眼鏡式3D顯示設(shè)備綜合性能測(cè)試方案的研究

王嘉輝，鄧玉桃，黎奕寧，林 雋，何冠榮，周延桂，范 杭，梁浩文，蘇劍邦，周建英＊

（1.中山大學(xué) 光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275；2.中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275）

1 引 言

近年來(lái)，眼鏡式3D顯示技術(shù)發(fā)展成熟，并得到較為廣泛的應(yīng)用［1－4］。目前眼鏡式3D顯示技術(shù)根據(jù)其成像原理不同可分為色分、偏振、時(shí)分三類。

隨著眼鏡式3D顯示技術(shù)的普及，其顯示性能也日益受到重視，目前由企業(yè)提出針對(duì)眼鏡式立體顯示器件光學(xué)參數(shù)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布［5］，但針對(duì)三大類眼鏡式立體顯示技術(shù)的顯示性能未有綜合的評(píng)價(jià)方法，為此，本文通過(guò)對(duì)影響3D顯示效果的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行深入研究，并對(duì)串?dāng)_率、亮度、對(duì)比度、色溫、色域五個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)制定相應(yīng)的測(cè)試方案，根據(jù)既定的測(cè)試方案對(duì)現(xiàn)有的眼鏡式3D顯示設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，并形成綜合的評(píng)價(jià)體系。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 眼鏡式3D顯示設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)

2.1.1 串?dāng)_率

眼鏡式3D顯示設(shè)備的串?dāng)_率指的是在觀看3D影像時(shí)，本該進(jìn)入右（左）眼的光線錯(cuò)誤進(jìn)入左（右）眼，其比例成為串?dāng)_率［6］。串?dāng)_率是決定立體顯示設(shè)備圖像質(zhì)量的首要因素，串?dāng)_率過(guò)大，導(dǎo)致立體圖像出現(xiàn)嚴(yán)重重影，從而為觀看者帶來(lái)極大的視覺(jué)疲勞，更有甚者，將出現(xiàn)立體圖像難以融合的情況。

2.1.2 亮 度

亮度是指發(fā)光體（反光體）表面發(fā)光（反光）強(qiáng)弱的物理量，定義為該單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度，單位是坎德拉／平方米（cd／m2）［7］。它是一個(gè)評(píng)價(jià)3D顯示設(shè)備的硬件指標(biāo)，顯示設(shè)備的亮度并無(wú)最佳值，但提高亮度在某種程度來(lái)講，會(huì)改變圖像對(duì)比度，從而影響顯示設(shè)備對(duì)細(xì)節(jié)的還原能力，對(duì)于一般的室內(nèi)播放的平板顯示器來(lái)說(shuō)，亮度在250～300cd／m2較佳，部分室外播放的廣告機(jī)的亮度則在400～500cd／m2為宜。

2.1.3 對(duì)比度

對(duì)比度定義為屏幕顯示最大亮度（全白屏）與最小亮度（全黑屏）時(shí)亮度的比值［8］。對(duì)比度對(duì)視覺(jué)效果的影響非常關(guān)鍵，一般來(lái)說(shuō)對(duì)比度越大，圖像越清晰細(xì)膩，色彩也越鮮明艷麗；而對(duì)比度越小，容易丟失圖像細(xì)節(jié)而使整體畫(huà)面偏灰。另外，高對(duì)比度對(duì)于圖像的清晰度、細(xì)節(jié)表現(xiàn)、灰度層次表現(xiàn)都有十分大的幫助。

2.1.4 色 溫

色溫是表示光源光譜質(zhì)量最通用的指標(biāo)。一般用Tc表示。光源的色溫是通過(guò)對(duì)比它的色彩和理論的熱黑體輻射來(lái)確定的，光源的輻射在可見(jiàn)區(qū)和絕對(duì)黑體的輻射完全相同時(shí)，此時(shí)黑體的溫度就稱此光源的色溫。

色溫是人眼對(duì)發(fā)光體或白色反光體的感覺(jué)，這是物理學(xué)、生理學(xué)與心理學(xué)的綜合復(fù)雜因素的一種感覺(jué)，也是因人而異的。標(biāo)準(zhǔn)的日光色溫大約在5200～5500K，人眼在大自然中對(duì)這個(gè)區(qū)域的色溫值反應(yīng)是最舒適的也是最自然的，因此，這也可為評(píng)價(jià)顯示設(shè)備的色溫提供參考依據(jù)。

