摘要：本文從自由立體顯示器的原理及光學特性出發，研究自由立體顯示技術的客觀測量及評估方法。由于自由立體顯示器有著特定的可視區域，本文主要研究的特性包括亮度與色度隨角度變化的特性、最佳觀看距離、瓣角、3D串擾等內容。通過對這些光學特性的測量及分析，我們可以客觀地對兩視點及多視點3D顯示屏進行評價，同時也對自由立體顯示屏的設計具有指導意義。
關鍵詞：自由立體顯示，光學特性，顯示測量，質量評估
Key words: Autostereoscopic display, optical characteristics, display measurement, image quality evaluation
裸眼3D顯示技術由于不需要佩戴眼鏡，又被稱為自由立體顯示技術。自由立體顯示技術主要是基于雙目視差及深度感知原理，通過分光元件，讓觀看者雙眼分別看到不同的視差圖像，即左眼只看到左視圖像，右眼只看到右視圖像，然后經觀看者的大腦融合，從而使觀看者感知到立體圖像。根據所采用的分光方式不同，自由立體顯示器可分為狹縫光柵3D顯示器和柱狀透鏡3D顯示器兩種。其中，狹縫光柵3D顯示器根據狹縫光柵相對于2D顯示屏所放位置的不同，又可分為前置狹縫光柵3D顯示器和后置狹縫光柵3D顯示器兩種。由于觀看視點的不同，自由立體顯示器又有兩視點及多視點之分[1]，圖1為后置狹縫光柵和柱狀透鏡多視點兩種自由立體顯示器的結構組成及原理。
由于自由立體顯示技術本身的限制，自由立體顯示器同時也存在著一些缺陷，例如與常規的平面顯示器相比，其分辨率降低、可視區域較小，且存在串擾引起的觀看視疲勞等問題，從而也限制了它的廣泛應用。因此，改善自由立體顯示的觀看效果對于自由立體顯示技術的研究十分重要。目前國內外針對自由立體顯示器的顯示質量測量標準的制定還在進行之中。本文將基于兩視點顯示器和多視點顯示器，針對亮度與色度隨角度變化的特性、最佳觀看距離、瓣角、3D串擾等特性，探討自由立體顯示的測量及評估方法。
a)狹縫光柵式 b)柱狀透鏡式
圖1 兩種自由立體顯示技術
Fig.1 Two kinds of autostereoscopic display
對于自由立體顯示器光學特性的測量及研究，主要是通過測量其不同視角下的亮度和色度，并對測量數據進行分析實現的。測量設備主要為亮度測量設備（LMD）。根據不同的亮度測量原理，LMD可分為三類：點測量LMD，以亮度計為代表；面測量LMD，以CCD為代表；錐光偏振測試儀（Conoscope）[2]。本文中使用亮度計進行測量。
測量亮度與視角的關系，一般可以通過旋轉顯示器實現，也可以通過旋轉亮度測量設備實現，從操作的便利性和測量準確性考慮，我們通過旋轉顯示器來實現。圖2所示為測試系統的俯視圖，將LMD放置在設計觀看距離的位置上，顯示屏放在可以轉動的圓盤上，顯示器面板的垂直中線與圓盤的中心轉軸重合，通過轉動圓盤實現各個視點不同角度亮度的測量。需要注意的是，亮度計的量測面積應大于500個像素點，因此要選擇合適的視角和觀測距離。
為了測量自由立體顯示器不同視點的光學特性，我們選取的測試圖像（Test pattern）有以下幾種：全屏白場，全屏黒場，各視點白場圖像。其中各視點的白場圖像，對于圖像Imi (i=1,2,…,N)，視點i對應的像素為白色，其余視點對應的像素皆為黑色。測量時，所有的設備均需預熱半小時以上，且在暗室中進行，室溫要求為（23±3）℃。
圖2 測量系統示意圖
Fig.2 Schematic diagram of measurement system
自由立體顯示器光學特性的測量參數，包括屏幕亮度的均勻性，亮度隨角度變化的關系，白場色度及其屏幕均勻性，白場色度隨角度變化的關系，最佳觀看距離，瓣角，3D空間串擾，3D串擾隨角度變化的關系等。由于自由立體顯示器有著特定的可視區域，視角的變化，對于3D觀看的效果有著顯著的影響，因此，本文將重點討論亮度隨角度變化的關系，以及最佳觀看距離的測量方法。在此基礎上，可以對亮度的差異性、白場色度隨視角變化的關系、瓣角和串擾等特性進行分析。
自由立體顯示器的亮度，與不同視點的亮度差異有關。理想狀態下，在某個特定的位置，只能觀測到某個視點圖像的亮度，但實際上，觀測到的是該視點的亮度與其他視點亮度的疊加。因此，首先需要測量不同視角下的亮度，以得到每個視點的最大亮度方向。在該方向上，可以近似視為只觀測到該視點的亮度。
如圖2所示，搭建測試平臺，將圓盤從-60°旋轉至60°，每1°記錄一次亮度計的亮度值及色度值。按此方法分別測量全屏白場，Im1, Im2, …, ImN, 全屏黒場等測試圖像的亮度。
