-
Terminologie
-
Bildstörung (allgemeiner Begriff)
allgemein visuell auffällige Effekte, die die dargestellte Bildinformation stören oder störend überlagern,
speziell Sparkle (sparkling, Glitzern), eine statistische Verteilung von Intensitätsmodulationen über die Bildschirmfläche, oft mit Änderung des Erscheinungsbilds der Störung mit der Sehrichtung.
-
Bildstörung induzierende Schicht, Störschicht
kann eine mikrostrukturierte Schicht oder eine andere Schicht sein (z. B. berührungsempfindlicher Eingabeschirm, ”touch-screen”).
-
Speckle-Kontrast
-
Quotient aus Standardabweichung und Mittelwert zur Beschreibung des Wertes einer Intensitätsmodulation von monochromatischem Licht (Laserlicht), die stark mit der Betrachtungsrichtung variiert.
-
Stand der Technik
-
Die Notwendigkeit der Entspiegelung von Bildschirmen aus ergonomischen Gründen und der entsprechende Stand der Technik wird in dem Artikel ”Optimieren von Kontrast, Reflexion und Sparkle bei berührungsempfindlichen Bildschirmen”, Photonik 4/2012 dargestellt. In diesem Aufsatz wird auch ein Messgerät zur quantitativen Erfassung einer Art von visuellen Bildstörungen, im Englischen als ”sparkle” (glitzern) bezeichnet, vorgestellt.
-
Dieses Messgerät erfasst mittels einer elektronischen Kamera ein Bild des z. B. durch Glitzern (sparkle) gestörten Bildinhalts und trennt die Störanteile von den restlichen Intensitäts-modulationen durch eine räumliche Filterung des Bildinhalts ab. Diese Filterung wurde in der dargestellten Realisierung je nach Konditionierung der an der Messung beteiligten Objekte auf zwei Arten vorgenommen:
- – für den Fall, dass Bildschirmmatrix und die Bildstörung induzierende Schicht untrennnbar verbunden vorliegen, durch räumliche Filterung mit einer lokalen Mittelwertbildung mit Gauß'scher Bewertungscharakteristik;
- – für den Fall, dass Bildschirmmatrix und Bildstörung induzierende Schicht getrennt vorliegen, durch ein Differenzbildverfahren, bei dem aus zwei Aufnahmen mit einer Verschiebung der die Bildstörung induzierenden Schicht durch Differenzbildung eine Bildinformation (Differenzbild) berechnet wurde, die als Grundlage zur Berechnung des Sparkle-Wertes diente;
-
Als Kenngröße zur Beschreibung des Ausmaßes der Bildstörung (z. B. Sparkle) wird analog zum Speckle-Kontrast als Quotient aus Standardabweichung und Mittelwert berechnet wird (Cairns, SID'07 Digest).
-
In der Praxis hat sich gezeigt, dass die räumliche Filterung mit einer lokalen Mittelwertbildung mit Gauß'scher Bewertungscharakteristik je nach Einstellung des Filters (Radius, bzw. Halbwertsbreite der Bewertungsverteilungsfunktion) unterschiedliche Ergebniswerte für die Bildstörung ergibt, die zudem im Allgemeinen schlecht mit entsprechenden visuellen Abmusterungen und Bewertungen korrelierten.
-
Eine ähnlich schlechte Korrelation zwischen Messergebnissen und visuellen Bewertungen ergab sich bei Verwendung des Differenzbildverfahrens.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe bestand also darin, im ersten Fall die Filterung der Bildinformation dahingehend zu verbessern, dass der geforderte eineindeutige Zusammenhang zwischen ermittelten Kennwerten und den Ergebnissen der durch visuelle Begutachtung aufgestellten Rangfolge sichergestellt wird. Im zweiten Fall war eine weitere Bearbeitung des Differenzbilds gefordert, um auch hier die Korrelation der Messergebnisse mit visuellen Bewertungen zu verbessern.
-
Diese Anforderung wird laut Darstellung der Patentschrift
US 2012/0221264 (”Apparatus and Method for determining sparkle”) mit dem ebendort beschriebenen Verfahren erfüllt.
