CN102928206A - 裸眼3d显示图像源和显示设备综合测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统和方法，该包括：由仿生参数调制的探测模块、光学系统计算机数据处理模块、控制模块；所述方法包括如下步骤：仿生采样：对3D显示设备输出的图像利用仿生探测器采样；对采集到的图像进行处理，计算光学传递函数数值及调制传递函数曲线，包括图象源特征点被三维空间纵深距离调制后的计算；通过MTF曲线变化趋势获取3D显示技术的三维空间还原程度、图像质量客观测试结果，评价裸眼3D技术的空间图像特性。本实施例的有益效果是，由于采用了仿生法并且采用了光学传递函数数值及调制传递函数曲线，这样只采用一个裸眼3D显示测试方案即可较全面、综合的分析多种裸眼3D显示技术的效果，方法合理。

Description

裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统及测试方法

技术领域

本实施例属于裸眼3D显示测试技术领域，涉及裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统及测试方法。

背景技术

裸眼3D技术，泛指一切人类自身不用借助其他器械就可以让人产生立体视觉的技术，其原理主要是利用特定显示技术如视差壁障、多层显示等，唤起人体生理机理或心理立体感暗示，产生立体视觉。裸眼3D显示不需要配戴助视眼镜就可以得到立体场景显示的3D效果， 其方便简捷的特性在军事模拟、视景仿真、石油地质、建筑设计、医学生物、游戏娱乐等领域获得广泛的应用。高质量的裸眼3D显示技术，因具有广泛的潜在市场，有望成为目前大量平面显示技术的取代者，是国内外大量科研机构、公司的研究热点。

目前，多种裸眼3D显示技术其成像效果参差不齐,国内外关于裸眼3D显示测试的技术及标准尚不成熟。现阶段的裸眼3D显示的测试主要方法可分为主观评价和客观评价。主观评价是由一定数量的受众进行主观判断。这种心理实验不可避免地受到测试人的本身视觉、心理因素和图像质量的影响，存在过于“主观”的无法克服的缺点。客观评价一般采用基于摄像设备的亮度分布分析，其方法类似于对普通2D显示的测量，其结果对是否具有较好的3D显示效果，是否真实的还原了3D场景欠缺说服力, 且其对不同的裸眼3D显示实现技术需要对测试方法做出很大调整。由于实现裸眼3D的技术多种多样，如视差壁障技术、柱状透镜技术、多层投影技术等。现有的客观评价法，其评价方法并不客观、全面，且遗漏了除亮度以外的光学信息。同时，现有的测评方法也并未考虑人的生理特征，仅机械的采用各类普通光电探测器检测图像，其评价结果与人的真实观测感受有一定的差距。因此，显而易见，在广泛的潜在市场需求下，一种更合适的裸眼3D显示的测试方法，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更适合的裸眼3D显示的测试装置及方法。

为此，本发明的裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统包括：由仿生参数调制的探测模块；用于仿生人的三维视觉产生过程，通过调整人体视觉系统模型的结构和参数，模拟人的观察视野，聚焦距离，瞳孔大小等视觉系统结构及参数；其中仿生参数是指双目瞳距、聚焦距离、光谱响应范围及权重中之一或全部；光学系统计算机数据处理模块，用于接收探测模块的数据，计算光学传递函数数值及调制传递函数曲线，包括图象源特征点被三维空间纵深距离调制后的计算；控制模块，用于控制探测模块做平移、旋转、俯仰动作，以调节被测特征点与测试系统在水平空间的相对位置、纵深空间的相对位置、双目水平及俯仰视角、双目视线夹角中之一或全部；以及用于仿生参数的调节。

本发明的裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法包括如下步骤：

仿生采样：对3D显示设备输出的图像利用仿生探测器采样；对采集到的图像进行处理，计算光学传递函数数值及调制传递函数曲线；通过调制传递函数MTF曲线变化趋势获取3D显示技术的三维空间还原程度、图像质量客观测试结果，评价裸眼3D技术的空间图像特性。

