基于环境光的HDR 影像视觉舒适度研究

顾晓娟 吴 悠

1.北京电影学院影视技术系，北京 100088 2.新华通讯社，北京 100803

1 引言

高动态范围（HDR）影像技术可以为影像提供更广的色域、更宽的亮度范围和更高的对比度，使影像更加真实、生动，更接近我们肉眼所感知的真实场景。随着近年来HDR 技术更加广泛地应用于消费级电子产品，HDR 技术的应用前景也非常广阔，如消费者的家庭影院、游戏和流媒体娱乐，以及大规模的办公室展示和数字广告牌等，此外，HDR 技术已逐步推广应用于商业院线。很多消费级HDR 显示设备已经可以达到1000cd/m2的峰值亮度，SMPTE ST 2084标准[1]中，为PQ HDR 影像格式预留的最高亮度已达10000cd/m2。

HDR 影像的画面平均亮度明显高于标准动态范围（SDR）影像，其常以局部高光的方式表现画面中的高光景物，如白天的太阳、黑暗中的灯光等，使得画面具有高对比度，创造更真实、生动的视觉效果。将两段平均亮度差异很大的HDR 镜头剪辑在一起，可以造成画面亮度上的跳跃，实现亮度在视听语言上的表现。但是，如果在暗环境中观看高亮度的HDR 影像，会因环境亮度和影像平均亮度的过高差异、画面空间分布上的高亮度差以及影像镜头间较高的亮度差造成观看者视觉系统的疲劳，甚至引发头痛等不适症状[2]。在观看环境中提供适当的环境光照明，可以缓解这种视觉不适症状。

在环境光相关研究中，Wibom 等人在研究显示终端对视觉疲劳的影响时认为，在观看电视等显示设备的过程中，显示设备与环境之间的高对比度会导致眼部的疲劳和不适感[3]；Bullough 等人对观看电视时的环境光因素进行了定性研究，认为合适的环境光条件可以带来更愉悦的视觉体验[4]；Bangor 研究了CRT 显示器、液晶显示屏（LCD）两类显示设备和环境光对视觉疲劳的影响，并通过主观实验数据，利用统计学方法生成了这两类显示设备与环境光照度的视觉疲劳相关性的衡量公式[5]；Rempel 等人研究了环境照明对观看HDR 显示内容偏好的影响，发现被试者在黑暗环境下对亮度的偏好存在个体差异，而在模拟办公场景的明亮环境中，对明亮屏幕的偏好强烈一致，证明环境光影响观众对显示亮度的偏好[6]。

本文通过视觉舒适度量化评价方法，研究不同环境光照度下，画面平均亮度、画面亮度分布、镜头间亮度跳跃等HDR 影像亮度因素对视觉舒适度的影响，并给出观看HDR 影像适宜的环境光照度。

2 HDR 影像舒适度主观评价方法

心理物理学领域中对视觉舒适度的评价多从其对立面，即视觉不适度进行定义。视觉不适度用于表征人们在观看图像或视频时产生的困扰或妨碍的烦扰程度，一般认为若不存在视觉不适便处于相对舒适的状态。常用视觉舒适度评价指数（Visual Comfortable Index，VICO），采用完全独立于各项物理指标的方式，如测试影像的亮度、对比度、色度以及环境光照度、色温等，客观量化人眼不舒适的程度，从反方面评价视觉舒适度[7]，如表1 所示，其中眼睛不适主要包含眼睛干涩、胀痛、异物感、视觉疲劳和瞬目（眨眼）次数增多等症状[8]。

