Subjektivní testy směrové závislosti prostorového vjemu u různých typů 3D televizorů

Rok / Year: 2012

Svazek / Volume: 14

Číslo / Issue: 2

Subjektivní testy směrové závislosti prostorového vjemu u různých typů 3D televizorů Subjective tests of the directional dependence of spatial perception in various types of 3D TV sets Václav Říčný, Libor Boleček, Ondřej Kaller [email protected], [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Článek se zabývá hodnocením vlivu úhlu pozorování na kvalitu a zejména prostorový vjem při pozorování technologicky odlišných 3D zobrazovačů i 3D zobrazovacích metod. Jsou v něm uvedeny výsledky subjektivních testů uskutečněných dvěma odlišnými metodami a 28 pozorovateli různých věkových kategorií. Protože výsledky testů jsou podstatně ovlivněny i odlišnými technologiemi zobrazovačů (LCD, plasma) jsou v článku uvedeny i výsledky provedených objektivních měření jejich fotometrických a kolorimetrických parametrů v závislosti na úhlu pozorování. V článku je uveden popis použitých testovacích metod, průměry výsledků subjektivních testů provedených oběma metodami i všemi pozorovateli a zhodnocení testů

Abstract: This paper deals with the influence of the angle of observation the quality and particularly of the spatial perception in the observation of technologically different 3D display and 3D imaging methods. It features with the results of subjective tests carried out two different methods and different observers 28 ages. Because test results are substantially influenced by different display technologies (LCD, plasma) , the article also mentioned the results of the objective measurement of their photometric and colorimetric parameters.

2012/25 – 11. 4. 2012

Subjektivní testy směrové závislosti prostorového vjemu u různých typů 3D televizorů Václav Říčný, Libor Boleček, Ondřej Kaller Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstrakt – Článek se zabývá hodnocením vlivu úhlu pozorování na kvalitu a zejména prostorový vjem při pozorování technologicky odlišných 3D zobrazovačů i 3D zobrazovacích metod. Jsou v něm uvedeny výsledky subjektivních testů uskutečněných dvěma odlišnými metodami a 28 pozorovateli různých věkových kategorií. Protože výsledky testů jsou podstatně ovlivněny i odlišnými technologiemi zobrazovačů (LCD, plasma) jsou v článku uvedeny i výsledky provedených objektivních měření jejich fotometrických a kolorimetrických parametrů v závislosti na úhlu pozorování. V článku je uveden popis použitých testovacích metod, průměry výsledků subjektivních testů provedených oběma metodami i všemi pozorovateli a zhodnocení testů.

1

Úvod

3D televize prochází v současné době rychlým vývojem a bezpochyby ji patří budoucnost. Zatím jsou na trhu pouze 3D televizory, u kterých divák k vytvoření prostorového vjemu potřebuje optické pomůcky (speciální brýle). Kvalita a prostorový vjem diváka závisí do značné míry na pozorovacím úhlu. Na Ústavu radioelektroniky FEKT VUT v Brně byly uskutečněny subjektivní testy této závislosti skupinou 28 pozorovatelů (hodnotitelů) různých věkových skupin (od 21 do 70 let). Cílem experimentů bylo porovnání a vyhodnocení směrové závislosti prostorového vjemu diváků u současných 3D televizorů. Subjektivní prostorový vjem diváka ovlivňuje nejen technologie zobrazovače (zatím nejčastěji LCD nebo plasma), ale rovněž 3D zobrazovací metody použité různými výrobci v 3D televizorech. V současné době jsou to především ● metoda zatmívání (angl. Eclipse Method). Snímky L a R (pro levé a pravé oko) se zobrazují postupně (v časovém sledu) a divák je pozoruje přes synchronně řízené aktivní zatmívací brýle, ● pasivní metoda s polarizační separací levých a pravých dílčích snímků. Ty jsou zobrazovány současně (obdoba barevné separace anaglyfů). Pozorování se uskutečňuje přes levnější neřízené pasivní polarizační brýle. V subjektivních testech prostorového vjemu a kvality v závislosti na pozorovacím úhlu nelze vlivy různých technologií a různých 3D zobrazovacích metod oddělit. Proto bylo součástí našeho výzkum také objektivní měření fotometrických a kolorimetrických parametrů zobrazovačů a jejich směrové závislosti u 3D televizních přijímačů, které byly použity pro testování. To umožnilo alespoň částečné posouzení vlivu technologie zobrazovače na subjektivně posuzovaný prostorový vjem a

kvalitu pozorovaného obrazu. Pro měření a testování byly použity dva nejrozšířenější typy 3D televizorů s odlišnými technologiemi zobrazovačů i 3D zobrazovacích systémů. Oba televizory mají Full HD rozlišení a stejné velikostí zobrazovače (42"): ● 3D televizor Panasonic TX-P42GTT20E s plasmovým zobrazovačem a řízenými zatmívacími LCD brýlemi, ● 3D televizor LG 42LW570S s LCD zobrazovačem LED prosvětlení) a pasivními polarizačními brýlemi (technologie CINEMA 3D).

