CN104247411B - 校正由立体显示的调节效应引起的失真误差的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于校正由观察者在屏幕上看到的3D内容中的失真误差的方法和装置。该方法包括如下步骤：确定针孔模型投影的圆柱体的呈现的圆度因子(rrf)，取决于观察者到屏幕的所定义的距离以及图像的对象的视差值来估计呈现的圆度因子表，对观察者确定视差变换函数(TD)作为估计的呈现的圆度因子表的函数并且使用该视差变换来修改对象视差值以使得提供为“1”的感知的圆度因子。

Description

校正由立体显示的调节效应引起的失真误差的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于校正由于立体显示中的调节效应(accommodation effect)引起的失真误差的方法和装置。它发生在3D呈现的领域。在本发明中，所显示的或所处理的视频内容是立体的或多视图3D内容。
背景技术
如果对每一个眼睛示出单个图像，则可以看到立体3D的视频内容。两个图像之间的差别称为“视差”，它们是视点中的轻微差异。
给定显示立体视频内容的方式，观众必须消除称为调节和会聚的两个生理系统的相互影响。事实上，屏幕上视差刺激会聚系统，而观察者的眼睛调节必须保持使得景深维持在屏幕平面周围的状态，以便于视觉保持锐度。
为了看到立体视觉3D的对象，观众必须确定在其上缩放视差的观察距离。因此，立体内容的观察者可以考虑来自可视序列的至少两段信息，以感知模拟的深度：与视差信号关联的会聚以及与屏幕上空间频率关联的调节。然而，调节的信号倾向于在双目视差的缩放距离的确立中为主导的。这导致感知的深度不同于计划的深度。
它对应于交叉视差的深度(屏幕前的深度)的过估计以及未交叉视差(屏幕后的深度)的欠估计。该现象进一步在Watt等人(2005)在Journal of Vision 5(10)：7，第834-862页的“Focus cues affect perceived depth”文件中描述。
与调节关联的该现象直接影响3D体验的质量，因为3D空间被感知为失真的。该效果还描述为对应于“圆度因子”，其对应于圆形对象的对象宽度Dx除以对象深度Dz。在图3中，例如，具有负交叉视差的所表示要素的“圆度因子”为2。测量了多少对象部分受失真影响。完美的圆度因子“1”指示未感知失真。
图4的示图显示了对于给定观察者的相对于其宽度Dx的立体圆柱体的深度Dz的估计以及观察者到屏幕平面的模拟距离Dvirtual。X轴表示圆柱体到观察者的立体(模拟)距离，左Y轴表示圆柱体深度的观察者估计，而右Y轴表示估计对象深度/实际对象宽度的比率。示图还示出了两个线性回归：首先(1)是表示圆柱体深度的估计的点的回归线，其次(2)是针对表示圆柱体的估计深度对实际宽度的比率的十字。只要这些回归线提供观察者的视觉系统操作的变换，它们就可以用于调整立体内容。圆柱体的宽度总是等于70像素。感知每一个圆柱体所需的视差的幅度随着模拟距离而增加。当圆柱体靠近观察者(在屏幕前)时，圆柱体的深度因而越发被过估计，而当对象远离(在屏幕后)时，圆柱体的深度因而越发被欠估计。因此，出现圆柱体的失真。
该失真的校正目前未解决。不存在提供正确立体感知的提议。
发明内容
本发明提出弥补该问题。本发明关于用于校正由观察者在屏幕上观看的3D内容中的失真误差的方法。
该方法包括以下步骤：确定针孔模型投影的圆柱体的呈现的圆度因子，取决于观察者到屏幕的所定义的距离以及图像的对象的视差值来估计呈现的圆度因子表，对观察者确定视差变换函数作为估计的呈现的圆度因子表的函数，并且使用视差变换来修改对象视差值以使得提供为“1”的感知的圆度因子。
该解决方案允许3D内容的保真还原。
根据本发明的实施例，对象的圆度因子对应于圆形对象的对象宽度除以对象深度。
根据本发明的实施例，视差值从与3D内容关联的视差图提取。
根据本发明的实施例，视差值根据与3D内容关联的观察者的参数计算。