表1 VICO 评价指数量表

国际电信联盟（ITU）曾提出主观评价方法，对电视图像质量和最佳观看视场角等实验内容进行了研究，并在其发布的ITU-R BT.500[9]、ITU-R BT.1788[10]、ITU-T P.910[11]等标准中总结提出了多种主观评价实验方法，如双刺激损伤量表法、双刺激连续质量量表法、单刺激法和单刺激连续质量评价法。根据是否存在参考图像、实验目的是否要求序列连续播放等影响因素决定上述对应的评价方法。由于不存在参考图像，并且需要避免不同实验序列的连续刺激，本文实验采用单刺激法。单刺激法以完全随机的方式向被试人展示多段视频片段，为了保证实验客观性，不同被试者观看到的实验序列顺序有所不同。被试者无需观看作为参考标准的参考序列片段，只观看实验序列片段，对其质量打分。其实验序列构成结构通常如图1所示。

图1 单刺激法实验序列构成示意图

单刺激法中每个测试序列的展示时间为5s～10s，其前后均设置灰场作为间隔，每段灰场展示时间为5s。前部灰场用于提示被试者为下一段测试画面做好准备，后部灰场用于让被试者得到短暂休息，使人眼状态得到恢复，并给予被试者一段时间进行打分，为下一次观看和评分做准备。

单刺激法多采用形容词分类判断法制作评价等级量表，提前将评价等级按照语义进行划分，划分标准通常为某种属性的高低，常用评分测度为5 分制。结合视觉舒适度评价指数和ITU-R BT.500 相关标准，我们将HDR 影像视觉舒适度划分为5 个等级，其中5 分舒适度最佳，引发不适感最明显的评价为1分，如表2所示。

表2 本文实验采用的视觉舒适度评价量级表

3 基于环境光的HDR 影像舒适度实验

3.1 实验设计

基于环境光的HDR 影像舒适度实验通过在环境光照度下，观察者对具有不同平均亮度、亮度分布和镜头间亮度差的HDR 影像实验片段的主观评分，研究环境光照度与观看HDR 影像舒适度之间的关系，并由此得到适宜的HDR 观看环境的环境光照度范围。

该实验在长宽高分别为2.4m、2.2m 和2.5m 的实验室内进行。为了降低杂散光的影响，实验室内顶部及四周覆盖低反光率黑色植绒幕布，地面铺设有低反光率的灰色地毯。实验室顶部分布4 根蓝光PavoTube II 6C LED 灯管作为环境光源，光源功率可调，用于提供观看环境光的照度。实验中使用的HDR 显示设备为索尼BVM-X300 专业监视器，有效幅面大小为66.3cm×39.9cm。为满足SMPTE 对影院观影提出的最佳水平视场角[12]，观察者座位应位于距离X300 监视器1m 处。实验所用座椅高度可调，每次实验开始前都会按照观察者身高调整座椅高度，确保其在水平向前看时垂直落在显示画面的几何中心处。

实验中以观察者双眼连线的中点作为环境光照度测量点，对环境光源亮度与相应观察者所处位置的实际照度进行标定。

视觉舒适度实验要求观察者参照表2 的视觉舒适度评价量级表进行打分。参与实验的观察者共21人，具有正常的色彩辨识能力和视力，年龄在19～60岁之间，其中男性14 人，女性7 人；8 人具有HDR 影像制作经历，剩余13 人虽未参与过HDR 影像后期制作，但都了解HDR 影像相关专业知识，且在实验前经过适应训练。实验前对观察者进行相应的实验指导，确保实验过程中不受外界其他因素干扰。

3.2 主观实验结果分析

计算实验序列j主观评分的算术平均值μj和标准差σj，其计算公式如式（1）（2）所示：

其中rij为第i个实验对象对第j个测试序列的主观评分，N为参与实验序列j的实验总人数。

由于主观评分极易受实验对象个体差异影响出现较大偏差，实验结果参考ITU-R BT.500 的实验结果筛选方法，采用如下方式筛除不合理的实验数据：实验组规定实验序列j的主观评分置信区间为。令第i个实验对象对每个实验序列的评分结果大于对应置信区间的次数记为P，令评分小于此置信区间的次数记为Q。设该实验对象参与评分的总实验序列数为T，当满足式（3）时，可认为该实验对象在主观实验过程中曾受到较大个人因素影响，该实验对象评分出现异常，则应筛除其实验数据。最终以去除异常实验数据后，重新计算得到评分均值作为该实验序列的视觉舒适度评分。

