立体显示下双目颜色融合结果的定量测量

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论文字数:43266 论文编号:sb2021081617321436976 日期:2021-08-30 来源:硕博论文网
本文的颜色测量的方法有一定创新性,通过精准控制颜色,定量测量了不同饱和度和不同色相的双目融合结果。并对所获得的实验数据进行统计分析,为双目颜色融合预测模型的建立提供依据,最后建立了双目颜色融合的数学模型和神经网络模型。所描述的实验结果验证了双目颜色融合的基本原理,并给出了利用颜色信息提高立体显示视觉舒适度以及降低立体显示成本的有效方法。

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义
随着科技的发展,时代的进步,立体显示技术在电影、游戏、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等领域已有广泛应用[1-3]。然而,视觉的不舒适是立体显示技术发展道路上的主要问题[1,4]。立体感主要由存在视差的左右眼图像对来实现。利用时间交错和空间交错的方式来进行分像从而产生视差是目前最常见的立体显示方式。图  1.1 是用时间交错的原理将不同的两幅图像交替呈现给双眼。在同一时刻,左右眼出现了信息不对称的情况,左眼为彩色时,右眼为黑色。由于视觉感知系统存在一定的延时,能将两幅图像出现的时间差异转换为空间视差,这种现象称为视觉暂留[5]。此外,颜色作为必要的视觉信息,在立体显示的几个阶段,包括图像采集、编码、传输、渲染和显示,都易受自然光照、硬件设备、软件算法等各种因素的影响,导致左右图像的颜色失真[6]。严重的失真现象不仅会影响显示效果的美观,还会引起难以忽视的视觉不舒适以及视觉疲劳[7]。
人类视觉系统作为一个信号传输以及处理系统,具有从低到高分层处理的特性。色彩从单目到双目的处理,就是从低级到高级视觉的过程,立体视觉作为双目视觉也从属于高级视觉[9]。所以在立体显示中,当双目颜色出现信息不对称时,立体视融合和颜色融合共同发生,增加了视觉系统信息处理的负担,造成视觉疲劳[10]。为了保证立体显示的舒适度,左右眼图像的颜色差异不应该超过一定的界限,称为双目颜色融合界限[11]。超出界限的颜色差异会导致双目颜色竞争的产生,在此情况下,两种颜色会呈周期性交替出现在脑海中[12]。当两眼接收到的颜色在界限范围内时,视中枢将两种颜色融合成稳定的单一感知颜色,这种现象称为双目颜色融合[13]。
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1.2 研究现状
1.2.1 国外研究现状
(1)双目颜色融合
大多数人都有两个正常运作的眼睛,但是我们仍然以某种方式将视觉世界视为一个单一的实体,大部分时间我们的大脑都正在接收和处理来自外部世界的两组不同的且基本独立的视觉信号。但如何将世界视为一个世界,几个世纪以来一直吸引着科学家们。颜色在这种现象中可能起到一定的作用。当用一只眼睛观看某个物体时,由于与用另一只眼睛观看时具有相同的光谱反射特性,因此看起来可能是相同的颜色,这是视觉世界中的一个特征。因此,眼间颜色相似可能是融合的一个很好的视觉线索。然而,当两只眼睛呈现的颜色不同时会发生什么,是一直存在争议性的双色混合问题。当每只眼睛分别呈现两种不同颜色的色光时,色光的组合方式是否与它们叠加在同一只眼睛上时的结果相似?
对这一现象的第一次研究似乎是在 18 世纪早期,使用不同颜色的丝绸通过一个孔进行观察[14]。后来,在 19 世纪,鉴于 Helmholtz 与 Hering 的色觉理论的不同预测,双色混合色的存在与否是 Helmholtz 和 Hering 之间争议的来源。最具争议的一个点是,当一只眼睛输入红光,另一只眼睛输入绿光时,是否可以获得“双目黄色”。有研究表明,只要满足一定的条件,真正的双色混合确实会发生。小而有纹理的光斑比大而均匀的光斑融合得更稳定;闪烁的刺激比稳定的刺激混合得更稳定;亮度和色度接近的低亮度和低饱和度的光斑比亮度和色度差异较大的高亮度和高饱和度的光斑融合得更稳定[15,16]。
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第2章 基础理论

