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 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）

1 引 言

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

隨著眼鏡式3D顯示技術的普及，其顯示性能也日益受到重視，目前由企業(yè)提出針對眼鏡式立體顯示器件光學參數(shù)的測量標準已發(fā)布［5］，但針對三大類眼鏡式立體顯示技術的顯示性能未有綜合的評價方法，為此，本文通過對影響3D顯示效果的關鍵指標進行深入研究，并對串擾率、亮度、對比度、色溫、色域五個關鍵指標制定相應的測試方案，根據(jù)既定的測試方案對現(xiàn)有的眼鏡式3D顯示設備進行測試，并形成綜合的評價體系。

2 實 驗

2.1 眼鏡式3D顯示設備的關鍵指標

2.1.1 串擾率

眼鏡式3D顯示設備的串擾率指的是在觀看3D影像時，本該進入右（左）眼的光線錯誤進入左（右）眼，其比例成為串擾率［6］。串擾率是決定立體顯示設備圖像質量的首要因素，串擾率過大，導致立體圖像出現(xiàn)嚴重重影，從而為觀看者帶來極大的視覺疲勞，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）強弱的物理量，定義為該單位投影面積上的發(fā)光強度，單位是坎德拉／平方米（cd／m2）［7］。它是一個評價3D顯示設備的硬件指標，顯示設備的亮度并無最佳值，但提高亮度在某種程度來講，會改變圖像對比度，從而影響顯示設備對細節(jié)的還原能力，對于一般的室內播放的平板顯示器來說，亮度在250～300cd／m2較佳，部分室外播放的廣告機的亮度則在400～500cd／m2為宜。

2.1.3 對比度

對比度定義為屏幕顯示最大亮度（全白屏）與最小亮度（全黑屏）時亮度的比值［8］。對比度對視覺效果的影響非常關鍵，一般來說對比度越大，圖像越清晰細膩，色彩也越鮮明艷麗；而對比度越小，容易丟失圖像細節(jié)而使整體畫面偏灰。另外，高對比度對于圖像的清晰度、細節(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量最通用的指標。一般用Tc表示。光源的色溫是通過對比它的色彩和理論的熱黑體輻射來確定的，光源的輻射在可見區(qū)和絕對黑體的輻射完全相同時，此時黑體的溫度就稱此光源的色溫。

色溫是人眼對發(fā)光體或白色反光體的感覺，這是物理學、生理學與心理學的綜合復雜因素的一種感覺，也是因人而異的。標準的日光色溫大約在5200～5500K，人眼在大自然中對這個區(qū)域的色溫值反應是最舒適的也是最自然的，因此，這也可為評價顯示設備的色溫提供參考依據(jù)。

2.1.5 色 域

色域體現(xiàn)顯示設備對圖像色彩的還原能力，是對一種顏色進行編碼的方法或技術系統(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備的彩色表現(xiàn)能力。通常地，顯示設備的色域覆蓋率越大，其色彩表現(xiàn)能力便越強，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［9］。本文采用國際常用的NTSC色域空間對顯示設備的顯色性能進行評價。

2.2 測試儀器與測量對象

儀器：光譜輻射度計PR655。

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

2.3 串擾率的測量

從雙目立體視覺原理來分析，無論是色分式、偏振式還是時分式3D顯示技術都是通過眼鏡的濾光功能，使具有視差的左右子圖像的光線分離，使之分別進入人所對應的眼睛，若這些光線錯誤地進入另一只眼，便產(chǎn)生串擾［10－11］。因此可將串擾率的數(shù)學表達式［6］寫成：

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

測量時，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，其基本的測試原理圖如圖1所示。

圖1 眼鏡式3D顯示器串擾率測試原理圖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（對于紅藍式色分3D顯示器，播放左圖像為純紅圖像，右圖像為純藍圖像），其色階分布分別為（255，255，255）、（0，0，0）。測量時，保證光譜輻射度計在屏幕的中心法線上，左右旋轉3D顯示器下的旋轉臺，每隔2°記錄左、右眼鏡片后的顯示屏幕的亮度值，依次測量－80°～80°內左、右鏡片后的亮度分布IL－eye（WK）、IR－eye（WK）。而當播 放 的左右圖像反轉時，可用相同的測量方法測量左、右眼的亮度分布，記為IL－eye（KW）、IR－eye（KW）。根據(jù)公式（1），可計算水平方向上左右眼的串擾率分布：

