裸眼3D顯示設備關鍵指標測試方案的研究

謝雨桐1,蘇曉煌1,鄭集文1,何杰勇1,梁浩文1,張 潔2,周建英1,2,王嘉輝1,2?

(1.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室,廣東廣州510275; 2.中山大學物理科學與工程技術學院,廣東廣州510275; 3.廣州計量檢測技術研究院,廣東廣州510030)

裸眼3D顯示設備關鍵指標測試方案的研究

謝雨桐1,蘇曉煌1,鄭集文1,何杰勇1,梁浩文1,張 潔2,周建英1,2,王嘉輝1,2?

(1.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室,廣東廣州510275; 2.中山大學物理科學與工程技術學院,廣東廣州510275; 3.廣州計量檢測技術研究院,廣東廣州510030)

為了制定裸眼3D關鍵指標的標準化測試方案,本文根據目前主流的自由立體顯示和指向性背光技術的不同顯示原理及其甜點的不同排列情況,分別設計了不同的測試方法,并對其進行串擾率、亮度、對比度、色溫、色域等關鍵指標的完整測量與評價。測試結果表明,指向性背光式裸眼3D顯示器的串擾率低達2.64%,遠低于柱鏡式(80.91%)和液晶光柵式(3.3%)裸眼3D顯示器;亮度、色域、色溫等指標上,指向性背光式顯示也勝于柱鏡式和液晶光柵式技術;而在對比度上,柱鏡式裸眼3D顯示憑借較佳的亮度,取得最優秀的數值,明顯強于液晶光柵式和指向性背光技術。

裸眼3D顯示;評價;串擾率

1 引 言

裸眼3D技術指的是無需佩戴任何輔助式視具即可讓觀眾獲得前所未有的“高真實度”3D視覺體驗。與裸眼3D技術百花齊放的發展態勢相比,裸眼3D顯示關鍵參數的標準化測量的研究相對滯后。特別是在國內,業界并沒有確立各項光、電學指標的測試標準,這導致了現階段裸眼3D產品品質監管的滯后,造成產品視覺效果良莠不齊,打擊了消費者對裸眼3D顯示產品的信心與期望。

為了更好地規范裸眼3D顯示產品質量,促進其技術發展,制定裸眼3D關鍵指標的標準化測試方案顯得尤為重要。目前,國際電工委員會雖已頒布了IEC 62629-22-1國際標準[1],但此標準僅僅是側重于柱鏡式和光柵式等自由立體顯示技術,且其對部分參數的測量方法缺乏可操作性,同時,它并未說明指向式背光等新興裸眼3D技術的實際測量方法。有見及此,本文針對自由立體和指向性背光等主要裸眼3D顯示技術的成像特性,提出一套更完整、可行、本土化的標準化測試方案,以完成對串擾率、亮度、對比度、色溫、色域等關鍵指標的準確測量。

2 實 驗

裸眼3D與眼鏡式3D觀看時的最大區別是:裸眼3D顯示存在推薦觀看距離(designed viewing distance,DVD)及甜點(sweet spot,即串擾率最低的位置)。由于甜點是最佳觀看點,因此目前裸眼3D顯示設備光色參數的測試均應在甜點上進行。另外,根據成像原理,裸眼3D顯示的甜點呈弧形[2]和直線[3]兩種排列方式。因此,在測量時需根據不同的排列方式,分別設計對應的測量方案。

2.1 裸眼3D顯示設備重要指標的測試方案

2.1.1 串擾率的測量

3D顯示將左右眼圖像分離,分別匹配送往觀眾雙眼。當匹配性被破壞時即會造成左右眼圖像的錯送,產生串擾。就裸眼3D而言,一般存在多個視區,所以串擾指的是其某個視區中從其他視區錯送來的光線。因此裸眼3D顯示串擾率η的數學表達式為:

串擾率作為3D顯示技術最重要的評價指標,達到5%就足夠使一半以上的觀眾產生視覺不舒適[4],而串擾率超過10%,將出現立體圖像在觀眾大腦中難以融合的情況。

實驗中,我們將測量儀器放置在待測設備的推薦觀看距離后,根據待測設備的視區排列規則,相應地設計了不同的測量方式,如圖1所示:對于自由立體等甜點呈弧線排列的設備,采取旋轉顯示器的方式測量串擾率分布;對于甜點呈直線排列的部分指向性背光式顯示器[3],采取平移測量儀器的方式進行測量。

