DE102016000629A1 - Measurement method for image interference on screens - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur quantitativen Bestimmung von Bildstörungen (Sparkle) an Bildschirmen, das durch numerische Bearbeitung und Auswertung von Aufnahmen von Bildschirm und Bildstörung induzierender Schicht mit einer elektronischen Kamera die Werte der Kenngröße für die Bildstörung (Sparkle) ermittelt, wobei die Kenngröße durch eine gewichtete Summierung aus den Fourieramplituden der Aufnahmen ermittelt wird.The invention relates to a measuring method for the quantitative determination of image interference (sparkle) on screens, which determines the values of the parameter for image disturbance (sparkle) by numerical processing and evaluation of images of screen and image interference inducing layer with an electronic camera, wherein the characteristic a weighted summation is determined from the Fourier amplitudes of the recordings.
Description
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für Bildstörungen an Bildschirmen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring method for picture interference on screens according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
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 ausführlich dargestellt. In diesem Aufsatz wird auch ein Messgerät zur quantitativen Erfassung einer Art von visuellen Bildstörungen, im Englischen als ”sparkle” (Glitzern) bezeichnet, vorgestellt. Hier bedeutet der Begriff Sparkle visuell auffällige Effekte, die die dargestellte Bildinformation stören oder störend überlagern, eine statistische Verteilung von Intensitäts- oder Farbmodulationen über die Bildschirmfläche, meist mit starker Änderung des Erscheinungsbilds der Störung mit der Sehrichtung.The need for antireflection of screens for ergonomic reasons and the corresponding prior art is detailed in the article "Optimizing Contrast, Reflection and Sparkle in Touch-Sensitive Screens", Photonics 4/2012. In this Review, a measuring device for the quantitative detection of a type of visual image disturbances, in English as "sparkle" (glittering), introduced. Here, the term sparkle means visually conspicuous effects that interfere with or disturbingly superimpose the displayed image information, a statistical distribution of intensity or color modulations across the screen area, usually with a strong change in the appearance of the disturbance with the sighting.
Das beschriebene Messgerät erfasst mittels einer elektronischen Kamera ein Bild des z. B. durch Glitzern (Sparkle) gestörten Bildinhalts und trennt die Störanteile (Sparkle) von den restlichen Intensitätsmodulationen durch numerische Bearbeitung des Bildinhalts ab. Diese Bearbeitung wurde in der dargestellten Realisierung je nach Konditionierung der an der Messung beteiligten Objekte (Bildschirm und die Bildstörung induzierende Schicht) auf zwei Arten vorgenommen:
- • für den Fall, dass der Bildschirm und die Bildstörung induzierende Schicht untrennbar verbunden vorliegen, durch räumliche Filterung einer einzelnen Aufnahme der elektronischen Kamera mit einer lokalen Mittelwertbildung mit Gauß'scher Bewertungscharakteristik (siehe
M. E. Becker, et al.: Optimieren von Kontrast, Reflexion und Sparkle bei berührungsempfindlichen Bildschirmen, Photonik 4/2012, 46–49. M. E. Becker, J. Neumeier: Optical Characterization of Scattering Anti-Glare Layers, SID'11 Digest, 1038–1041 - • für den Fall, dass Bildschirm 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 (Wert der Kenngröße) dient (siehe:
M. E. Becker, J. Neumeier: Optical Characterization of Scattering Anti-Glare Layers, SID'11 Digest, 1038–1041
- In the case where the screen and the image distortion inducing layer are inseparably connected, by spatially filtering a single image of the electronic camera with a local averaging with Gaussian evaluation characteristic (see
ME Becker, et al .: Optimizing Contrast, Reflection and Sparkle in Touch-Sensitive Screens, Photonik 4/2012, 46-49. ME Becker, J. Neumeier: Optical Characterization of Scattering Anti-Glare Layers, SID'11 Digest, 1038-1041 - In the case where the screen and image distortion inducing layer are separated, by a difference image method in which image information (difference image) was calculated from two images with a shift of the image distortion inducing layer by subtraction, which is used as the basis for calculating the sparkle value (Value of the parameter) is used (see:
