技術解説 - 3D品質評価法
3D品質評価法
まえがき
3D映画が世界的に好興行を記録する中で、複数のメーカーから3Dテレビが発売され、3D映像に関連する市場が急速に成長しています。スポーツ放送を中心にワールドワイドに3D放送が始まり、IPTVを用いた3D映像サービスも既に多数提供され始めています。
3D映像サービスの品質では、従来の2Dサービスで考慮してきた画質に加えて、安全性（疲労・映像酔い等）への配慮がより重要視されます。3D映像サービスにおいて影響を与える要因は、撮像、符号化、配信、表示など、多種多様であるため、これら全てを考慮に入れてお客様が感じる品質（QoE: Quality of Experience）を評価していく必要があります。
本解説ページでは、3D映像の品質評価法の動向に関して、サービス品質の観点から評価法を整理するとともに、国際標準化動向について概説します。
1. 3D映像の品質とは
本章では、3D映像の品質について品質要因や生体への影響について説明すると共に、3D映像に対する品質測定法の分類について説明します。
1.1. 3D映像の品質要因
3D映像通信サービスの品質に影響を与える要因は多数存在しますが、大きくは、1.コンテンツ制作要因、2.映像圧縮・配信要因、3.視聴環境要因の3つに分けることができます。
- コンテンツ制作要因には、カメラ性能（レンズの距離線形／非線形特性）、映像撮影条件（カメラ間距離、カメラ間輻輳角、コントラスト）、画枠の影響、輻輳変化の大きさ／激しさ等があります。
- 映像圧縮・配信要因には、フォーマット(Full HD Frame sequential / Half HD Side-by-side)、符号化方式(H.264AVC/MVC）、伝送路エラー/ジッタ、バッファ／FEC強度、左右映像の同期エラー等があります。
- 視聴環境要因には、表示方式の違い(LCD/PDP)、クロストーク量、視距離、観視角度、室内照度等があります。
1.2. 3D映像による生体への影響
3D映像の品質評価は、単なる画質の良し悪しだけでなく、生体への影響の有無を考える必要があります。これを考慮しないと、3D映像特有の立体的な表現の魅力が損なわれる可能性があります。
- 生体に直接影響を与えないもの
- 違和感（不自然さ）：経験的な立体記憶情報との矛盾
例：箱庭効果、書割効果など
- 違和感（不自然さ）：経験的な立体記憶情報との矛盾
- 生体に直接影響を与えるもの（心理的／生理的）
- 眼精疲労：視覚系の立体情報間の矛盾
例：調節・輻輳の矛盾、左右の画質差など - 映像酔い：視覚情報とその他の感覚情報の間の矛盾
例：視覚情報では激しく動いているのに身体は静止しているなど
- 眼精疲労：視覚系の立体情報間の矛盾
1.3. 3D映像に対する品質測定法の分類
3D映像の品質評価法は下表に示すように3つに分類することができます。
主観評価とは、評価者の品質感や疲労感をアンケートにより評価する手法であり、2D映像の品質評価で用いられてきたDSCQS(Double Stimulus Continuous Quality Scale)法、ACR(Absolute Category Ratio)法や、映像酔い／疲労の評価で用いられてきたSSQ(Simulator Sickness Questionnaire)法、VAS(Visual Analogue Scale)法が挙げられます。
生理評価とは、脳活動（fMRI、 MEG、 EEG、 NIRS）や生体信号（心拍、呼吸、瞳孔、調節、瞬目、皮膚電位）のような生理信号を計測し、感性や快適性を評価する手法です。
パフォーマンス評価とは、特定の課題に対するパフォーマンス（成績・反応時間等）を評価する手法であり、ディスプレイ上に表示された数字を順番にマウスでクリックする時間を測定することで疲労度を定量化する、ATMT（Advanced Trail Making Test）法などが挙げられます。
| 主観評価 | 生理評価 | パフォーマンス評価 | |
|---|---|---|---|
| 概要 | 評価者の品質感や疲労感をアンケートにより評価 | 以下の生理情報を計測して評価 | 特定の課題に対するパフォーマンスで評価 |
| 具体的な手法 |
|
|
ATMTによる計測 |
2. 3D映像評価に関する標準化動向
3D映像サービスに関する標準化は、下図に示すようにサービスの処理段階（プロセス）毎に進められています。この中で、ITUやISOにおいては、符号化から映像の表示まで含めたシステムの標準化を行うとともに、評価法自体の標準化を検討しています。本章では、ITUとISOを中心に標準化動向を解説します。
2.1. ITUにおける品質評価法の国際標準化動向
ITUにおける3D映像の品質評価法に関する標準化は、3つのセクションで標準化が行われています。ITU-RのSG6配下のWP6Cでは、放送サービスの観点から品質評価法の国際標準化を検討しています。また、ITU-TのSG9配下のQ2/9およびQ12/9では、IPTVやケーブルTVサービスの観点から同様の検討が行われています。さらに、通信と放送の映像品質に関わるセクションの専門家らが集まるVQEG（Video Quality Experts Group：映像品質専門家会合）において、映像品質に関する技術的な議論・検証が行われています。
(1)ITUにおける品質評価法の標準化勧告
１章において、3D映像通信サービスの品質に影響を与える要因は、コンテンツ制作要因、映像圧縮・配信要因、視聴環境要因の３つあると述べました。従来、3D映像の評価では、コンテンツ制作要因やディスプレイ等の視聴環境要因に対して多くの検討がなされてきました。 3D映像サービスが提供され始めた現在、ITUにおいては「映像圧縮・配信要因」による品質劣化を捉えることが重要視されてきています。
3D映像サービスに関連するITU勧告を下表に示します。次ページ以降、3D映像の主観評価法に関する勧告であるITU-R BT.1483について概要を説明します。
| 勧告 | タイトル | 概要 |
|---|---|---|
| ITU-R BT.1198 | Stereoscopic television based on R-and L-eye two channel signals | R-chとL-chの信号形式に関する要求条件 |
| ITU-R BT.1483 | SUBJECTIVE ASSESSMENT OF STEREOSCOPIC TELEVISION PICTURES | 立体映像の主観評価法に関する勧告。メインは評価映像 |
| ITU-R BT.500 | Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures | 映像の主観評価法全般に関する勧告 |
| ITU-R BT.1702 | Guidance for the reduction of photosensitive epileptic seizures caused by television | 光感受性発作予防に関するガイドライン |
(2)ITU-R勧告 BT.1483