同理，垂直方向上的串擾率分布也可用同樣的測試方法進行測量。

2.4 亮度、對比度、色溫的測量

與串擾率的測試不同，亮度、對比度、色溫、色域的測量僅對屏幕中心處進行。實驗首先在3D模式下進行，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3D模式下的對比度值C3D為：

同樣地，除去立體眼鏡，調整顯示設備為2D顯示模式，也可對其亮度、對比度、色溫、進行測量。

2.5 色域覆蓋率的測量

色域覆蓋率的測量同樣僅對屏幕中心處進行，并且分別在2D與3D模式下實施測量。當播放的左右圖片為純紅、純綠、純藍圖片（色階分別為（255，0，0）、（0，255，0）、（0，0，255））時，在左（右）眼鏡后分別記錄色坐標值，并據(jù)此計算其在NTSC標準下兩種顯示模式的色域覆蓋率。

3 結果與討論

3.1 串擾率的分布

色分式、偏振式、時分式3D顯示器的串擾率分布分別如圖2～圖4所示。

測試結果表明，色分式3D顯示器的雙眼串擾率分布相對穩(wěn)定但差異較大（左、右眼分別為3%和9%）。這是由于紅藍眼鏡與LCD紅藍像素的光譜曲線不匹配所致，也是引起視覺疲勞的重要原因。

圖2 紅藍色分式3D顯示器串擾率分布Fig.2 Crosstalk distribution in color type 3Ddisplay

圖3 偏振式3D顯示器的串擾率分布Fig.3 Crosstalk distribution in plorization type 3Ddisplay

圖4 時分式3D顯示器串擾率分布Fig.4 Crosstalk distribution in Division type 3Ddisplay

偏振式3D顯示串擾產(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，串擾率基本穩(wěn)定在5%以內；在垂直方向上串擾率呈振蕩分布，只有在［－2°，8°］內低于5%；串擾率最小值達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)域內有很強的角度敏感性，與實際觀感相符。

時分式3D顯示串擾率產(chǎn)生的原因是：屏幕與時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，串擾率維持在5%以內，最低可達0.37%，可見時分式是眼鏡式3D顯示中串擾率最低而且舒適角度最大的立體顯示技術。

3.2 亮度、對比度的評價

3種眼鏡式3D顯示器的亮度、對比度在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，以時分式3D顯示最為嚴重，其對比度也相應下降，這一方面說明時分眼鏡透光率低，另一方面也解釋了為何在暗室中觀看時分式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容易引起視覺疲勞的另一重要原因；偏振式3D盡管亮度有所降低，但對比度卻得到提高。

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

3.3 色溫、色域的評價

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。圖5～圖7分別是色分式、偏振式、時分式顯示3D模式下的顯色范圍，圖中紫色部分為NTSC標準下標準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)，藍色（右眼）鏡片的顯色區(qū)域遠大于紅色（左眼）鏡片，表明藍色鏡片的濾色帶寬較大，是右眼串擾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，而色域方面則無太大變化。

時分式3D顯示的3D模式色域比盡管保持在72.7%，但對比2D模式的78.1%，仍有一定下降，這也說明時分式3D顯示在獲取極低的串擾率以及廣闊的舒適視角的同時，也犧牲了部分顯示質量。

3.4 三種眼鏡式3D顯示設備綜合評價

三種眼鏡式3D顯示設備中，色分式顯示器的串擾率不僅高，且左右眼分布不平衡，亮度、對比度低，色域范圍小且有嚴重的偏色，因此其顯示效果最差；其次，偏振式3D顯示水平方向上的串擾率較低，但在垂直方向上串擾率呈振蕩分布，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，時分式3D串擾率最低，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 論

為了更科學、更系統(tǒng)地評價現(xiàn)有的眼鏡式3D顯示設備的顯示質量，本文對影響眼鏡式3D顯示器顯示質量的串擾率、亮度、對比度、色溫、色域5項顯示指標進行測量，測試結果發(fā)現(xiàn)，色分式3D串擾率最高，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水平方向串擾率相對較低，為1.79%，垂直方向串擾率呈振蕩分布；時分式3D串擾率最低，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。

目前偏振式和時分式已成為家用3D顯示設備的主流技術。本文的研究，可有助于眼鏡式3D顯示設備生產(chǎn)商綜合、準確地評價產(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)學教育與仿真中的應用［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，2008.Zhang B.Research on the method of glasses display stereo imaging［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2008.（in Chinese）

［4］王瓊華.3D顯示技術與器件［M］.北京：科學出版社，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標準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參數(shù)測量方法（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 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［M］.北京：中國計量出版社，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）.