根据本发明的实施例，3D内容对象的视差和到屏幕的距离定义为对象的每一个像素的视差的平均以及到屏幕的距离的平均。
根据本发明的实施例，对象视差值根据原始值修改，以使得感知的圆度因子对于观察者等于一(prf＝1.0)。
根据本发明的实施例，修改视差值的参数在3D创建软件中直接实现。
本发明还提出了用于校正由观察者在屏幕上观看的3D内容中的失真误差的装置。该装置包括确定针孔模型投影的圆柱体的呈现的圆度因子的部件，取决于观察者到屏幕的所定义的距离以及图像的对象的视差值来估计呈现的圆度因子表的部件，对观察者确定视差变换函数作为估计的呈现的圆度因子表的函数的部件以及使用视差变换来修改对象视差值以使得提供为“1”的感知的圆度因子的部件。
根据本发明的实施例，用于确定呈现的圆度因子的部件对应于圆形对象的圆柱体宽度除以圆柱体深度。
根据本发明的实施例，视差值由提取部件从与3D内容关联的视差图提取。
根据本发明的实施例，视差值由计算部件根据与3D内容关联的观察者的参数计算。
根据本发明的实施例，3D内容的对象的视差和到屏幕的距离定义为对象的每一个像素的视差的平均以及到屏幕的距离的平均。
根据本发明的实施例，用于修改对象视差值的部件根据原始值修改对象视差值，以使得感知的圆度因子对于观察者等于一。
根据本发明的实施例，用于修改视差值的部件直接实现在用于捕捉真实世界的部件或用于捕捉3D创建软件的3D绘图的部件中。
附图说明
本发明的上述和其他特征及优势以及获得它们的方式将通过参考结合附图的本发明实施例的如下描述而更好地理解，附图中：
-图1是每一个眼睛的透视投影预测的示图；
-图2示出从针孔相机模型计算的视差的表示；
-图3图示了对于观察者在屏幕之外的圆柱体的几何表示；
-图4示出了表示感知未失真对象所必须的对象视差(左Y轴)或相对于圆柱体到观察者的距离的圆度因子(右Y轴)的图；
-图5是根据本发明优选实施例的方法的示意性表示。
具体实施方式
这里举出的例子说明了本发明的优选实施例，并且这样的例子不理解为以任何方式限制本发明的范围。
描述了修改3D内容的视差作为它们的幅度和它们的符号的函数以使得视差的每一个变化引起深度的恒量变化的方法。视差的符号对于在屏幕后表示的对象为正，而对于屏幕前表示的对象为负。该方法使得能够根据针孔相机模型校正立体失真，以使得提供将3D对象定位在深度的良好位置的正确立体感知。这些失真对应于细长或扁平的3D形状的感知。针孔相机模型是作为GCI相机模型，或作为真实相机的表示模型而广泛地用于合成或自然的内容的普遍的3D内容创建模型。它也用作多种3D图像处理的基础。
如图1所示，每一个眼睛的透视投影预测：
利用该模型，对于要示出在距离D的点的视图和在观众的距离d处的显示的视图之间的视差Δx预测为
其中，e是观众的眼间的(interocular)或瞳孔间的距离(参见图2)。
今天，在3D计算的生成图像(CGI)中或对于3D图像或视频处理，该基本针孔相机模型(针孔相机)广泛地用于设计相机。当与人的视觉相比时，这生成具有尺度/深度失真或不正确的3D透视以及动作失真的3D图像和视频。
与自然查看相比，针孔相机模型创建了更难以视觉化的图像，尽管它们被人类视觉系统接受为3D图像。自然空间的对应仅是部分的，仅对关注点周围的小视角有效。
新提出的解决方案也在于修改3D内容以便于在空间中提供正确的3D呈现，因为针孔模型不考虑该失真。该针孔模型是中心投影模型，其仅考虑与眼睛的光学和生理学无关的3D空间的几何形状。
图3图示了对于观察者在屏幕之外的圆柱体的几何表示。利用交叉的视差，圆柱体感知为细长，因为过估计了视差。这是当呈现的对象(虚线圆圈)不考虑所描述的失真时发生的。
考虑当观察者相对于屏幕平面的距离Dscreen已知时，可以取回并存储观察者如何感知具有给定视差的半径r的给定立体圆柱体的圆度。
因此，取决于到屏幕的观察者距离Dscreen和对观察者展现的视差来估计圆度因子表或函数。该表或函数可以求逆以获得为到屏幕的给定对象距离提供为“1”的圆度因子的视差。