3D映像の主観評価法に関する代表的な勧告として、ITU-R勧告BT.1483があります。評価法自体はITU-R勧告BT.500に準拠し、品質評価に対する基準映像が利用可能な場合はDSCQS法、DSIS法を、基準映像が利用できない場合はACR法を利用することが推奨されています。また、評価環境として輻輳と調節が対応することを考慮し、a) 被写界深度：+-0.3Diopter (+-0.9度程度) 、b) 視距離：HDTVは3H、 SDTVは6H（Hは画面高）を満たすことが規定されています。さらに、本勧告では次の3種類の評価映像チャートが提供されています。
【1】視機能チャート【2】自然画チャート(静止画)【3】自然画チャート(動画)
【1】視機能チャート
評価者のスクリーニングを目的とした人間の立体視の機能を検査するチャート（下表参照）。全てに合格することが望まれますが、簡易にはNo.4と立体視力とNo.7の動態立体視力の合格が望まれます。
| No. | Item | Test for | Content |
|---|---|---|---|
| 1 | Simultaneous perception | The ability to perceive dichoptically presented images simultaneously and in the correct position | A cage image is presented to one eye and a lion image to the other eye |
| 2 | Binocular fusion | The ability to perceive two dichoptic images in left and right eyes as one image | The image for one eye has two dots, and the image for the other eye has three dots, with one dot in common |
| 3 | Coarse stereopsis pictures | The ability to perceive dichoptically presented images with a parallax as one image with a coarse depth | The image for two eyes are a stereopair of images of a dragonfly with its wings spreading |
| 4 | Fine stereopsis | The ability to perceive dichoptically presented images with a parallax as one image with a fine depth | Nine test lozenge patches are provided and each of them has four circles in which one circle has a small parallax |
| 5 | Crossed fusion limit | The ability to perceive dichoptically presented images with crossed disparities as one image | A stereopair of bars is presented with its crossed parallax changing by 10￠/s |
| 6 | Uncrossed fusional limit | The ability to perceive dichoptically presented images with uncrossed disparities as one image | A stereopair of bars is presented with its uncrossed parallax changing by 11￠/s |
| 7 | Dynamic stereopsis | The ability to perceive depth in moving random dot stereogram images | Dynamic random dot stereogram |
| 8 | Binocular acuity | The binocular acuity, including any imbalance of monocular acuity which might prevent good stereopsis | E characters with a variety of orientation and size |
| 9 | Horizontal strabismus | The horizontal deviation of the eye which the patient cannot overcome | Vertical and horizontal lines |
| 10 | Vertical strabismus | The vertical deviation of the eye which the patient cannot overcome | Vertical and horizontal lines |
| 11 | Aniseikonia | A condition in which the ocular image of an object as seen by one eye differs in size and shape from that seen by the other | The left image consists of the characters "[o" and the right consists of the characters "o]" where the "o" character position is common |
| 12 | Cyclophoria | The deviation of one eye or the other around the anteroposterior axis when fusion is prevented | The left image consists of the face of a clock and the right consists of the hands of a clock at six o'clock |
【2】自然画チャート(静止画)
立体映像表示装置や立体画像の画質等の評価を目的とする、12種類の静止画チャートが提供されています（下表参照）。