-
Nach
US 2012/0221264 werden zur Ermittlung von Sparkle-Kennwerten von dem zu untersuchenden Bildschirm zwei Aufnahmen gemacht: Eine Aufnahme des Bildschirms ohne die mattierte Entspiegelungschicht und eine Aufnahme des Bildschirms zusammen mit der Entspiegelungsschicht. In beiden Aufnahmen werden die Positionen und Grenzen der Bildelemente des Bildschirms (Pixel) durch Analyse der Intensitätsmodulationen rechnerisch ermittelt und innerhalb jeder so bestimmten Teilfläche die Intensitätsmittelwerte berechnet. Das erfolgt für beide Aufnahmen. In einem nächsten Schritt werden dann die Intensitätsmittelwerte entsprechender Teilflächen aufeinander bezogen, d. h. es wird für jedes Teilgebiet der Quotient aus Mittelwert mit Entspiegelungsschicht und Mittelwert ohne Entspiegelungsschicht gebildet. Analog zum Speckle-Kontrast wird dann nach dem Stand der Technik der Kennwert für das Sparkeln als Quotient aus Standardabweichung und Mittelwert der Intensitätswerte berechnet.
-
Die Vorgehensweise nach
US 2012/0221264 setzt notwendigerweise das getrennte Vorliegen von Entspiegelungs-schicht (Störschicht) und Bildschirmmatrix voraus, sie kann nicht zur Anwendung kommen, wenn ein Bildschirm mit einer fest verklebten Entspiegelungsschicht (z. B. ein an seiner Oberfläche mikrostrukturierter Polarisator) bezüglich der durch Sparkle verursachten Bildstörung vermessen werden soll.
-
Die Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung lautet demgemäß wie folgt:
- – Entwicklung eines Verfahrens zur Messung von Bildstörungen bei Bildschirmen, bei denen die Bildstörungen induzierende Schicht bei der Messung nicht von der Bildschirmmatrix getrennt werden kann;
- – Entwicklung eines Verfahrens, das zur Ermittlung der Kennwerte für Bildstörungen nicht die Ermittlung von Position und Grenzen der Bildelemente des Bildschirms erfordert und die damit verbundenen Nachteile und Fehler vermeidet;
- – Entwicklung von Verfahren zur Extraktion von Kennwerten für Bildstörungen mit verbesserter Korrelation zwischen Messergebnissen und visueller Abmusterung.
-
Realisierung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Messgerät umfasst eine elektronische Kamera mit einem geeigneten Objektiv zur Abbildung des Prüfobjekts, bestehend aus Bildschirm und einer die zu messenden Bildstörungen induzierenden Schicht, entweder getrennt oder fest verbunden vorliegend, eine elektronische Steuer- und Datenerfassungseinheit (meist in Form eines Personalcomputers), sowie ein Softwareprogramm zur Auswertung der Aufnahmen zum Zweck der Ermittlung der gewünschten Kenngrößen.
-
Fall1: Pixelmatrix und Entspiegelungsschicht liegen getrennt vor
-
Beim Differenzbildverfahren wird eine erste Aufnahme vom Bildschirm mit darüberliegender störungsinduzierender Schicht gemacht, dann die störungsinduzierende Schicht bei fixierter Position des Bildschirms leicht verschoben und eine zweite Aufnahme gemacht. Aus diesen beiden Aufnahmen wird ein Differenzbild berechnet, in dem beiden Aufnahmen gemeinsame Anteile zu Null werden und so die Pixelmatrix des Bildschirms eliminiert wird.
-
Zur Verbesserung der Korrelation zwischen visueller Abmusterung und den Messergebnissen wird eine räumliche Filterung eingeführt, die durch eine Faltungsoperation mit einem Kern realisiert wird, dessen Dimensionen im Unterschied zu den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik (in Einheiten von Kamerapixeln) weder ganzzahlig noch ungradzahlig ausfallen müssen. Der erfindungsgemäße Faltungskern hat im Allgemeinen in Einheiten von Kamerapixeln rationale Dimensionen. Die Bestimmung der Gewichtung der Bildintensitäten innerhalb dieses Kerns zur Berücksichtigung der rationalen (nicht ganzzahligen) Abmessungen erfolgt nach zwei Regeln:
- – die Gewichtung aller Werte auf dem regulären Gitter der Pixelmatrix der Kamera erfolgt gleichartig, z. B. mit Eins.
- – die Gewichtung aller Werte auf der durch die rationalen Abmessungen des Kerns gegebenen Grenzlinie erfolgt durch lineare Interpolation in jeweils horizontaler, vertikaler und diagonaler Richtung, oder in diagonaler Richtung durch bilineare oder bikubische Interpolation.
