1、3D模型之立体感知控制研究 Controlling depth perception for rendering stereoscopic 3D models,研究摘要1.1研究背景 1.2研究动机与目的,现今想使用立体影像的方式去自动浏览一个3D模型是不容易的，往往产生出视觉舒适度不甚理想等情况，让人无法长期凝视。仅有少数3D软件可仿真立体影像的拍摄手法。故本研究注重发展虚拟立体相机的调变机制，以OpenGL实作立体浏览环境，探讨不同的3D虚拟相机摆设方式(arrangement of virtual cameras)、相机夹角(camera vergence)、视差分布(parallax
2、distribution)等变量所产生的立体影像，并探讨这些参数与视觉舒适之间的相关性。依研究中找出舒适的阈值，既可使虚拟立体相机的调变机制有着可参考的限定区间，更可确保大部份的视差都落在舒适范围内，并透过软件自动调整虚拟相机，让使用者浏览3D画面时，全程皆可融合立体影像，以减少不舒适的问题。,2立体技术与成像原理 2.1立体显示器,立体影像技术主要分为两大类：眼镜式与裸眼式如图2-1所示，差别在于眼镜式的立体影像需借助于注视仪器，而裸眼式则不用藉由注视仪器即可观看。,快门式与偏光眼镜是近期较流行的立体技术。两种技术各有优缺点，其主要差异如表2-1，经由此比较后，本研究中选择偏光式立体显示器。
3、,2.2双眼视差产生的立体视觉,2.2.1感知深度,深度的感知可用来判断空间中物体的相对位置，可分为单眼线索(monocular depth clues)与双眼线索(binocular depth cues)以及移动深度线索(motion based depth cues)三大类6。,单眼视觉(monocularly)又可分为以下项目：,移动深度线索(motion based depth cues)是指当发生相对运动时，近的物体会移动较快，远的物体会移动较慢，而基于大脑处理视觉刺激，并将刺激产生深度相关线索。 双眼线索(binocular depth cues)是利用人的双眼产生的两种不同视角
4、，并使景物在双眼中产生的差距，又称之视网膜差距(retinal dispaties)或双眼视差。而双眼线索可由单眼深度配合移动深度线索产生而来的，故此深度线索会更为准确。,2.2.2成像原理,当人眼观看景物时，通常凝视点与收敛距离相同，如图2-6中间影像所示，然而现今的帄面立体显示技术尚未能将凝视点与收敛点完全限定至相同距离，故会造成图2-6最左与最右图的情况，而不同视差所产生的立体影像，依图2-6左至右分别为负视差、零视差、正视差的立体影像。此现象可在脑中融合出立体深度感，但伴随而来的则是视觉系统错误认知。换句话说立体影像与屏幕上左右影像正在不断地来回调节眼球中的水晶体，使得屏幕影像，能完全
5、被大脑给接受。故此种三维效果是有可能造成视觉疲劳的潜在因素7。,2.3视角的量化计算,而最常被引用的深度线索为双眼视差(binocular parallax)，如图2-7所示，定义视差为观看立体对象时，视线方向夹角与一般观看屏幕状态下夹角的差值8。舒适评估大多文献研究是藉由视差角的大小做为评判依据9。一般而言，画面中各区块所产生的立体视差很可能不相同。故研究中无法猜测使用者会观看画面中的那个区块，因此采用屏幕中间视点的视差分布来分析影像。,模型投影至屏幕中，算出对于投影后的视差面积分布图。,3文献探讨3.1立体影像融合范围,公元2011年Tam等学者指出，双眼观看对象时，双眼会因同视点理论(h
6、oropter)而形成一种凝视点轨迹如图3-1所示，人眼观看同视点时则会将同视点前后的景物也映入在人眼视网膜上。换句话说双眼观看同视点，则影像没有视差影响，而观看融合区间中(fusional limits)的影像，会有视差以及可在大脑融合并产生立体感，但观看融合区间外的影像却产生无法融合，以及双眼竞争等情况11。,3.2视觉疲劳,视觉疲劳影响因素有四种分别为，(1)左右影像的几何变形，(2)左右影像不同步，(3)凝视点与收敛点相互冲突，(4)过大的视差。故影像错误率应低于人类视觉系统的容忍阈值。公元2006年Wang等学者根据研究指出，当人眼观看立体影像时会产生凝视点(accommodatio
7、n)与视线交会位置(convergence)不匹配时，则较会产生凝视点与影像预估呈现点不一致的现象如图3-4。换句话说观看3D立体影像时，可能因人眼凝视点与视线交会位置不同，造成影像不真实以及视觉疲劳20。因人眼的景深(depth of field)有一定的限制。故凝视点前后超出景深的物体在大脑的成像看起来是模糊的，有可能造成视觉疲劳。观看2D合成3D的内容时，将与真实3D场景有所不同，主要原因乃是凝视点落在屏幕上，而眼球交会位置落于屏幕后方，因此凝视点位于屏幕上，整张立体影像清晰且无模糊情况，与真实3D有冲突21。,3.3立体影像感知能力,公元2002年Nojiri等学者根据研究指出，若将屏
