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(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510275; 2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275; 3.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院,廣東廣州510030)

裸眼3D顯示設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)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(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510275; 2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275; 3.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院,廣東廣州510030)

為了制定裸眼3D關(guān)鍵指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)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(diǎn)的不同排列情況,分別設(shè)計(jì)了不同的測(cè)試方法,并對(duì)其進(jìn)行串?dāng)_率、亮度、對(duì)比度、色溫、色域等關(guān)鍵指標(biāo)的完整測(cè)量與評(píng)價(jià)。測(cè)試結(jié)果表明,指向性背光式裸眼3D顯示器的串?dāng)_率低達(dá)2.64%,遠(yuǎn)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(biāo)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(duì)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(qiáng)于液晶光柵式和指向性背光技術(shù)。

裸眼3D顯示;評(píng)價(jià);串?dāng)_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(shí)度”3D視覺體驗(yàn)。與裸眼3D技術(shù)百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì)相比,裸眼3D顯示關(guān)鍵參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量的研究相對(duì)滯后。特別是在國(guó)內(nèi),業(yè)界并沒有確立各項(xiàng)光、電學(xué)指標(biāo)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),這導(dǎo)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(fèi)者對(duì)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(jìn)其技術(shù)發(fā)展,制定裸眼3D關(guān)鍵指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方案顯得尤為重要。目前,國(guó)際電工委員會(huì)雖已頒布了IEC 62629-22-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[1],但此標(biāo)準(zhǔn)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(duì)部分參數(shù)的測(cè)量方法缺乏可操作性,同時(shí),它并未說明指向式背光等新興裸眼3D技術(shù)的實(shí)際測(cè)量方法。有見及此,本文針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方案,以完成對(duì)串?dāng)_率、亮度、對(duì)比度、色溫、色域等關(guān)鍵指標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 實(shí) 驗(yàn)

裸眼3D與眼鏡式3D觀看時(shí)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(diǎn)(sweet spot,即串?dāng)_率最低的位置)。由于甜點(diǎn)是最佳觀看點(diǎn),因此目前裸眼3D顯示設(shè)備光色參數(shù)的測(cè)試均應(yīng)在甜點(diǎn)上進(jìn)行。另外,根據(jù)成像原理,裸眼3D顯示的甜點(diǎn)呈弧形[2]和直線[3]兩種排列方式。因此,在測(cè)量時(shí)需根據(jù)不同的排列方式,分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)量方案。

2.1 裸眼3D顯示設(shè)備重要指標(biāo)的測(cè)試方案

2.1.1 串?dāng)_率的測(cè)量

3D顯示將左右眼圖像分離,分別匹配送往觀眾雙眼。當(dāng)匹配性被破壞時(shí)即會(huì)造成左右眼圖像的錯(cuò)送,產(chǎn)生串?dāng)_。就裸眼3D而言,一般存在多個(gè)視區(qū),所以串?dāng)_指的是其某個(gè)視區(qū)中從其他視區(qū)錯(cuò)送來的光線。因此裸眼3D顯示串?dāng)_率η的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

串?dāng)_率作為3D顯示技術(shù)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo),達(dá)到5%就足夠使一半以上的觀眾產(chǎn)生視覺不舒適[4],而串?dāng)_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(shí)驗(yàn)中,我們將測(cè)量?jī)x器放置在待測(cè)設(shè)備的推薦觀看距離后,根據(jù)待測(cè)設(shè)備的視區(qū)排列規(guī)則,相應(yīng)地設(shè)計(jì)了不同的測(cè)量方式,如圖1所示:對(duì)于自由立體等甜點(diǎn)呈弧線排列的設(shè)備,采取旋轉(zhuǎn)顯示器的方式測(cè)量串?dāng)_率分布;對(duì)于甜點(diǎn)呈直線排列的部分指向性背光式顯示器[3],采取平移測(cè)量?jī)x器的方式進(jìn)行測(cè)量。

圖1 裸眼3D測(cè)量串?dāng)_率原理圖Fig.1 Schematics of crosstalk ratio in autostereoscopic display