本发明的有益效果是，由于采用了仿生法并且采用了光学传递函数MTF，这样只采用一个裸眼3D显示测试方案即可较全面、综合的分析多种裸眼3D显示技术的效果，方法合理。

附图说明

图1是本发明实施例的裸眼3D显示的检测方法原理流程图。

图2是本发明实施例结合双目视差型裸眼3D技术设备的混合视域测试法示意图。

图3是本发明实施例结合双目视差型裸眼3D技术设备测试系统示意图。

图4是本发明实施例计算机3D显示评价流程图。

具体实施方式

本发明下述实施例提供了裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统及测试方法，本测试系统是仿生人体视觉系统的测试系统，可以模拟人眼观测过程，对图象源固定位置特征点进行测量，测试系统的聚焦距离、光谱响应、双目瞳距等各项参数之一或全部可调，被测特征点与测试系统在水平空间的相对位置、纵深空间的相对位置、双目水平及俯仰视角、双目视线夹角等参数中全部或部分参数可调。针对基于不同产生原理的裸眼3D显示系统采用与其立体视觉产生原理符合的测试方法：对于双目视差型裸眼3D技术，测试时以显示器为中心，做等距离扇形测试，并改变固定点的水平视角、俯仰视角以及旋传视角的分区域测试；对于多层显示裸眼3D技术，则采取固定对焦位置等距离扇形测试和不同聚焦位置分层次测试的方法；本方法和系统可对多种基于不同原理的裸眼3D显示技术进行测试，给出具有针对性的测试结果。

本实施例如图1-4所示。图3中，1为3D图像源，2为图象源物点，3为裸眼3D显示屏，4为裸眼3D技术实现设备，如视差壁障、光栅、柱状透镜，5为图像源同一点在不同视域范围内在显示屏上显示像点,6为图像源同一点不同角度图像信息进入同一左/右眼仿生探测器的光路，7为仿生探测器（左眼/右眼），8为探测模块的参数控制模块的光路和硬件部分，如调整滤光片、调整光学探测器光学组件焦距等，9为探测模块的参数控制模块的软件及计算机部分，通过计算机软件控制探测器波长响应、视场、角度、入瞳、视觉响应度、设置对应参数等（对应混合视域测试双目视角、俯仰水平视角、对焦远近变量）,10为计算机数据处理模块，如光学传递函数计算（流程参见图4）,11为水平角度位移导轨（对应混合视域测试空间位置x,y,及视角变量）,12为前后纵深位移导轨（对应混合视域测试空间位置z变量）,13为测试用空间频率栅格（对应混合视域测试的特殊测试器件）。其中，x，y，z表示三维坐标变量。

根据功能，本实施例涉及到的各个部分可划分成如下几大模块：

A、3D显示图像源和显示设备（又分为3D显示图像源模块和3D显示设备，3D显示图像源和显示设备分测试用和被测试用两种，被探测模块包括图3中的3D图像源1、图象源物点2、裸眼3D显示屏3、裸眼3D技术实现设备4、图像源同一点在不同视域范围内在显示屏上显示像点5，它本身不属于本测试系统中的一部分；测试用3D显示图像源包括图3中的测试用空间频率栅格13，是用于测试前的定标）；

B、由仿生参数调制的探测模块（包括图3中的仿生探测器7）；其中仿生参数是指双目瞳距、聚焦距离、光谱响应范围及权重等可调参数，它是由下述控制模块来调节的；

C、光学系统计算机数据处理模块（包括图3中的计算机数据处理模块10，用于计算光学传递函数数值）；

D、控制模块（包括图3中的探测模块的参数控制模块的光路和硬件部分8、探测模块的参数控制模块的软件及计算机部分9、水平角度位移导轨11、前后纵深位移导轨12，用于控制探测模块做平移、旋转、俯仰动作，以调节被测特征点与测试系统在水平空间的相对位置、纵深空间的相对位置、双目水平及俯仰视角、双目视线夹角等参数；另外，控制模块还用于仿生参数的调节）。

