VR頭戴設備顯示屏質量評價方法研究與實踐

楊林，楊宇，苑曉歌，楊盈昀

(中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024)

1 引言

隨著用戶對觀看體驗的要求提升，Virtual Reality技術應運而生，VR技術不僅能夠使用戶在觀看視頻時更加具有沉浸感，而且還能提供人機交互。其中VR頭戴顯示設備顯示屏的顯示效果會對用戶的體驗造成重要影響，因此，參照高清電視監視器的測試指標，本文研究了VR眼鏡的測試指標，使用新的測試方法及評價標準對VR眼鏡顯示屏進行的測試。

高清監視器的評價體系主要有EBU-TECH3320[1]、ITU-R BT.2129[2]，主要指標為黑電平亮度、全屏對比度、同時對比度、亮度均勻性、基準白、基色色度坐標、白場色度不均勻性、白平衡誤差、圖像清晰度、灰度等級、GAMMA、(運動圖像)拖尾時間、像素缺陷、可視角、響應時間等等。

目前市場上還沒有統一的VR頭戴顯示設備顯示屏質量評價方法，在制定方案之前首先要對VR設備有一定的了解。

VR眼鏡分為三類：外接式、一體式、插入式。其中外接式內置顯示屏，連接PC使用；一體式內置顯示屏及處理器，可獨立使用；插入式無內置顯示屏，需搭配手機使用。

根據VR頭戴顯示設備顯示器的工作原理可知，因為VR頭盔顯示器因為需要體積小，重量輕，便于頭戴，所以無法使用相對笨重并且體積較大的CRT顯示器，而OLED顯示器還在進一步研發中，技術沒有那么成熟，所以目前市面上的VR頭戴式顯示設備顯示器基本上全部使用LCD顯示器。因此，在建立適用于VR頭戴式顯示設備顯示器的質量評價方法時，可以參考高清晰度電視監視器的質量評價方法。不過，在制定測試指標和測試方法時，VR頭戴式顯示設備顯示器與高清晰度電視監視器的區別是要認真分析的。

2 VR頭戴式顯示設備顯示器特點

VR頭戴式顯示設備顯示器有諸多不同于高清晰度電視監視器的特點，比如：[3]

2.1 顯示器尺寸

根據T/IVRA 0001-2017[4]，VR頭戴式顯示設備尺寸應在215mm*160mm*125mm左右，說明其顯示器尺寸應小于215mm*160mm。對比之下，高清晰度電視監視器的尺寸則遠大于VR顯示器。顯示器尺寸會影響測試點的選擇。

2.2 成像特點

VR頭戴式顯示器的工作原理是通過透鏡等光學設備，將顯示器上呈現的實像進行放大，成為遠處的虛像，從而達到全像視覺的效果。而高清電視監視器直接顯示實像。

2.3 視場角

視場角指頭戴式顯示設備所形成虛像的邊緣與人眼連線的夾角，為了呈現虛擬現實效果，VR顯示設備的視場角一級容限為大于等于100°，二級容限為大于等于80°。而高清監視器的視場角則遠小于這一標準，為30°。

2.4 觀看距離

根據T/IVRA 0001-2017，VR頭戴式顯示設備觀看時，人眼與鏡片的距離應大于等于10mm。而人眼到設備所成虛像距離應大于等于0.3m。而高清監視器則為三倍畫面高度。

2.5 畸變

VR頭戴式顯示設備為了要呈現全像視覺效果，需通過類凸透鏡對顯示器上的實像進行折射，這會導致圖像在觀測時會出現由光學系統引起的二維平面轉化為三維空間的畸變。而高清晰度監視器則是二維平面的顯示系統，不會產生這種畸變。

2.6 輸入信號

VR頭戴式顯示設備的輸入信號主要分為兩種，一種是外接式和一體式設備的通過USB傳輸的電腦信號，一種是插入式設備的手機存儲的視頻文件。而高清晰度電視監視器則是數字分量信號、HDMI等基帶信號。

2.7 圖像色散

通過頭戴式顯示設備光學系統觀察圖像元產生的圖像時，產生的不同顏色分離及色彩失真情況被稱為圖像色散。因為VR頭戴式顯示設備的光學系統，其呈現出的虛像圖像會有色散情況出現。而高清晰度電視監視器因為沒有類凸透鏡的光學系統，不會出現類似的色散情況。

2.8 固有分解力

高清顯示屏的固有分解力為1920*1080，而對于VR頭戴式顯示設備來說，其固有分解力則因為其種類的不同而有所區別。外接式和一體式設備大多為3840*2160分辨率，但這也是廠商標明的最大輸入視頻及圖片的分辨率，實際測量會因分為左右兩屏而有所出入。第三種插入式顯示設備則需根據插入手機的屏幕分辨率，以及適配顯示設備的軟件不同而又有所區別。

基于上述特點，VR頭戴式顯示設備顯示器質量測評方法不能按照高清電視監視器照搬，我們需要針對VR眼鏡顯示屏的特點制定專門的質量評價方法。經過分析與測量實驗，針對VR頭戴顯示設備顯示屏質量的測試最終分為以下幾個方面：峰值亮度范圍、黑電平亮度、白場亮度、順序對比度、白場亮度不均勻性、基準白色溫、基色色度坐標、Gamma曲線、白平衡誤差、色階重現、Mura、雜散光、輝光。

