結(jié)合圖像內(nèi)容的立體顯示灰階串?dāng)_量化方法研究

夏振平，李曉華

（1.蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；

2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096）

結(jié)合圖像內(nèi)容的立體顯示灰階串?dāng)_量化方法研究

夏振平1?，李曉華2

（1.蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；

2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096）

為了更直接地評(píng)價(jià)和比較立體顯示中的串?dāng)_現(xiàn)象，結(jié)合圖像內(nèi)容對灰階串?dāng)_進(jìn)行了單一數(shù)值量化.提出的平均灰階轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換組合出現(xiàn)的概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到的平均灰階轉(zhuǎn)換也是以矩陣的形式出現(xiàn).灰階串?dāng)_單一數(shù)值量化就是利用平均灰階轉(zhuǎn)換矩陣對灰階串?dāng)_矩陣進(jìn)行加權(quán)平均，加權(quán)平均后的串?dāng)_矩陣中所有值相加得到單一的串?dāng)_評(píng)價(jià)值.提出的灰階串?dāng)_單一數(shù)值量化方法充分考慮了圖像內(nèi)容的影響，得到的灰階串?dāng)_單一數(shù)值評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確.同時(shí)，研究結(jié)果對串?dāng)_現(xiàn)象的優(yōu)化以及視覺舒適度的提高具有指導(dǎo)和推動(dòng)作用.

立體顯示；灰階串?dāng)_；單一數(shù)值量化；平均灰階轉(zhuǎn)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(jì)算的方法得到.左右視圖應(yīng)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(huì)分別看到本不該看到的另一只眼的圖像，即產(chǎn)生所謂的“鬼影”（Ghosting）.根據(jù)Seigel［1］的解釋，“鬼影”是由“串?dāng)_”（Crosstalk）產(chǎn)生的特殊圖像感知模式，“串?dāng)_”是左右眼視圖的電或光信號(hào)的混合.過高的串?dāng)_會(huì)使立體圖像無法融合從而導(dǎo)致立體圖像失真.Meesters等［2］的研究表明，串?dāng)_現(xiàn)象是影響立體顯示圖像質(zhì)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?dāng)_客觀評(píng)價(jià)方法顯得尤為重要.符合人因的串?dāng)_客觀評(píng)價(jià)方法對串?dāng)_的降低和消除［3-4］都起著積極的推動(dòng)作用.

2　灰階串?dāng)_評(píng)價(jià)方法

由于串?dāng)_在一些立體顯示器（尤其是基于液晶顯示的時(shí)序式立體顯示器）中表現(xiàn)出的非線性以及不可疊加性，左右視圖不同灰階組合的串?dāng)_不同，所以研究人員提出了灰階串?dāng)_（Gray-to-Gray Crosstalk）的概念來評(píng)價(jià)此類立體顯示器中的串?dāng)_現(xiàn)象.

灰階串?dāng)_的串?dāng)_矩陣根據(jù)亮度測量矩陣計(jì)算而得.亮度矩陣透過觀察通道（Observed View）測得，對于一個(gè)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(jí)變化，為節(jié)省測量時(shí)間同時(shí)保證足夠的數(shù)據(jù)量做分析，通常采用9級(jí)灰階（0、32、64、96、128、160、192、224、255）.灰階串?dāng)_也與之對應(yīng)采用9×9的矩陣.灰階串?dāng)_的計(jì)算就是將測量得到的亮度矩陣中的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行組合計(jì)算，從而得到評(píng)價(jià)串?dāng)_的串?dāng)_矩陣，串?dāng)_的評(píng)價(jià)分左右通道分別測量亮度矩陣以及分別通過亮度矩陣計(jì)算得到串?dāng)_矩陣.提出的灰階串?dāng)_計(jì)算方法有很多［5-9］，系統(tǒng)的人因?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明基于韋伯定理提出的灰階串?dāng)_評(píng)價(jià)結(jié)果（式1）與串?dāng)_主觀感知的一致性最高［9］.根據(jù)式1計(jì)算的4臺(tái)的眼鏡式立體顯示器的灰階串?dāng)_如圖1所示.4臺(tái)顯示器均基于液晶顯示技術(shù)，其中一臺(tái)為基于偏振眼鏡的偏光式立體顯示器（#1），其余3臺(tái)為基于主動(dòng)快門眼鏡的主動(dòng)快門式立體顯示器（#2～4），3臺(tái)主動(dòng)快門式立體顯示器分別應(yīng)用了不同的技術(shù).

圖1　串?dāng)_評(píng)價(jià)計(jì)算式對四臺(tái)立體顯示器的串?dāng)_評(píng)價(jià)矩陣Fig.1　Crosstalk evaluation matrix of four 3D displays using crosstalk evaluation calculation formula

3　灰階串?dāng)_單一數(shù)值化

從相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［9］可以看出，左右視圖的灰階組合對串?dāng)_大小具有絕對顯著的影響作用，也就是灰階串?dāng)_對圖像內(nèi)容的依賴性很大，而不單單是器件的特性，所以在單一化數(shù)值的過程中采用直接平均等簡單方法就不夠準(zhǔn)確，而應(yīng)該充分考慮到圖像內(nèi)容的影響.