圖1 裸眼3D測量串擾率原理圖Fig.1 Schematics of crosstalk ratio in autostereoscopic display

測量時,待測視區播放的圖像為全白圖像,色階為(255,255,255),其他視區播放的圖像為全黑圖像,色階為(0,0,0)。對于雙視點裸眼3D顯示器,左圖像全白、右圖像全黑時,測得左視區內的光強分布為Iright;當左右圖像反轉時,測得左視區內的光強分布為Iwrong。對于多視點,以9視點裸眼3D顯示器為例,當播放第1視區的圖像為全白、其余視區為全黑時,測得第1視區的亮度為Iright;當播放第1視區的圖像為全黑、其他任一視區的圖像輪流播放全白時,8次測得的光強分布之和為利用公式(1)即可得串擾率分布。

2.1.2 亮度、對比度、色溫的測量

亮度指發光體(反光體)表面發光(反光)強弱的物理量(單位cd/m2),即從某一方向觀察任一單位投影面積上的發光強度,能表示人對光的強度的視覺感受[5]。對于一般的室內播放的平板顯示器來說,亮度在250～300 cd/m2較為舒適,部分室外播放的廣告機亮度則在400～500 cd/m2為宜[6]。

對比度指屏幕顯示最大亮度(全白屏)與最小亮度(全黑屏)時亮度的比值[7]。對比度對視覺效果影響很大。在一定亮度的范圍內,對比度越大,圖像越清晰,色彩越鮮明,視覺效果越好。

色溫是3D顯示器中衡量背光源質量的重要指標,體現其對白色的還原能力。如果一個光源發射光的顏色(即光色,又稱色品)與某一溫度下的黑體發射光顏色相同,此黑體的絕對溫度值就叫做該光源的顏色溫度TC(簡稱色溫),單位K[8]。純白的色溫為5 603 K。標準的日光色溫大約在5 200～5 500 K,人眼對這個區域的色溫值反應是最舒適的也是最自然的。色溫過高時圖像偏藍,過低則圖像偏紅。由于裸眼3D顯示器需要額外的光學元件來實現,所以色溫與普通2D或眼鏡式3D顯示器不同。

通過串擾率的測試后,可找到每個視區的甜點SWi,i代表視區序號。亮度、色溫的測量便在這些位置上進行。當每個視區都播放色階分布為(255,255,255)的全白圖像時,在各視區甜點測得的光亮度記為IWi(i＝1,2,...N),色溫值TC。當播放色階為(0,0,0)的全黑圖像時,測得的光亮度為IKi(i＝1,2,...N)。最后利用公式(2)計算各視區對比度Ci:

取它們的平均值作為該顯示器的對比度。接著用3D模式播放原圖像,重復上述測量步驟。

2.1.3 色域覆蓋率的測量

色域是對一種顏色進行編碼的方法,也指一個技術系統能夠產生的顏色的總和。色溫與色域共同體現顯示設備的色彩表現能力。平板顯示器的色域覆蓋率普遍在64%～84%以內[9]。色域越大,設備所能表現的顏色范圍越大,從而減小了圖像顯示時的顏色失真,使圖像更加生動。本文采用的色域標準是NTSC國際標準。

色域的測量也在視區甜點進行。當播放所有視區圖像均為純紅、純綠、純藍(色階分別為(255, 0,0)、(0,255,0)、(0,0,255))時,分別記錄色坐標值。接著根據色坐標計算出它們在CIE1931-Yxy色度圖中所圍成三角形的面積,并根據NTSC標準計算出色域覆蓋率。

2.2 測試儀器與測試對象

儀器:光譜輻射度計PR655。

對象:R品牌裸眼3D顯示器、F品牌裸眼3D相框及時空式混合控制裸眼3D顯示原型機[10],如表1所示。

表1 待測設備及其顯示適用格式Tab.1 Testing device and its applicable format

3 結果與討論

3.1 三種裸眼3D顯示設備串擾率的評價

柱鏡式設備的串擾率、亮度分布如圖2(a)和(b)所示,液晶光柵式、指向性背光式裸眼3D顯示器的串擾率分布如圖3、4所示。

對于R品牌3D顯示器和F品牌3D相框,只對它們屏幕法線上的中央視區進行測量,而實驗室原型機則測量2個視區。

測試結果表明,R品牌顯示器的串擾率相對較高(80.91%),原因是多視點柱鏡式顯示中每個視點的亮度分布均存在數個瓣(lobe),其中旁瓣會串擾至其他視點中,如圖2(b)所示。串擾率的測量可以反映裸眼3D成像光路設計和裝配中缺陷的嚴重程度,有助于指導設計與工藝優化。例如,可以通過改良成像光路設計[11]和提高柱透鏡與顯示屏的貼合的對位精度[12],減少旁瓣的亮度,降低串擾率。

圖2 R品牌3D顯示器串擾率及亮度分布Fig.2 Crosstalk and luminance distribution in lenticular-lens autostereoscopic display

