论文总字数：27566字

摘 要

在科学技术蓬勃发展的今天，二维显示的时代已经成为过去，三维立体显示正逐步走入人们的生活。先进的三维立体显示技术给人们带来了更加真实的视觉体验，这给人们的生活添加了无穷的乐趣，但与此同时，三维立体显示也很容易使人产生视觉不适，从而造成观看体验的下降。因而，显示质量和视觉舒适度的相关研究已经成为该领域内热门的课题。已有的研究多着眼于立体图像全局对显示质量和视觉舒适度的影响，而本课题围绕局部区域（ROI, Region of interest）对整体图像显示质量和视觉舒适度的影响展开研究。研究的实验过程主要包括以下三个部分：（1）全局实验：利用眼动跟踪仪和脑电仪（EEG）进行客观评价实验，锁定人眼的聚焦点并记录被试的ROI区域;被试对立体图像测试库进行主观的打分实验。（2）关注区域(ROI)实验：利用MATLAB软件改变图片ROI区域内的模糊度，并记录实验数据。（3）分析区域实验得到的数据，得到关注区域对立体显示质量和视觉舒适度的影响。实验结果表明，在相同的测试图像库上，关注区域的质量会显著影响人眼的视觉舒适度和对立体显示质量的评价。

关键词:立体显示质量,视觉舒适度,视觉敏感区域（ROI），脑电

A STUDY ON THE INFLUENCE OF THE REGION OF INTEREST ON THE ASSESSMENT OF 3D IMAGE QUALITY AND VISUAL COMFORT

Abstract

Nowadays, with the booming stereo display technology, the traditional two-dimensional display can’t satisfy people's demand for visual feast. Advanced stereo display technology brings people more realistic visual experience, however, it also makes people feel visual fatigue and causes the decrease of the experience quality at the same time. Therefore, research of display quality and visual comfort has gained more focus. Traditional research focuses on the global three-dimensional image impacts on the quality and comfort of visual reality, but, in this paper, a research on how the local area (ROI, Region of interest) has an impact on the image quality and visual comfort has been conducted. First, with the eye tracker and EEG making an evaluation, the human eye gaze can be recorded and the ROI area can be found. Then, the MATLAB software is used to change the ambiguity of the ROI area in the images, and conduct the related experiment. Finally, the experimental data is analyzed to check for the influence of ROI on image quality and visual comfort. The result shows that the changes in the ROI area do have significant effects on the human eye visual comfort and the evaluation of the quality of stereo display.

KEY WORDS: Stereo display quality, Visual comfort, Region of interest，EEG

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 三维立体显示技术 1

1.2.1 基于双目视差的三维立体显示 1

1.2.2 非基于双目视差原理的三维立体显示 3

1.3 立体图像显示质量和视觉舒适度的研究现状 4

1.3.1 立体图像显示质量和视觉舒适度的主观评价方法 4

1.3.2 立体图像显示质量和视觉舒适度的客观评价方法 5

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 脑电，眼动跟踪仪和测试图像库 8

2.1 脑电技术 8

2.1.1 脑电技术简介 8

2.1.2 事件相关电位（ERP） 9

2.1.3 P300波简介 9

2.1.4 脑电实验数据分析 10

2.2 眼动跟踪仪 13

2.2.1 视线跟踪简介 13

2.2.2 眼动仪的分类 13

2.3 测试图像库的准备 13

第三章 关注区域对图像质量和视觉舒适度的研究 16

3.1 图像关注区域的提取 16

3.2 基于ROI区域的高斯模糊实验过程 21

3.2.1 实验前期准备 21

3.2.2 客观实验过程 27

3.2.3主观实验过程 27

第四章 实验结果与分析 29

4.1 客观实验 29

4.1.1 P300波形分析 29

4.1.2 ROI图片的方差分析和线性拟合 30

4.1.3 NROI图片的方差分析和线性拟合 32

4.2 主观实验 33

4.2.1关注区域对立体图像质量的影响 33

4.2.2 关注区域对视觉舒适度的影响 35

4.3 综合比较 36

4.3.1 关注区域对图像质量影响的总结 36

4.3.2 关注区域对视觉舒适度的影响 37

第五章 总结与展望 39

5.1 总结 39

5.2 展望 39

致谢 40

参考文献（References） 41

第一章 绪 论

1.1 引言

三维立体显示有着强大的视觉震撼力，能够给观众带来更加真实，流畅自然的视觉体验，因而其取代二维平面显示的趋势势不可挡。当前，在许多游戏和娱乐产业，三维显示技术已经盛行，譬如：3D电影，3D游戏等。与此同时，在三维显示逐渐提高人们日常生活质量的同时，对三维显示中图像质量，人眼视觉舒适度的研究也逐渐成为了研究的焦点。