2.1.5 色 域

色域體現(xiàn)顯示設(shè)備對(duì)圖像色彩的還原能力，是對(duì)一種顏色進(jìn)行編碼的方法或技術(shù)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的顏色的總和。色域覆蓋率是描述一種顯示設(shè)備的彩色表現(xiàn)能力。通常地，顯示設(shè)備的色域覆蓋率越大，其色彩表現(xiàn)能力便越強(qiáng)，色彩表現(xiàn)范圍越寬廣。使用白光LED背光的平板顯示器的色域覆蓋率普遍在64%～84%以內(nèi)［9］。本文采用國(guó)際常用的NTSC色域空間對(duì)顯示設(shè)備的顯色性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 測(cè)試儀器與測(cè)量對(duì)象

儀器：光譜輻射度計(jì)PR655。

對(duì)象：LG－D2341P顯示器及 Samsung－2233RZ顯示器，其3D顯示適用模式如表1所示。

表1 待測(cè)設(shè)備及其顯示適用格式Tab.1 Testing device and its applicable format

2.3 串?dāng)_率的測(cè)量

從雙目立體視覺(jué)原理來(lái)分析，無(wú)論是色分式、偏振式還是時(shí)分式3D顯示技術(shù)都是通過(guò)眼鏡的濾光功能，使具有視差的左右子圖像的光線分離，使之分別進(jìn)入人所對(duì)應(yīng)的眼睛，若這些光線錯(cuò)誤地進(jìn)入另一只眼，便產(chǎn)生串?dāng)_［10－11］。因此可將串?dāng)_率的數(shù)學(xué)表達(dá)式［6］寫(xiě)成：

其中：Ileakage是指不該進(jìn)入該眼的光亮度，Iright是指本該進(jìn)入該眼的光亮度。上述兩個(gè)光亮度需扣除環(huán)境光亮度IB。

測(cè)量時(shí)，在距離屏幕中心距離D為3倍顯示器高度H的位置上放置立體眼鏡，立體眼鏡后放置光譜輻射度計(jì)，其基本的測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 眼鏡式3D顯示器串?dāng)_率測(cè)試原理圖Fig.1 Schematics of crosstalk ratio in glasses 3Ddisplay

播放的左圖像為全白圖像，右圖像為全黑圖像（對(duì)于紅藍(lán)式色分3D顯示器，播放左圖像為純紅圖像，右圖像為純藍(lán)圖像），其色階分布分別為（255，255，255）、（0，0，0）。測(cè)量時(shí)，保證光譜輻射度計(jì)在屏幕的中心法線上，左右旋轉(zhuǎn)3D顯示器下的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，每隔2°記錄左、右眼鏡片后的顯示屏幕的亮度值，依次測(cè)量－80°～80°內(nèi)左、右鏡片后的亮度分布IL－eye（WK）、IR－eye（WK）。而當(dāng)播 放 的左右圖像反轉(zhuǎn)時(shí)，可用相同的測(cè)量方法測(cè)量左、右眼的亮度分布，記為IL－eye（KW）、IR－eye（KW）。根據(jù)公式（1），可計(jì)算水平方向上左右眼的串?dāng)_率分布：

同理，垂直方向上的串?dāng)_率分布也可用同樣的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量。

2.4 亮度、對(duì)比度、色溫的測(cè)量

與串?dāng)_率的測(cè)試不同，亮度、對(duì)比度、色溫、色域的測(cè)量?jī)H對(duì)屏幕中心處進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)首先在3D模式下進(jìn)行，并播放色階為（255，255，255）的左右純白子圖像，記錄亮度值I0（3D）及色溫值 Tc（3D），然后再加載色階為（0，0，0）的純黑圖像，并記錄亮度值Imin（3D）。此時(shí)3D模式下的對(duì)比度值C3D為：

同樣地，除去立體眼鏡，調(diào)整顯示設(shè)備為2D顯示模式，也可對(duì)其亮度、對(duì)比度、色溫、進(jìn)行測(cè)量。

2.5 色域覆蓋率的測(cè)量

色域覆蓋率的測(cè)量同樣僅對(duì)屏幕中心處進(jìn)行，并且分別在2D與3D模式下實(shí)施測(cè)量。當(dāng)播放的左右圖片為純紅、純綠、純藍(lán)圖片（色階分別為（255，0，0）、（0，255，0）、（0，0，255））時(shí)，在左（右）眼鏡后分別記錄色坐標(biāo)值，并據(jù)此計(jì)算其在NTSC標(biāo)準(zhǔn)下兩種顯示模式的色域覆蓋率。

3 結(jié)果與討論

3.1 串?dāng)_率的分布

色分式、偏振式、時(shí)分式3D顯示器的串?dāng)_率分布分別如圖2～圖4所示。

測(cè)試結(jié)果表明，色分式3D顯示器的雙眼串?dāng)_率分布相對(duì)穩(wěn)定但差異較大（左、右眼分別為3%和9%）。這是由于紅藍(lán)眼鏡與LCD紅藍(lán)像素的光譜曲線不匹配所致，也是引起視覺(jué)疲勞的重要原因。

