CN105865755A - 一种模拟人眼结构的显示器件测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人眼结构的显示器件测量装置及测量方法，利用光学系统和软件处理系统实现仿视网膜成像以及光安全测量。光学系统包括一组或两组光学成像装置、光辐射测量装置以及动态测试装置。软件处理系统包括人眼平滑追踪、主观匹配试验以及普尔金偏移等人眼视觉模型。光学系统一部分通过仿真人眼结构的光学成像装置以及模拟人眼视觉模型的软件系统，最终可以生成人眼视网膜中的图像。该光学系统光辐射测量部分通过光电传感器阵列分析待测光的光谱分布，根据视网膜危害加权函数曲线，能够准确评价视网膜危害。本发明提出模拟人眼结构的测量方法，该方法可对显示器件的色彩、亮度、运动模糊等特性进行全方位、实时评价。

Description

一种模拟人眼结构的显示器件测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种模拟人眼结构的显示器件测量装置与测量方法，属于显示器件测量领域。

背景技术

随着显示技术的高速发展，针对显示器件的测量方法越来越引起人们的注意。显示器评测主要包括亮度、色度、静态对比度和动态对比度测量、运动模糊等。目前市面上的亮度计种类众多，有简易亮度计、光谱辐射亮度计、光学成像亮度计、高准确度亮度计以及CCD成像亮度计。而这些传统亮度计只是测量被测物体的亮度，是客观物理量，而不是人眼实际能够感知到的亮度。并且传统亮度存在以下缺点：1、入射孔径远远大于人眼7mm瞳孔直径，视场角(FOV)为0.1°、0.2°、1°或2°，不能满足辐射标准的要求；2、通常用V(λ)进行匹配，无法按照标准要求的加权函数进行加权；3、入瞳位置不确定，一般为透镜后端，无法真正满足200mm测试距离的要求。

目前浙大三色公司研发的视网膜亮度计，主要满足：1、模拟人眼瞳孔直径为7mm；2、接收角满足光生物安全标准所要求的100mrd/11mrd/1.7mrd等；3、入瞳的位置确定等要求。该视网膜亮度计在光学系统上高度仿真了实际的人眼模型，然而，按照国际标准IEC62471中对于辐射安全测试的规定，人眼在观看过程中存在扫视、平滑追踪等现象，但是三色公司并没有研究人眼视网膜主观模型。

目前国内外有一些机构正在开展对视网膜的研究，主要是通过模拟视网膜上的神经通道，建立高度逼真的视网膜计算模型，用于实时的场景表征和图像处理。对于人眼模拟，国内外都有所研究，但是很少有机构使用人眼模拟技术结合CCD阵列，对显示器件的色彩、亮度、运动模糊等特性进行全方位、实时评价。本发明提出的仿真人眼主观感知的测量方法，能够模拟人眼视网膜上感受到的真实的色彩、亮度、运动模糊等全方位、实时信息。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明公开了一种模拟人眼结构的显示器件测量装置与测量方法。该方法通过仿真人眼结构的光学成像装置对显示器件进行画质评估，例如测量人眼感知亮度、感官色彩以及主观对比度等；模拟人眼的运动特点，根据人眼平滑追踪模型分析显示器件图像运动模糊特性；通过光学测量装置获得显示器光谱分布数据，并根据国际标准IEC62471对显示器的要求进行光生物安全分析，例如测定该显示器件蓝光危害以及热辐射危害级别。

技术方案：为实现上述目的，本发明的模拟人眼结构的显示器件测量装置，包括一组或两组光学成像装置、光辐射测量装置以及动态测试装置，所述光学成像装置依次包括显示器件、孔径光阑、晶状透镜阵列、第一半反半透镜以及CCD阵列，所述光辐射测量装置包括第二半反半透镜以及分光光度计，所述动态测试装置包括反射镜以及动态响应测试仪；所述孔径光阑位于所述晶状透镜阵列的焦平面上，所述显示器件、孔径光阑、晶状透镜阵列位于同一水平面；所述CCD阵列位于所述第一半反半透镜的透射光传播路线上，所述第二半反半透镜的反射光的传播路线上；所述分光光度计位于所述第二半反半透镜的反射光的传播路线上，所述反射镜位于所述第二半反半透镜的反射光的传播路线上；所述动态响应测试仪位于所述反射镜的反射光的传播路线上。

