成像式亮色度計測量特性分析

溫 娜，武曉光，李 默，李 強，潘 榕，謝于迪，徐 暉，樊曉婷

（1.國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京100015；2.北京牡丹視源電子有限責任公司，北京100191）

作為數字家庭的重要終端，數字電視具有其他互聯終端所不具備的優勢，人們可以通過它最終獲得高品質的視聽享受，電視成為數字家庭多種設備融合的核心，其相關技術近幾年得到迅猛發展，LED、超高清、3D、OLED等概念層出不窮。其中，3D技術給人們帶來身臨其境的臨場感，正由影院走進家庭。2010年，被業內稱為“3D”元年，在這一年，相關研究和產品爆發式發展，隨后幾年，受制于3D技術的諸多瓶頸，如觀看舒適度差、片源匱乏等問題，3D電視技術熱度下降，但是其功能逐漸成為了一種電視標配。在2012年2月工信部發布的《電子信息制造業“十二五”發展規劃》以及子規劃《數字電視與數字家庭產業“十二五”規劃》[1]中明確指出，十二五數字電視和數字家庭產業發展重點之一是推進三維電視、智能電視嵌入式軟件系統、超高清電視系統的研發與應用。同時，相關技術標準也在制定當中。

電視企業尤為關注的是行業標準《立體電視圖像質量測量方法》[2]，標準規定了需要佩戴立體眼鏡作為輔助設備的立體電視立體圖像質量的測量條件和測量方法。與傳統二維顯示相比，立體電視的測量技術也有很大不同，測試工作量成倍增長。為了提高測試效率，該標準提出除采用普通點亮色度計外，增加了相機式亮色度計的可選方式進行測量。相機式亮色度計即成像式亮色度計，是以CCD攝像為基礎的高精度亮度計，可以得到亮度和色度的空間分布，廣泛應用于光源、顯示器和材料散射測量。由于與傳統點亮色度計相比，成像式亮色度計的光學測量原理、使用特性、測量結果分析有很大不同，因此其相關特性是數字電視檢測領域需要研究的問題。本文首先討論了該類亮色度計的測量原理，測量系統的搭建，然后通過設計測試實驗環節，研究了成像式亮色度計的使用特性，最后進行了總結。

1 成像式亮色度計測量原理

成像式亮色度計是一種基于成像原理來進行測光和測色的計量儀器，基本結構是由視覺（或色覺）匹配的探測器、光學系統以及與亮度（或三刺激值）成比例的信號輸出處理系統所組成。其測量原理如圖1所示。

圖1 成像式亮色度計測量原理示意圖

式中：τ為光學系統的透射比；n′和n為像方和物方的折射率，通常n′≈ n≈ 1。則上式簡化為L′=τL。可以通過測量成像面上的亮度來測量發光體的亮度。

實際測量時探測器測量的是像方照度值，利用光度學和幾何光學可以導出成像面照度為

式中：E為成像面上的照度；L為發光面亮度；τ為光學系統透射比；f為光學系統焦距；l為測量距離；fm=f/D，D為光學系統孔徑。當l?f時，上式可簡化為E=KL，其中K=πτ/，此為成像式亮色度計的基本計算公式[4]。

傳統點式亮度計采用硅光電二極管或光電倍增管作為光電接收探測器，僅有一個測量單元，只能逐點成像測量。而CCD面成像式亮色度計采用面陣CCD作為光電接收單元，其每一個CCD像素都可以看作一個獨立的檢測器，能夠瞬間將整個測量面成像在這些眾多的檢測器上，因此對于多點測量節省了測量時間，并且由于CCD面陣密度較高，能夠同時獲得更多的數據。CCD面陣可以看做是X×Y個點式亮度計的組合，其中X、Y分別對應于CCD面陣水平和垂直像元數。根據幾何光學原理可以導出成像面亮度分布，亮度對于理想光學系統，均勻光源在成像面（CCD面陣）上的照度分布以入射角ω余弦的4次方衰減E′=KE cos4ω，其中K為斜光束的通光面積與軸向光束的通光面積之比。成像原理光學示意圖如圖2所示。