-
Bild 1 illustriert die Bestimmung der Gewichtung auf der Grenzlinie bei Punkt A (bei x = k + α). Die Gewichtung ist proportional dem gebrochenen Anteil des Abstands α vom Rasterpunkt, [k, l + 1], (1 – α).
-
So können die Gewichte für die Intensitäten an den diagonalen Rasterpunkten B durch lineare Interpolation in diagonaler Richtung zwischen den Rasterpunkten [k, l] und [k, + 1 l + 1] oder durch bilineare bzw. bikubische Interpolation im Rasterquadrat [k, l], [k + 1, l], [k, l + 1], [k + 1, l + 1] bestimmt werden.
-
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren verwendet eine Bandspassfilterung durch Fouriertransformation, Maskierung im Frequenzraum und Rücktransformation. Dabei sind die Grenzfrequenzen des Bandpass wie folgt festzulegen:
- – Niedrigfrequenten Anteile (Störung der Gleichförmigkeit) sind zu dämpfen.
- – Hochfrequente Anteile (Pixelraster) sind zu dämpfen.
- – Die verbleibenden Anteile bestimmen den Sparkle-Effekt und werden zur Ermittlung des Sparkle-Werts durch Standardabweichung und Mittelwert verwendet.
-
Bild 2 zeigt eine Darstellung der Bandpasscharakteristik als Funktion der Raumfrequenz, angegeben in Perioden pro mm für typische Pixelabmessungen zwischen 0,05 mm und 0,3 mm.
-
Zur Beschleunigung des Messablaufs kann an Stelle eine Bildschirms mit gegebenen festen Abmessungen des Bildelementrasters (Pixelmatrix) eine Maske verwendet werden, die durch eine dünne strukturierte lichtundurchlässige Schicht auf einem transparenten Trägersubstrat (z. B. Metall auf Glas) realisiert ist und die anstelle eines einzigen Pixelrasters mehrere Abmessungen von Rasterstrukturen nach der Art von Bildschirmen nebeneinander aufweist.
-
Wird eine Bildstörungen induzierende Schicht, z. B. eine Entspiegelungsschicht auf eine solche strukturierte hinterleuchtete Metallmaske aufgelegt, so lassen sich in einer Aufnahme der elektronischen Kamera mehrere Kombinationen von Pixelmatrixabmessungen und Entspiegelungsschicht aufnehmen und vermessen, was eine erhebliche Steigerung von Geschwindigkeit und Durchsatz bei den Messungen bedingt.
-
Bild 3 zeigt die strukturierte lichtundurchlässige Schicht, hier beispielhaft mit 4 unterschied-lichen Pixelrastern (PR1–PR4), auf einem hinterleuchteten lichtdurchlässigen Substrat (z. B. Metall auf Glas) zur gleichzeitigen Durchführung von 4 Messungen (AG: Entspiegelungs-schicht).
-
Bild 4 illustriert Einzelheiten der Ausbildung einer strukturierten (weiß) lichtundurchlässigen Schicht (schwarz), hier beispielhaft mit 2 unterschiedlichen Pixelrastern, auf einem hinterleuchteten lichtdurchlässigen Substrat (z. B. Glas). Die weiß dargestellten Bereiche sind lichtdurch-lässig.
-
Fall2: Pixelmatrix und Entspiegelungsschicht liegen fest verbunden, nicht trennbar vor
-
Die elektronische Kamera macht in diesem Fall eine Aufnahme der fest verbundenen Kombination von Bildschirmmatrix und Entspiegelungsschicht. Aus dieser Aufnahme wird das Pixelverhältnis bestimmt, d. h. die Anzahl der Kamerapixel pro Bildschirmpixel. Dies erfolgt durch Analyse der Intensitätsmodulation im aufgenommenen Bild z. B. durch Fourier-Transformation, Autokorrelationsverfahren, globale numerische Anpassung an periodische Funktionen (Sinus, Sinusquadrat, usw.) oder lokale numerische Anpassung an Polynome der Ordnung ≥ 2.
-
Nach Ermittlung des Pixelverhältnisses (Abtastrate) wird die Aufnahme vom Bildschirm mit Störungsschicht (z. B. Entspiegelungsschicht) einer der beschriebenen Filterungen unterworfen, um damit die statistischen Intensitätsmodulationen, die die Wahrnehmung von Sparkle bewirken von den regelmäßigen Modulationen durch die Pixelmatrix des Bildschirms zu trennen.
