雙目視覺體驗增強系統的製作方法

2023-09-16 16:03:30 2

雙目視覺體驗增強系統的製作方法
【專利摘要】在基於計算機的圖形成像系統中，通過基於優化的雙目框架採用雙目色調映射來生成比單個色調映射圖像具有更多的視覺豐富性的雙目單視覺圖像，該雙目色調映射遵循雙目觀看舒適性預測器(BVCP)度量以確保雙目色調映射圖像對的穩定形成，從而在不觸發視覺不適的情況下可使圖像對的視覺信息內容最大化。
【專利說明】雙目視覺體驗増強系統
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請根據35USC§ 119要求於2012年8月2日提交的第61/678,732號美國臨 時專利申請以及於2013年7月30日提交的第13/954, 685號的美國專利申請的權益。
[0003] 背景
[0004] 本發明涉及視覺圖像的計算機輔助合成。更具體地，本發明涉及通過用於產生單 個感知的單個高動態範圍圖像來合成圖像對的系統和方法。
[0005] 當從單目顯示擴展到雙目顯示時，引入了附加的圖像域。現有的雙目顯示系統 僅採用此附加的圖像域以用於立體視覺。人類視覺不僅能夠融合兩個移位的圖像，還可 將具有不同細節、對比度和亮度的兩個圖像融合到某一限制。該現象被稱為雙目單視覺 (binocular single vision)。相比於僅兩個視圖的線性混合，人類能夠通過雙目融合感知 更多的視覺內容。
[0006] 3D電影的流行導致廣泛使用低成本的雙目顯示裝置。雖然雙顯示域（一個用於左 目艮，另一個用於右眼）加倍了可視化空間，但現有的雙目顯示器僅用於一種類型的雙目視 覺：立體視覺。在日常生活中通常經歷的另一雙目視覺現象是雙目單視覺（或單個視覺）， 即，來自兩眼的圖像融合併被感知為單個感知，即使這兩個圖像是不同的（圖2) [Howard 和Rogers 2002年]。這種圖像融合不是簡單的混合，而是複雜的非線性神經生理過程 [MacMillan等人，2007年]。圖2的前兩行示出了融合（第三列）與線性混合（第四列） 之間的差異。此外，傾向於在單個感知形成期間通過任一視圖來保持更高對比度、高度聚焦 以及更亮的內容[Steinman等人，2000年]。換言之，通過雙重顯示，呈現比任何單個圖像 更多的人類可感知視覺內容是可行的，這是因為視覺可在不知曉兩個圖像之間的差異的情 況下自然地組合兩個圖像。
[0007] 不同於雙目顯示器，公眾不那麼容易獲得高動態範圍（HDR)顯示器。即使可採用 色調映射以在低動態範圍（LDR)顯示器上呈現HDR內容，但是在顯示大尺度對比度與精細 尺度細節之間存在矛盾。獲得良好平衡通常具有挑戰性。
[0008] 雙目單視覺
[0009] 已知如何組合不同的圖像，例如立體視覺[O' Shea，1983年]，組合不同的圖像與 將來自兩眼的不同圖像組合成單個視覺或感知不同[von Helmholtz，1962年]。儘管雙目 單視覺僅出現於眼睛注視位置周圍的小體積視網膜區域中，但立體視覺甚至會出現於眼睛 未注視的位置（當對象的圖像雙重時）。已經發現這種融合過程是亮度、對比度和顏色的非 線性組合。為了證明，MacMillan等人[2007]使用非對稱中性密度濾光器測量了兩眼間亮 度反應，Baker等人[2007]使用正弦波光柵測量了兩眼間亮度反應。