进一步地，所述孔径光阑的直径可调，且其调节区间为3-25mm。

进一步地，所述晶状透镜阵列为3×3规格的透镜阵列，其中每个晶状透镜的透焦距为17mm，且晶状透镜曲率与人眼晶状体曲率一致。

进一步地，所述晶状透镜阵列相对于所述孔径光阑在水平方向的视角为124-150度，晶状透镜阵列相对于所述孔径光阑在垂直方向的视角为120-135度。

进一步地，包括两组光学成像装置，两组光学成像装置的两个孔径光阑的中心距离为6.5-7.1cm。

一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，所述显示器件发射一路光线经过孔径光阑后通过所述晶状透镜阵列，经所述晶状透镜阵列折射后的光线进入所述第一半反半透镜，第一半反半透镜的透射光进入所述CCD阵列得到图像数据进入软件系统，软件系统包括普尔金偏移模型、主观匹配试验模型以及平滑追踪模型，软件系统根据所述图像数据中各像素点数据代入人眼数据模型进行计算，同时分析视网膜感官亮度、感官色彩以及运动图像模糊，实现模拟视网膜成像；第一半反半透镜的反射光进入所述第二半反半透镜，第二半反半透镜的反射光进入所述分光光度计得到光谱分析曲线；第二半反半透镜的反射光经由所述反射镜反射进入所述动态响应测试仪得到液晶响应曲线。

进一步地，所述主观匹配试验模型包括相对视觉模型、用户对显示器亮度喜好实验、视疲劳实验。

进一步地，所述光辐射测量装置中包含蓝光危害加权函数以及热辐射危害加权函数，可以分别用于测试显示器件中的蓝光危害级别以及热辐射值。

进一步地，在所述平滑追踪模型中，人眼对像素点的感知亮度值为：

$P_n^{\′}\left(M\right)=\underset{(m\∈N)}{\overset{v-1}{\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}}}{\∫}_{\frac{{\mathrm{mT}}_f}{v_m}}^{\frac{(m+1)T_f}{v_m}}BL\left(t\right)\·T_{tail}(M+m+(n-1)v,M+m+(n-2)v_m,...M+m,M+m-v_m,t)dt$

其中，P_n’(M)为平滑追踪模型中，尺寸为1/T_fpixel×1/T_fpixel的移动窗口以v_m像素每帧的速度作匀速直线运动至第n帧时人眼对像素点M所感受到的亮度值；

T_tail为显示器件的透过率随时间的变化曲线；

BL(t)为背光波形；

求出所述图像数据的每个像素点M的P_n’(M)值，即可得到所述运动图像模糊的等效仿真结果。

进一步地，所述软件系统将所述CCD阵列获得的图像数据的各像素点数据分为R、G、B三个通道分别处理，各通道的图像基色像素分别按照人眼感知亮度值公式P’_n(M)进行计算，求得三基色通道透过率变化函数，再分别结合已知的背光波形，可算出人眼感知到的R、G、B三色的图像各像素点数据，最后将三个通道数据合并生成人眼视觉模糊图像。

有益效果：该装置的光学成像装置采用晶状透镜阵列，可根据人眼视角的特点，获取各个角度的光线，比一般的视网膜亮度计采集到更多的数据；高精度高速摄像CCD阵列使得数据处理更加精确，并还原视网膜成像。该方法的软件处理系统可仿真人眼观察显示器动态图像的运动模糊现象，使得输出图像更加接近视网膜成像结果。主观匹配试验模型结合一些主观实验，比如用户对显示器亮度喜好实验、视疲劳实验等拟合一系列的主观模型，在一定程度上可替代主观实验。因此，所述软件处理系统可以同时得到视网膜主观亮度、感官色彩以及运动图像模糊，最终生成视网膜成像。同时，该方法通过光学测量装置可获得显示器光谱分布数据，并根据国际标准IEC62471对显示器的要求进行光生物安全分析。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图；

