CN106331677B - 裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法及系统 - Google Patents

裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法。包括以下步骤：S1采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度，记为E；然后采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；S2.利用E、L1和L2建立起空间频率‑对比度阈值曲线C(f)；S3.令裸眼立体显示设备在3D模式下显示测试图片，然后对裸眼立体显示设备显示的图像进行拍摄，并对拍摄的图像进行图像处理，从而获取拍摄图像的对比度；S4.对拍摄图像的空间频率进行求解；S5.根据拍摄图像的对比度、空间频率在f‑C空间内确定相应的点，通过该点与空间频率‑对比度阈值曲线C(f)的关系来判定分辨率的损失情况：（1）若该点低于阈值曲线，则分辨率损失；（2）若该点高于阈值曲线，则分辨率无损，即分辨率不变。

Description

裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法及系统
技术领域
本发明涉及裸眼立体显示领域，更具体地，涉及一种裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法及系统。
背景技术
分辨率是显示设备质量的重要指标之一，它决定了显示设备反映图像细节的精细程度。高分辨率的显示屏幕与片源可以为观众带来极佳的视觉效果与浸入式的真实感。对于普通的2D显示器来说，分辨率可以用其水平方向上的像素总和与竖直方向上的像素总和的乘积表示，例如1920×1080或者1080P都可以表示显示器平板的分辨率；然而对于3D显示设备而言，分辨率指标不再单纯地用显示设备的分辨率来表示。因为对于3D显示这类双(多)通道显示设备，大脑对多个通道的图片信号进行融合时，其信息量必然会不同于显示器本身的分辨率。因此3D显示的分辨率指标需要重新进行评定。
IEC国际标准对于3D显示(IEC 62629-22-1)分辨率的指标并没有做评价及测量，因此现今有一种约定俗成的评价方法是：对于一个N视点的空分式裸眼3D显示设备(例如光栅挡板式裸眼3D显示器)会使显示设备的平面分辨率降低至1/N。例如，对于一个2视点的1920×1080显示分辨率的光栅挡板式3D显示设备，其分配到单通道的分辨率应该为960×1080。然而，没有实测数据可以辅证此评价方法的准确性。又有一类研究是借助分辨率标靶对分辨率进行量化，但是人眼的一般可视空间频率的阈值是30线对/度(CPD)，这对于一些全高清分辨率设备(FHD,1920×1080)或者是超高清分辨率设备(UHD,3840×2160)甚至是视网膜分辨率(Retina Display)显示设备来说，仅依靠人眼来评价分辨率是不实际的；除此之外，莫尔条纹以及亮度的波动会使显示设备的对比度有所差异，这提高了对最小分辨率测试标靶的确定难度。因此，对裸眼3D显示设备来说，制定一种定量的测量标准来评价分辨率指标是不可或缺的。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的难题，提供了一种裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法。该方法通过裸眼立体显示设备在3D模式下空间频率、对比度的变化来表征裸眼立体显示设备的分辨率指标的变化。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法，包括以下步骤：
S1采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度，记为E；然后采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；
S2.利用3D模式下对显示设备测试得到的E、L1和L2建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)；
S3.令裸眼立体显示设备在3D模式下显示测试图片，然后对裸眼立体显示设备显示的图像进行拍摄，并对拍摄的图像进行图像处理，从而获取拍摄图像的对比度；
S4.对拍摄图像的空间频率进行求解；
S5.根据拍摄图像的对比度、空间频率在f-C空间内确定相应的点P，通过该点与空间频率-对比度阈值曲线C(f)的位置关系来判定分辨率的损失情况：
(1)若该点低于阈值曲线，则分辨率损失；
(2)若该点高于阈值曲线，则分辨率无损，即分辨率不变。