[0010] 非線性融合是複雜的神經生理過程並且通常認為是雙目融合和抑制的組合[0n0等人，1977年；Steinman等人，2000年]。雙目融合是將來自兩個視圖的類似內容疊加並 組合到一個統一且穩定的感知的過程，該過程在兩個視圖類似或者等同時進行（圖2,最上 行）。雙目抑制在一個視圖（不佔優勢的）是空白的、明顯更暗、更模糊或與另一視圖（佔 優勢的）相比具有明顯較小對比度時出現。在這種情況下，通過智能地關閉不佔優勢的視 圖的全部或部分而在人類視覺系統中形成單個感知（圖2,中間行）。然而，當兩個視圖非常 不同時（例如，圖2的最下行），出現不期望的現象，即雙目競爭。在這種情況下，因為兩個 刺激均太強並且任一個刺激都不能抑制另一個刺激，所以結果是包括連續交替來自兩個視 圖的"小片"的非會聚感知[Lei和Schor，1994年]。顯然，觀察者可注意到這種連續交替 並感到觀看不適。除了雙目競爭之外，雙目抑制有時也會在刺激太強時引起視覺不適。在 輪廓激勵的中心周圍感知場處會觀察到作為抑制效果的結果的光環或漂移[Lei和Schor， 1994年]。
[0011] 以上不適可極大地阻礙或破壞視覺體驗。因此，需要雙目觀看舒適性的評估工 具。對於評估工具的需求似乎建議圖像相似性度量。存在多個現有的度量，包括均方誤 差（MSE)、結構相似性（SSM) [Wang等人，2004年]、感知定向度量可視差異預測器（VDP) [Daly，1993年]及其擴展高動態範圍可視差異預測器（HDR-VDP，HDR-VDP-2) [Mantiuk等 人，2005年；Mantiuk等人，2011年]。已知的度量考慮觀察者通過雙眼觀看兩個圖像時的 兩個圖像之間的可視差異。然而，這些現有的度量沒有考慮雙目視覺，在雙目視覺中兩個不 同的圖像呈現給觀察者的左眼和右眼。可通過雙目抑制（圖2,中間行）來說明現有度量的 顯著缺陷，在雙目抑制中使用任何現有度量兩個圖像都是明顯不同的，即使可能形成有穩 定感知。因此，不能採用任何現有度量。
[0012] 色調映射：
[0013] 已提出若干複雜的色調映射技術來通過HDR圖像生成LDR圖像。Reinhard[2006 年]提供了對色調映射技術的綜合考察，從S形壓縮到圖像外觀模型，以及到基於感知和工 程學的方法。色調映射方法可粗略地劃分為全局操作器和局部操作器。直方圖調整方法和 適應性對數映射例如[Larson等人，1997年；Drago等人，2003年]是全局操作器的兩種主 要類別。另一方面，還存在若干普及的局部操作器，例如雙邊濾波方式[Durand和Dorsey， 2002年]、梯度域優化[Fattal等人，2002年]和基於感知的對比度處理[Mantiuk等人， 2006]〇
[0014] 已知的色調映射操作器可用作用於雙目色調映射框架的構造塊來生成兩個LDR 圖像，其中該兩個LDR圖像在不觸發不適的情況下優化地增加人類可感知視覺內容。
[0015] 期望產生儘可能不同的兩個視圖以保持來自源HDR的更多的視覺內容。然而，在 兩個視圖之間的差異方面存在限制。當超過這種限制時，出現雙目觀看不適，並且更糟的是 雙目單視覺可能失敗。這種觀看不適[Lambooij等人，2009年]是重要健康問題，其因3D 顯示器的廣泛使用而受到更多關注。
[0016] 以下參考文件提供本發明的【背景技術】：
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【發明內容】

[0048] 根據本發明，在基於計算機圖形成像系統中，採用基於優化的雙目色調映射框架 的雙目色調映射來產生低動態範圍（LDR)圖像對，從而生成比任意單個圖像保留更多人類 可感知視覺內容並同時避免觀看不適的雙目單視覺圖像。更具體地，考慮到源HDR圖像的 色調映射LDR圖像（左邊的，不失一般性的），本發明的框架優化地通過同一源HDR圖像合 成其在圖像對中的配對（右邊的）。雙目框架的額外圖像空間用於增強圖像內容（例如， 增大對比度、提高亮度或增加更多細節），而在另一圖像空間中保留圖像的其餘部分的視覺 信息，通過雙目觀看舒適性預測器（BVCP)度量來指導雙目色調映射，以確保雙目單視覺的 穩定形成並避免觀看不適。最初的BVCP度量設計為對於大多數個體避免視覺不適。基於 優化的框架在BVCP的指導下以使全部視覺信息內容最大化為目標生成正確的色調映射圖 像。
[0049] 本發明被認為是圖形領域中通過雙目單視覺來豐富視覺體驗的首次嘗試。因此， 本發明為現有色調映射技術提供了圖像改進。