附图2为基于人眼视场角的透镜阵列示意图；

附图3为本发明中平滑追踪模型示意图；

附图4为本发明中运动模糊算法示意图；

附图5为本发明提出的一种双镜头结构示意图；

附图6为本发明所述方法的实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明包括光学成像装置、光辐射测量装置、动态测试装置，所述光学成像装置包括显示器件1，孔径光阑2，3×3规格的晶状透镜阵列3，第一半反半透镜4以及CCD阵列5。孔径光阑2位于透镜阵列3所对应的透镜焦平面上，显示器件1、光阑2、透镜阵列3位于同一水平面。孔径光阑2直径可调，和人眼瞳孔直径一致，可调区间为3～25mm；晶状透镜阵列3为M×N的透镜阵列组成，透镜长和宽的尺寸相同，透镜焦距为f＝17mm，该晶状透镜曲率和人眼晶状体曲率一致，如图2所示透镜阵列尺寸大小根据人眼视场角以及瞳孔与晶状体之间的距离共同决定，θ为人眼水平方向上的视角，一般为124-150度，β为竖直方向上的视角，一般为120-135度；CCD阵列5以H×V的密度排布，比如1920×2048。所述CCD可以完成高速摄像，记录每个像素点上的瞬时响应曲线。所述光辐射测量装置包括反射镜6以及分光光度计7。其光路为：显示器件1所发射的一束光线经过孔径光阑2，到达晶状透镜阵列3，经过一系列的折射后，光束被第一半反半透镜4分为两路，一路光不改变前进方向到达高速摄像CCD阵列5，另一路光垂直于原光路方向出射，被第二半反半透镜6再次分为两路，一路光反射进入分光光度计7中，另一路光由反射镜8反射进入动态响应测试仪中。

如图6所示，所述光谱测量装置，按照IEC62471光生物安全标准中的规定，其中有蓝光危害加权函数以及热辐射危害加权函数，根据公式可以直接测试显示器件蓝光危害级别；同样的，根据公式可以直接得出待测显示器件的热辐射值。所述软件系统，包括普尔金偏移模型、主观匹配试验模型以及平滑追踪模型，首先，CCD阵列平面采样得到的图像数据p(x,y)，软件系统将图像中各像素点数据p(x,y)代入人眼视觉模型中进行计算，可以同时分析视网膜主观亮度、感官色彩以及运动图像模糊，最终实现模拟视网膜成像。

所述主观匹配实验模型包括相对视觉模型、用户对显示器亮度喜好实验、视疲劳实验等，这些模型将客观测量得到的数据，经过模型处理更贴近人眼实际观察到的情况。普尔金偏移模型可处理中间视觉条件下，人眼视觉灵敏度向低波段偏移的现象，使得亮度以及光谱测量更加准确。

所述人眼平滑追踪模型中，各像素点的亮度值为n帧图像沿x轴运动一定路径后的叠加值，因此人眼所观察到的主观亮度可由表达式计算得到，式中h(t)为液晶响应曲线，具体波形如图3所示，可用动态响应测试仪将h(t)曲线绘制出来。进一步地，测得的所有像素点中的最低亮度与最高亮度，计算显示器件主观对比度的公式。

如图3所示，所述人眼平滑追踪模型中，由于人眼追踪速度等于图像中物体的运动速度，因此人眼观察窗口03在CCD阵列平面02以v_m ppf(像素每帧)的速度平移，且窗口03的尺寸为1/Tf pixel×1/Tf pixel。人眼对CCD阵列平面02上某像素点M(x,y)的亮度感受P’n(M)为一帧时间内的亮度积分。基于人眼对像素点的感知亮度，结合显示器件的透过率随时间变化曲线T_tail((GL1,GL2,···GLn),t)，即可完成人眼运动模糊模型计算。