研究表明：人对整体图像效果的评价往往是包含了显示系统的光电特性和人眼视觉特性等多方面的复杂过程，立体图像的空间频率以及视差特征等都会影响人眼的视觉舒适度。因而本课题对图像显示质量和人眼视觉舒适度展开深入的分析研究将有助于提高三维立体显示系统的最终显示效果，进而有效地提高用户体验。

传统的视觉舒适度和立体显示质量的评价方法主要是基于全局的视差统计特性，例如整幅视差图像的均值，方差，分布范围等特征[1][2][3]。然而，在相关研究中表明：人眼在观察图片时，眼睛的注视区域并不是整张图片，而是集中在某一片区域内，也就是说人眼只对图片中的局部区域比较感兴趣，这一局部区域我们称之谓感兴趣区域（ROI: Region Of Interest），ROI区域内图像的特点可能会影响人对整张图片的质量评价和人眼的视觉舒适度，因而本课题研究关注区域（ROI）对图像显示质量和视觉舒适度的影响将会在传统的研究基础上更进一步地评价图像质量。

1.2 三维立体显示技术

三维，又称三维立体，它指的是由三个正交的坐标轴构建出来的立体空间，人眼所观察到的世界就是由这样的3D空间所决定的。在经过几十年发展的今天，三维立体技术已经形成了较为完善的理论。因为人的左、右眼存在一定的距离，所以在观察事物的时候，左右眼所看到的图像会存在些许的偏差，这也就是所谓的“视差”，这一视差通过人脑后就会产生三维的视觉，这便是我们所常见的基于双目视差的三维立体显示。这类显示技术的发展相对比较成熟，但是长期的观看会对人眼产生视疲劳。当然，随着科技的发展，也产生了非基于双目视差的三维显示技术，非基于双目视差原理的三维立体显示主要有全息立体显示、集成成像立体显示和体显示等，这类显示技术相对于基于双目视差的显示技术而言相对不太成熟，大多没有相应成品[4]。

1.2.1 基于双目视差的三维立体显示

基于人眼双目视差的三维立体显示主要包括眼镜/头盔式三维立体显示和光栅式自由立体显示，其中前者发展较为成熟，在我们日常生活中很普及，后者则有待进一步的研究。

（1）眼镜/头盔式三维立体显示

在日常生活中，我们接触最多的便是眼镜式三维立体显示，这种眼睛式三维立体显示可以根据其工作原理的不同分为四类：第一种是基于波长的立体显示，比如红蓝、红绿等互补式的立体眼镜的三维立体显示，这种显示技术通常采用红色和蓝色（以红蓝滤色式眼镜为例）的滤色片为镜片。带有3D眼镜的观看者观看投射出经过红色滤光和蓝色绿光的画面后就能够看到三维的画面[5]。这种最为原始的三维显示方法成本较低，但是通过这种方式获得的三维图像的颜色单调失真，且会让人眼感觉到很疲惫。

第二种是基于液晶快门式眼镜的立体显示，这种眼镜由可控制开关的液晶镜片组成，其工作原理主要是通过时分复合法，即当眼镜工作时，左右眼镜片会按照一定的频率依次变黑，通过这样的方式，人在瞬间只能有一只眼睛能看到图像，比如：当显示器显示右眼图像的时候，左眼镜片是关闭的，这一图像只能被右眼看到，同理，当显示左眼图像时，右眼也不能捕捉到图像；由于我们的眼睛是存在视觉暂留效应的，当显示设备的刷新频率（100HZ以上）足够快的时候，左右眼观看到的图像在经过大脑整合后便形成了三维立体图像；

第三种是基于双显示器式的3D眼镜。这类眼睛的原理是使用两个显示器分别安置在人的左右眼对应位置上，这两个显示器分别对应地显示左右画面，从而形成三维效果。

第四种是基于偏振眼镜的三维立体显示[6]，这种立体显示系统是利用偏振片来分离左右眼图像的。观察者在观看图像时，每个镜片只能观察到某一个偏振方向上的图片，因而左右眼会各接收到一幅图片，然后再经过人脑的组合就会呈现三维效果。

