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        3D電視用戶體驗(yàn):原理與測(cè)評(píng)方法

        2015-03-13 06:11:54盧寶周
        關(guān)鍵詞:深度用戶影響

        盧寶周

        (中國(guó)石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,青島 266580)

        1 引言

        3D電視,又稱三維立體影像電視(Stereoscopic 3D TV)[1],是當(dāng)前電視行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。市場(chǎng)中銷售的電視中,大部分都具有3D播放功能。3D電視通過使左右眼看到的影像分離,根據(jù)視覺成像原理,從而使用戶產(chǎn)生立體的感覺,從而增強(qiáng)了觀看者的深度感知體驗(yàn),然而,也會(huì)帶來(lái)一定程度的負(fù)面體驗(yàn),如:視覺疲勞、頭暈等[2]。而用戶體驗(yàn)是影響新產(chǎn)品能否被接受的重要因素。但是,目前國(guó)內(nèi)針對(duì)3D電視用戶觀看體驗(yàn)的研究還比較缺乏[3],對(duì)其維度構(gòu)成和評(píng)價(jià)方法也缺乏系統(tǒng)的總結(jié)。隨著3D電視的推廣,當(dāng)前亟需加強(qiáng)針對(duì)該領(lǐng)域的理論探索和實(shí)證研究。

        在對(duì)國(guó)外研究文獻(xiàn)梳理和總結(jié)的基礎(chǔ)上,本文首先從心理學(xué)和生理學(xué)的角度分析了影響3D電視觀看體驗(yàn)的原理;接下來(lái)總結(jié)和分析了目前影響3D電視觀看體驗(yàn)的因素和測(cè)評(píng)方法;然后提出了一個(gè)多維度的3D電視體驗(yàn)質(zhì)量模型(Quality of Experience Model for 3D TV);最后對(duì)該領(lǐng)域的研究趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。本文將為我國(guó)3D電視用戶體驗(yàn)研究提供一定的理論基礎(chǔ)和測(cè)評(píng)方法。

        2 3D電視觀看體驗(yàn)的基本原理

        目前的3D成像技術(shù)主要利用了視覺成像原理中的雙目視差(binocular disparity)。在生理上,人的雙眼呈橫向水平分布,平均瞳孔距離(interpupillary distance,IPD)為 63mm(Dodgson,2004)[4]。因此,左眼和右眼觀察物體的角度略有差異,造成雙眼中看到的圖像并不完全相同,這就是雙目視差。通過大腦的視覺融合能力和解釋能力將左右眼圖像融合成統(tǒng)一的感知圖像。雙目視差可以幫助人更精確的感知所觀察對(duì)象的相對(duì)距離和絕對(duì)距離,也是立體感知的主要形成因素之一。在觀看物體時(shí),人眼主要通過兩種視覺功能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的處理:(1)匯聚功能(convergence),即通過調(diào)節(jié)雙眼的水平活動(dòng)使其著眼點(diǎn)落在同一點(diǎn)上;(2)調(diào)焦功能(accommodation),即通過眼部肌肉調(diào)節(jié)瞳孔的聚焦功能,來(lái)形成對(duì)所觀察物體的清晰圖像。

        3D影像在制作時(shí),通過攝像機(jī)模擬人眼來(lái)分別獲取兩幅2D圖像;而在播放時(shí),通過播放技術(shù)(眼鏡3D和裸眼3D)分別向雙眼播放不同的2D圖像,通過大腦的視覺融合能力使觀看者形成統(tǒng)一的感知圖像。感知圖像向屏幕前方或者后方的偏離,從而造成立體的效果,其原理如圖1所示。如果雙眼圖像在顯示屏幕前交叉,則3D畫面向屏幕前方偏離,形成交叉視差,如圖1中F點(diǎn)所示;如果雙眼圖像在顯示屏幕后方交叉,則3D畫面向屏幕后方偏離,形成不交叉視差,如圖1中B點(diǎn)所示。

        如上所述,在自然場(chǎng)景中,人主要利用匯聚和調(diào)焦兩種機(jī)制的協(xié)作來(lái)處理視覺圖像。在觀看3D影像時(shí),人眼聚焦于現(xiàn)實(shí)屏幕,但是,雙眼視差感知到的畫面是偏離屏幕的,這就造成眼睛的調(diào)焦功能與匯聚功能之間的沖突。如果立體深度(偏離屏幕)過大,這種沖突就會(huì)加劇,進(jìn)而超出大腦能夠處理的范圍,給觀看者帶來(lái)視覺上的不適,如:模糊、重影等以及其他在心理和生理層面的不適。因此,3D影像在制作和播放時(shí),應(yīng)該注意進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳疃蠕秩?,以保證一定的觀看舒適區(qū)域。