圖2 成像原理光學示意圖

對于一個實際系統而言，其成像面上的照度分布還受到成像系統吸收以及漸暈，內在反射、散射光，光學像差等影響，在儀器使用與校準時需要注意。

2 成像式亮色度計的測量特性分析

成像式亮色度計測量系統與點亮度計測量系統類似，如圖3所示。

1）測量參數設置對測量結果的影響

Sarcevic用概念分析法探討了mortgage和hypothèque的關系。雖然兩者都體現的是法律上的債務擔保,但外延含義有所差別。Hypothèque的擔保沒有轉移財產的所有權,而mortgage表達的是需要轉移所有權。因此,二者在法律功能或法律效力上并不完全對等[5]186。

在使用CCD面亮度計對平板電視進行測量時，需要針對兩者特點設定測量方式與設置，如設置不當有可能造成測量數據的較大誤差。（1）CCD成像亮色度計采用累計曝光法來獲得像元的亮度，由器件像元信號輸出方式決定了在一定的曝光時間內，CCD的動態范圍比較小，線性度要比傳統點式亮度計差，因此對于不同的亮度范圍需要采用不同的曝光值。（2）由于CCD面陣像元存在差異，需要采用多像元亮度定標方法進行標定。（3）由光學系統的眩光等效應引起測量面內各像點相互影響。若視場內存在高亮區域，這些區域的光線被光學系統散射到較暗區域，從而造成測量誤差。高亮區域越多，面積越大，其造成的影響也越大。

圖3 成像式亮色度計測量系統示意圖

在實際測試過程中發現，不同測量參數設置對測量結果有很大影響，也驗證了上述理論。例如，光圈設置、曝光次數、平均次數等，因此，為了獲得盡量滿意的測量結果，需要清楚了解所使用的成像式亮色度計具體原理和各個參數的設置，只有選取了正確的參數才可能得到理想的測量。

2）成像式亮色度計的亮度數值準確性分析

目前，顯示質量測量儀器大多采用點亮度計，而用成像式亮色度計少之甚少，成像式亮色度計只用來進行與均勻性有關的測量，那么成像式亮色度計測量得出的亮度絕對值是否準確是個值得思考的問題。通過分析發現，成像式亮色度計的計量是以點亮度計作為基準完成的，因此，只要采用正確的、完備的計量方法可以保證成像式亮色度計的準確性。下面分析一下計量過程：通常對準標準屏中心點，采用標準器，如CS2000作為基準進行測量，得到標準屏中心點的亮度、色度值，另外，取待計量的成像式亮色度計，在適宜位置測量該標準屏，同樣取中心點亮度、色度值，采用標準器的測量結果對成像式亮色度計測量結果進行修正。但是，僅僅校準中心點位置是不夠的，需要對成像式亮色度計的面進行盡可能多的取點校準，盡量遍歷面上的典型取點位置，如圖4上選取了多個spot，同時在其測試亮度區間范圍內以一定亮度間隔進行遍歷，例如[0.1，10，100，500，1 000]（單位：cd/m2），得到相應的校準值，對其測量結果進行修正。另外，首次測量要進行暗場校準，測量一定時間后需再次進行暗場校準以降低暗電流對測量結果的影響。