| No. | Title | Content | Representative of | Major factors to be assessed |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Autumn tints | Red autumnal momiji leaves against the light | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 2 | Autumn tints and Buddhist temple | A scene with pure red momiji leaves in direct light, and a Buddhist temple in the background | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 3 | Attractive Japanese kimono in a Buddhist temple | Woman dressed in kimono with Daikakuji temple in the background | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 4 | Autumn leaves | Woman dressed in kimono in a Japanese garden filled with autumn leaves | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 5 | Sky | Scenery of trees with leaves in autumn tints | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 6 | Under the shade of a tree | Woman in a grove dressed in kimono | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 7 | By the side of the autumn tints | Woman dressed in kimono and autumn tints in the temple grounds | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 8 | Japanese garden | Autumn tinted Eikando garden | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 9 | Beauty in kimono | Autumn tints and a lady dressed in kimono | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 10 | City scenery 1 | Modern building and woman | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 11 | City scenery 2 | Artificial waterfall and woman | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 12 | City scenery 3 | A building promenade and woman | Outdoor shooting | Still and depth resolution |
| 13 | In my room 1 | Woman at ease in her room | Studio production | Still and depth resolution |
| 14 | In my room 2 | Woman at ease in her room | Studio production | Still and depth resolution |
| 15 | Dining | Scenery of a woman at a dining table | Studio production | Still and depth resolution |
【3】自然画チャート(動画)
立体映像表示装置や立体画像の画質等の評価を目的とする15種類の動画チャート（下表参照）。1920×1035の有効画素数で撮影された各15秒のシーケンスです。評価要素としては、奥行方向の解像度、前後方向の動きのスムーズさ、立体画像の空間の歪が挙げられます。
| No. | Title | Content | Representative of | Major factors to be assessed | Motion | Focal length (mm) | Keystone distortion |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Tulip garden | A girl walking in a tulip garden | Outdoor shooting | Still and depth resolution | Slow | 40 | No* |
| 2 | Festival | A portable shrine and paper storm | Outdoor shooting | Still and depth resolution | Slow | 12 | No* |
| 3 | Portable shrines | Portable shrines carried out | Outdoor shooting | Still and depth resolution | Slow pan | 20 | No* |
| 4 | Crossing ships | Crossing ships and audience | Outdoor shooting | Depth motion | Slow pan | 40 | No* |
| 5 | Red leaves | A woman and red leaves | Outdoor shooting | Depth motion | Medium | 12 | No* |
| 6 | Botanical gardens | Waterfall in botanical gardens | Outdoor shooting | Orthostereoscopy | Fixed | 12 | No* |
| 7 | Living room | A woman sitting on a sofa | Studio production | Orthostereoscopy | Fixed | 12 | No* |
| 8 | A meal | People around a meal on a table | Studio production | Orthostereoscopy | Fixed | 12 | No* |
| 9 | Amusement park | Girls playing in an amusement park | Outdoor shooting | Depth motion | Medium | 12 | No* |
| 10 | Football | A football game | Outdoor shooting | Depth motion and resolution | Medium | 12 | No* |