（2）光栅式自由立体显示

光栅式自由立体显示器则不需要依靠眼镜的辅助即可实现立体显示，可以根据采用的光栅类型分为狭缝式自由立体显示和柱透镜式自由立体显示两类[4]。它们的主要原理都是通过将显示屏与光栅相结合，使得在显示屏上有规律地分布左、右眼图像，然后调节人眼的位置，使得左、右眼只能观看到显示屏上出现的与左右眼相对应的图像，通过这样的方式产生的视差图像经过大脑的整合后就会产生立体的感觉。其中狭缝式立体显示主要依靠调节狭缝与像素层之间的几何关系，通过对光路的阻挡来实现对左、右眼图像的分离，如图1-1所示；而柱透镜式立体显示主要依靠调节透镜的焦距，通过不同的聚焦位置来实现对左、右眼图像的分离，如图1-2所示。

图1-1 狭缝式自由立体显示原理图

图1-2 透镜式自由立体显示原理图

1.2.2 非基于双目视差原理的三维立体显示

非基于双目视差原理的三维立体显示技术主要有以下几种：体三维显示技术、集成成像立体显示以及全息立体显示，这些显示原理的技术和产品都不太成熟，有待进行深入的研究。

（1）体三维显示技术（volumetric 3D display，V3D）

体三维立体显示技术可以直接地提供真实三维物理空间，这与三维图像在二维平面显示上位深度的表达方式截然不同。其原理通常是将三维物体分割为点阵或一系列二维图像，再依次扫描，利用人眼的视觉暂留显影形成立体图像[7][8]。体三维立体显示技术可以分为基于发光介质的体三维显示（基于固体介质能量跃迁，基于气体介质能量跃迁）和基于运动扫描的体三维显示（阴极射线球法，旋转发光二极管阵列以及激光扫描旋转螺旋面）。

（2）集成成像显示技术（Integral imaging or Integral Photography）

集成成像立体显示技术又称全景显示，这种技术通过微透镜阵列来显示全真三维场景。它主要包括记录和再现两个过程组成。首先，通过微透镜阵列记录物体空间多方位视角的图像信息，从而形成图像元阵列，图像元将场景中任意方位、地点的视差都记录在记录介质上，如图1-3。记录完成之后，将记录介质置于具有相同参数的微透镜阵列的焦平面上的相同位置处，根据光路可逆的原理，当用散射光照射时，在微透镜板的另一侧就可以观察到再现的空间场景。再现过程如图1-4所示。

图1-3 集成成像技术的记录过程

图1-4 集成成像技术的再现过程

（3）全息立体显示

全息立体显示一般分为光学全息和计算全息。光学全息的基本原理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅和相位，形成全息图。在全息图中保存着原始物光波的全部振幅与相位信息，因而当用相干光源照射全息图时由于光的衍射原理，原始物光波将会重新显现出来，从而形成了三维图像。计算全息的基本原理是通过计算机产生计算全息图，制版后再进行光学再现[3]。

1.3 立体图像显示质量和视觉舒适度的研究现状

各类三维显示技术的蓬勃发展极大地丰富了人们的生活，它所带来的视觉震撼力提高了人们的视觉体验质量。与此同时，为进一步提高观看体验，视觉舒适度和图像质量的研究也就变得不可或缺。图像质量和视觉舒适度的评价方法大体可以分为主观和客观两个方面。

1.3.1 立体图像显示质量和视觉舒适度的主观评价方法

主观评价方法主要借助被试的感觉来评价目标图像的质量，通过对目标图像进行评分来对图像的质量进行评价。在ITU-R. BT.500-11(2002)中介绍了三种主观实验的方法：双刺激连续质量标度法（DSCQS: Double Stimulus Continuous Quality Scale）、双刺激损伤标度方法（DSIS: Double Stimulus Impairment Scale）以及单刺激连续质量评价法（SSCQE: Single Stimulus Continuous Quality Evaluation）。在本课题的研究中，我们采用的是双刺激连续质量标度法，这种方法适用于评价某项参数（模糊）对显示质量的影响。在对主观质量评价过程中的测试图像，人员，观测距离以及实验环境等做相应的设置后，被试在不被告知哪个是原始图片的情况下，对随机出现的两张图（原图和后期处理过的图片）进行打分评价。

随着科技的进步，有学者对主观质量评价体系做出了进一步的改进。比如：Richardson利用引入被试反馈信息来促进主观质量评价过程[10][11]。

1.3.2 立体图像显示质量和视觉舒适度的客观评价方法

客观评价方法是根据人体的视觉感知机制来建立相关的模型，从而衡量图像质量和视觉舒适度的。和主观评价方法相比较，客观评价方法的随机性比较小，实验操作过程也比较简单，因而评价方法已经成为该领域的焦点。

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