2

Měření fotometrických a kolorimetrických parametrů použitých zobrazovačů.

K měření byly použity elektronicky generované signály zkušebních obrazců (červeného, modrého a zeleného a bílého se 100% sytostí) přiváděné na video-vstup testovaných televizních přijímačů. Ty byly nastaveny na maximální sytost S barev a na přibližně stejný zobrazovaný jas B bílého obrazce při měření v kolmém směru k zobrazovači. Pro měření fotometrických a kolorimetrických parametrů byl použit přístroj Chroma Meter CS-100A firmy Konica Minolta. Ve všech měřicích posicích byla zachována stejná vzdálenost (1m) k zobrazovači. Z naměřených trichromatických souřadnic xi a yi pro různé úhly pozorování α v horizontálním směru (měřené od kolmice k ploše zobrazovače) byly pomocí diagramu CIE stanoveny sytosti Si tří základních barev R,G,B. Následně byly vypočteny jejich relativní hodnoty Si,r = Si(α)/Si,0 vztažené pro různé úhly měření k

25 – 1

Obrázek 1: Závislost relativní barevné sytosti Sr a jasu Br na úhlu pozorování α v horizontálním směru pro plasmový televizor Panasonic TX-P42GTT20E

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/25 – 11. 4. 2012

maximálním hodnotám Si,0 odpovídajícím kolmému směru měření (α = 0). Stejným způsobem byl pro různé úhly měření vypočten relativní jas Br = B(α)/B0 .

vzdálenost pro použité 40" zobrazovače - 2,5 m (posice pozorovatelů jsou umístěny na kružnici). V každé posici pozorovatel hodnotil prostorový vjem (hloubku pozorované scény) a subjektivně vnímanou kvalitu 3D obrazu - zejména ostrost obrazu, 3D přeslechy (3D crosstalk), věrnost barevného podání, pohybová zkreslení apod.

Obrázek 2: Závislost relativní barevné sytosti Sr a jasu Br na úhlu pozorování α v horizontálním směru pro LCD televizor LG 42LW570S Výsledky měření jsou uvedeny v grafické formě pro oba typy televizorů na obrázcích 1 a 2. Potvrzují známou skutečnost, že směrová závislost barevné reprodukce obrazu je u plasmových zobrazovačů menší.

3

Použité metody subjektivního testování

Subjektivní testování prostorového vjemu a kvality obrazu byly prováděny v různých posicích pozorovatelů – pro různé úhly pozorování. Úhly pozorování ve směru horizontálním (α) i vertikálním (β) se měnily po 10˚ od 0 (kolmý směr pozorování) do 80˚ ve směru horizontálním a do 50˚ ve směru vertikálním. Pro logicky předpokládanou osovou symetrii hodnocených parametrů se testování prováděla jen v jednom směru.

Obrázek 3: Schématické uspořádání pracoviště Schématické uspořádání pracoviště je na obr. 3 a jeho vzhled je patrný z fotografie na obrázku 4. Subjektivní testy i měření objektivních fotometrických a kolorimetrických parametrů byly prováděny v částečně zatemněné místnosti. Ve všech testovacích posicích byla zachována optimální pozorovací