3.1平均灰階轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)

實(shí)際觀看立體顯示內(nèi)容時(shí)，對于串?dāng)_的實(shí)際感受與所顯示的立體圖像內(nèi)容密切相關(guān)，這也和顯示器功耗與圖像內(nèi)容的關(guān)系一樣，在評(píng)價(jià)顯示器功耗時(shí)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(píng)價(jià)［10］.此處，對于立體顯示串?dāng)_的評(píng)價(jià)，定義類似的概念，即平均灰階轉(zhuǎn)換（Average Gray Level Transitions，AGLT）的概念.在已有的灰階串?dāng)_評(píng)價(jià)方法中加入平均灰階轉(zhuǎn)換的概念，對灰階串?dāng)_矩陣進(jìn)行加權(quán)平均，最后使灰階串?dāng)_矩陣量化為單一數(shù)值.

圖2　計(jì)算平均灰階轉(zhuǎn)換值所選取的圖像Fig.2　Images used for average gray level transitions calculation

為計(jì)算平均灰階轉(zhuǎn)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(dòng)物、建筑、風(fēng)景、動(dòng)畫、煙花等.具體計(jì)算時(shí)將對可能存在的256×256種灰階轉(zhuǎn)換進(jìn)行逐一像素、逐一顏色（RGB）的統(tǒng)計(jì)，生成灰階轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)矩陣.由于現(xiàn)在的灰階串?dāng)_尚不考慮不同顏色，所以將生成的3個(gè)灰階轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)矩陣（R、G、B）進(jìn)行平均，得到一個(gè)256×256的灰階轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)矩陣.灰階串?dāng)_的評(píng)價(jià)中通常采用9×9的矩陣，此處為與之對應(yīng)，灰階轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)矩陣從256×256矩陣中根據(jù)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(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)矩陣中的每個(gè)數(shù)據(jù)再除以所有矩陣數(shù)據(jù)之和，得到9×9的灰階轉(zhuǎn)換權(quán)重.中間灰階（96、128、160）之間的灰階轉(zhuǎn)換權(quán)重遠(yuǎn)大于極端灰階（0、255）之間的灰階轉(zhuǎn)換權(quán)重.

3.2量化為單一數(shù)值

在灰階串?dāng)_量化為單一數(shù)值的操作中，為了更為直觀地表達(dá)串?dāng)_，決定采用百分?jǐn)?shù)的形式，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，灰階串?dāng)_評(píng)價(jià)計(jì)算方法在原式（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后灰階串?dāng)_值的范圍嚴(yán)格限制在0～100%（如式2所示）.

圖3展示了利用平均灰階轉(zhuǎn)換對灰階串?dāng)_進(jìn)行加權(quán)平均的過程，灰階串?dāng)_矩陣與灰階轉(zhuǎn)換權(quán)重矩陣相乘（矩陣對應(yīng)數(shù)據(jù)相乘）得到加權(quán)后的9×9串?dāng)_矩陣，最后將加權(quán)后的串?dāng)_矩陣中的所有數(shù)據(jù)相加，即得到從灰階串?dāng)_矩陣量化的單一串?dāng)_評(píng)價(jià)值.灰階串?dāng)_矩陣中，白到黑的串?dāng)_遠(yuǎn)大于黑到白的串?dāng)_，串?dāng)_較大值均分布于對角線的左側(cè)（測試通道灰階值小于非測試通道灰階值）.灰階轉(zhuǎn)換權(quán)重矩陣中，數(shù)值的分布基本關(guān)于對角線對稱，這也是與事實(shí)相符的，在圖像內(nèi)容上左右視圖理論上沒有差別，而且采用的圖像越多，數(shù)據(jù)分布越對稱.

圖3　利用平均灰階轉(zhuǎn)換對灰階串?dāng)_進(jìn)行加權(quán)平均Fig.3　Using average gray level transitions matrix to weight gray-to-gray crosstalk matrix

3.3方法應(yīng)用

方法應(yīng)用中，利用量化單一數(shù)值方法對圖1所涉及的4臺(tái)立體顯示器進(jìn)行了評(píng)價(jià)，4臺(tái)顯示器的單一串?dāng)_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(diǎn)垂直測量），串?dāng)_值最小.

圖4　單一數(shù)值方法的串?dāng)_評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4　Crosstalk evaluation results using single value method

4　結(jié) 論

串?dāng)_現(xiàn)象是影響立體顯示圖像質(zhì)量和視覺舒適度的重要指標(biāo)，合理的串?dāng)_評(píng)價(jià)方法對其改進(jìn)有重大影響.在灰階串?dāng)_的評(píng)價(jià)中，左右視圖的灰階組合對串?dāng)_大小具有絕對顯著的影響作用，也就是灰階串?dāng)_對圖像內(nèi)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(zhuǎn)換的概念，對立體顯示圖像中每一灰階組合出現(xiàn)的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再利用統(tǒng)計(jì)的結(jié)果對計(jì)算得到的灰階串?dāng)_值進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到單一量化的串?dāng)_評(píng)價(jià)值.單一數(shù)值對于評(píng)價(jià)顯示器灰階串?dāng)_確實(shí)具有很大的便利性，可以更為直觀地進(jìn)行比較.研究結(jié)果對串?dāng)_現(xiàn)象的優(yōu)化以及視覺舒適度的提高具有指導(dǎo)和推動(dòng)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(zhì)量測量、評(píng)價(jià)和優(yōu)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(dǎo)師，主要從事平板顯示器件測量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面的研究. E-mail:lxh@seu.edu.cn

2015-01-15；

2015-03-26.

國家973計(jì)劃（No.2013CB328803）；國家863計(jì)劃（No.2013AA011004）；江蘇省自然科學(xué)基金（No. BK2012166）；蘇州科技學(xué)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(lián)系人，E-mail:xzp@mail.usts.edu.cn