本发明提出的解决方案因此重新计算3D内容的视差，以提供与等于1的圆度因子对应的深度的真实的正确感知。
因此，捕获的物理对象或CGI呈现的对象在立体显示时将感知为正确的深度并具有正确的形状。
该解决方案的不同替代是本发明的部分。
用初始投影模型创建的对象(例如，针孔投影模型)在立体显示器上在屏幕上带有视差和位置地向观察者展现。屏幕上的该视差和位置定义为在给定观察者的视觉空间中的该对象的每一个部分的视差和到屏幕的距离的平均。
例如，给予对象(例如圆柱体)一局部量，具有关于每一个观察者的眼睛位置计算的并且取决于到屏幕的平均距离的视差点。由相对视差定义的该对象的呈现的圆度是变量，以便于向观察者展现具有不同呈现的圆度因子的对象的不同实例。呈现的圆度因子
rrf＝Dz/Dx
其中，Dz是用初始投影模型投影的3D圆形对象[例如，扁平或细长圆柱体]的深度测量，而Dx是宽度测量。呈现的圆度因子rrf将呈现的伪圆柱体的意图的扁平度或细长度特征化。
在改变观察者到屏幕的平均距离Dscreen中以及在呈现的圆度因子(rrf)的函数中，对每一个观察者估计感知的圆度因子(prf)。在表t中存储结果，以使得：
prf＝t(Dscreen，rrf)，
其可以内插为函数f:prf＝f(Dscreen,rrf)
解决方案在于求解内插函数f(Dscreen,rrf)＝1.0，以便于找到维持感知的圆度因子为一(prf＝1.0)的配置的距离和呈现的圆度因子(dist,rrf)参数。
另一解决方案在于首先得到函数
rrf(prf＝1)＝g(dist)
对于到屏幕的每一个距离Dscreen给出呈现圆度因子，其将创建对于观察者等于一(prf＝1.0)的感知的圆度因子，以及其次在于利用函数rrf(prf＝1)＝g(dist)修改原始地用初始投影模型创建的图像或视频中的视差。
立体内容的获得可以在第一情况下通过真实世界的视觉捕获获得或在第二情况下从3D绘图的捕获获得。
在第一情况下，当立体内容通过真实世界的视觉捕获而获得时，算法根据原始值修改视差的幅度，以使得感知的圆度因子对于观察者等于一(prf＝1.0)。
在第二情况下，当从3D绘图的捕获获得立体内容时，修改视差幅度的参数直接在诸如CGI(指代计算机生成的图像)的3D创建软件中实现。
一些特殊性有关个体间变化性，诸如在图4中描绘的线性回归的斜率。其可能取决于观众而改变。因此，内容必须根据他们的特性而调整。
在调节和汇聚之间的加权模型可以用作校正因子的决定因素，而非观察者特性的精确估计。对每一个品质因素(cue)仅赋予一个权重。对应的权重可以从文献和根据观察者的估计的平均数据得出。
作为示例和根据经典模型，圆柱体的中心的视差：
disparityc＝IOD–IOD.Dscreen/Dvirtual,
IOD是眼间距离，Dscreen是从观察者到屏幕的距离，而Dvirtual是希望显示用作到屏幕的观看距离Dscreen的模拟距离。
根据图3，对于Dscreen＝1.3m的屏幕距离，相对于观察者位于Dvirtual＝1.1m的对象将对于其基准点具有屏上视差disp＝12mm。中心与对应于该距离的固定点f匹配在：
Dfixation＝IOD.Dscreen/(IOD-disp)
在对象的中心附近的属于圆柱体的较近点将具有如下视差：
disp＝IOD–IOD.Dscreen/(Dfixation–2r)
r是圆柱体的半径。
对于在距离Dfixation处的感知的针孔模型投影的圆柱体，“圆度因子”的值是rrf＝Dz/Dx。
根据本校正，基于观察者数据，应当被显示以增加“完美圆柱体”的感知的所校正的视差是：
dispcorrected＝IOD–IOD.Dscreen/(Dfixation–2r/rrf)
以针孔投影模型在z上显现扁平的对象(例如，rrf＝0.5)在待以足够/意图深度被感知的所校正的投影图像对中在z上必须延伸地展现(例如，r变为r/0.5＝2r)。
该校正可以对于视觉序列上的每一个观察点实现。