| 11 | A vocalist | A vocalist in a hall | Studio production | Orthostereoscopy | Fixed | 12 | No* |
| 12 | Chromakey | A woman and flowers | Studio production | Chromakey | Fixed | 12 | No* |
| 13 | Flower pot | A girl and flower pot | Outdoor shooting | Depth motion | Medium | 12 | Yes |
| 14 | An aquarium | Tropical fish in an aquarium | Outdoor shooting | Depth motion | Fixed | 12 | Yes |
| 15 | Flower garden | A girl walking in a flower garden | Outdoor shooting | Depth motion and resolution | Slow | 12 | Yes |
(3)現在の活動状況
【1】ITUにおける活動状況
ITU-R WP6Q及びITU-T SG9のQ.2、12では、以下の表に示す勧告を作成すべく検討が進められています。
| 暫定勧告名 | タイトル | 概要 |
|---|---|---|
| ITU-T P.3D-sam | Subjective assessment methods for 3D video quality | 現状の3D環境を加味した3D評価法に関する勧告化 |
| ITU-T J.3D-fatigue | Assessment methods of visual fatigue and safety guideline for 3D video | 3D映像に関する眼精疲労の評価法と安全性のガイドライン |
| ITU-T J.3D-disp-req | Display requirements for 3D video quality assessment | 3D評価試験で利用するモニタに対する要求条件 |
【2】VQEGにおける活動状況
VQEGでは以下の3つの検討を進めています。いずれも複数の機関で評価試験を実施し、その取り組みで得られた検討結果をITU等の場で勧告化していく予定です。
- ITU-T／Rにおける3Dサービスの品質評価法の勧告化
従来、2D映像の品質評価の際に考慮してきた「画質」に、「立体感」や「快適性／疲労感」の2つの軸を加えた品質評価法の勧告化を検討しています。 - 主観評価法に利用するモニタのクロストーク量を規定する検討
本検討で得られた結果を基に、ITU-T／Rにおける品質評価法の勧告やMPEGにおける3D映像評価の検討に反映させることを目指しています。 - MPEGの3Dテストのサポート
3視点映像の符号化手法の良否を検討する際の評価手法を検討しています。
2.2. ISOにおける品質評価法の国際標準化動向
ISOでは、TC159(Ergonomics) SC4 (Ergonomics of human-system interaction)内のWG12 (Image Safety)を中心に評価法や安全性ガイドラインの検討が進められています。2006年8月に発足したWG12における検討課題は以下の3つです。
- Photosensitive seizures(PSS)：光感受性発作
- Visually induced motion sickness(VIMS)：映像酔い
- Visual fatigue caused by stereoscopic images(VFSI)：眼精疲労
3Dに関連した評価法や安全性ガイドラインとして下表の文書が挙げられます。
| 勧告 | タイトル | 概要 |
|---|---|---|
| ISO/IWA3:2005 | Image safety -Reducing the Incidence of Undesirable Biomedical Effects Caused by Visual Image Sequences | 生体安全性の重要性に関する合意文書 |
| ISO/IS 9241-303 | Ergonomics of Human-System Interaction - Part 303: Requirements for Electronic Visual Displays, Annex E. Virtual Display | デバイス(HMDs)を想定した要求条件 |
| ISO/TR 9241-331 | Optical characteristics of autostereoscopic displays | 視聴範囲を定めるための評価手法をまとめた勧告 |
現在、JEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)が作成したガイドラインを3Dコンソーシアム（次節参照）と産総研が改定を行い、下図のスケジュールで3D映像ガイドラインの規格化を進めています。
2.3. その他の標準化機関の活動状況
本節では、2.1および2.2で解説したITUとISO以外の標準化動向について説明します。
(1)3Dコンソーシアム
3Dコンソーシアムは、3D映像サービスの普及・拡大を図るため、コンテンツプロバイダ、メーカー、映像プロダクション、放送局などが集まり、3D映像サービスの市場形成と拡大・発展を目指す国内の標準化団体です。現在、約70社が加入し大学のメンバと共同で活動を行っています。ここで作られたガイドラインは、ISOのImage Safetyのガイドラインのベースとなっており、以下のような項目に分かれています。詳細はhttp://www.3Dc.gr.jp/jp/index.htmlを参照下さい。
- 視聴者に周知すべきガイドライン
立体視成立の確認、逆視防止確認、視聴姿勢、視聴位置、視聴時間、低年齢層への配慮、視聴者への注意喚起 - コンテンツ制作者のためのガイドライン
開散方向の視差制限、快適視差範囲、融合限界、ディスプレイ・サイズと視差、カメラ撮影、カメラの同期 - 製造者のためのガイドライン
クロストーク、時分割表示方式の推奨周波数
おわりに
今後の3Dサービスの普及や発展に向け、3D映像の品質評価に関わる課題として以下の3つがあると考えています。
- 品質や安全性が判断可能な、信頼性が高い詳細な品質データの取得
- 前後方向の動きなど、コンテンツが生体に与える影響の評価
- 配信時の符号化やデータ損失が生体に与える影響の評価
- 長時間視聴時、数日／数年経過時の生体に与える影響の評価
- 上記に関する個人差の影響把握
- 標準的な評価手法の開発
上記1.を効率的に検討するため、統一的な評価手法の確立が求められます。この実現には標準化機関同士の連携が求められます。ここでは、適切な評価映像の選定を含む、主観評価法の確立とともに客観的に評価する手法の確立も望まれています。 - 3Dサービスの魅力を評価できる手法の開発
3D映像の安全性確保が第一ではありますが、魅力がなければ普及もままなりません。そのため、3Dサービスの魅力自身を評価する手法の確立も必要と考えています。