优选地，在判定分辨率已经损失的情况下，则评价方法还包括有确定裸眼立体显示设备3D模式下的实际分辨率的步骤，具体为将确定的点P向左平移使其落在空间频率-对比度阈值曲线C(f)上，然后确定此对比度对应的空间频率，根据确定的空间频率对裸眼立体显示设备3D模式下的实际分辨率进行求解。
优选地，所述空间频率-对比度阈值曲线C(f)的建立过程可用以下公式表示：
L＝(L1+L2)/2
优选地，所述步骤S3显示的测试图片为条纹图片，该测试图片由均匀分布且黑白相间的纵向条纹排列而成；
所述步骤S3中，首先对拍摄的图像进行灰度化处理，然后对其灰阶做直方统计得到灰阶直方图，对灰阶直方图进行多峰高斯拟合得到拟合曲线，在拟合曲线中确定两个峰值分别为黑、白条纹的峰值，计算黑、白条纹峰值的灰度平均值B3D、W3D，然后计算拍摄的图像的对比度C3D：
优选地，所述求解拍摄的图像的空间频率f的过程可用以下公式表示：
其中N是条纹图片黑白条纹的总对数，W是裸眼立体显示设备显示屏幕的宽度，Z是拍摄的距离。
同时，本发明还提供一种应用以上方法的系统，其具体的方案如下：
包括光谱辐射度计C01、照度计C02、拍摄设备和上位机；其中光谱辐射度计C01用于采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度；照度计C02用于采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；拍摄设备用于拍摄裸眼立体显示设备显示的图像；上位机用于建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)，以及拍摄的图像进行图像处理获得图像的对比度，以及执行步骤S4、S5进行显示分辨率的判断分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
裸眼立体显示设备在将2D模式切换至3D模式时图像的对比度受到调制较大，因此可以通过对比度来表征裸眼3D显示中成像的质量变化。本发明正是基于这个原理，利用裸眼立体显示设备在3D模式下空间频率、对比度的变化来表征裸眼立体显示设备的分辨率指标的变化，由于空间频率、对比度的变化与分辨率指标之间是相互关联的，因此本发明提供的方法能够贴合3D显示的实际情况，准确地对裸眼立体显示中分辨率指标的变化做出评价。
附图说明
图1为CSF阈值与对比度空间及其阈值的曲线图。
图2为实拍的条纹图片示例、图片的灰度直方分布和拟合结果图。
图3为实例1的分辨率量化说明图。
图4为实例1的分辨率量化说明图。
图5为评价方法的流程图。
图6为系统的搭建示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
3D显示的原理是双目视差原理，即利用分光元件将图像分成两个通道，使得不同的图像分别送入不同的眼睛，之后大脑经过对图像的融合产生了凹凸感的视觉效果，于是有了立体视觉。这个过程中最关键的元件是分光元件，这也是显示器在2D模式与3D模式下最大的区别。在眼镜式3D显示中，利用了偏振片或者快门眼镜实现了分光，而在裸眼3D显示中，则用了光栅阵列或者透镜阵列实现分光。
其次，分光元件作为一个线性光学系统，当物光经过分光元件成像时，其空间频谱会受到调制(Modulation)，调制行为表现为：成像的对比度与相位会受到调制，成像质量也因此受到影响。裸眼3D显示中，物的相位不受明显调制，所以对比度变化可以用于表征裸眼3D显示中成像的质量变化。而表征对比度变化的函数即为调制传递函数(ModulateTransfer Function,MTF)，因此，可以将显示器在2D转3D时的成像变化用MTF函数表述，即用MTF表征显示器在2D/3D模式下的成像对比度的变化。
在以上基础上，本实施例引入对比度敏感函数(Contrast SensitivityFunction,CSF)，它反映了人眼对同空间频率下不同对比度图像分辨能力的响应程度，如图1所示，图中的曲线11是人眼在此空间频率下刚好能辨认条纹的CSF阈值(F)，这之中CSF值是对比度的倒数。因此，如果已知图像信息的空间频率和对比度，就可以在“空间频率-对比度敏感函数”(f–F)空间坐标系上找到对应的点，再与阈值曲线做比较，就可以与人眼对此图像的分辨能力联系起来。
为了更直观地表示图片对比度与阈值曲线的关系，本发明统一使用对比度C代替CSF值，即C＝1/F，得到“空间频率-对比度”(f-C)坐标空间以及对比度阈值曲线22。如图1所示，将显示器在2D模式下播放特定空间频率f的黑白条纹图像时的对比度C1用此空间坐标系下的点221来表示；当显示模式切换为3D模式时对比度变成了C2(空间频率f不变)，此时其在f-C空间下的点移动到了点222位置。本发明通过确定点222与曲线22之间的位置关系来确定人眼对条纹图像分辨能力的变化，即显示器在3D模式下分辨率的变化。