ME Becker, J. Neumeier: Optical Characterization of Scattering Anti-Glare Layers, SID'11 Digest, 1038-1041
Die Kenngröße zur Beschreibung des Pegels der hier relevanten Bildstörung (Sparkle) wird analog zum Speckle-Kontrast als Quotient aus Standardabweichung und Mittelwert berechnet (siehe:
In
In der Praxis der Messtechnik hat sich gezeigt, dass visuell akzeptable Sparkle-Pegel meist unterhalb von 5% liegen sollten, wobei die Methode nach
Ein Verfahren zur quantitativen Beschreibung von Sparkle auf der Grundlage einer Summation von Fourierkoeffizienten (
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren zur Ermittlung von Sparklewerten bei Bildschirmen zu schaffen, mit dem eine möglichst hohe Auflösung und Empfindlichkeit erreicht wird.The invention has for its object to provide a measuring method for determining sparkle values in screens, with the highest possible resolution and sensitivity is achieved.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution to this problem is obtained with the features of
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens kann ein Messgerät verwendet werden, welches vorzugsweise folgende Einrichtungen umfasst: Eine elektronische Kamera mit einem geeigneten Objektiv zur Abbildung des Prüfobjekts, bestehend aus Bildschirm und einer die zu messenden Bildstörungen induzierenden Schicht (lichtstreuende mattierte Entspiegelungsschicht, AG-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 Werte der Kenngröße.To carry out the measuring method according to the invention, a measuring device may be used, which preferably comprises the following devices: An electronic camera with a suitable objective for imaging the test object, consisting of a screen and a layer inducing the image interference to be measured (light-scattering matted anti-reflection layer, AG layer), either separately or permanently connected, an electronic control and data acquisition unit (usually in the form of a personal computer), and a software program for evaluating the recordings for the purpose of determining the values of the characteristic.
Vor Durchführung der Messung (d. h. der Aufnahme mit der elektronischen Kamera) werden die Zeilen der Bildelementmatrix des Bildschirms parallel zu den Zeilen der Detektormatrix der elektronischen Kamera des Messsystems ausgerichtet. Die Auslegung der Optik stellt eine hinreichend hohe Abtastrate sicher (typisch mehr als 5 Kamerapixel pro Displaypixel). Die Aufnahme der Kombination aus streuender Schicht zur Unterdrückung von Spiegelreflexen (”Anti-Glare”-Schicht) und Bildschirmmatrix umfasst periodische Intensitäts- und Farbänderungen durch die Bildschirmmatrix und statistisch verteilte Intensitäts- und Farbänderungen, die den zu messenden Bildstörungen vom Typ Sparkle zugrunde liegen.Prior to performing the measurement (i.e., taking the image with the electronic camera), the lines of the pixel matrix of the screen are aligned parallel to the lines of the detector array of the electronic camera of the measurement system. The design of the optics ensures a sufficiently high sampling rate (typically more than 5 camera pixels per display pixel). The inclusion of the scattering anti-glare layer suppression layer and screen matrix involves periodic intensity and color changes through the screen matrix and statistically distributed intensity and color changes underlying the Sparkle image noise to be measured.
Im Gegensatz zur Abtrennung von periodischen und statistischen Intensitätsmodulationen durch räumliche Filterung (Faltung) beruht die vorliegende Erfindung auf der Beschreibung der Intensitätsmodulationen direkt durch ihre Fourierkomponenten, also den harmonischen Komponenten im Frequenzbereich. Durch eine gewichtete Summe der Frequenzanteile wird eine Kenngröße zur Beschreibung des Sparkle-Pegels mit den geforderten Eigenschaften gebildet.In contrast to the separation of periodic and statistical intensity modulations by spatial filtering (convolution), the present invention is based on the description of the intensity modulations directly by their Fourier components, ie the harmonic components in the frequency domain. By a weighted sum of the frequency components, a parameter for describing the sparkle level with the required properties is formed.