本发明以上4个部分协同工作，为方便理论分析，将一些关联紧密的工作部分在下文说明中合并为某些统一过程。

方便理论分析，下面描述中把图3中参与光学处理的部分统称为光学处理过程，光学处理过程在测试过程中科调整光谱范围、光谱响应范围及其权重等可调参数。权重指在测试中，所测得的参数对最终结果的贡献。因为在不同的3D技术设备中，MTF受到前述双目瞳距、聚焦距离等多个变量的共同影响，并且对某些变量更为敏感，此时对各个变量乘以权重因子进行调试，有可能获得更有效的测试结果，可用公式表达为：

其中

是多变量ξ₁,ξ₂…影响下最后的测试结果，如视网膜处MTF，v₁,v₂…是权重因子，用于调制各个变量不同的贡献度,g、f、w，分别是各个参数的作用过程函数。也可以不设权重因子，或者各变量的权重因子均取1，表示各变量贡献度相同。

3D显示图像源模块（此处的3D显示图像源模块是被测试物的一部分）提供利用不同裸眼3D显示技术处理过的图像，进行空间分离，此模块子模块包括图像输入模块，对应图3中的1、2；3D显示设备是裸眼3D技术实现设备，可以是视域或层次控制模块（这些子模块在图3中4、5，例如，针对双目视差型技术，视域或层次控制模块可以由柱透镜、光栅、指向照明设备等组成）。当采用不同裸眼3D显示技术时其观察区域不同：对于双目视差型裸眼3D显示设备，针对左右眼的不同图像的空间角度范围来划分视域；对于层析型裸眼3D显示设备，则对聚焦位置变化时的空间范围划分层次。

仿生探测模块接收3D显示图像源模块的图像信息，模拟人体观察图像的过程，用于仿生人的三维视觉产生过程，通过调整人体视觉系统模型的结构和参数，模拟人的观察视野，聚焦距离，瞳孔大小等视觉系统结构及参数。图像源经探测器处理后输出，模拟人体接收图像的过程。

光学部分是系统的关键模块（为方便分析，此处把有光学元件或对成像光起调制作用的设备集合统称为光学部分，包括图3中仿生探测器7、探测模块的参数控制模块的光路和硬件部分8、计算机数据处理模块10），将物分解为各种空间频率的谱，光学系统的光学特性可视为对各种空间频率的传递和反应能力，从而建立光学传递函数的评价方法（光学传递函数定义详见中国标准出版社出版的GB/T4315.1-2009光学传递函数 第1部分： 术语、符号）：

$\mathrm{\ψ}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\∫\∫\mathrm{\ψ}(x,y)\exp [-i2\mathrm{\π}(\mathrm{\ξx}+\mathrm{\ηy})]\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ψ}(x,y)=\∫\∫\mathrm{\ψ}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\exp \left[i2\mathrm{\π}(\mathrm{\ξx}+\mathrm{\ηy})\right]\mathrm{d\ξd\η}---\left(2\right)$

ψ(x,y)为(x,y)点的空域函数，ψ(ξ,η)是ψ(x,y)的傅里叶频谱，是检测到图像所包含的空间频率(ξ,η)的成分含量，低频成分表示缓慢变化的背景和大的轮廓，高频成分表示图像细节，积分范围是有光通过的空间范围。当图像经过光学部分后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或对比度）下降，其次是相位发生转移，并截止于某一频率。对比度的降低和位相的推移随频率而异，他们之间的函数关系称为光学传递函数，是一种有效、客观、全面的像质评价方法。