圖2 紅藍(lán)色分式3D顯示器串?dāng)_率分布Fig.2 Crosstalk distribution in color type 3Ddisplay

圖3 偏振式3D顯示器的串?dāng)_率分布Fig.3 Crosstalk distribution in plorization type 3Ddisplay

圖4 時(shí)分式3D顯示器串?dāng)_率分布Fig.4 Crosstalk distribution in Division type 3Ddisplay

偏振式3D顯示串?dāng)_產(chǎn)生的原因是眼鏡與屏幕偏振狀態(tài)的不匹配。數(shù)據(jù)表明，在水平可視角為［－30°，30°］以內(nèi)，串?dāng)_率基本穩(wěn)定在5%以內(nèi)；在垂直方向上串?dāng)_率呈振蕩分布，只有在［－2°，8°］內(nèi)低于5%；串?dāng)_率最小值達(dá)1.79%；出現(xiàn)在中心法線處。這些數(shù)據(jù)反映了偏振式3D顯示器在垂直的可視區(qū)域內(nèi)有很強(qiáng)的角度敏感性，與實(shí)際觀感相符。

時(shí)分式3D顯示串?dāng)_率產(chǎn)生的原因是：屏幕與時(shí)分眼鏡的刷新不同步。數(shù)據(jù)表明，在水平視角為［－50°，50°］區(qū)域中，串?dāng)_率維持在5%以內(nèi)，最低可達(dá)0.37%，可見(jiàn)時(shí)分式是眼鏡式3D顯示中串?dāng)_率最低而且舒適角度最大的立體顯示技術(shù)。

3.2 亮度、對(duì)比度的評(píng)價(jià)

3種眼鏡式3D顯示器的亮度、對(duì)比度在2D和3D模式下發(fā)生一定程度的改變，具體數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，各種眼鏡式3D顯示的亮度在3D模式下較2D均發(fā)生顯著下降，以時(shí)分式3D顯示最為嚴(yán)重，其對(duì)比度也相應(yīng)下降，這一方面說(shuō)明時(shí)分眼鏡透光率低，另一方面也解釋了為何在暗室中觀看時(shí)分式3D顯示器更顯舒適；色分式3D顯示左右眼的亮度下降程度不一致，造成雙眼的對(duì)比度差異大，這由左右鏡片濾光率各異所致，是色分式3D容易引起視覺(jué)疲勞的另一重要原因；偏振式3D盡管亮度有所降低，但對(duì)比度卻得到提高。

表2 眼鏡式3D顯示器亮度、對(duì)比度值Tab.2 Luminance and contrast in glasses 3Ddisplay

3.3 色溫、色域的評(píng)價(jià)

表3是3種顯示器在不同播放模式下的色溫、色域值的統(tǒng)計(jì)。圖5～圖7分別是色分式、偏振式、時(shí)分式顯示3D模式下的顯色范圍，圖中紫色部分為NTSC標(biāo)準(zhǔn)下標(biāo)準(zhǔn)三基色的色域覆蓋范圍。

表3 眼鏡式3D顯示器色溫、色域值Tab.3 Color temperature and color gamut in glasses 3D display

圖5 色分式3D顯示器色域覆蓋率Fig.5 Color gamut of color type 3Ddisplay presented in 1931CIE－Yxy

圖6 偏振式3D顯示器的色域覆蓋率Fig.6 Color gamut of polarization type 3Ddisplay presented in 1931CIE－Yxy

圖7 時(shí)分式3D顯示器的色域覆蓋率Fig.7 Color gamut of Division type 3Ddisplay presented in 1931CIE－Yxy

色分式3D顯示色域覆蓋率僅為0.3%。另外不難發(fā)現(xiàn)，藍(lán)色（右眼）鏡片的顯色區(qū)域遠(yuǎn)大于紅色（左眼）鏡片，表明藍(lán)色鏡片的濾色帶寬較大，是右眼串?dāng)_明顯高于左眼的根本原因。

偏振式3D顯示由于眼鏡的濾光作用，使得其在3D模式下的色溫值有所下降，圖像顏色偏黃，而色域方面則無(wú)太大變化。

時(shí)分式3D顯示的3D模式色域比盡管保持在72.7%，但對(duì)比2D模式的78.1%，仍有一定下降，這也說(shuō)明時(shí)分式3D顯示在獲取極低的串?dāng)_率以及廣闊的舒適視角的同時(shí)，也犧牲了部分顯示質(zhì)量。