[0050] 所公開的度量被認為是用於測量因雙目內容差異而導致的觀看不適的新的度量。
[0051] 利用基於優化的雙目色調映射框架來產生比任意單個圖像保留更多人類可感知 的視覺內容並同時避免觀看不適的低動態範圍（LDR)圖像對被認為是獨特的。
[0052] 進一步根據本發明，公開了如何通過雙目色調映射框架利用現有的LDR雙目顯示 器來在HDR圖像中同時呈現對比度和細節。考慮到源HDR圖像及其由已知的色調映射技術 生成的色調映射LDR圖像（例如左眼視圖），本發明的框架優化地合成其在雙目圖像對中的 配對（右邊的）LDR圖像。因此，通過雙目單視覺現象，兩個LDR圖像相組合以呈現比任意 的單個LDR圖像更多的人類可感知的視覺內容。
[0053] 已通過四個現有的色調映射方法評價了本發明的框架，這四個現有的色調映射方 法包括雙邊濾波方法[Durand和Dorsey，2002年]、梯度域HDR壓縮[Fattal等人，2002 年]、適應性對數映射[Drago等人，2003年]和基於感知的對比度處理[Mantiuk等人， 2006]〇
[0054] 下面將結合附圖參照以下詳細描述更好地理解本發明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0055] 圖1A示出了根據本發明所生成的第一雙目色調映射圖像對。
[0056] 圖1B示出了根據本發明所生成的第二雙目色調映射圖像對。
[0057] 圖2是示出比較雙目融合；通過抑制的融合以及雙目競爭的圖。
[0058] 圖3A是根據本發明的用於通過輸入的HDR圖像生成LDR圖像對的系統的功能框 圖。
[0059] 圖3B是用於示出本發明的元件的框圖。
[0060] 圖4是用於示出融合區域的圖。
[0061] 圖5是用於示出輪廓優勢的圖。
[0062] 圖6是用於示出感覺融合到最終感知的功能框圖。
[0063] 圖7是mesa濾波器的mesa金字塔的圖示。
[0064] 圖8是示出一對圖像和得到的競爭失敗的圖示。
[0065] 圖9是輪廓匹配的圖示。
[0066] 圖10是示出亮度相對於對比度和頻率相對於對比度的兩個圖。
[0067] 圖11是示出構造的對數百分比對比度閾值的三軸圖。
[0068] 圖12是示出BVCP評估的可視化的一組成對的圖示。
[0069] 圖13是用於使HDR圖像的四個映射操作器的雙目視覺差異可視化的四部分圖形 組。
[0070] 圖14是用於使根據本發明的使用四個不同的色調映射操作器所生成的優化圖像 可視化的四部分圖形組。
[0071] 圖15是示出用於評價BVCP可預測性的測試序列的一組圖像對。
[0072] 圖16是示出用於四個不同的色調映射操作器的BVCP的可預測性的統計數據的四 部分圖形組。
[0073] 圖17是具有不同地色調映射的左右圖像的立體LDR圖像對。
[0074] 圖18是示出圖像豐富性的小改進的圖像對。
[0075] 圖19是使用Drago的操作器產生的圖像對。
[0076] 圖20是使用Durand的操作器產生的圖像對。
[0077] 圖21是使用Fattal的操作器產生的圖像對。
[0078] 圖22是使用Mantiuk的操作器產生的圖像對。

【具體實施方式】
[0079] 根據本發明的實施方式，計算機圖形的新穎技術利用人類視覺現象並提出了雙目 色調映射框架。提出的框架生成雙目低動態範圍（LDR)圖像對，其中雙目低動態範圍（LDR) 圖像對比使用附加圖像域的單個LDR圖像保留更多的人類可感知的視覺內容。考慮到色調 映射LDR圖像（左邊的，不失一般性地），本發明的框架優化地通過同一源HDR圖像合成其 在圖像對中的配對（右邊的）。兩個LDR圖像是不同的，從而它們可聚集以呈現比單個任 意的LDR圖像更多人類可感知的視覺豐富度，而不會引起視覺不適。例如，在圖1A和圖1B 中，每對中的一個圖像呈現更大的全局對比度（每對中的左圖像），而另一個圖像呈現更多 的局部細節（每對中的右圖像）。為了實現這一點，採用了新穎的雙目觀看舒適性預測器 (BVCP)以使這種視覺不適的風險最小化。BVCP的設計是基於對視覺科學的發現。通過用 戶的研宄，已確認在本發明的技術中，增加了人類可感知的視覺豐富度，並且所提出的BVCP 對保守地預測人類觀察者的視覺不適閾值存在功效。