3 測試環境與工具

我們對市面上常見VR眼鏡：3Glasses、Oculus、idealens 、Pico neo、億鏡、小米、三星、Gear、HTC、暴風魔鏡進行了測試，測量信號格式：7680x4320/3840x2160；測試的VR眼鏡涵蓋了第二節所介紹了全部類別。不同種類的VR眼鏡，其屏幕分辨率不同；而且有的VR眼鏡支持圖片播放，有的僅支持視頻播放；有的VR眼鏡為全景圖片或視頻，而有的則只能在一個相對小的范圍內，類似于鏡框一樣，播放圖片或者視頻，因此在測量方法上會有所不同。

測量環境選在暗室，并使用黑色遮光布遮擋，使環境照度低于1Lx。VR顯示屏的測量點取左右屏幕的正中央，測量時緊鄰VR左右鏡片垂直測量。測量儀器選用亮度計/色度計：SpectraScan 655。

4 VR顯示屏主要的測試指標及其檢測方法

4.1 峰值亮度范圍

峰值亮度范圍是指正常工作時顯示屏所能達到的最大亮度的范圍。

根據ITU-R BT.814[5]，高清監視器峰值亮度范圍的測量有一個前提，需要用PLUGE信號(如圖1)對高清顯視器的“亮度”和“對比度”進行顯示狀態調整。輸入PLUGE信號，在保證屏幕上低于黑電平約2%的水平條剛好消失，而高于黑電平約2%的水平條仍然可見的前提下，將監視器的亮度調整到最低。輸入白場信號，測量屏幕中心點的峰值白亮度，即為峰值亮度的可調下限；在相同前提下將監視器的亮度調整到最高，得到峰值亮度的可調上限。

因VR顯示屏無法顯示-2%的電平，因此，峰值亮度范圍可調下限和上限是分別采用該VR屏幕可調節的最低亮度和最高亮度表示。即輸入白場信號(如圖2)，調整亮度到可達的上限及下限，測量VR測量點的亮度，以此時的測量數據為峰值亮度范圍。

圖1 ITU-R BT.814中的原PLUGE信號

圖2 最終測試使用的白場信號

4.2 黑電平亮度

黑電平對應于最小圖像亮度的極限信號電平。黑電平不同的顯示設備顯示同一圖像的整體亮暗程度也不同。

在4.1節中已說明對于VR顯示屏無法滿足高清顯示屏的測量前提，因此VR顯示屏指標的測量前提是將VR顯示屏的“亮度”和“對比度”恢復為默認設置(下文中VR顯示屏所有指標的測量均默認滿足此設定)，輸入黑場信號，并使用亮度計測量VR設備測量點的亮度。

4.3 白場亮度

白電平對應于最大圖像亮度的極限信號電平。

輸入白場信號，使用亮度計測量VR設備測量點的亮度。

4.4 順序對比度

順序對比度是顯示器先后顯示標準白窗口圖像和黑場圖像時所呈現的最大亮度與最小亮度之比，又稱全屏對比度。

以4.2中測得的黑場亮度為，4.3中測得的白場亮度為，根據GY/T 284-2014由公式(1)計算順序對比度：

(1)

4.5 白場亮度不均勻性

白場亮度不均性是指當輸入白場信號的時候顯示屏是否能夠顯示均勻的白色。對于高清電視監視器，白場的亮度不均勻性是指同一屏幕不同區域的亮度不均勻性。但由于VR眼鏡鏡片面積過小，難以測量VR眼鏡同一屏幕不同位置的亮度，因此，此亮度不均勻性指VR頭戴式顯示設備左右屏幕的亮度不均勻性。測量方法是輸入白場信號，測量左右屏幕正中央的亮度，以左右屏幕中亮度較大的為lmax，較小的為lmin，使用公式(2)計算白場亮度不均勻性：

(2)

4.6 基準白色溫

基準白色溫是測量顯示屏顯示的白色是否為基準白。

VR顯示屏基準白色溫的測量方法是輸入白場信號，用測量儀器分別測量左屏幕和右屏幕正中央的色度坐標(x，y)，并據此求出在ISO 11664-2-2011[6]中 CIE1976色度圖的坐標(u′，v′)，計算方法見公式(3)、(4)

(3)

(4)

表1是在EBU Tech 3320中使用D65白作為基準白下，一到三級容限范圍。但是在實際測試中發現有的VR眼鏡對于D65白基準白及其容限范圍的偏移過大，我們有理由相信這些VR眼鏡使用的基準白并非D65白。

表1 基準白色溫相關指標的參數值

4.7 基色色度坐標

基色色度坐標反映了顯示屏的色彩還原度。

VR顯示屏基色色度坐標的測量通過依次輸入并顯示紅場、綠場、藍場的基色測試圖，測量左屏幕和右屏幕的正中央位置的色度坐標值(x，y)并根據式(3)(4)得到(u′，v′)。紅場圖片即為RGB為(255，0，0)的單一顏色圖片，綠場藍場同理。據三基色色度坐標可得到如圖3所示色度：