3.3 画面亮度视觉舒适度实验

画面亮度视觉舒适度实验主要研究观察者观看具有不同平均亮度和亮度分布的影像时，环境光照度对其视觉舒适度的影响。

（1）不同平均亮度影像情况下，环境光照度对其视觉舒适度的影响

实验选取了具有不同平均亮度的7 个实验序列进行画面平均亮度实验（表3），每个序列对应的镜头画面亮度分布较为均匀，无明显高光聚集，镜头内景物运动和亮度变化平缓，镜头内亮度变化幅度均小于±5%，画面颜色较为中性。经过调整后，该组镜头的画面平均亮度范围控制在HDR 影片最常见的25cd/m²～150cd/m2。

表3 画面平均亮度视觉舒适度实验序列信息

图2 横轴代表对应实验序列的平均亮度，纵轴代表观察者观看不同照度的实验序列给出的舒适度评分均值。由图2 可以看出，当环境光照度为0lux，即观察环境为黑暗环境，在画面平均亮度不高于75cd/m2时，观察者视觉舒适度评分较高；当画面平均亮度大于等于85cd/m2时，主观评分均明显下降，大部分观察者会出现难以接受的视觉不适感。当增加观看环境照度至20lux 时，观察者对所有实验序列的视觉舒适度均得到较大幅度提升，可接受实验序列画面平均亮度阈值范围上升至100cd/m2～120cd/m2。当进一步提高观看环境照度至40lux 时，观察者的舒适度评分进一步提升，尤其对于平均亮度120cd/m2～150cd/m2等较高的实验序列，其舒适度评分明显提升。当进一步提高观看环境的照度水平至60lux、80lux、100lux 甚至120lux 时，观察者观看实验序列的视觉舒适度随照度水平均有一定的提升，但提升幅度较小，多条曲线出现重合，大部分观察者已经难以分辨观看环境照度上的差异。值得注意的是，对于画面平均亮度为25cd/m2和50cd/m2的实验序列，继续增加环境照度达到120lux 时，观察者的视觉舒适度评分均值下降，其主要原因可能由于观影背景墙反光至监视器，降低了显示内容的对比度，进而影响观察者的舒适度评分。

图2 画面平均亮度的视觉舒适度评分均值随环境照度变化的关系图

（2）不同亮度分布影像情况下，环境光照度对其视觉舒适度的影响

实验中选取的6 个实验序列信息如表4 所示。这些实验序列的画面平均亮度均为50cd/m2，画面高光区域呈聚集性分布，镜头内景物运动和亮度变化平缓，亮度变化差异较小，画面颜色较为中性但是各序列的画面峰值亮度、峰值亮度与平均亮度之比以及高光占比均不相同，这里高光占比是指画面中显示亮度超过100cd/m2的像素占比，即：

表4 画面亮度空间分布视觉舒适度实验序列信息

其中N100为实验序列中显示亮度大于100cd/m2的像素数，N为实验序列的总像素数。

图3 横轴坐标的三个数字分别代表各实验序列的峰值亮度值、峰值亮度与平均亮度之比以及高光占比，纵轴为观察者观看对应实验序列给出的舒适度评分均值。由图3 可以看出，无论是否存在环境光，随着实验序列的高光区域峰值亮度升高，视觉舒适度评分呈下降趋势。如果增加环境光照度，各实验序列的视觉舒适度评分升高，特别在环境光照度为20lux、40lux 时，提高明显。如果进一步提升实验环境照度水平至60lux、80lux 和100lux 时，视觉舒适度评分进一步提升，但是提升并不明显。当实验环境的照度水平达到120lux 时，视觉舒适度评分出现小幅下降。