8、幕分为九区块，则立体影像的绘制编排，建议应采上半部三区块为凹入屏幕(正视差)，下半部三区块为击出屏幕(负视差)的画面。Factor(comfort) =0.36xpp+1.0xsp-0.9pd+ c,3.4像差与视差,公元2010年Lang等学者发表了非线性视差映像技术(non-linear disparity remapping)，其技术可将3D效果不良的影片重新分配原有的像差，使得3D效果可以限定在特定范围内，让人在观看立体影片的舒适度增高。公元2002年Kawahara等学者根据统计研究发现，观看3D投影式的立体影像，其立体影像的视差分布与视觉舒适度有很高的相关性，换句话说视差越大，舒适
9、程度越低。而场景立体存在感与视差分布并没有很高的相关性24，故此分析对将会引用至本实验假设的视差分布与舒适度影响。,4实验设计与研究方法,实验设计主要分为四大部分，分别为实验对象、实验工具、实验设计，以及统计的方法。,4.1视差分布分析处理,视差是分析立体影像舒适度的重要指针,本研究采用人脸的立体模型来评估此项假设，以人脸的立体模型来做主要因素是遮蔽面的演算不高，藉由左右相机拍摄一张人脸模型，并依照深度图转视差图的方式完成此项评估。,4.2前置测试,实验测试流程主要由用户先观看近乎零视差的立体模型，之后随意更改模型位置调整至舒适临界值，最后填写当前影像之问卷。受测者调整的影像可能会产生两种临界
10、值如图4-5正视差与负视差，分别为影像靠近与影像远离的两种影像。基于上述提出的界定方法，并由12位平均年龄22岁，立体视觉正常的受测者测试舒适区间的界定。实验在暗室中进行，观测距离约100公分，并以五尺度量表评估舒适度的范围。,从实验结果发现在此款屏幕下0.92至1.15、-0.79至-0.98的视差是可融合但却不舒适。,4.3程序编写架构,采用C/C+程序语言，结合OpenGL绘图函数库，并应用于显示适配器抓取深度图的加速机制，开发一套可以浏览3D模型对象的立体呈现软件。,最后依照立体相机的初始位置设定光源，也就是虚拟光源伴随着相机移动而变动光源位置。,4.4实验对象,受测对象平均年龄居于2
11、4岁左右，受测者双眼瞳孔间距平均约6.3公分，观赏立体屏幕距离约三倍屏幕高度，受测人数15人。,4.5实验工具,立体视觉测试工具:藉由此工具来检测受测者是否有立体盲。 疲劳程度测试工具 闪光融合仪:疲劳程度是一种人体感知系统，较不能藉由量化的方式呈现，故研究中测试人眼观看闪烁速率的快慢。而当眼睛疲劳状态下通常只能分辨比较低频的闪烁。,4.5.3立体影像观赏及操作接口,藉由3D鼠标的开发将立体模型以最直觉的方式移动及旋转，而变动后的的立体影像未尽理想，将采用视差直方统计图完成每个影像的舒适区域调整。,4.6实验设计4.6-1实验一融合范围分析,视差分布图中可提出两变动因子分别为视差范围以及视差平
12、均值。视差平均值与视差范围皆有五阶层变化，故此实验将依照此两变因产生二十五张立体测试影像。,受测者:本实验受测者共有15名，年龄分布介于23岁至25岁，其中男女比例为10位男性与5位女性。所有受测者皆通过立视觉的测试以及视力正常测试(1.0)。,当受测者在3D模式下观看影像，主观评价项目分为立体感、融合程度立体感(depth of sense)：测试立体影像与参考立体影像(如图4-21所示，由左至右分别为固定评价2、4、6分的参考值)之立体感知对比程度，若立体感知程度较参考影像高，则评分越高。融合程度(fusion)：观看整体立体影像时，其影像每个细节的融合程度，若融合程度越高则分数越高。,4
13、.6.2实验二智能调变机制实验设计,承接实验一的内容进行舒适阈值的限定如图4-23，由最初始的人因观看条件设定(viewing condition)，依人因条件优化立体虚拟相机测试模型:,4.7统计方法,实验一融合范围分析为双因子变异数分析法，其变量为均值视差与视差范围，实验二智慧调变机制实验单因子变异数分析法，其变量为调变前后的舒适影响单因子变异数分析法,5 实验结果分析与讨论,其问卷题目如下七点： 1.看屏幕内容有困难2.眼睛周围有眼花撩乱 的感觉3.感到眼睛疲劳4.感到视线模糊5.感到头痛6.注视屏幕时感到晕眩7.有想呕吐的感觉,6结论与建议,6.1结论本论文提出一套可依使用者任意调变方位的立体影像观赏软件，该软件具有智能立体调变机制，可依照人因结果的舒适融合阈值进行动态实时调变，让观测者有着舒适的感官以及刺激的深度感知。根据本研究中所建立的舒适融合区间，可以得出立体感知与视差范围有着密切相关，也就是说视差范围值越大其观看结果越立体。6.2未来发展本研究中指出中型尺寸的立体显示器的舒适阈值，并依照此舒适阈值发展一套智慧调变机制，但此阈值可能只适用于27吋偏光式立体显示器，未来将可多方发展至大小尺寸及手机与娱乐设施上，在智慧调变机制也可量化成选单形式，并依照不同情况、不同环境去做调变，使立体影像、立体娱乐可以更有显著的发展。,