为此，如图5所示，本发明提供的方法在技术上必须包括以下三个步骤：
(1)建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)；
(2)令裸眼立体显示设备在2D模式下和3D模式下显示测试图片，然后对裸眼立体显示设备在2D模式下和3D模式下显示的图像分别进行拍摄，并对拍摄的图像进行图像处理，从而获取2D模式下和3D模式下拍摄图像的对比度，以及对拍摄图像的空间频率进行求解；
(3)根据2D模式下和3D模式下拍摄图像的对比度、空间频率在f-C空间内确定相应的点，判断该点与空间频率-对比度阈值曲线C(f)的位置关系，从而确定分辨率的损失情况：
步骤(1)中，首先采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度，记为E；然后采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；然后利用E、L1和L2建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)：
L＝(L1+L2)/2
步骤(2)中，如图2所示，显示的测试图片为条纹图片，该测试图片由多条黑白相间的纵向条纹排列而成；在计算图像的对比度时，首先对拍摄的图像进行灰度化处理，然后对其灰阶做直方统计得到灰阶直方图，对灰阶直方图进行高斯拟合得到拟合曲线，在拟合曲线中确定两个峰值分别为黑、白条纹的峰值，计算黑、白条纹峰值的灰度平均值B2D、B3D、W2D、W3D，然后根据B2D、B3D、W2D、W3D计算拍摄的图像的对比度C2D、C3D：
而在求解图像的空间频率时，主要通过以下公式进行求解：
其中N是条纹图片黑白条纹的总对数，W是裸眼立体显示设备显示屏幕的宽度，Z是拍摄的距离。
步骤(3)中，主要通过以下内容判定分辨率的损失情况：
(1)若该点低于阈值曲线，则分辨率损失；
(2)若该点高于阈值曲线，则分辨率无损，即分辨率不变。
实施例2
实施例1提供的评价方法只能够判定在3D模式下裸眼立体显示设备的分辨率是否发生了损失，但是并没能够对其实际的分辨率做出评价。本实施例为解决这种技术上的缺陷，提供了另外的一种评价方法，该方法在实施例1的方法的基础上，增设了一个步骤，具体内容如下：
在判定分辨率已经损失的情况下，则评价方法还包括有确定裸眼立体显示设备3D模式下的实际分辨率的步骤，具体为将确定的点向左平移使其落在空间频率-对比度阈值曲线C(f)上，然后确定此对比度对应的空间频率，然后根据空间频率对裸眼立体显示设备3D模式下的实际分辨率进行求解。
实施例3
本实施例通过两个实例来进一步解释量化过程。
实例1
如图3所示，11为相机实拍下得到的条纹图片，计算得到对比度后代入f-C空间如22所示，发现2D模式下的对比度221与3D模式下的对比度222均在对比度阈值曲线33的上方，此时可以认为此时的显示器在3D模式下分辨率没有损失。结果数据见表1。
表1实例1评价数据与结果
实例2
如图4所示，11为相机实拍下得到的条纹图片，利用计算机得到对比度后代入f-C空间如22所示，发现2D模式下的对比度221在对比度阈值曲线33之上，但是3D模式下的对比度222在对比度阈值曲线33的下方，也就是说该显示器在3D模式下分辨率发生了劣化，分辨率发生了下降，结果数据见表2。
表2实例2评价数据与结果
实施例4
如图6所示，本实施例提供了一种应用实施例1、2、3所述方法的系统，其包括光谱辐射度计C01、照度计C02、拍摄设备和上位机；其中光谱辐射度计C01用于采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度；照度计C02用于采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；拍摄设备用于拍摄裸眼立体显示设备显示的图像；上位机用于建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)，以及拍摄的图像进行图像处理获得图像的对比度和空间频率，以及根据2D模式下和3D模式下拍摄的图像的对比度、空间频率在f-C空间内确定相应的点，判断该点与空间频率-对比度阈值曲线C(f)的位置关系，从而确定分辨率的损失情况。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度，记为E；然后采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；
S2.利用3D模式下对显示设备测试得到的E、L1和L2建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)；