圖4 成像式亮色度計取點校準

另外，計量過程中仍然要考慮不同亮度計測量參數對測量結果的影響。因此，除了上述工作以外，計量時還要更換不同光圈、曝光時間等設置獲取其他參數下的亮度值，并且針對不同光譜曲線特性的被測樣機，應獲取各個特性曲線相應的校正值[5]。可想而知，該校準的工作量是非常巨大的，難以實現，目前中國計量院對成像式亮色度計的計量也僅限于給出中心點一種儀器設置下的修正值，僅計量中心點的值，使得實際亮度測量的誤差普遍大于2%，尤其LED面板的電視測量誤差大于7%[5]。所以，從理論上說，成像式亮色度計可以通過非常詳細、完備的校準實現其測量結果的準確，但是實際工作中實現困難，這也限制了成像式亮色度計的使用場景，那些測量內容是相對值的項目，亮度的誤差均在計量允許范圍內，是可以直接使用成像式亮色度計的[6]。其典型應用是不嚴格要求亮度測試絕對值的情況，例如電視發光面板的均勻性測試等，但需要說明的是該類亮色度計進行色度學測試時，其測量絕對值是可用的[6]。

3）背景畫面對目標測量的影響分析

成像式亮色度計與點亮度計的典型差異之一在于它以面的形式成像，按照理論來說，可以將成像式亮色度計認為是多個點亮度計規則擺放組成。對于點亮度計，通常采用套筒方式減少周圍雜散光對其測量結果的影響，那么對于成像式亮色度計是否也存在雜散光對其的影響，需要使用一些遮擋物去減少環境光的影響？本文通過設計2個測試環節研究了這一問題。

（1）測試一

通過給被測電視機輸入設計好的測試圖，考查目標區域不變，周圍背景有和沒有物體遮擋兩種情況下成像式亮色度計的表現。測試圖是白底8灰階測試圖（灰階：0、32、64、96、128、192、224、255，背景電平：255）。采用上述測試圖，測試1：測量8灰階的亮度；測試2：在屏幕測量區域內，8灰階外圍背景區域的左、右、上三面使用遮擋物進行遮擋，光線透過紙張強度減弱，測量此時8灰階亮度，測試結果見表1。

表1 測量數據

由表1可見，對于相同被測目標物，進入取景范圍的周圍背景亮度變化，那么相當于測試圖也變化了，目標物的亮度測量值也是有變化的。為了確保這一結論無誤，又設計了另一測試環節進行驗證。

（2）測試二

給被測樣機分別輸入9窗口和5窗口測試信號，如圖5所示。

圖5 測試圖

圖5a 測試圖的窗口5、2、6、8、4對應圖5b測試圖的窗口0、1、2、3、4、5，9窗口信號相當于1、3、7、9黑窗口被白代替，就成為了5窗口信號。使用成像光度色度計進行測試，上述對應點的測試結果數值對比如表2。

表2 測試數據

由表2可知，雖然都是黑窗口，5窗口信號的測試數據明顯高于9窗口信號相對應的數值，說明5個窗口測試數據受到了周圍的影響。

綜合考慮上面2個測試的測試結果，分析原因可能如下：第一，目標測試點受環境雜散光影響，該環境雜散光可能是測試圖上目標測試點以外測試圖帶來的。第二，由于成像式亮色度計自動測試時認為所有進入測量畫面的物體都是目標物，會根據所有攝入畫面物體的亮度情況自動調整測量參數，因此，只要測量畫面有所不同，即使只是背景變化而目標物沒有變化，成像式亮色度計仍然會得出不同測量結果。所以，當使用面亮度計進行測量時，要盡量使目標測量物剛好攝入畫面，減少背景。那么此時整個測量畫面都是目標區域，也就沒必要增加遮擋物去減少雜散光的影響，如果增加遮擋物，就相當于改變了測試圖，影響測試準確性，若遮擋物將一些測試點也遮擋了，就不能體現成像式亮色度計一次多點成像的優點。所以可以得出結論，成像式亮色度計不需要類似套筒的遮擋物。

4）均勻性測試分析

通常要求測試在暗室中進行，環境照度不超過1lm，以保證測量絕對值的準確性。而既然成像式亮色度計主要用于類似均勻性參數測量，那么有必要分析環境光對均勻性測量結果是否有影響。下面通過以下測試環節研究了這一問題，測量評估了實驗室開燈（使用9個CL-200A探頭，測得環境照度39lm）和暗室情況下的均勻性測試結果，測試信號：100%全白場，在測量屏幕上均勻選取20個目標區域，得到兩組測量數據的平均值與標準差如表3所示。