圖3 F品牌3D相框串擾率分布圖Fig.3 Crosstalk distribution in barrier autostereoscopic display

圖4 實驗室原型機串擾率分布圖Fig.4 Crosstalk distribution in directional-backlight autostereoscopic display

F品牌3D相框的串擾率為3.3%,因其雙視點的結構不存在旁瓣,所以串擾率可達較低值。

實驗室原型機的串擾率在較大范圍內可控制在4%以內,甜點處最低達2.64%。這說明自主研發的時空式混合控制裸眼3D顯示器除了能在視區內保持舒適的視覺體驗外,其顯示串擾率最低,處于業界先進水平。

3.2 三種裸眼3D顯示設備亮度、對比度的評價

三種裸眼3D顯示器的亮度與對比度的測試數據如表2所示。

表2 裸眼3D顯示器亮度、對比度值Tab.2 Luminance and contrast in autostereoscopic display

數據表明,R品牌3D顯示器的對比度較另外兩種裸眼3D顯示器高,亮度也比較高,原因是柱透鏡對屏幕亮度不造成削弱作用,同時消除了像素點間的間隙[13]。

F品牌3D相框的亮度、對比度在2D、3D模式下均偏低。當其工作在2D模式下時,液晶光柵處于非工作狀態,但仍會對屏幕出射光線產生吸收作用,因此亮度、對比度較低。當其在3D工作狀態時,液晶光柵使顯示屏幕的部分出射光線被阻擋,使得亮度相對于2D模式下進一步降低,從而對比度隨之下降。

相較而言,實驗室原型機在3D模式下采用動態同步背光技術,有效提高背光的照明效率,所以亮度能達到較高水平,而對比度因為最小亮度的增加而有所下降,但仍處于中等水平。

3.3 三種裸眼3D顯示設備色溫、色域的評價

表3是3種裸眼3D顯示器的色溫、色域測試數據。圖5是3種裸眼3D顯示器3D情況下的色度圖。

表3 裸眼3D顯示器色溫、色域值Tab.3 Color temperature and color gamut in autostereoscopic display

對于R品牌3D顯示器,色溫、色域在2D與3D模式下基本保持一致。色溫(2D:6 028 K; 3D:6 022 K)表示其對白色的還原能力較好,且其色域覆蓋率(2D:70.42%;3D:70.38%)在行業平均水平之內。

對于F品牌3D相框,在2D和3D模式下色溫(2D:7 020 K;3D:7 799 K)都明顯偏高,使其圖像顏色偏藍;而色域覆蓋率(2D:55.7%;3D: 54.3%)偏低,因此總體觀看效果有待改善。另外,在3D顯示狀態下,因液晶光柵和液晶面板之間的拍頻作用,圖像產生了明顯的莫爾條紋,使其色溫上升,同時令其色域隨之產生變化[14]。

圖5 三種裸眼3D顯示器色度圖Fig.5 Color gamut of three types of autostereoscopic display presented in 1931CIE-Yxy

對于實驗室原型機,色溫5 686 K表示其對白色的還原能力較強,而其色域覆蓋率(2D: 70.8%;3D:70.5%)與前兩種顯示器相比都較高,說明其色彩還原能力較好。

3.3 三種裸眼3D顯示設備綜合評價

基于以上所有測試結果,三種裸眼3D顯示設備分別在不同方面表現出優劣。柱鏡式設備亮度、對比度較出色,但是總體串擾率較高且分布不均勻。液晶光柵式設備的串擾率較低,其2D狀態下亮度、對比度低,色溫高,色域范圍小;在3D狀態下,液晶光柵的開啟導致上述指標進一步劣化,其總體顯示效果不出色。指向式背光顯示設備無論是2D還是3D模式關鍵指標差異不大,整體性能最優秀,串擾率最低,對比度較高,色溫、色域覆蓋率均能達到2D顯示器的平均水平。

4 結 論

本文針對柱鏡式、液晶光柵式、指向性背光式三種裸眼3D顯示器不同的顯示原理與視點分布,設計了不同的測試方案,分別對其串擾率、亮度、對比度、色溫、色域五項關鍵性能指標進行了完整的測量與評價。

結果表明,柱鏡式3D技術總體串擾率高,亮度與對比度最佳,色域和色溫也能達到2D顯示的平均水平;液晶光柵式3D技術串擾率較低(3.3%),但其色溫偏高(＞7 000 K)且色域覆蓋率較低(54.3%),同時2D和3D模式差異顯著;而指向性背光技術在串擾率、亮度、色域、色溫上取得最優值,分別達到2.64%、587.7 cd/m2、 70.5%、5 686 K;綜合顯示質量在三者中最佳,其中串擾率在業內處于領先地位。

本文的測試結果準確,并對顯示設備的綜合評價、結構優化設計提供有效指導。同時,測試方案步驟簡單易行,可進行本土化移植并在行業內推廣。

[1] IEC 62629-22-1,3d display devices-part 22-1:measuring methods for autostereoscopic displays-optical[S].