        一般用焦點(diǎn)深度(DOF,depth of focus)來(lái)表示3D畫面偏離屏幕的程度,其被定義為3D圖像與觀看者之間距離倒數(shù)與屏幕與觀看者之間距離倒數(shù)的差值。那么,當(dāng)3D畫面在屏幕后方時(shí),DOF為負(fù)值;當(dāng)3D畫面在屏幕前方時(shí),DOF為正值,即:

        由上述公式,可得到成像距離和觀看距離之間的關(guān)系,即:

        當(dāng)前,國(guó)際上經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)所推薦的能夠保證觀看舒適區(qū)域的焦點(diǎn)深度為(-0.2o,+0.2o)(Yano,2004)[5],將其帶入上述公式(2),即可得到 3D觀看的舒適距離為[6]:

        一般來(lái)講,在播放時(shí),可以通過調(diào)節(jié)兩幅2D圖像在屏幕上的位差(雙目視差),來(lái)控制立體深度。結(jié)合上述公式,我們進(jìn)一步可以得到觀看距離(d)、前后成像區(qū)域(Zb和Zf)、雙目距離(e)、位差(s)、焦點(diǎn)深度以及深度渲染能力之間的關(guān)系[6]。在已知焦點(diǎn)深度(-0.2o,+0.2o)、雙目距離(取平均值65mm)和觀看距離(d取觀看屏幕高度的4.5倍左右)的情況下,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到其他相關(guān)各個(gè)變量的數(shù)據(jù)。

        圖1 3D電視成像與視覺原理示意圖(根據(jù)文獻(xiàn)(Chen,2012)[6])

        3 3D電視觀看體驗(yàn)影響因素分析

        由上述內(nèi)容可知,雙目視差是形成3D效果的基礎(chǔ),也是影響3D電視體驗(yàn)的基本因素之一。除此之外,還有很多其他因素影響3D電視觀看體驗(yàn)。這些因素與3D電視制播過程相關(guān)(王惠明等)[6-7]。結(jié)合文獻(xiàn)[6 -7],表 1 對(duì)其中的主要因素進(jìn)行了匯總,并對(duì)其影響進(jìn)行了簡(jiǎn)要解釋。本文主要從制作、傳輸和播放三個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)3D電視觀看體驗(yàn)因素進(jìn)行分析。

        首先,制作環(huán)節(jié)的主要因素有:視差管理、左右視圖、視野沖突管理、視野安全管理、3D視頻內(nèi)容與壓縮編碼等。其中,視差管理指3D視頻內(nèi)容拍攝、制作階段指對(duì)于左右視差的處理與深度渲染,主要影響觀看時(shí)的立體深度感知。左右視圖拼接,指制作時(shí)通過左右視圖進(jìn)行分離采樣。拼接過程會(huì)損失圖像信息,降低圖像質(zhì)量。視野沖突與安全管理則包括邊框效應(yīng)、畫面切換的空間跳躍、遮擋關(guān)系矛盾以及焦點(diǎn)平面與會(huì)聚平面矛盾等[6],主要影響觀看時(shí)的立體深度感知以及其他心理感受等。國(guó)家廣電總局科技司發(fā)布的《3D電視技術(shù)指導(dǎo)意見 第一部分:節(jié)目制作播出》,已經(jīng)要求對(duì)制播環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制,以保證圖像的視覺安全性。最后,研究表明,3D素材與內(nèi)容也會(huì)影響觀看體驗(yàn),包括:3D內(nèi)容、故事情節(jié)、特效、運(yùn)動(dòng)速度等。如:3D畫面中物體的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)帶來(lái)視覺疲勞與身體不適[5,8]。

        其次,傳輸環(huán)節(jié)的主要因素包括:信道失真與壓縮編碼。傳輸環(huán)節(jié)中,對(duì)圖像質(zhì)量影響最大的因素是壓縮編碼,不同的編碼算法和編碼參數(shù)設(shè)置,圖像的損傷大小所不同[6]。其次,傳輸過程中由于自然原因造成的信道誤碼,導(dǎo)致信號(hào)丟失、串?dāng)_現(xiàn)象等,也會(huì)影響2D畫面質(zhì)量。