同时，光学部分中还包括图象源特征点被三维空间纵深距离调制后的计算结果。在真实的三维空间中，当物体特征点与观测系统之间距离变化时，则特征点像方的图像细节会发生变化。在本系统中，设定图象源特征点的三维空间纵深距离z已知，ψ₀(x,y)为图像源特征点(x,y)的空域函数，利用波动光学的菲涅耳衍射理论，即描述其在空间纵深上传播的过程，经传播z距离后，其图像分布情况为ψ(x,y)，具体公式如下：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}(x,y)\≈\frac{1}{\mathrm{jz\λ}}\underset{\mathrm{\Σ}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_0(x_1,y_1)e^{\mathrm{jkz}[1+\frac{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}{2z^2}]}d{x}_1{\mathrm{dy}}_1\\ =\frac{1}{\mathrm{jz\λ}}{e}^{\mathrm{jkz}}\underset{\mathrm{\Σ}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_0(x_1,y_1)e^{\mathrm{jk}\frac{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}{2z}}{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1\end{array}---\left(3\right)$

将（3）式代入（1）（2），由图4流程，探测器完成图像采集，计算在观测面位置的光学传递函数，得到图像特征点不同频率的光学传递函数（光学传递函数定义详见中国标准出版社出版的GB/T4315.1-2009光学传递函数 第1部分： 术语、符号），从而得到调制传递函数（Modulation Transfer Frequency, MTF）曲线。通过MTF曲线变化趋势可获取3D显示技术的三维空间还原程度、图像质量等。

光学图像处理模块在对3D显示设备输出的图像利用仿生探测器采样后，即可对采集到的图像进行处理（包括光谱范围、光谱响应度等可调参数的处理），对处理后的图象结果进行数据处理和评价分析。处理包括在设置软件滤选不同波长范围的光线形成的图像，滤选不同视场范围的光线形成的图像，获取特征点光学传递函数MTF和亮度等参数的数值，确定图像的积分域和积分模式，并在积分域内抽样逐点计算整个图像源区域的特性，在此基础上评价裸眼3D技术的空间图像特性（图像间串扰，固定分辨率下的最大误差容限，混合视域下随单、多个变量变化下的3D图像质量MTF曲线的变化，其公式已经在前述中定性表达，但不能完全定量。串扰、误差容限、MTF变化趋势是一个动态趋势范围，而并非一个可以公式化的固定数值结果，3D显示效果不能完全依靠公式定量计算，是本测试方法相较传统的静态测量的意义之一））。以上结果由计算机处理并显示图像特性曲线及参数（双目融合程度等曲线或参数）。以上皆基于对各类变量作用下的MTF数据簇的测试结果处理分析得出，如图像间串扰在双目视差裸眼3D设备中通过左右眼视域混叠处MTF衰减得到（串扰越大、MTF衰减越快，串扰越小，MTF曲线越平滑、衰减越慢。MTF是多因素影响的综合评定指标，图像像质越差、空间频率下降越快，本部分参见GB/T4315.2-2009光学传递函数 第2部分：测量导则）；最大误差容限以人眼能清晰分辨的阈值20线对/毫米为界，测试系统在何种角度范围内MTF衰减到不低于阈值；双目融合程度对比双探测器下曲线相似程度可以得出（双目探测器的两个MTF曲线结果越接近，融合程度越好，具体表现为在人眼主视域如28°视角以内近似越好，俯仰、水平角度变化下曲线越接近越好，等等。对双目MTF结果取差值再积分，数值越小融合越好）。最终给出对应的3D显示效果质量评价结论。评价结论直接与MTF反应的数值，以及根据参数变化时MTF的变化趋势相关。如双目视差型裸眼3D设备中左右眼视域交叠部分人体视网膜处MTF是否达到人眼的阈值20线对/毫米，可通过如下方法判断：在以显示器为中心探测器绕其改变角度时测得MTF变化趋势是否在人眼清晰识别的范围之内。