[0080] 圖3A和圖3B中示出了根據本發明的系統10的概述，其中系統10實現在具有關 聯的存儲器13的計算機處理器11上。在存儲器13中存儲有用於色調映射框架100的程 序編碼，其中色調映射框架100包括至少一個色調映射操作器15和BVCP 30作為優化子系 統22的一部分。當框架100被調用時，其提供第一通道12,第一通道12包括配置為通過 HDR輸入圖像18產生第一（左）圖像輸出16的直接色調映射器14。第二通道20被設置 為包括優化框架處理器22,其中優化框架處理器22具有第二色調映射操作器或色調映射 器24,該第二色調映射操作器或色調映射器24配置為接收輸入HDR 18的輸入並接收反饋 路徑26上來自預測器元件28的反饋，其中預測器元件28包括BVCP 30和可視差異預測器 (VDP，Visible Difference Predictor) 32,可視差異預測器32配置為將輸出LDR對的第 二（右）圖像34輸出。BVCP 30被配置為接收色調映射器14的輸出作為第二（右）輸入。 兩個LDR圖像的輸出作為一對根據需要被提供給可視化元件，例如通過適當的3D圖像分離 器19可觀看的立體顯示器17。本發明可使用通用計算機處理器11實現，其中通用計算機 處理器11包括個人計算機、平板型計算機、移動通信/計算裝置等，只要其具有足夠的存儲 量、合適的輸入、合適的輸出或顯示以及足夠的處理能力即可。本文所闡述的過程可根據本 文中以適當的計算語言所公開的功能來實現。
[0081] 參見圖3A和圖3B，在操作中，系統10的輸入成單個HDR圖像18的形式。（對於 立體視覺而言，提供兩個HDR圖像，順序地或並行地。）兩個並行的信號（圖像）路徑12、 20被調用以產生成對的LDR輸出圖像16、34,即，一個通道僅具有第一色調映射器或TM 14， 另一路徑具有優化框架處理器22,這兩者均在傳統的或專用的計算機作業系統（未示出） 下與關聯的支持部件（未示出）一起操作的傳統的或專用的計算機處理器11和關聯的隨 機存取存儲器13內運行。優化框架處理器22在反饋迴路中包括第二色調映射器TM 24以 及BVCP30處理器和VDP處理器32,其還從第一色調映射器14接收輸入。優化框架處理器 22的輸出是LDR輸出圖像對16、34中的第二輸出LDR圖像34。
[0082] 以下提供了該操作的偽代碼列表：
[0083]

【權利要求】
1. 一種生成用於顯示的圖像的系統，包括： 計算機處理器，具有相關數字存儲器和輸出元件，所述計算機處理器可用於採用基於 優化的雙目色調映射框架； 所述計算機處理器及相關存儲器配置為： 接收以數字表示的、源高動態範圍圖像的高動態範圍圖像作為源； 直接通過所述高動態範圍圖像產生第一低動態範圍圖像； 通過所述高動態範圍圖像合成相應的第二低動態範圍圖像，其中額外的圖像空間用於 增強圖像內容並且保留視覺信息；以及 產生至少一個雙目單視覺圖像的輸出表示， 通過雙目觀看舒適性預測器（BVCP)的度量指導所述色調映射框架，以確保穩定地形 成雙目單視覺並避免觀看不適。
2. 如權利要求1所述的系統，其中，所述計算機處理器配置為提供用於所述第一圖像 的第一圖像路徑和用於所述第二圖像的第二圖像路徑，所述第一圖像路徑和所述第二圖像 路徑是並行的。