測(cè)量時(shí),待測(cè)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(duì)于雙視點(diǎn)裸眼3D顯示器,左圖像全白、右圖像全黑時(shí),測(cè)得左視區(qū)內(nèi)的光強(qiáng)分布為Iright;當(dāng)左右圖像反轉(zhuǎn)時(shí),測(cè)得左視區(qū)內(nèi)的光強(qiáng)分布為Iwrong。對(duì)于多視點(diǎn),以9視點(diǎn)裸眼3D顯示器為例,當(dāng)播放第1視區(qū)的圖像為全白、其余視區(qū)為全黑時(shí),測(cè)得第1視區(qū)的亮度為Iright;當(dāng)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(shí),8次測(cè)得的光強(qiáng)分布之和為利用公式(1)即可得串?dāng)_率分布。

2.1.2 亮度、對(duì)比度、色溫的測(cè)量

亮度指發(fā)光體(反光體)表面發(fā)光(反光)強(qiáng)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(qiáng)度,能表示人對(duì)光的強(qiáng)度的視覺感受[5]。對(duì)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(jī)亮度則在400～500 cd/m2為宜[6]。

對(duì)比度指屏幕顯示最大亮度(全白屏)與最小亮度(全黑屏)時(shí)亮度的比值[7]。對(duì)比度對(duì)視覺效果影響很大。在一定亮度的范圍內(nèi),對(duì)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(biāo),體現(xiàn)其對(duì)白色的還原能力。如果一個(gè)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(duì)溫度值就叫做該光源的顏色溫度TC(簡(jiǎn)稱色溫),單位K[8]。純白的色溫為5 603 K。標(biāo)準(zhǔn)的日光色溫大約在5 200～5 500 K,人眼對(duì)這個(gè)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(shí)圖像偏藍(lán),過低則圖像偏紅。由于裸眼3D顯示器需要額外的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn),所以色溫與普通2D或眼鏡式3D顯示器不同。

通過串?dāng)_率的測(cè)試后,可找到每個(gè)視區(qū)的甜點(diǎn)SWi,i代表視區(qū)序號(hào)。亮度、色溫的測(cè)量便在這些位置上進(jìn)行。當(dāng)每個(gè)視區(qū)都播放色階分布為(255,255,255)的全白圖像時(shí),在各視區(qū)甜點(diǎn)測(cè)得的光亮度記為IWi(i＝1,2,...N),色溫值TC。當(dāng)播放色階為(0,0,0)的全黑圖像時(shí),測(cè)得的光亮度為IKi(i＝1,2,...N)。最后利用公式(2)計(jì)算各視區(qū)對(duì)比度Ci:

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

2.1.3 色域覆蓋率的測(cè)量

色域是對(duì)一種顏色進(jìn)行編碼的方法,也指一個(gè)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(shí)的顏色失真,使圖像更加生動(dòng)。本文采用的色域標(biāo)準(zhǔn)是NTSC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

色域的測(cè)量也在視區(qū)甜點(diǎn)進(jìn)行。當(dāng)播放所有視區(qū)圖像均為純紅、純綠、純藍(lán)(色階分別為(255, 0,0)、(0,255,0)、(0,0,255))時(shí),分別記錄色坐標(biāo)值。接著根據(jù)色坐標(biāo)計(jì)算出它們?cè)贑IE1931-Yxy色度圖中所圍成三角形的面積,并根據(jù)NTSC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出色域覆蓋率。

2.2 測(cè)試儀器與測(cè)試對(duì)象

儀器:光譜輻射度計(jì)PR655。

對(duì)象:R品牌裸眼3D顯示器、F品牌裸眼3D相框及時(shí)空式混合控制裸眼3D顯示原型機(jī)[10],如表1所示。

表1 待測(cè)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?dāng)_率的評(píng)價(jià)

柱鏡式設(shè)備的串?dāng)_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?dāng)_率分布如圖3、4所示。

對(duì)于R品牌3D顯示器和F品牌3D相框,只對(duì)它們屏幕法線上的中央視區(qū)進(jìn)行測(cè)量,而實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)則測(cè)量2個(gè)視區(qū)。