        最后,播放環(huán)境的影響因素包括:播放設(shè)備與技術(shù)、深度渲染(depth rendering)、觀看條件與用戶的個(gè)體差異。播放設(shè)備與技術(shù)指3D電視播放的顯示設(shè)備與播放技術(shù),顯示器的類型、屏幕尺寸、性能、3D眼鏡的類型等,會(huì)影響圖像清晰度、色彩與立體效果等。比如,屏幕尺寸會(huì)影響邊框效應(yīng)。邊框效應(yīng)指當(dāng)畫面主體太接近顯示器邊框而造成的一種視野沖突[6]。一般來(lái)說,大屏幕能夠使觀看者忽視邊框的存在,從而減少該效應(yīng)。另外,大屏幕能夠增強(qiáng)觀看的臨場(chǎng)感和真實(shí)感。而3D顯示器的性能,包括:亮度、對(duì)比度、色溫、運(yùn)動(dòng)拖尾等指標(biāo),也會(huì)影響圖像質(zhì)量,同時(shí)也可能影響立體效果。另外,不同的3D眼鏡技術(shù),如:快門式、偏振式等,也會(huì)影響圖像質(zhì)量與立體效果。

        深度渲染指通過調(diào)節(jié)播放設(shè)備的左右視差,調(diào)節(jié)3D圖像的立體深度,對(duì)立體感知與視覺舒適等有直接影響。觀看時(shí)的條件設(shè)置,包括:房間背景、顯示器亮度與對(duì)比度設(shè)置、觀看距離、觀看位置,也對(duì)觀看體驗(yàn)有影響[7]。而用戶個(gè)體差異,包括:視覺能力、身體狀況等,也會(huì)影響觀看體驗(yàn)。因此,在對(duì)3D電視觀看體驗(yàn)進(jìn)行測(cè)評(píng)時(shí),應(yīng)該詳細(xì)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件并對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

        4 3D電視觀看體驗(yàn)?zāi)P?/h2>

        當(dāng)前,圍繞3D電視用戶體驗(yàn)的研究主要集中在視覺不適與視覺疲勞等層面[2,5],尚未形成完善和統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系[7]。但是,文獻(xiàn)指出3D用戶觀看體驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的概念,應(yīng)該包括多個(gè)維度[9]。比如,Lambooij(2011)[10]指出 3D 體驗(yàn)中的自然度由圖像質(zhì)量與深度感知構(gòu)成。Chen等(2012)[2],提出了一個(gè)3D電視視覺體驗(yàn)?zāi)P?,指出視覺體驗(yàn)由圖像質(zhì)量(image quality,IQ)、感知深度(depth quantity,DQ)與視覺舒適度(visual comfort,VC)三種體驗(yàn)構(gòu)成。即:

        表1 3D電視用戶觀看體驗(yàn)影響因素分析

        在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文提出了一個(gè)多維度的3D電視用戶體驗(yàn)?zāi)P?,如圖2所示。3D用戶體驗(yàn)影響滿意度,而滿意度則影響用戶對(duì)于3D電視的態(tài)度和使用傾向。如果用戶有較好的體驗(yàn),那么滿意度就較高,從而傾向于繼續(xù)使用3D電視;反之,則不愿意繼續(xù)使用。因此,保證用戶具有比較好的3D觀看體驗(yàn)就顯得比較重要。而3D觀看體驗(yàn)是一個(gè)比較抽象的概念,因此,采用多維度的模型將有助于我們更加深入的理解這一概念。本文提出的3D電視用戶體驗(yàn)由正面體驗(yàn)和負(fù)面體驗(yàn)構(gòu)成,而正面體驗(yàn)包括:自然度、臨場(chǎng)感、立體感與視覺舒適度,而負(fù)面體驗(yàn)則主要包括:視覺不適(visual discomfort)與身體不適等。視覺舒適度與負(fù)面體驗(yàn)中的視覺不適具有相互替代關(guān)系。

        3D電視通過深度渲染增加用戶觀看的立體感,從而增了強(qiáng)觀看者的現(xiàn)實(shí)感與身臨其境的感覺;然而另一方面,過度的立體感造成視覺沖突,從而帶來(lái)負(fù)面體驗(yàn)。因此,自然度和臨場(chǎng)感,這兩個(gè)維度屬性與視覺舒適度之間,存在一定程度的沖突。深度渲染應(yīng)該把握一個(gè)合適的度,既能保證觀看3D所帶來(lái)的正面體驗(yàn),也能保證視覺和生理上的舒適。