图3 画面亮度分布的视觉舒适度随照度变化关系

画面亮度视觉舒适度实验的结果表明：视觉舒适度受画面平均亮度和峰值亮度的影响；对平均亮度相同并且峰值亮度相同的影像，高光占比对视觉舒适度的影响尚缺乏数据支撑，需要进行进一步实验；无论观看环境是否存在环境光，影像内容的平均亮度都不应超过120cd/m2；如果适当增加观看环境光照度至20lux、40lux 可以明显改善因画面亮度升高引起的观察者视觉不适感。

3.4 镜头间画面亮度跳跃视觉舒适度实验

实验选取了12 个实验序列（具体相关信息见表5），每一实验序列亮度分布较为平均，亮度变化平缓，画面颜色较为中性。通过调整，12 个实验序列平均亮度分别控制在1cd/m2、5cd/m2、25cd/m2、50cd/m2、100cd/m2、150cd/m2左右，其中每两个实验序列具有相同的平均亮度。将12 个实验序列分为A、B 两组，每组各6个实验序列，组中实验序列平均亮度各不相同。每组各取一个实验序列，采用硬切方式进行剪接，形成一个序列对（去除平均亮度相同的实验序列对），共30 个序列对，实验时按照随机顺序播放这些序列对。

表5 亮度跳跃视觉舒适度实验序列信息

图4 为环境 光照度分 别为0lux、20lux、40lux、60lux、80lux、100lux 和120lux 时，观察者观看各序列对的视觉舒适度评分均值。第一列数值表示序列对中A 组实验序列的平均亮度，第一行的数值表示B 组实验序列的平均亮度，其它行列中的数据为对应序列对的视觉舒适度评分均值。我们令Ld为序列对亮度差，表示序列对中两个实验序列的平均亮度差，即：

图4 不同环境光照度下画面亮度跳跃舒适度评分均值

式（5）中，L1,L2分别为序列对中第一个序列和第二个序列的平均亮度值。若序列对的亮度差Ld〉 0，表示该序列对的平均亮度变化是由亮到暗；Ld〈 0 则表示该序列对的平均亮度变化是由暗到亮。图4 中各表对角线下方的值为观察者对Ld〈 0 的序列对的视觉舒适度评分；对角线上方的值为观察者对Ld〉 0的序列对的视觉舒适度评分；每个评分值对应的行列下标差越大，对应的序列对 |Ld|值越大。

实验结果表明：

（1）无论是否存在环境光，观察者对亮度差-|Ld|的序列对评分值高于对 |Ld|的序列对的评分值，即亮度较高场景切换至较低亮度场景时，观察者在视觉感受上更为舒适；亮度差 |Ld|值越小的序列对对应的视觉舒适度值越高，当序列对亮度差Ld达到最大（由150cd/m2实验序列切换到1cd/m2实验序列），观察者感觉明显的视觉不适；

（2）增加环境光照度至80lux、100lux 可以明显改善实验对因高亮度差变化引起的观察者视觉不适，但是它对亮度差 |Ld|值较小的序列对影响有限；继续增加环境光照度至120lux，观察者的视觉舒适度评分没有明显改变；

（3）当环境光照度高于40lux，对于同时包含两个亮度较低（1cd/m2或5cd/m2）实验序列的实验对，观察者的舒适度评分逐渐降低。这些低亮度实验序列通常为夜景场景，部分观察者认为环境光使得实验环境出现了难以忽略的杂散光，影响了夜景场景的呈现，引起舒适度评分下降。因此，对于低亮度场景，环境光照度范围应控制在40lux以内。

4 结语

目前我国影院放映设备大多数仍然是标准动态范围（SDR）的放映机。HDR 显示技术能够为观众呈现更优质的影像画面，传统影院已经在逐渐进行HDR 放映技术升级。但是在传统黑暗观影环境中观看高亮度影像容易引起观众视觉不适症状。可以在HDR 观影空间中引入环境光，以提高观众的视觉舒适度。本文的研究成果可以为搭建配有环境光的HDR 影院提供理论数据支持和可借鉴的环境光设计方案，对推动HDR 影像技术的发展和普及具有实际应用意义。