測(cè)試結(jié)果表明,R品牌顯示器的串?dāng)_率相對(duì)較高(80.91%),原因是多視點(diǎn)柱鏡式顯示中每個(gè)視點(diǎn)的亮度分布均存在數(shù)個(gè)瓣(lobe),其中旁瓣會(huì)串?dāng)_至其他視點(diǎn)中,如圖2(b)所示。串?dāng)_率的測(cè)量可以反映裸眼3D成像光路設(shè)計(jì)和裝配中缺陷的嚴(yán)重程度,有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化。例如,可以通過改良成像光路設(shè)計(jì)[11]和提高柱透鏡與顯示屏的貼合的對(duì)位精度[12],減少旁瓣的亮度,降低串?dāng)_率。

圖2 R品牌3D顯示器串?dāng)_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?dāng)_率分布圖Fig.3 Crosstalk distribution in barrier autostereoscopic display

圖4 實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)串?dāng)_率分布圖Fig.4 Crosstalk distribution in directional-backlight autostereoscopic display

F品牌3D相框的串?dāng)_率為3.3%,因其雙視點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不存在旁瓣,所以串?dāng)_率可達(dá)較低值。

實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)的串?dāng)_率在較大范圍內(nèi)可控制在4%以內(nèi),甜點(diǎn)處最低達(dá)2.64%。這說明自主研發(fā)的時(shí)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(yàn)外,其顯示串?dāng)_率最低,處于業(yè)界先進(jìn)水平。

3.2 三種裸眼3D顯示設(shè)備亮度、對(duì)比度的評(píng)價(jià)

三種裸眼3D顯示器的亮度與對(duì)比度的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 裸眼3D顯示器亮度、對(duì)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(duì)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(duì)屏幕亮度不造成削弱作用,同時(shí)消除了像素點(diǎn)間的間隙[13]。

F品牌3D相框的亮度、對(duì)比度在2D、3D模式下均偏低。當(dāng)其工作在2D模式下時(shí),液晶光柵處于非工作狀態(tài),但仍會(huì)對(duì)屏幕出射光線產(chǎn)生吸收作用,因此亮度、對(duì)比度較低。當(dāng)其在3D工作狀態(tài)時(shí),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(duì)于2D模式下進(jìn)一步降低,從而對(duì)比度隨之下降。

相較而言,實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)在3D模式下采用動(dòng)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(dá)到較高水平,而對(duì)比度因?yàn)樽钚×炼鹊脑黾佣兴陆?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(píng)價(jià)

表3是3種裸眼3D顯示器的色溫、色域測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(lán);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(shí)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(duì)于實(shí)驗(yàn)室原型機(jī),色溫5 686 K表示其對(duì)白色的還原能力較強(qiáng),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(píng)價(jià)

基于以上所有測(cè)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(duì)比度較出色,但是總體串?dāng)_率較高且分布不均勻。液晶光柵式設(shè)備的串?dāng)_率較低,其2D狀態(tài)下亮度、對(duì)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(dǎo)致上述指標(biāo)進(jìn)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(biāo)差異不大,整體性能最優(yōu)秀,串?dāng)_率最低,對(duì)比度較高,色溫、色域覆蓋率均能達(dá)到2D顯示器的平均水平。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)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(diǎn)分布,設(shè)計(jì)了不同的測(cè)試方案,分別對(duì)其串?dāng)_率、亮度、對(duì)比度、色溫、色域五項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了完整的測(cè)量與評(píng)價(jià)。

結(jié)果表明,柱鏡式3D技術(shù)總體串?dāng)_率高,亮度與對(duì)比度最佳,色域和色溫也能達(dá)到2D顯示的平均水平;液晶光柵式3D技術(shù)串?dāng)_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(shí)2D和3D模式差異顯著;而指向性背光技術(shù)在串?dāng)_率、亮度、色域、色溫上取得最優(yōu)值,分別達(dá)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?dāng)_率在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

本文的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確,并對(duì)顯示設(shè)備的綜合評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)。同時(shí),測(cè)試方案步驟簡(jiǎn)單易行,可進(jìn)行本土化移植并在行業(yè)內(nèi)推廣。

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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(guó)家973項(xiàng)目(No.2012CB921904);廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)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(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生,從事3D顯示性能評(píng)價(jià)方面研究。E-mail: xieyt1994＠163.com