        3D電視用戶體驗(yàn)的上述構(gòu)成維度受到兩個(gè)基本因素的影響:圖像質(zhì)量與深度渲染。而這兩個(gè)基本因素則受到來(lái)自上述表1中其他多種因素的影響。現(xiàn)有研究一般通過調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量與焦點(diǎn)深度(DOF)對(duì)3D電視用戶的主觀體驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,如文獻(xiàn)[2,5,7]。目前,針對(duì)我國(guó)3D用戶觀看體驗(yàn)的實(shí)證研究還比較匱乏。

        圖2 3D電視用戶主觀體驗(yàn)評(píng)價(jià)模型

        5 3D電視觀看體驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法

        3D電視用戶體驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法主要有兩種:主觀評(píng)價(jià)方法(subjective assessment)和客觀評(píng)價(jià)方法(objective assessment)[7]。

        5.1 主觀評(píng)價(jià)方法

        3D電視觀看體驗(yàn)主觀評(píng)價(jià)方法,指通過用戶打分的方式對(duì)觀看的體驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前3D主觀評(píng)價(jià)方法以2D圖像的評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ),結(jié)合3D的特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展,已經(jīng)形成了初步的規(guī)范。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)提供的與3D電視主觀評(píng)價(jià)相關(guān)的指導(dǎo)性意見主要有:(1)ITU-R BT.500,2D圖像的主觀評(píng)價(jià)方法;(2)ITU-R BT.1438,3D電視的主觀評(píng)價(jià)建議書;(3)ITU-R WP6和ITU-T SG9,針對(duì)ITU-R BT.1438的不足,提出了更充分的3D電視的主觀評(píng)價(jià)建議;(4)ITU-R BT.1788,影像主觀評(píng)價(jià)建議書。根據(jù)以上資料,結(jié)合文獻(xiàn)[7],本文整理了目前國(guó)際上普遍采用的3D電視的主觀評(píng)價(jià)方法,參見表2:

        (一)針對(duì)靜態(tài)圖片和短視頻(<60秒),ITUR BT.500提出了四種評(píng)價(jià)方法,分別是

        ·雙刺激法

        包括兩種:雙刺激連續(xù)測(cè)量法(the doublestimulus-continuous-quality-scale method,DSCQS)與雙刺激損害測(cè)量法(the double-stimulus impairment scales,DSIS)。顧名思義,雙刺激法中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求對(duì)一系列的“圖像對(duì)”進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)觀看兩幅圖像,一幅為無(wú)損害圖像(參照?qǐng)D像),另外一幅為損害圖像(測(cè)試圖像),看完之后就每幅圖像的整體質(zhì)量給出評(píng)價(jià)。DSCQS與DSIS的區(qū)別在于量表,前者的量表為圖像質(zhì)量的高低,而后者的量表為損害程度的大小。

        ·單刺激法(single-stimulus methods)

        單刺激法中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求對(duì)每幅測(cè)試圖像進(jìn)行單獨(dú)打分。

        ·單刺激比較法(stimulus-comparison methods)

        單刺激比較法中,首先根據(jù)刺激因素,形成一系列的測(cè)試圖像對(duì)。然后,實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)兩幅圖像進(jìn)行比較,給出兩者之間差異程度的評(píng)分。

        (二)針對(duì)長(zhǎng)視頻(>60秒,<20分鐘),ITUR BT.500提出了兩種評(píng)價(jià)方法:

        ·單刺激持續(xù)評(píng)價(jià)法(single stimulus continuous quality evaluation,SSCQE)

        該方法中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求觀看一系列長(zhǎng)視頻,并給出評(píng)分。其與單刺激法類似。

        ·雙刺激持續(xù)評(píng)價(jià)法(simultaneous double stimulus for continuous evaluation,SDSCE)

        該方法中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求同時(shí)觀看兩個(gè)視頻,并就兩個(gè)視頻之間的差異程度進(jìn)行評(píng)分。其與單刺激比較法類似。

        (三)視頻質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)法(Subjective Assessment Methodology for Video Quality,SAMVIQ),基于ITU-R BT.1788,主要用于多媒體評(píng)價(jià)。

        該方法中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求觀看一系列的短視頻(10-15秒)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)對(duì)象能夠在不同的視頻之間進(jìn)行切換并且可以更改評(píng)分。

