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(shù)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(shù)學院,廣東廣州510275; 3.廣州計量檢測技術(shù)研究院,廣東廣州510030)

裸眼3D顯示設(shè)備關(guān)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(shù)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(shù)學院,廣東廣州510275; 3.廣州計量檢測技術(shù)研究院,廣東廣州510030)

為了制定裸眼3D關(guān)鍵指標的標準化測試方案,本文根據(jù)目前主流的自由立體顯示和指向性背光技術(shù)的不同顯示原理及其甜點的不同排列情況,分別設(shè)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(guān)鍵指標的完整測量與評價。測試結(jié)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(shù);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(yōu)秀的數(shù)值,明顯強于液晶光柵式和指向性背光技術(shù)。

裸眼3D顯示;評價;串擾率

1 引 言

裸眼3D技術(shù)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(shù)百花齊放的發(fā)展態(tài)勢相比,裸眼3D顯示關(guān)鍵參數(shù)的標準化測量的研究相對滯后。特別是在國內(nèi),業(yè)界并沒有確立各項光、電學指標的測試標準,這導致了現(xiàn)階段裸眼3D產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)管的滯后,造成產(chǎn)品視覺效果良莠不齊,打擊了消費者對裸眼3D顯示產(chǎn)品的信心與期望。

為了更好地規(guī)范裸眼3D顯示產(chǎn)品質(zhì)量,促進其技術(shù)發(fā)展,制定裸眼3D關(guān)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(cè)重于柱鏡式和光柵式等自由立體顯示技術(shù),且其對部分參數(shù)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(shù)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(shù)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(guān)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(qū)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(shè)備光色參數(shù)的測試均應(yīng)在甜點上進行。另外,根據(jù)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(jù)不同的排列方式,分別設(shè)計對應(yīng)的測量方案。

2.1 裸眼3D顯示設(shè)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(chǎn)生串擾。就裸眼3D而言,一般存在多個視區(qū),所以串擾指的是其某個視區(qū)中從其他視區(qū)錯送來的光線。因此裸眼3D顯示串擾率η的數(shù)學表達式為:

串擾率作為3D顯示技術(shù)最重要的評價指標,達到5%就足夠使一半以上的觀眾產(chǎn)生視覺不舒適[4],而串擾率超過10%,將出現(xiàn)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(shè)備的推薦觀看距離后,根據(jù)待測設(shè)備的視區(qū)排列規(guī)則,相應(yīng)地設(shè)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(shè)備,采取旋轉(zhuǎn)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(qū)播放的圖像為全白圖像,色階為(255,255,255),其他視區(qū)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(qū)內(nèi)的光強分布為Iright;當左右圖像反轉(zhuǎn)時,測得左視區(qū)內(nèi)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(qū)的圖像為全白、其余視區(qū)為全黑時,測得第1視區(qū)的亮度為Iright;當播放第1視區(qū)的圖像為全黑、其他任一視區(qū)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(fā)光體(反光體)表面發(fā)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(fā)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(nèi)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(nèi),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(zhì)量的重要指標,體現(xiàn)其對白色的還原能力。如果一個光源發(fā)射光的顏色(即光色,又稱色品)與某一溫度下的黑體發(fā)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(qū)域的色溫值反應(yīng)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(xiàn),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(qū)的甜點SWi,i代表視區(qū)序號。亮度、色溫的測量便在這些位置上進行。當每個視區(qū)都播放色階分布為(255,255,255)的全白圖像時,在各視區(qū)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(qū)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(shù)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的顏色的總和。色溫與色域共同體現(xiàn)顯示設(shè)備的色彩表現(xiàn)能力。平板顯示器的色域覆蓋率普遍在64%～84%以內(nèi)[9]。色域越大,設(shè)備所能表現(xiàn)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(qū)甜點進行。當播放所有視區(qū)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(jù)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(jù)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(shè)備及其顯示適用格式Tab.1 Testing device and its applicable format

3 結(jié)果與討論

3.1 三種裸眼3D顯示設(shè)備串擾率的評價

柱鏡式設(shè)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(qū)進行測量,而實驗室原型機則測量2個視區(qū)。

測試結(jié)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(shù)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(shè)計和裝配中缺陷的嚴重程度,有助于指導設(shè)計與工藝優(yōu)化。例如,可以通過改良成像光路設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)可控制在4%以內(nèi),甜點處最低達2.64%。這說明自主研發(fā)的時空式混合控制裸眼3D顯示器除了能在視區(qū)內(nèi)保持舒適的視覺體驗外,其顯示串擾率最低,處于業(yè)界先進水平。

3.2 三種裸眼3D顯示設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tài),但仍會對屏幕出射光線產(chǎn)生吸收作用,因此亮度、對比度較低。當其在3D工作狀態(tài)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(tài)同步背光技術(shù),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(shè)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(shù)據(jù)。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(yè)平均水平之內(nèi)。

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(tài)下,因液晶光柵和液晶面板之間的拍頻作用,圖像產(chǎn)生了明顯的莫爾條紋,使其色溫上升,同時令其色域隨之產(chǎn)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(shè)備綜合評價

基于以上所有測試結(jié)果,三種裸眼3D顯示設(shè)備分別在不同方面表現(xiàn)出優(yōu)劣。柱鏡式設(shè)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(shè)備的串擾率較低,其2D狀態(tài)下亮度、對比度低,色溫高,色域范圍小;在3D狀態(tài)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(shè)備無論是2D還是3D模式關(guān)鍵指標差異不大,整體性能最優(yōu)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(jié) 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(shè)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(guān)鍵性能指標進行了完整的測量與評價。

結(jié)果表明,柱鏡式3D技術(shù)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(shù)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(shù)在串擾率、亮度、色域、色溫上取得最優(yōu)值,分別達到2.64%、587.7 cd/m2、 70.5%、5 686 K;綜合顯示質(zhì)量在三者中最佳,其中串擾率在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

本文的測試結(jié)果準確,并對顯示設(shè)備的綜合評價、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(yè)內(nèi)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(tǒng)多視點圖像生成與圖像分離度檢測技術(shù)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(guān)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(yè)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(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[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(shè)備關(guān)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(lián)系人,E-mail:wangjh＠m(xù)ail.sysu.edu.cn

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