S3.令裸眼立体显示设备在3D模式下显示测试图片，然后对裸眼立体显示设备显示的图像进行拍摄，并对拍摄的图像进行图像处理，从而获取拍摄图像的对比度；
S4.对拍摄图像的空间频率进行求解；
S5.根据拍摄图像的对比度、空间频率在f-C空间内确定相应的点P，通过该点与空间频率-对比度阈值曲线C(f)的位置关系来判定分辨率的损失情况：
(1)若该点低于阈值曲线，则分辨率损失；
(2)若该点高于阈值曲线，则分辨率无损，即分辨率不变。
2.根据权利要求1所述的裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法，其特征在于：在判定分辨率已经损失的情况下，则评价方法还包括有确定裸眼立体显示设备3D模式下的实际分辨率的步骤，具体为将确定的点P向左平移使其落在空间频率-对比度阈值曲线C(f)上，然后确定此对比度对应的空间频率，根据确定的空间频率对裸眼立体显示设备3D模式下的实际分辨率进行求解。
3.根据权利要求1所述的裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法，其特征在于：所述空间频率-对比度阈值曲线C(f)的建立过程可用以下公式表示：
<mrow> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mi>f</mi> <mi> </mi> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>0.06</mn> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> </mrow>
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L＝(L1+L2)/2
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4.根据权利要求1所述的裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法，其特征在于：所述步骤S3显示的测试图片为条纹图片，该测试图片由均匀分布且黑白相间的纵向条纹排列而成；
所述步骤S3中，首先对拍摄的图像进行灰度化处理，然后对其灰阶做直方统计得到灰阶直方图，对灰阶直方图进行多峰高斯拟合得到拟合曲线，在拟合曲线中确定两个峰值分别为黑、白条纹的峰值，计算黑、白条纹峰值的灰度平均值B3D、W3D，然后计算拍摄的图像的对比度C3D：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mn>3</mn> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mn>3</mn> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mn>3</mn> <mi>D</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>255</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
5.根据权利要求4所述的裸眼立体显示中分辨率指标的评价方法，其特征在于：所述求解拍摄的图像的空间频率f的过程可用以下公式表示：
<mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mrow> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>W</mi> <mo>/</mo> <mi>Z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中N是条纹图片中黑白条纹的总对数，W是裸眼立体显示设备显示屏幕的宽度，Z是拍摄的距离。
6.根据权利要求1～5任一项所述评价方法的系统，其特征在于：包括光谱辐射度计C01、照度计C02、拍摄设备和上位机；其中光谱辐射度计C01用于采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的亮度；照度计C02用于采集裸眼立体显示设备在3D模式下播放纯白色图片时的照度L1和播放纯黑色图片时的照度L2；拍摄设备用于拍摄裸眼立体显示设备显示的图像；上位机用于建立起空间频率-对比度阈值曲线C(f)，以及拍摄的图像进行图像处理获得图像的对比度，以及执行步骤S4、S5进行显示分辨率的判断分析。
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