控制模块（与图3中的参数控制相对应，以双目视差系统为例，对包括8、9、11、12等机构进行控制，控制模块包括与系统入瞳（入瞳可以限制测试系统的入射光线口径）、光谱响应、双目瞳距、双目视线夹角、在水平空间相对位置、纵深空间相对位置、双目水平视角、双目俯仰视角等设备测试参数变化的控制部分），控制探测模块做平移、旋转、俯仰动作，如图3所示，其中旋转控制轨道和平移轨道的位移量和旋转角已标定，仿生探测器利用导轨、滑轨、三维平台等旋转控制轨道和平移轨道实现空间位置的变换。双目探测器可以调整水平、俯仰视角，以及瞳距、双目夹角，最终实现多时域、多层次测量。

本实施例所述的适用于裸眼3D显示的测试方法，仅使用一个测试系统便能实现多种裸眼3D显示技术的测试（通过导入不同的裸眼3D显示技术模型，而不用更换系统设备）。因为不同的裸眼3D显示技术，其区别主要在于各自采用的唤起立体视觉的物理、心理暗示的途径不同，反映在“输出-接收”系统中即为前端的图像显示输出系统的特性不同，但后端接收测试系统原理都基于同一种仿生立体视觉的特性搭建，并不需要改变。因此只需要根据混合视域测试法中的8个不同变量做变更即可。

在真实的三维空间中，当物体特征点与观测系统之间距离变化时，则特征点像方的图像细节会发生变化，本实施例的创新之处在于，在最终计算结果中包括图象源特征点被三维空间纵深距离调制后的计算，通过MTF曲线变化趋势获取3D显示技术的三维空间还原程度、图像质量等客观测试结果，结合模拟人眼视觉系统对外界目标观测时光谱响应、系统入瞳（入瞳可以限制测试系统的入射光线口径）、双目瞳距、双目视线夹角、在水平空间相对位置、纵深空间相对位置、双目水平视角、双目俯仰视角等观测条件改变时的仿生测试方法，测量更为全面；利用多视域测试替代单一角度测试，结果更为可信；适用于多种裸眼3D显示技术，针对不同的技术可做各具特色的分析，并可软件建模以虚拟仪器的形式工作，更快捷易用。

本实施例的混合视域测试法，结合了人体视觉系统的8个变量（系统入瞳（入瞳可以限制测试系统的入射光线口径）、光谱响应、双目瞳距、双目视线夹角、在水平空间相对位置、纵深空间相对位置、双目水平视角、双目俯仰视角）的仿生。

首先测试时在距离图像源特定位置处测试多频图像栅格（就是图3中的“空间频率栅格”13，在图象源输入端输入虚拟“空间频率栅格”，即以图像形式表达的空间频率栅格，空间频率栅格参数和其位于图象源的空间位置已知，对空间频率栅格测试），实现测试系统标定，标定时如是对实体测试设备，则使用其自带显示设备即可，标定过程包括对空间频率栅格的多点定点测试，如前述所提及的选定测试范围等；如对虚拟建模设备，则对其显示设备进行建模，如没有具体显示设备规定，则默认使用预设的双目视差型显示设备如柱透镜、光栅屏障。虽然本例中标定时是使用空间频率栅格图像，但也可以采用其他光学测试常用的易于使用、测得MTF的图像源。

完成系统标定后，以单一变量法、多变量法（前述公式提及了混合视域测试法下有8个变量影响MTF的结果，单一变量法即固定其余7个变量，只改变1个，研究MTF或其他光学参数的变化特征，此时如同研究一元函数曲线变化。多变量法，即引入不止一个变量后，多变量同时变化下的测试结果，对应如2元函数的曲面，3元或多元函数的向量空间变化趋势）对图象源和3D显示设备进行混合视域测试测试，分析探测到的数据得出测试结果。（光学传递函数测量方法参见GB/T4315.2-2009光学传递函数 第2部分：测量导则）。

测试完成，当测试另一个3D显示设备时，可以再次标定。

本测试系统设计8个变量的不同组合作为测试方案，同厂同规格设备，在不更换不同种类3D显示设备的前提下，可以根据确定测试方案直接测试，否则则需要重新标定。

Claims (10)