Obrázek 4: Vzhled testovacího pracoviště Zrakové schopnosti (včetně dobrého barevného vidění), potencionálních účastníků subjektivních testů byly nejdříve ověřeny pomocí kontrolních testů. Byla vybrána skupina 28 pozorovatelů, z nichž převážná většina již měla zkušenost se sledováním 3D televize. Pro testování byly použity dvě odlišné metody. U metody A pozorovatelé užívali pro okamžité hodnocení scény sedmistupňovou stupnici (7- nejlepší, 1- nejhorší). V případě druhé metody B hodnocení z předchozí pozice představuje referenci. Hodnotitel tedy v další pozici hodnotí relativně procentním vyjádřením oba parametry ve srovnání s obrazem pozorovaným v předchozí pozici. Pro jednotnou interpretaci byly výsledky metody A následně přepočteny rovněž na relativní procentní vyjádření (7 odpovídá 100%). Poté pro účely grafického zobrazení byly výsledky testů získaných dle metod A i B průměrovány. Subjektivní testy mohou být do značné míry ovlivněny i obsahem hodnocených statických 3D obrazů a video-sekvencí. Pro účely těchto testů byly vybrány tři 3D video-sekvence s dobou trvání cca 10 sekund, obsahující převážně scény s výraznou hloubkou. Byly rovněž hodnoceny dva 3D statické obrazy, vybrané z těchto video-sekvenci. Na jejich hodnocení měli pozorovatelé čas zhruba 5 sekund. Všechny testovací 3D obrazové předlohy byly přehrávány z multimediálního přehrávače Xstreamer Ultra v nativním Full HD rozlišení (1080 x 1920 bodů) a ve formátu „Side by Side“. Pro účely grafického zobrazení byly rovněž výsledky hodnocení všech pěti 3D testovaných video-sekvencí a obrazů zprůměrňovány a výsledky jsou uvedeny na obrázcích 5 až 8. Tyto závislosti představují také průměr výsledků hodnocení všech 28 pozorovatelů (hodnotitelů). Při analýze dílčích výsledků hodnocení jednotlivých předloh však bylo možno najít jisté rozdíly zejména prostorového vjemu při hodnocení 3D videosekvencí a statických 3D snímků.

25 – 2

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/25 – 11. 4. 2012

4

Výsledky subjektivních testů

Analyzované výsledky subjektivních testů jsou přehledně zobrazeny formou grafických závislostí na obrázcích 5 až 8. Jsou na nich zobrazeny závislosti průměrů hodnocení všech 28 hodnotitelů oběma metodami (A a B) i průměr hodnocení všech pěti obrazových předloh.

Obrázek 8: Závislost průměrného hodnocení relativní kvality obrazu na úhlu pozorování β ve vertikálním směru

5 Obrázek 5: Závislost průměrného hodnocení relativního prostorového vjemu na úhlu pozorování α v horizontálním směru

Obrázek 6: Závislost průměrného hodnocení relativní kvality obrazu na úhlu pozorování α v horizontálním směru O

Obrázek 7: Závislost průměrného hodnocení relativního prostorového vjemu na úhlu pozorování β ve vertikálním směru

Závěr

Účelem testů a měření, jejichž metodika a dosažené výsledky jsou popsány v tomto článku, bylo posoudit subjektivně vnímaný prostorový vjem a kvalitu 3D obrazů v závislosti na úhlu pozorování (posici diváka) v horizontálním i vertikálním směru. Subjektivní testy byly uskutečněny pomocí skupiny 28 vybraných pozorovatelů (hodnotitelů) ve věkovém rozmezí 18 až 65 let. Všichni byli nejprve podrobeni testu stavu zraku (vyhovující barevné vidění, rozlišení detailů apod.). Testované 3D obrazy (video-sekvence i statické snímky) byly zobrazovány na dvou 3D televizorech s technologicky odlišnými zobrazovači (LCD a plasma) a s různými systémy 3D zobrazování vyžadujícími optické pomůcky (zatmívací sekvenční metoda Eclipse s aktivními synchronně řízenými brýlemi a separace simultánně zobrazovaných sub-snímků L a R pomocí neřízených polarizačních brýlí). Subjektivně vnímaný prostorový vjem i kvalita obrazu v závislosti na úhlu pozorování je ovlivněn jak technologií zobrazovače, tak systémem 3D zobrazování. Při subjektivním hodnocení tyto vlivy nelze prakticky oddělit. Proto byly pro oba použité typy zobrazovačů změřeny také změny fotometrických a kolorimetrických parametrů v závislosti na úhlu pozorování. Měření potvrdila známou skutečnost, že plasmový zobrazovač vykazuje podstatně menší závislost těchto parametrů na úhlu pozorování, což je patrné z grafických závislostí na obrázcích 1 a 2. Ukázalo se, že subjektivní prostorový vjem ovlivňuje rovněž obsah i dynamika zobrazované 3D scény. Prostorový vjem byl lepší u scén s přirozenou větší hloubkou a u scén s menší dynamikou (např. u statických 3D obrazů). Proto byly pro testy použity tři odlišné video-sekvence a dva statické snímky. Úmyslně nebyly pro tento účel použity video-sekvence z 3D počítačových her a filmů (např. Avatar), neboť ty jsou většinou natáčeny tak, že stereoskopický vjem je uměle zvýrazněn a není tudíž přirozený. Protože našim hlavním cílem bylo posoudit rozdílnost subjektivního prostorového vjemu a kvality 3D obrazů v závislosti na úhlu pozorování pro dva testované typy 3D televizorů, byly pro účely grafického zobrazení výsledky testů jednotlivých 3D obrazových předloh průměrovány. Pro testování byly užity dvě odlišné testovací metody popsané v odstavci 3. Získaná hodnocení se však zásadně neliší. 25 – 3