2.1 立体显示技术
传统平面显示技术是将要显示的信息以二维平面形式展示出来供人眼观看,而立体显示技术是根据人眼能感受三维立体空间的特性将信息以三维图像的形式展现出来。本文的研究主要针对于基于双目视差的立体显示技术。其本质是人体左右眼的视差形成对空间物体观测的微小差异,经过大脑处理后能够感受出物体的空间远近程度。在立体显示技术成熟发展之前已经有在二维平面上展示三维图像的立体画出现,它是展示左右略有差异的图像且其中心差距比人眼瞳距稍小,经过人眼双眼左右分视后就能看到居中的立体图像,但是其过程缓慢且有难度,长时间分视也会造成人眼有不适感。但是根据此原理发展的显示技术可以一定程度上解决以上问题,其通常是利用分光元件使左右眼感受到不同的图像。根据分光元件的位置的不同,可以分为助视三维显示和自由立体显示,如图 2.1 所示。前者分光元件在人眼附近,一般为眼镜类型,后者在图像显示处。
图  2.1   立体显示技术分类
图  2.1   立体显示技术分类 
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2.2 显示器颜色特性化
同一张图片用不同的设备显示,会存在一定的色差。为了准确控制实验中颜色的呈现,需要提前对显示器进行颜色特性评估测量。本文使用 Photo Research PR-715 光谱辐射计通过 3D 眼镜对显示器进行测量,测试方法按照视频电子标准协会的相关要求实施。如图  2.2 所示,光谱辐射计与显示器的距离为屏幕高度的 4 倍,测量中心对准屏幕中心位置。该位置呈现直径为 2 度的圆形色块,周围背景为黑色。测试之前需要对仪器和显示器进行 2 小时的预热,且测试时要避免外界光源的影响,全程在暗室中进行。 
图  2.2   显示器颜色特性测试
图  2.2   显示器颜色特性测试 
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第3章 双目颜色融合实验的设计..........................35
3.1设计流程..........................35
3.2设计方案..........................35
第4章 不同饱和度的双目颜色融合实验......................42
4.1输入刺激.........................42
4.2数据分析........................42
第5章 不同色相的双目颜色融合实验 ...............................53
5.1输入刺激..........................53
5.2数据分析...........................53

第6章 双目颜色融合模型建立

6.1 数学建模
本节利用 MATLAB 对所测量的数据均值进行模型拟合,以期建立针对颜色融合的双目感知量化方程。根据上述数据分析的结论,选择加权平均模型进行拟合。其中 x 和 y 为左右眼输入变量,a 为常量,约等于 0.5,需拟合获得。
图  6.1   加权平均模型拟合结果
图  6.1   加权平均模型拟合结果 

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第7章 总结与展望


左右颜色差异是立体显示中常见的现象,可导致视觉不舒适。不一致的颜色信息分别进入双眼后,可能造成双目竞争,两种颜色呈周期性交替出现。也可能出现双目融合,此时,视觉系统将它们融合成一种颜色,有些颜色信息被丢弃,有些颜色信息被保留下来。因此,需要对双目颜色信息处理进行量化研究。本课题在立体显示条件下,研究双目颜色融合的有关理论。主要工作内容如下:
1.设计了双目颜色融合的视觉心理物理学实验。整个实验过程由 Visual c#语言在 Microsoft Visual Studio 开发环境下编写的专用软件控制。主要功能包括对显示器的颜色特性化校正、色彩空间的转换、刺激颜色的生成、实验过程的控制、被试实验数据的存储等。实验数据的处理和分析由 MATLAB 软件完成。
2.定量测量了不同饱和度的双目融合结果。在 CIELAB 颜色空间的等亮度平面上,向一只眼睛呈现饱和度为 0 和色相为 0 的灰色刺激,向另一只眼睛呈现饱和度分别为 8、12 和 16,色相分别为 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和 315°的 24(3*8)个彩色刺激。实验结果表明,当给一只眼睛呈现灰色刺激,另一只眼睛呈现彩色刺激时,视觉系统将两种颜色融合成彩色。且感知到的颜色的饱和度接近原彩色的饱和度的 1/2,感知到的颜色的色相接近原彩色的色相。根据实验结果,提出了只需要一幅彩色图像的立体成像方式,此方法减少了颜色冗余信息,降低了成本。
3.定量测量了不同色相的双目融合结果。在等亮度平面上,向一只眼睛分别呈现饱和度为 4、8 和色相为 0°、45°、90°、180°的颜色刺激,向另一只眼睛呈现饱和度与之相等,色相相差 180°的对立色刺激,总计 8(2*4)对刺激。实验结果表明,当给两只眼睛分别呈现饱和度和亮度相等,色相对立的两种颜色时。感知到的颜色的饱和度产生衰减,甚至近似于灰色,感知到的颜色的色相偏向于蓝绿色。根据实验结果,提出了一种双目抑制机制,当两只眼睛接收到不同的信息时,它们会相互制约,相互调节,达到平衡。
参考文献(略)


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