1.一种裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统，其特征在于包括：

由仿生参数调制的探测模块；用于仿生人的三维视觉产生过程，通过调整人体视觉系统模型的结构和参数，模拟人的观察视野，聚焦距离，瞳孔大小等视觉系统结构及参数；其中仿生参数是指双目瞳距、聚焦距离、光谱响应范围及权重中之一或全部；

光学系统计算机数据处理模块，用于接收探测模块的数据，计算光学传递函数数值及调制传递函数曲线，包括图象源特征点被三维空间纵深距离调制后的计算；

控制模块，用于控制探测模块做平移、旋转、俯仰动作，以调节被测特征点与测试系统在水平空间的相对位置、纵深空间的相对位置、双目水平及俯仰视角、双目视线夹角中之一或全部；以及用于仿生参数的调节。

2.如权利要求权1所述的裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统，其特征在于:还包括空间频率栅格，用于测试前的定标。

3.如权利要求权1或2所述的裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统，其特征在于:探测模块的参数控制模块包括光路和硬件部分、软件及计算机部分，所述光路和硬件部分用于调整滤光片、调整光学探测器光学组件焦距，所述软件及计算机部分，用于通过计算机软件控制探测器波长响应、视场、角度、入瞳、视觉响应度、设置对应参数，所述参数包括混合视域测试双目视角、俯仰水平视角、对焦远近变量。

4.如权利要求权3所述的裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试系统，其特征在于:探测模块的参数控制模块还包括水平角度位移导轨，用于调节混合视域测试空间位置x,y变量,及视角变量,前后纵深位移导轨，用于调整混合视域测试空间位置z变量。

5.一种裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法，其特征在于包括如下步骤：

仿生采样：对3D显示设备输出的图像利用仿生人体视觉机制的探测器采样；

对采集到的图像进行处理，计算光学传递函数数值及调制传递函数曲线。

6.通过调制传递函数MTF曲线变化趋势获取3D显示技术的三维空间还原程度、图像质量客观测试结果，评价裸眼3D技术的空间图像特性。如权利要求5所述的，裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法，其特征在于：在仿生采样步骤中，模拟人眼视觉系统对外界目标观测时光谱响应、系统入瞳、双目瞳距、双目视线夹角、在水平空间相对位置、纵深空间相对位置、双目水平视角、双目俯仰视角这些观测条件之一或全部改变，进行仿生测试。

7.如权利要求5或6所述的，裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法，其特征在于：“对采集到的图像进行处理”包括：在设置软件滤选不同波长范围的光线形成的图像、滤选 不同视场范围的光线形成的图像、获取特征点光学传递函数和亮度参数的数值、确定图像的积分域和积分模式、并在积分域内抽样逐点计算整个图像源区域的特性。

8.如权利要求5或6所述的，裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法，其特征在于：“评价裸眼3D技术的空间图像特性”包括：图像间串扰、固定分辨率下的最大误差容限、混合视域下随单、多个变量变化下的3D图像质量MTF曲线的变化，以及其他常规光学测试参数亮度、对比度、可视角度。

9.如权利要求8所述的，裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法，其特征在于：

围绕多个变量变化下的动态显示效果测试；

图像间串扰在双目视差裸眼3D设备中通过左右眼视域混叠处MTF衰减得到;

最大误差容限以人眼能清晰分辨的阈值20线对/毫米为界，测试系统在何种角度范围内MTF衰减到不低于阈值双目融合程度对比双探测器下曲线相似程度可以得出;

所述“以人眼能清晰分辨的阈值20线对/毫米为界”，即双目视差型裸眼3D设备中左右眼视域交叠部分人体视网膜处MTF是否达到人眼的阈值20线对/毫米，通过如下方法判断：在以显示器为中心探测器绕其改变角度时测得MTF变化趋势是否在人眼清晰识别的范围之内。

10.如权利要求5或6所述的，裸眼3D显示图像源和显示设备综合测试方法，其特征在于：在最终计算结果中包括图象源特征点被三维空间纵深距离调制后的计算。 

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