度差异达到20时，反应时开始出现显著性的增加，说明亮度差异达到20以上立体视融合时间明显增加。而当亮度差异达到80和90时，被试对立体图像对的融合已经非常困难，超过一半以上的立体图对已不能正确融合识别，所以反应时未表现出显著性差异。

表1　不同亮度差异图像对识别平均反应时配对t检验结果表

表2　不同亮度差异图像对识别正确率配对t检验结果

3.2正确率

亮度差异不同的立体图像对识别正确率，从亮度差异0到亮度差异90随着亮度差异的增加正确率在不断降低。这一变化规律符合随着亮度差异的增大立体图像对融合越来越困难的规律，识别出刺激正确率就会越来越低。经统计学分析，除亮度差异为0的立体图像对识别正确率和亮度差异为10的立体图像对识别正确率，以及亮度差异为10的识别正确率和亮度差异为20的识别正确率没有显著性差异以外，其余各亮度差异立体图像对的识别正确率都存在显著性差异。说明在亮度差异增加的条件下，立体图越来越难融合［8］，所以出现识别正确率持续下降的趋势。

4　结论

本实验通过对8名被试在立体图像对亮度差异为0，10，20，30，40，50，60，70，80，90条件下，对立体图像对融合识别的反应时和正确率进行分析。存在随着亮度差异的增大反应时逐渐增加，但识别正确率逐渐降低的趋势。亮度差异为0和10时，反应时短并且正确率高。实验结果支持立体图像对属性差异越大越难融合的观点。亮度差异为20以下，立体识别可达到较好的识别效果，反应时较短并且正确率很高。当亮度差异介于20～60之间，反应时急剧增加，正确率稍有降低，说明亮度差异在20～60之间的立体图像对虽然融合困难，但仍可识别。但当亮度差异达到60以上，不仅反应时急剧增加，而且正确率急剧降低，达到很难识别的程度。

［1］ 刘运周.观看立体图像时视觉疲劳的研究及改进措施［D］.北京：北京邮电大学，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］ 颜少明.数字化立体视觉检查图（第二版）［M］.北京：人民卫生出版社，1985.

［5］ 武岩，李奇，颜雁.精细交叉视差信息加工的事件相关电位研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2014，37 （5）：122-125.

［6］ 杨蕾.多视点静止自由立体图像处理的理论分析及实验研究［D］.天津：天津大学，2007.

［7］ 李小方，王琼华.自由立体显示器观看视疲劳［J］.液晶与显示.2008，23（4）：464-466.

［8］ 劳丽娟.静止立体图像的理论分析与实验研究［D］.天津：天津大学，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

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究（KYC-JC-XM-2015-096）

武岩（1978-），女，硕士，讲师，E-mail：wuyan@cust.edu.cn