        5.2 客觀評(píng)價(jià)方法

        3D電視觀看體驗(yàn)的客觀評(píng)價(jià)方法指采用客觀手段和儀器對(duì)用戶的生理反應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前采用的儀器主要包括:眼部跟蹤設(shè)備、腦電波測(cè)量裝置以及其他的人體和眼部健康診斷設(shè)備等。這些設(shè)備可以捕捉用戶在觀看3D電視時(shí)的生理反應(yīng),比如:瞳孔反應(yīng)、視線軌跡、腦電波等,也可以用來(lái)測(cè)量觀后的視覺與身體反應(yīng)等??陀^評(píng)價(jià)方法能夠直接獲取用戶的客觀體驗(yàn)數(shù)據(jù),比主觀評(píng)價(jià)方法具有一定的優(yōu)勢(shì),也代表了主要的發(fā)展方向。因此,在國(guó)外已經(jīng)開始使用,如:文獻(xiàn)[7]使用了腦電波設(shè)備,而文獻(xiàn)[11]則使用了眼部跟蹤設(shè)備。但是,這些測(cè)量?jī)x器價(jià)格昂貴,實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建與管理也比較復(fù)雜。

        5.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        除了上述評(píng)價(jià)方法,ITU的建議書以及文獻(xiàn)[7]也指出,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí),研究人員應(yīng)該注意的其他方面的影響因素,遵循一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)范,以剔除其他非相關(guān)變量的影響。表2也對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)。這些因素包括:觀看條件、信號(hào)源、測(cè)試素材、實(shí)驗(yàn)對(duì)象篩選、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)以及評(píng)價(jià)方法等。3D用戶體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該盡量降低無(wú)關(guān)變量對(duì)3D觀看效果的影響,比如,對(duì)于顯示器亮度和對(duì)比度的調(diào)整,對(duì)于房間亮度與觀看距離的安排,實(shí)驗(yàn)素材的選擇等。為了使研究結(jié)果具有可比較性和可復(fù)制性,研究人員也應(yīng)該提供詳盡的實(shí)驗(yàn)過程和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

        6 3D電視用戶體驗(yàn)研究趨勢(shì)

        國(guó)內(nèi)的3D電視用戶體驗(yàn)研究起步較晚,但是,3D電視市場(chǎng)發(fā)展較快。因此,有必要加強(qiáng)這方面的研究,以保證用戶具有較好的3D體驗(yàn),并促進(jìn)3D技術(shù)和市場(chǎng)的良性發(fā)展。在該領(lǐng)域主要有以下幾個(gè)方面的研究趨勢(shì):

        表2 3D電視體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究影響因素與實(shí)驗(yàn)規(guī)范

        (1)3D電視用戶主觀體驗(yàn)的構(gòu)成維度實(shí)證研究,本文雖然提出了一個(gè)多維度的3D用戶體驗(yàn)概念模型,但是這個(gè)模型有效性還需要進(jìn)一步的探索,各個(gè)維度對(duì)用戶體驗(yàn)的貢獻(xiàn)度也需要進(jìn)一步的實(shí)證檢驗(yàn);

        (2)3D電視用戶視覺舒適度研究,視覺舒適度是3D電視體驗(yàn)中的一個(gè)非常重要的維度,將來(lái)的研究有必要通過規(guī)范的實(shí)驗(yàn)研究,探索相關(guān)變量對(duì)于舒適度的影響,包括:雙目視差、圖像質(zhì)量、觀看時(shí)長(zhǎng)、觀看角度等;

        (3)不同的播放設(shè)備對(duì)3D電視效果的影響,當(dāng)前3D播放設(shè)備和技術(shù)差別較大,因此有必要針對(duì)這些3D技術(shù)的用戶體驗(yàn)進(jìn)行研究;

        (4)3D電視用戶接受或者拒絕研究,用戶體驗(yàn)決定了用戶對(duì)于3D電視的態(tài)度,而態(tài)度最終決定用戶的行為,即接受或者拒絕。因此,將來(lái)的研究應(yīng)該探索3D電視用戶接受或決絕行為的影響機(jī)制研究。

        7 結(jié)論

        隨著3D電視的普及,3D電視用戶體驗(yàn)研究的重要性日益增加。本文從理論上分析了3D電視用戶體驗(yàn)的基本原理,從制播流程角度總結(jié)了影響3D電視體驗(yàn)的主要影響因素,然后,提出了一個(gè)多維度的3D電視體驗(yàn)?zāi)P?。接下?lái),結(jié)合文獻(xiàn)分析和總結(jié)了3D電視用戶體驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)方法,最后,提出了幾個(gè)將來(lái)的主要研究方向。本文也為將來(lái)的3D電視用戶體驗(yàn)研究以及用戶行為研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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