当考虑局部深度Δz(Δz对于以上圆柱体将等于2r)的对象时，真实的视差变换取决于对象的局部深度Δz以及以针孔模型的感知的圆度因子rrf。其形式根据图4的TD变换为：
disptrue＝dispcorrected+IOD.Dscreen(1/(Dfixation–Δz)–1/(Dfixation–2r/rrf))
实现的一个模式在于图5所示的内容适配。
其包括：
-第一步骤，在于对内容的时间分段以及对视差图的估计。时间分段允许分离将对其提取视差图的独一的图像。
-然后，第二步骤在于对象分析阶段。内容分析和对象分段允许确定内容中对象的基准点。为了该确定，可以使用基于心理注意力模型的显著图。对应于捕获观察者注意力的主要显著性的特定凝视点也在图像中确定。
-第三步骤在于对序列中的每一个帧的对象视差Dobject进行估计。可以使用双眼凝视追踪来利用眼睛的会聚估计在真实世界的三维(3D)空间中主体(subject)的凝视点。
-下一步骤在于考虑诸如双眼间距离和到屏幕的距离之类的观察者特性地建立视差变换TD，以及
-在下一步骤中，通过该变换TD完成对内容的视差值的修改。
潜在的应用涉及诸如电影、TV、游戏、医疗成像之类的全部立体内容，并且可以作为使用者特性的函数来校准。该解决方案将对于在立体成像中要求高精度的应用同样有用。

Claims (12)

1.一种用于校正由观察者在屏幕上看到的3D内容中的失真误差的方法；
该方法的特征在于其包括如下步骤：
-取决于观察者到屏幕的所定义的距离以及视差来确定对于3D内容的观察者的呈现的圆度因子(rrf)；
-对于观察者作为所确定的呈现的圆度因子的函数来确定视差变换函数(TD)，以使得校正3D内容的对象的视差值以获得对于3D内容的观察者而言为“1”的感知的圆度因子。
2.如权利要求1所述的用于校正3D内容中的失真误差的方法，其特征在于，呈现的圆度因子对应于利用初始投影模型投影的圆形对象的对象深度除以对象宽度。
3.如权利要求1所述的用于校正3D内容中的失真误差的方法，其特征在于，从与3D内容关联的视差图提取所述视差值。
4.如权利要求1所述的用于校正3D内容中的失真误差的方法，其特征在于，根据与3D内容关联的观察者的参数计算所述视差值。
5.如权利要求4所述的用于校正3D内容中的失真误差的方法，其特征在于，3D内容的对象的视差和到屏幕的距离被定义为对象的每一个像素的视差的平均以及到屏幕的距离的平均。
6.如权利要求1所述的用于校正3D内容中的失真误差的方法，其特征在于，在3D创建软件中直接实现用于修改视差值的参数。
7.一种用于校正由观察者在屏幕上观看的3D内容中的失真误差的装置，
其特征在于其包含
-用于取决于观察者到屏幕的所定义的距离以及视差来确定对于3D内容的观察者的呈现的圆度因子(rrf)的部件；
-用于对于观察者作为所确定的呈现的圆度因子的函数来确定视差变换函数(TD)，以使得校正3D内容的对象的视差值以获得对于3D内容的观察者而言为“1”的感知的圆度因子的部件。
8.如权利要求7所述的用于校正3D内容中的失真误差的装置，其特征在于，用于确定呈现的圆度因子(rrf)的部件将利用初始投影模型投影的圆形对象的圆柱体深度除以圆柱体宽度。
9.如权利要求7所述的用于校正3D内容中的失真误差的装置，其特征在于，由提取部件从与3D内容关联的视差图提取所述视差值。
10.如权利要求7所述的用于校正3D内容中的失真误差的装置，其特征在于，由计算部件根据与3D内容关联的观察者的参数计算所述视差值。
11.如权利要求7所述的用于校正3D内容中的失真误差的装置，其特征在于，3D内容的对象的视差和到屏幕的距离被定义为对象的每一个像素的视差的平均以及到屏幕的距离的平均。
12.如权利要求8所述的用于校正3D内容中的失真误差的装置，其特征在于，在用于捕捉真实世界的部件或用于捕捉3D创建软件的3D绘图的部件中直接实现用于修改对象视差值的部件。
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