3.4 三種眼鏡式3D顯示設(shè)備綜合評(píng)價(jià)

三種眼鏡式3D顯示設(shè)備中，色分式顯示器的串?dāng)_率不僅高，且左右眼分布不平衡，亮度、對(duì)比度低，色域范圍小且有嚴(yán)重的偏色，因此其顯示效果最差；其次，偏振式3D顯示水平方向上的串?dāng)_率較低，但在垂直方向上串?dāng)_率呈振蕩分布，圖像顯示上除了亮度降低之外，其他性能與2D模式相比無(wú)太大變化，因此偏振式3D顯示的顯示效果明顯優(yōu)于色分式；最后，時(shí)分式3D串?dāng)_率最低，舒適角最大，其他性能也較為優(yōu)秀，因此總體顯示效果最好。

4 結(jié) 論

為了更科學(xué)、更系統(tǒng)地評(píng)價(jià)現(xiàn)有的眼鏡式3D顯示設(shè)備的顯示質(zhì)量，本文對(duì)影響眼鏡式3D顯示器顯示質(zhì)量的串?dāng)_率、亮度、對(duì)比度、色溫、色域5項(xiàng)顯示指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，色分式3D串?dāng)_率最高，左右眼分布不平衡（分別為3%、9%），色域覆蓋率僅為0.3%；偏振式3D水平方向串?dāng)_率相對(duì)較低，為1.79%，垂直方向串?dāng)_率呈振蕩分布；時(shí)分式3D串?dāng)_率最低，為0.37%，3D模式下的色域覆蓋率為72.7%，相比2D下降5.4%，但仍處于較為優(yōu)秀的水平。

目前偏振式和時(shí)分式已成為家用3D顯示設(shè)備的主流技術(shù)。本文的研究，可有助于眼鏡式3D顯示設(shè)備生產(chǎn)商綜合、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)產(chǎn)品顯示效果，從而為產(chǎn)品的優(yōu)化提供有益的參考。

［1］張興，鄭成武，李寧，等.液晶材料與3D 顯示［J］.液晶與顯示，2012，27（4）：448－455.Zhang X，Zheng C W，Li N.Liquidcrystal materials and 3Ddisplay［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（4）：448－455.（in Chinese）

［2］田豐，夏雪，王鶴.真三維顯示在醫(yī)學(xué)教育與仿真中的應(yīng)用［J］.液晶與顯示，2012，27（4）：535－538.Tian F，Xia X，Wang H.Application of volumetric three－dimensional display in medical simulation and education［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（4）：535－538.（in Chinese）

［3］張博.眼鏡式立體成像方法的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.Zhang B.Research on the method of glasses display stereo imaging［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2008.（in Chinese）

［4］王瓊?cè)A.3D顯示技術(shù)與器件［M］.北京：科學(xué)出版社，2011：210－214.Wang Q H.3 D display Technology and Devices ［M］.Beijing：Science Press，2011：210－214.（in Chinese）

［5］工信部平板顯示技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組立體顯示分組.GT005－2012.立體顯示器件 眼鏡式立體顯示器件光學(xué)參數(shù)測(cè)量方法（Ⅰ）［S］.GT005－2012.Stereoscopic display devices：Measuring methods of optical parameters for stereoscopic display devices using glasses（I）［S］.（in Chinese）

［6］王嘉輝，鄧玉桃，蘇劍邦，等.全高清裸眼3D顯示效果的評(píng)價(jià)與測(cè)量［J］.液晶與顯示，2013，28（5）：805－809.Wang J H，Deng Y T，Su J B.Evaluation and Measurement of the Display Effect in Full High Resolution Autostereoscopic Display［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（5）：805－809.（in Chinese）

［7］郝允祥，陳遐舉，張保洲.光度學(xué)［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.Hao Y X，Chen X J，Zhang B Z.Photometry ［M］.Beijing：China Metrology Publishing House，2010.（in Chinese）

［8］Bradley A，Ohzawa I.A comparison of contrast detection and discrimination ［J］.Vision Research，1986，26（6）：991－997.

［9］倪孟麟，倪澤成.彩色顯示器的色域覆蓋率［J］.世界廣播電視，2010（1）：90－93.Ni M L，Ni Z C.Color gamut coverage of color display［J］.World Radio and TV，2010（1）：90－93.（in Chinese）

［10］Woods A J.Crosstalk in stereoscopic displays：a review ［J］.Journal of Electronic Imaging，2012，21（4）：040902－040902.

［11］Pala S，Stevens R，Surman P.Optical cross－talk and visual comfort of a stereoscopic display used in a real－time application［C］.Electronic Imaging2007.International Society for Optics and Photonics，2007：649011（1－12）.