表3 測量數據

由上述結果，可以看出：（1）被測設備的亮度越大，受環境光的影響越小；（2）均勻性測試采用的是100%白場信號，由上面數據標準差非常接近，說明環境光對均勻性測量影響很小，可以忽略不計。因此可以得出結論，使用成像式亮色度計測量時如果無法嚴格滿足對暗室的環境光要求，那么對于亮度值較高情況，測試也是可以進行的。

5）莫爾效應的影響

平板電視的屏幕是由一個個像素單元構成的發光面，通過光學系統成像在CCD面陣上容易與面陣像元產生莫爾效應從而影響測量，這要求面陣空間頻率（像素數）要遠大于待測屏幕區域的空間頻率（像素數）。為降低莫爾效應發生的幾率，一般地在CCD面陣前安裝有低通濾鏡以降低成像的空間頻率[3]。在實際測量時，要注意避免莫爾效應的發生，通過旋轉屏幕或亮度計、改變焦距等方式減輕或消除莫爾效應。

6）需要進一步解決的問題

在SJ/T11348—2006《數字電視平板顯示器測量方法》標準中規定，測量距離應為顯示器屏幕高度的3倍（HDTV）或4倍（SDTV）；同樣地，在行業標準《立體電視圖像質量測量方法》中提到的對于相機式亮度計放置位置為屏幕高度的3倍距離，同時要求能夠攝取全屏畫面內容。這要求成像式亮度計視角要在33°以上（相當于60mm鏡頭全畫幅），因此需要根據CCD面陣尺寸選取合適的鏡頭。一般的成像式亮度計CCD面陣尺寸較小，鏡頭焦距也要相應減小，對于短焦鏡頭其光學畸變較大，會造成測量數據較大誤差。因此，采用成像式亮度計進行測量時，可否根據其最佳視角改變放置位置，需要進行探討。從理論上來說，在設置正確情況下，測量值與測量距離無關，那么需要分析不同測量距離對測試結果的影響，以及采用成像式亮色度計測量時與點亮度計測量結果橫向比較是否可用，這是需要進一步通過實驗驗證解決的問題。

3 結論

通過上述理論分析及實驗，可以看出成像式亮色度計能夠大幅提高測試效率，但為保證測量準確性，有些環節需要高度重視。第一，重視該類儀器的計量方法；第二，測試過程中要保證正確的曝光量、曝光時間等設置；第三，分析測試需求，在符合成像式亮色度計測量特性的測試中采用該類設備。

[1] 電子信息制造業“十二五”發展規劃[EB/OL].[2014-02-20].http://www.gov.cn/gzdt/att/att/site1/20120224/782bcb888d4910b13de50 1.doc.

[2] 立體電視圖像質量測量方法[EB/OL].[2014-02-20].http://wenku.baidu.com/link?url=QClwaDxU5ls9MGhmMg4D_nzv07LKRIXLdN EdNqaX-MgQLWBa8LUXYxT-vLeAKPKRe1AjzUHbRrCAHfyhC ImSxw3Tp73KKRDE5Q_3yNEnuom.

[3] 周鋼，馬鵷鶵，牟同升.數碼成像法測量面發光體亮度[J].光學儀器，2006，28（3）：12-16.

[4] 魏建中，王仲春，蘇學剛，等.CCD成像型寬量程亮度計系統研究[J].光學技術，1999（1）：88-91.

[5] 李默.不同光譜特性的電視機在光學測量中的校準 [J].電視技術，2011，35，（22）：87-91.

[6] 李默.積分式與分光式測光測色儀器的計量校正[J].電視技術，2012，36（4）：71-77.