所述窗口3向右做匀速运动，每经过一帧时间，各像素01均会被窗口03中的像素灰阶所取代，假设背光波形BL(t)已知，沿人眼平滑追踪轨迹05(窗口03至窗口04路径)，将各点像素感知亮度计算并累加，即可得到第n帧人眼对像素M所感受到的亮度值P’_n(M)，

$P_n^{\′}\left(M\right)=\underset{(m\∈N)}{\overset{v-1}{\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}}}{\∫}_{\frac{{\mathrm{mT}}_f}{v_m}}^{\frac{(m+1)T_f}{v_m}}BL\left(t\right)\·T_{tail}(M+m+(n-1)v,M+m+(n-2)v_m,...M+m,M+m-v_m,t)dt$

窗口03至窗口04为一帧时间，累加过程发生在这段时间内。将原图每个像素M(x,y)的P’n(M)值求出，即可获得人眼运动模糊的等效仿真结果。

如图4所示，将CCD阵列获得的各像素点数据分为R、G、B三个通道分别处理，各通道的图像基色像素分别按照人眼感知亮度值公式P’n(M)进行计算，求得三基色通道透过率变化函数，再分别结合已知的背光波形，可算出人眼感知到的R/G/B三色的图像各像素点数据，最后将三个通道合并即可生成人眼视觉模糊图像。

如图5所示，所述测量方法的光学成像装置也可以仿照人的视觉系统，分成左眼和右眼分别成像，孔径光阑之间的距离仿照人眼瞳孔之间的距离，设置为6.5-7.1cm；透镜阵列曲率半径和人眼晶状体一致，透镜折射率系数和晶状体相同，两块半反半透镜将两路光束分为三路，两路光束不改变原来的前进方向，分别进入模拟左眼和右眼视网膜的高精度CCD阵列平面，由CCD阵列分别获得左眼和右眼的成像以及主观评测数据。另外一路垂直向下入射，经过半反半透镜二次分光，一路进入光谱测量装置，进行光安全分析，剩下一路进入动态响应测试仪，进行显示器件动态响应测试。

该方法光学成像装置采用晶状透镜阵列，可根据人眼视角的特点，获取各个角度的光线，比一般的视网膜亮度计采集到更多的数据；高精度高速摄像CCD阵列使得数据处理更加精确，并还原视网膜成像。软件处理系统可仿真人眼观察显示器动态图像的运动模糊现象，使得输出图像更加接近视网膜成像结果。主观匹配试验模型结合一些主观实验，比如用户对显示器亮度喜好实验、视疲劳实验等拟合一系列的主观模型，在一定程度上可替代主观实验。因此，所述软件处理系统可以同时得到视网膜主观亮度、感官色彩以及运动图像模糊，最终生成视网膜成像。同时，该方法通过光学测量装置可获得显示器光谱分布数据，并根据国际标准IEC62471对显示器的要求进行光生物安全分析。

本发明所述一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，基本实施过程如图6所示。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟人眼结构的显示器件测量装置，其特征在于：包括一组或两组光学成像装置、光辐射测量装置以及动态测试装置，所述光学成像装置依次包括显示器件(1)、孔径光阑(2)、晶状透镜阵列(3)、第一半反半透镜(4)以及CCD阵列(5)，所述光辐射测量装置包括第二半反半透镜(6)以及分光光度计(7)，所述动态测试装置包括反射镜(8)以及动态响应测试仪(9)；所述孔径光阑(2)位于所述晶状透镜阵列(3)的焦平面上，所述显示器件(1)、孔径光阑(2)、晶状透镜阵列(3)位于同一水平面；所述CCD阵列(5)位于所述第一半反半透镜(4)的透射光传播路线上，所述第二半反半透镜(6)的反射光的传播路线上；所述分光光度计(7)位于所述第二半反半透镜(6)的反射光的传播路线上，所述反射镜(8)位于所述第二半反半透镜(6)的反射光的传播路线上；所述动态响应测试仪(9)位于所述反射镜(8)的反射光的传播路线上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量装置，其特征在于：所述孔径光阑(2)的直径可调，且其调节区间为3-25mm。