VOL.14, NO.2, APRIL 2012

2012/25 – 11. 4. 2012

Výsledky testů vesměs potvrdily teoretické předpoklady. Přes odlišné průběhy objektivně měřených fotometrických a kolorimetrických parametrů obou 3D televizorů v závislosti na úhlu pozorování (obrázky 1 a 2) je průměrný subjektivní prostorový vjem pozorovatelů (vjem hloubky scény) i hodnocení kvality při malých úhlech pozorování α ve směru horizontálním (cca do 20˚) přibližně stejný u obou 3D televizorů s rozdílnými technologiemi zobrazovačů i systémy 3D zobrazení. Rozdíly se projevují až při větších úhlech pozorování – tedy při vzdálení pozorovatele od optimální polohy (kolmého směru pozorování). Pro malé pozorovací úhly nebyly pozorovány ani významnější změny rozlišení detailů (v rámci hodnocení kvality obrazu), která teoreticky měla nastat u televizoru LG vlivem použité pasivní polarizační separace při 3D zobrazení. V tomto případě se však naopak velmi výrazně projevil pokles kvality obrazu a prostorového vjemu při zvyšován úhlu pozorování ve vertikálním směru (viz průběhy na obrázcích 7 a 8). Testy rovněž prokázaly vcelku logicky předvídatelnou skutečnost, že pozorovatelé jsou schopni přesněji vyhodnocovat malé degradace obrazu a změny hloubky scény u statických snímků nebo u video-sekvencí s malou dynamikou. Rovněž obsah testovacích snímků má zřejmě vliv na výsledky subjektivních testů. Přestože prostorový vjem je zřetelnější u scén s větší hloubkou, většina respondentů byla schopna lépe vyhodnocovat jeho změny při změně úhlu pozorování u testovacích scén s menší hloubkou. V optimální pozorovací posici a blízko ní pozorovatelé hodnotili prostorový vjem i kvalitu obrazů reprodukovaných oběma 3D televizory prakticky shodně. Pro větší úhly pozorování vykazoval menší závislost těchto parametrů plasmový televizor se sekvenční metodou 3D zobrazování.

[4] ČÍŽEK, P. Prostorové zobrazování. Diplomová práce. Fakulta aplikovaných věd, ZČU Plzeň, 2005 [5] KALLONIATIS,M., LUU Ch., Perception of Depth. Webvision, 2009. Dostupné na: http://webvision.med.utah.edu/book/part-viii-gabacreceptors/perception-of-depth/ [6] 3D Tutorial: 3D & Depth Perception. Dostupné na: http://www.perspective-book.com/drawing-painting/3Dtutorial.html

Acknowledgment Článek vznikl za podpory a v rámci grantového projektu Grantové agentury České republiky č. 102/10/1320 “Research and Modelling of Advanced Methods of Image Quality Evaluation”, dale MŠMT ČR a národního projektu č. LD12005 "Aspekty kvality obrazu při vysílání a v širokopásmových multimediálních službách (QUALEXAM)".

Literatura [1] KIM, T., RA, J., LEE, J.H., MOON, S.H., CHOI, K.Y. 3D Cross-talk Compensation to Enhance 3D Image Quality of Plasma Display Panel. In Consumer Electronic IEEE Transaction, 2011,Vol. 57, No 4, p.1471-1477 [2] DOUMEN, M.J. Visual Perception of Spatial Relations in Dept. Doctoral thesis, Utrecht University, 2006. Dostupné na: http://igiturarchive.library.uu.nl/dissertations/2006-0906200859/index.htm [3] ŘÍČNÝ,V., SLANINA, M., KRATOCHVÍL,T. Analysis of Color Reproduction of Monolithic Displays. In Proceeding of 20th International Conference Radioelektronika 2011 Brno, ČR: VUT v Brně, 2011. p.79 – 82

25 – 4

VOL.14, NO.2, APRIL 2012