3. 如權利要求2所述的系統，其中所述第二圖像路徑提供： 優化處理器元件，所述優化處理器元件包括視覺差異預測器和雙目觀看舒適性預測 器，所述雙目觀看舒適性預測器配置為建立度量以使所述視覺不適的風險最小化，所述視 覺差異預測器配置為在受到所述雙目觀看舒適性預測器的約束的情況下，使所述第一圖像 與所述第二圖像之間的視覺差異最大化。
4. 如權利要求3所述的系統，其中，所述第一圖像路徑包括： 直接色調映射器，所述直接色調映射器配置為通過高清晰度範圍圖像產生所述第一圖 像。
5. 如權利要求3所述的系統，其中，所述優化處理器元件配置為基於當前低密度範圍 圖像對的視覺差異預測進行迭代反饋以遵循梯度上升方向，所述當前低密度範圍圖像對包 括當前的第一圖像和當前的第二圖像，其中如果所述當前低密度範圍圖像對不能通過所述 雙目觀看舒適性預測器的度量測試，則所述梯度上升的步長減小。
6. 如權利要求5所述的系統，其中，所述雙目觀看舒適性預測器配置為測量輪廓密度、 對比度、亮度和顏色方面的差異。
7. 如權利要求6所述的系統，其中，在對比度小的情況下競爭失敗時，輪廓密度標準被 放鬆，以允許呈現更多的視覺信息。
8. 如權利要求6所述的系統，其中，對比度閾值表示為亮度和空間頻率的函數。
9. 如權利要求1所述的系統，其中，所述色調映射操作器選自雙邊濾波、梯度域高密度 範圍壓縮、適應性對數映射以及基於感知的對比度處理。
10. 如權利要求1所述的系統，其中，所述計算機處理器配置為通過兩個單圖像輸入產 生立體圖像輸出。
11. 一種生成用於顯示的圖像的方法，包括： 在計算機處理器的控制下將以數字表示的、源高動態範圍圖像的高動態範圍圖像接收 在數字存儲器中作為源； 通過所述計算機處理器直接從所述高動態範圍圖像產生第一低動態範圍圖像； 通過所述計算機處理器從所述高動態範圍圖像合成相應的第二低動態範圍圖像，其中 額外的圖像空間用於增強圖像內容並且保留視覺信息；以及 通過所述計算機處理器產生至少一個雙目單視覺圖像的輸出表示； 其中，通過雙目觀看舒適性預測器（BVCP)的度量指導色調映射操作，以確保穩定地形 成雙目單視覺並避免觀看不適。
12. 如權利要求11所述的方法，其中，所述計算機處理器提供用於所述第一圖像的第 一圖像路徑和用於所述第二圖像的第二圖像路徑，所述第一圖像路徑和所述第二圖像路徑 是並行的。
13. 如權利要求12所述的方法，其中，所述第二圖像路徑配置為： 在所述第二圖像路徑中建立雙目觀看舒適性預測器的度量，以使視覺不適的風險最小 化；以及 在受到所述度量的約束的情況下，使所述第一圖像與所述第二圖像之間的視覺差異最 大化。
14. 如權利要求13所述的方法，包括： 通過直接色調映射從高清晰度範圍圖像產生所述第一圖像。
15. 如權利要求14所述的方法，包括： 基於當前低密度範圍圖像對的視覺差異預測，在梯度上升方向通過迭代反饋來合成所 述第二圖像，所述當前低密度範圍圖像對包括當前的第一圖像和當前的第二圖像，其中如 果所述當前低密度範圍圖像對不能通過所述雙目觀看舒適性預測器的度量測試，則減小所 述梯度上升的步長。
16. 如權利要求15所述的方法，其中所述度量是基於在輪廓密度、對比度、亮度和顏色 方面所測量的差異。
17. 如權利要求15所述的方法，其中，在對比度小時競爭失敗的情況下，放鬆輪廓密度 標準，以允許呈現更多的視覺信息。
18. 如權利要求16所述的方法，其中，對比度閾值表示為亮度和空間頻率的函數。
19. 如權利要求11所述的方法，其中，所述色調映射操作選自雙邊濾波、梯度域高密度 範圍壓縮、適應性對數映射以及基於感知的對比度處理。
20. 如權利要求11所述的方法，其中，所述處理器配置為通過兩個單圖像輸入產生立 體圖像輸出。
【文檔編號】H04N1/23GK104509087SQ201380041083
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2012年8月2日
【發明者】黃田津, 王平安, 楊軒, 張琳玲 申請人:香港中文大學