3.根据权利要求1所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量装置，其特征在于：所述晶状透镜阵列(3)为3×3规格的透镜阵列，其中每个晶状透镜的透焦距为17mm，且晶状透镜曲率与人眼晶状体曲率一致。

4.根据权利要求3所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量装置，其特征在于：所述晶状透镜阵列(3)相对于所述孔径光阑(2)在水平方向的视角为124-150度，晶状透镜阵列(3)相对于所述孔径光阑(2)在垂直方向的视角为120-135度。

5.根据权利要求3所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量装置，其特征在于：包括两组光学成像装置，两组光学成像装置的两个孔径光阑(2)的中心距离为6.5-7.1cm。

6.一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，其特征在于：所述显示器件(1)发射一路光线经过孔径光阑(2)后通过所述晶状透镜阵列(3)，经所述晶状透镜阵列(3)折射后的光线进入所述第一半反半透镜(4)，第一半反半透镜(4)的透射光进入所述CCD阵列(5)得到图像数据进入软件系统，软件系统包括普尔金偏移模型、主观匹配试验模型以及平滑追踪模型，软件系统根据所述图像数据中各像素点数据代入人眼数据模型进行计算，同时分析视网膜感官亮度、感官色彩以及运动图像模糊，实现模拟视网膜成像；第一半反半透镜(4)的反射光进入所述第二半反半透镜(6)，第二半反半透镜(6)的反射光进入所述分光光度计(7)得到光谱分析曲线；第二半反半透镜(6)的反射光经由所述反射镜(8)反射进入所述动态响应测试仪(9)得到液晶响应曲线。

7.根据权利要求6所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，其特征在于：所述主观匹配试验模型包括相对视觉模型、用户对显示器亮度喜好实验、视疲劳实验。

8.根据权利要求6所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，其特征在于：所述光辐射测量装置中包含蓝光危害加权函数以及热辐射危害加权函数，可以分别用于测试显示器件(1)中的蓝光危害级别以及热辐射值。

9.根据权利要求6所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，其特征在于：在所述平滑追踪模型中，人眼对像素点的感知亮度值为：

$P_n^{\′}\left(M\right)=\underset{(m\∈N)}{\overset{v-1}{\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}}}{\∫}_{\frac{{\mathrm{mT}}_f}{v_m}}^{\frac{\left(m+1\right)T_f}{v_m}}BL\left(t\right)\·T_{tail}(M+m+(n-1)v,M+m+(n-2)v_m,...M+m,M+m-v_m,t)dt$

其中，P_n’(M)为平滑追踪模型中，尺寸为1/T_fpixel×1/T_fpixel的移动窗口以v_m像素每帧的速度作匀速直线运动至第n帧时人眼对像素点M所感受到的亮度值；

T_tail为显示器件(1)的透过率随时间的变化曲线；

BL(t)为背光波形；

求出所述图像数据的每个像素点M的P_n’(M)值，即可得到所述运动图像模糊的等效仿真结果。

10.根据权利要求9所述的一种模拟人眼结构的显示器件测量方法，其特征在于：所述软件系统将所述CCD阵列(5)获得的图像数据的各像素点数据分为R、G、B三个通道分别处理，各通道的图像基色像素分别按照人眼感知亮度值公式P’_n(M)进行计算，求得三基色通道透过率变化函数，再分别结合已知的背光波形，可算出人眼感知到的R、G、B三色的图像各像素点数据，最后将三个通道数据合并生成人眼视觉模糊图像。