測量過程中，有兩點需要注意的問題。第一點，需要進行零度的校準。零度時，亮度計不完全垂直于顯示器，會使得亮度與角度的關系產生偏差。第二點，有些顯示屏的亮度會隨著時間產生漂移，從而對測量結果產生影響。我們可以分成兩部分進行測量，比如0°~60°和0°~-60°，再以0°數據為基準，對數據進行修正，以減小時間對亮度的影響。
所謂最佳觀看距離（OVD），是指用戶在屏幕前觀看到最佳3D圖像的距離。此時，可以認為該處觀察到的串擾現象是最輕的[2]。
a)兩視點OVD b)多視點OVD
圖3 OVD幾何原理圖
Fig.3 OVD schematic diagram
對于兩視點顯示屏，其OVD的幾何原理如圖3（a）所示， 、 分別為左右眼的最大亮度角度，假設用戶的瞳距（IPD）為平均瞳距，一般為63mm。其計算公式如下：
（1）
對于多視點顯示屏，其OVD的幾何原理如圖3（b）所示， 為視點i在Pj處的最大亮度角度。理論上，在圖示的方向及距離上，左眼只能看到視點i的圖像。因此，可以測量某視點對應的測試圖像在屏幕中同一行兩點處各個角度的亮度。操作方法可以參照3.1節中亮度的測量方法。此處以屏幕中間一行上兩點P6、P8為例，其計算公式如下：
（2）
所謂瓣是指一組具有連續視差的視圖所形成的顯示區域中，其顯示區兩側的視圖邊界的軌跡形成的空間。在一般情況下，自由立體顯示的像素組與每個透鏡或狹縫相關聯。從每個像素組出射的光線形成了瓣。其中，對稱中心線與顯示面板的法線方向相一致或相接近的瓣，稱之為主瓣，其他情況下構成旁瓣。如果觀看者的左、右兩眼處在不同瓣的空間內，會產生偽立體或圖像分裂。較寬的瓣角可以減少這些現象。
一般比較關注的是顯示器的主瓣角。根據3.1節中得到的亮度曲線，可以得到每個視點的最大亮度角度。對于一個N視點的顯示器，主瓣角即為視點1與視點N的最大亮度角間的角度差值。
當觀看者在屏幕前左右移動時，會發現亮度是非均勻的。這種亮度的非均勻性包括兩個概念：左右眼的亮度差異，及白場亮度的調制性。[3]左右眼的亮度差異性ΔY3DC，其計算公式定義如下：
（3）
其中，a,b分別為左右眼對應的視點， , 分別為相應視點對應的最大亮度方向。白場亮度的調制性ΔY3D，其計算公式如下：
, （4）
其中， 為全屏白場的亮度數據， , 為相鄰兩個視點的最大亮度方向。
根據3.1的測量方法，可以得到白場色度與視角的關系。本文中得到的色度值是用色度坐標（x,y）表示的，需將其進行轉化為色度坐標（u’, v’）的形式，其轉化公式如下：
u’=4x/(3-2x+12y), v’=9y/(3-2x+12y)（5）
為了了解白場色度隨視角變化的情況，還需計算其色度的偏差，計算公式如下：
， ， （6）
其中u’Hi，v’Hi表示全屏白場在角度i下的色度坐標，u’H0，v’H0為0°的色度坐標。
立體顯示器的串擾是指立體顯示器所顯示的某一視圖中混疊了其他視圖的現象。對于兩視點或多視點3D顯示器而言，某一個視點的串擾，也就是其他所有視點泄露過來的亮度的疊加與該視點亮度的比值。
根據3.1節得到的亮度曲線，可以計算出每個視點不同角度下的3D串擾，計算公式如下[3]：
（7）
其中，n為視點的數目, 為視點i圖像的各角度亮度值， 為全屏黑各角度的亮度值， 為所有視點最小串擾的平均值。根據文獻中的定義，3D串擾與視點的數量有關。當視點數量增加時，3D串擾增大。這意味著對于有較多視點的多視點顯示，不易得到低串擾。
以兩視點顯示屏和九視點顯示屏為例，對上述參數進行分析討論。根據上述方法，我們測量得到的亮度曲線如圖4所示，從中可以知道每個視點的最大亮度方向。此外，九視點顯示屏的整體亮度低于兩視點顯示屏，且相鄰視點最大亮度發向的間隔基本是均勻的。根據圖4的亮度曲線，也可以計算出主瓣角，兩視點的OVD值，及亮度的差異性。
圖4 a)兩視點顯示屏亮度曲線
Fig.4 a) Luminance profile of two-view display
圖4 b)九視點顯示屏亮度曲線
Fig.4 b) Luminance profile of multiview display
以九視點顯示屏為例，按3.5所述方法進行轉化及計算后，得到白場色度隨視角變化的關系圖，如圖5所示。我們可以看出白場色度均勻性隨視角變化的情況，及Δu’v’的范圍。
根據公式（7）進行計算，我們可以得到顯示屏的串擾曲線，如圖6所示。對于各視點圖像的串擾曲線，各視點亮度最大的方向與串擾最小的角度是相對應的，而九視點的串擾值也比兩視點的串擾值整體上大一些。