[2] 王博.光柵式自由立體顯示系統多視點圖像生成與圖像分離度檢測技術研究[D].長春:吉林大學,2014.Wang B.Research on thegeneration of multi-view image and the image separation testing technology in auto-stereoscopic system[D].Changchun:Jilin University,2014.(in Chinese)

[3] Wang J,Liang H,Fan H,et al.High-quality autostereoscopic display with spatial and sequential hybrid control [J].Applied Optics,2013,52(35):8549-8553.

[4] Kooi F L,Toet A.Visual comfort of binocular and 3Ddisplays[J].Displays,2004,25(2):99-108.

[5] 郝允祥,陳遐舉,張保洲.光度學[M].北京:中國計量出版社,2010:48-52.Hao Y X,Chen X J,Zhang B Z.Photometry[M].Beijing:China Metrology Publishing House,2010:48-52.(in Chinese)

[6] 王嘉輝,鄧玉桃,蘇劍邦,等.全高清裸眼3D顯示效果的評價與測量[J].液晶與顯示,2013,28(5):805-809.Wang J H,Deng Y T,Su J B.Evaluation andmeasurement 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] Bradley A,Ohzawa I.A comparison of contrast detection and discrimination[J].Vision Research,1986,26(6): 991-997.

[8] 代彩紅,于家琳.光源相關色溫計算方法的討論[J].計量學報,2000,21(3):183-188.Dai C H,Yu J L.Discussion on the calculating methods for color temperature of the source[J].Acta Metrologica Sinica,2000,21(3):183-188.(in Chinese)

[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] Fan H,Zhou Y,Liang H,et al.Displaying a full high-definition,high-quality 3D image without glasses[DB/ OL].SPIE Newsroom,2014-08-04.http://spie.org/x109248.xml?ArticleID＝x109248.

[11] Liang H,An S,Wang J,et al.Optimizing time-multiplexing auto-stereoscopic displays with a genetic algorithm [J].Journal of Display Technology,2014,10(8):695-699.

[12] 李君浩,劉南洲,吳詩聰.平板顯示概論[M].北京:電子工業出版社,2013:18-22.LeeJ H,Liu D N,Wu S T.Introduction to Flat Panel Displays[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2013:18-22.(in Chinese)

[13] 芮明昭.多視點裸眼3D電視技術及其應用系統開發[D].廈門:廈門大學,2014.Rui M Z.Multi-view naked eye 3D TV technology and its application system development[D].Xiamen:Xiamen University,2014.(in Chinese)

[14] 鄧玉桃.3D顯示設備關鍵指標的研究與測試[D].廣州:中山大學,2014.Deng Y T.Research of measurement of key properties in 3D Displays[D].Guangzhou:Sun Yat-sen University, 2014.(in Chinese)

Key properties of autostereoscopic display

XIE Yu-tong1,SU Xiao-huang1,ZHENG Ji-wen1,HE Jie-yong1, LIANG Hao-wen1,ZHANG Jie2,ZHOU Jian-ying1,2,WANG Jia-hui1,2?

(1.State Key Laboratory of Optoelectronics Materials and Technologies, Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China; 2.School of Physics and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China; 3.Guangzhou Institute of Measurement and Testing Technology,Guangzhou 510030,China)

In order to set up a standard for evaluating key properties of autostereoscopic display, crosstalk ratio,luminance,contrast,color temperature and color gamut are measured according to different displaying principles.As the measurement result shows,in terms of crosstalk ratio,directional-backlight autostereoscopic display is superior to lenticular-lens(80.91%)and barrier(3.3%) autostereoscopic display with the lowest crosstalk ratio of 2.64%.Besides,directional-backlight autostereoscopic display outclasses the other two kinds of displays in luminance,color gamut and color temperature.However,in the aspect of contrast,lenticular-lens autostereoscopic display surpasses the other two types of displays with the best value.

autostereoscopic display;evaluation;crosstalk ratio

TN141.90436.3

:A

10.3788/YJYXS20153005.0888

1007-2780(2015)05-0888-06

2015-05-06;

:2015-06-12.

國家973項目(No.2012CB921904);廣州市科技計劃項目(No.2014J4100115)

?通信聯系人,E-mail:wangjh＠mail.sysu.edu.cn

謝雨桐(1994－),女,廣東深圳人,光信息科學與技術專業學生,從事3D顯示性能評價方面研究。E-mail: xieyt1994＠163.com