圖3 實測基色色度圖示例

4.8 電光轉換特性(Gamma)

Gamma值反映了顯示屏的電光轉換特性。

VR顯示屏Gamma特性的測量是通過依次輸入灰窗信號圖的灰階1到灰階19(亮度值依次為0、6、22、37、52……233、249、255)，測量左右屏幕在測量點的亮度取其均值記為LN，由公式(5)計算Gamma值，并畫出Gamma曲線，結果如圖4所示。

(5)

其中，YIN為輸入信號電平LMAX，是輸入信號電平為255時的亮度，LMIN是輸入信號電平為0時的亮度。

根據GY/T 284-2014，Gamma應滿足輸入信號電平從10%到90%，Gamma測量值與理想值2.2的差異在±0.15之內，并保持單調變化。

圖4 實測Gamma曲線

4.9 白平衡誤差

白平衡誤差是顯示屏顯示不同亮度的灰度信號時，各灰度信號的色度坐標與基準白色度坐標的偏離程度，又稱灰度等級色度重現。VR顯示屏白平衡誤差的測量是通過輸入1到19階各灰場信號圖，測量左屏幕和右屏幕的正中央位置的色度坐標值(x，y)，根據式(3)(4)得到(u′，v′)。

表2 白平衡誤差指標的參數1

表3 白平衡誤差指標的參數2

表2、表3是在ITU-R BT.2129 與EBU Tech3320中白平衡誤差標準以及容限范圍。

4.10 色階重現

色階重現是為了測試顯示屏重現圖像的色彩豐滿度和精細度。

VR顯示屏色階重現特性的測量是通過輸入圖5所示色階信號(畫面中從上到下分布有紅、綠、藍三排基色階梯信號，每排階梯信號有8個階梯，左側四個階梯的基色電平約為0%、5%、10%、15%，右側四個階梯的基色電平約為85%、90%、95%、100%)測試結果是以各基色階梯信號能否被清晰分辨來表示。

圖5 基色階梯信號

4.11 Mura、雜散光、輝光

Mura是指指顯示器亮度不均勻的現象，測試方法是通過輸入三基色及灰場信號觀察是否出現顯示不均勻的現象(灰場信號為8bit量化信號電平為128的灰場圖像)。

雜散光是指表面反射的可見的光，是不需要的輝光是圖像中光的條紋，它是不應該存在的。在VR眼鏡中，它表現為從明亮的文字發出的光。

對于雜散光和輝光的測試是通過輸入黑背景白字圖如圖 6，目測檢查。

圖6 黑背景白字圖片

4.12 畫面拖尾

畫面拖尾是指在在相對靜止的背景上，運動圖像在其后面留下殘影的現象，反映了顯示屏液晶材料偏轉響應時間，反應時間過長就會造成畫面拖尾。

VR顯示屏拖尾的測量時通過輸入拖尾視頻，截圖如圖 7；圖中第二、五行白方塊的右角與其他行的白色方塊左角錯開了若干像素。0號位置錯開0像素，2號位置錯開2像素，4號位置錯開4像素……以此類推。拖尾序列的移動速度為900像素/秒。

畫面拖尾情況通過拖尾時長反映，拖尾時長是拖尾像素數與序列的移動速度的乘積，拖尾像素數是尋找原本錯開位置的方塊因為拖尾彼此相連的最大位置序號。拖尾時長為拖尾像素數與移動速度相乘。

注：該序列的移動速度計算方法為：v=(序列起始位置-序列結束位置)/運動時間。

圖7 拖尾視頻截圖

5 結論

對VR頭戴式設備進行屏幕質量測量，對測量設備的精度要求更高。畢竟，頭戴設備遮光性更好，黑場亮度特別低，本實驗使用的亮度計最低可保證3.4至102800cd/m2亮度的高精度測量。然而被測設備在播放黑場圖像時其顯示屏亮度卻低于3.4cd/m2，因此亮度計此時的測量精度較差，測量結果會有較大誤差。用此測量值計算出的結果也會受到影響，比如上文中的順序對比度、白場亮度不均勻性。從這次測評的結果來看，沒有在各方面都突出的VR眼鏡。但是，總體而言，HTC、3Glasses、Oculus、億鏡都在某些方面表現出色。

總體而言，每款眼鏡都會有自己的優勢與弱勢，但是經過比較，HTC、3Glasses、Oculus 以及億鏡更具競爭力。他們在亮度的范圍上提供了更大的選擇空間，同時，他們對色溫以及顏色的還原度也比較優秀，在光電轉換特性上也與理想曲線較為一致。在保障畫質的重現分解力方面，也都表現不錯，盡管會有拖尾現象發生，但基于拖尾的發生基本上存在于每一種眼鏡之中，在方便程度上，雖然 HTC、3Glasses與Oculus連接電腦的使用環境會帶來不方便，但是在各項操作性上仍保持著水準以上的實力，而作為一體機的億鏡則在這兩方面都有很好表現。