圖5 九視點顯示屏的色度隨視角變化的關系
Fig.5 Angular chromaticity variation
of multiview display
圖6 a)兩視點顯示屏串擾曲線
Fig.6 a) Crosstalk profile of two-view display
圖6 b)九視點顯示屏串擾曲線
Fig.6 b) Crosstalk profile of multiview display
需要注意的是，對于多視點顯示器而言，某視點的亮度曲線存在多個主峰值，也就是存在多個最大亮度方向?？梢愿鶕炼惹€中的最大亮度方向，畫出觀看時OVD的幾何位置圖，參照3.2節的方法計算OVD。
本文主要針對自由立體顯示器本身的光學特性，進行測量和評估方法的研究。對于3D顯示的質量評價指標，包括亮度與色度隨角度變化的特性、最佳觀看距離、瓣角、3D串擾等內容。針對這幾個特性，本文討論了兩視點顯示器和多視點顯示器的測量分析方法。此外，本文也提出了在測量過程中需要注意的問題。通過本文對于自由立體顯示光學特性的測量及評估方法，能夠幫助我們了解自由立體顯示器的性能，確定一些重要的3D特性。
[1] 王瓊華. 3D顯示技術與器件[M]. 北京：科學出版社，2011：p87-116.
[2] Toni Jarvenpaa, Marja Salmimaa. Optical characterization of Autostereoscopic 3-D displays[J]. Journal of the SID 16/8, 2008, p825-833.
[3] Marja Salmimaa, Toni Jarvenpaa. 3D crosstalk and luminance uniformity from angular luminance profiles of multiview autostereoscopic 3D displays[J]. Journal of the SID 16/10, 2008, p1033-1040.
[4] 謝佳,陳瑞改,牛磊等. 狹縫光柵式立體顯示器立體效果測試方法[C]. 中國平板顯示學術會議：2000，p281-284.
Yan Huang, Xiaohua Li, Zhenping Xia
Dongfei Display R&D Centre, Electronic Science and Engineering College, SEU, Nanjing, 210096
Email: yhuang228@sina.com
Abstract: The objective measurement and assessment methods of autostereoscopic 3D display are researched in this paper, which is based on its principle and optical characteristics. Due to the limited viewing zones, the characters studied in this paper include luminance and angular luminance variation, minimum viewing distance, main lobe, white chromaticity and white chromaticity variation on angle, crosstalk and other aspects. By measuring the luminance and color versus angle, we can analyse the optical characteristics. Thus, we can not only objectively evaluate the two-view and multiview 3D display, but also give some supporting decisions for the design of autostereoscopic display.
[1] 國家高技術研究發展計劃（863計劃），NO：2012AA03A302
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