Dabei wird die Verknüpfung zwischen der durch die Pixelmatrix des Bildschirms gegebene Grundfrequenz, f0, und der räumlichen Frequenz, bei dem das visuelle System des Menschen am empfindlichsten für Leuchtdichtemodulationen ist, dadurch gebildet, dass eine Versuchsanordnung ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit immer so gestaltet werden kann, dass der menschliche Beobachter die Bildstörung (Sparkle) erkennen kann, die Bildschirmmatrix selbst allerdings jenseits der Wahrnehmungsschwelle liegt, also gerade nicht sichtbar ist. In den Verlaufen von Wahrnehmungsschwellen als Funktion der Ortsfrequenz, wie sie von unterschiedlichen Autoren mit verschiedenen Versuchsanordnungen ermittelt wurden, liegt der Bereich der höchsten Empfindlichkeit bei etwa 5 ± 2 Perioden pro Grad Sehwinkel und die Grenze der visuellen Auflösung des normalsichtigen Beobachters bei 30 Perioden pro Grad Sehwinkel. Demzufolge wird die Grundfrequenz f0 einer Frequenz von 30 Perioden pro Grad Sehwinkel gleichgesetzt.In this case, the link between the fundamental frequency given by the pixel matrix of the screen, f 0 , and the spatial frequency at which the human visual system is most sensitive to luminance modulation, is formed in such a way that a test arrangement can always be designed without restriction of generality in that the human observer can recognize the image disturbance (sparkle), but the screen matrix itself lies beyond the threshold of perception, ie is not visible at the moment. In the course of perceptual thresholds as a function of spatial frequency, as determined by different authors with different experimental setups, the range of highest sensitivity is about 5 ± 2 periods per degree visual angle and the visual resolution limit of the normal-sighted observer is 30 periods per degree visual angle. As a result, the fundamental frequency f 0 is set equal to a frequency of 30 periods per degree of visual angle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen und Abbildungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to diagrams and figures shown in the drawing.
Es zeigen:Show it:
Aus den funktionalen Zusammenhängen z. B. zwischen Sehfeldgröße und Adaptationsleuchtdichte, wie sie in der Literatur angegeben werden, lassen sich geeignete Gewichtungsfunktionen für die Frequenzanteile der Aufnahmen nach dem beschriebenen Messverfahren ableiten.From the functional relationships z. B. between field of view and adaptation luminance, as they are given in the literature, suitable weighting functions for the frequency components of the recordings can be derived according to the described measurement method.
Zur Auswertung des Sparkle-Pegels wird aus den berechneten Fouriertransformationen ein Mittelwert der Amplituden als Funktion der Ortsfrequenz aus solchen Gebieten ermittelt, die keine nennenswerten Frequenzanteile durch die reine Bildschirmmatrix aufweisen. Zu diesen Gebieten gehören insbesondere Bereiche um die Diagonalen der Darstellungen in den
Aus den Fouriertransformationen nach den
Nach der Gewichtung mit der Bandpassfunktion werden die Amplituden zur Bildung von Leistungskoeffizienten quadriert und zur Berechnung der Sparkle-Kennzahl, Ksp, aufsummiert. mit
den normierten Fourieramplituden ai,
den frequenzabhängigen Gewichtungsfaktoren wi.After weighting with the bandpass function, the amplitudes are squared to form power coefficients and summed to calculate the sparkle index, Ksp. With
the normalized Fourier amplitudes a i ,
the frequency-dependent weighting factors w i .
Die Gewichtung der Fourierkoeffizienten ermöglicht die folgenden Gestaltungsmaßnahmen bei der Auswertung:
- 1 Reduktion des Einflusses von niedrigfrequenten Modulationen, wie sie durch ungleichmäßige Hinterleuchtung des Displays oder durch Vignettierung in der Kombination von Kamera und Objektiv auftreten können durch entsprechend geringe Werte (meist Null) für die entsprechenden Gewichtungsfaktoren.
- 2 Selektive Dämpfung derjenigen Frequenzanteile, die zur visuellen Wahrnehmung von Sparkle nicht oder nur wenig beitragen durch Berücksichtigung der Bandpasscharakteristik der Kontrastempfindlichkeitsfunldtion beim Menschen.
- 1 Reduction of the influence of low-frequency modulations, as they may occur due to uneven backlighting of the display or due to vignetting in the combination of camera and lens due to correspondingly low values (usually zero) for the corresponding weighting factors.
- 2 Selective attenuation of those frequency components which do not or only slightly contribute to the visual perception of sparkle by taking into account the bandpass characteristic of the contrast sensitivity function in humans.
Fall 1: Pixelmatrix und Entspiegelungsschicht liegen getrennt vorCase 1: Pixel matrix and anti-reflection layer are separated
Wenn Pixelmatrix und Bildstörung induzierende Schicht getrennt vorliegen, wird eine erste Aufnahme vom Bildschirm mit darüberliegender störungsinduzierender Schicht gemacht, dann die störungsinduzierende Schicht bei fixierter Position des Bildschirms um einen kleine Distanz lateral verschoben und eine zweite Aufnahme unter ansonsten unveränderten Bedingungen gemacht. Aus diesen beiden Aufnahmen wird ein Differenzbild berechnet, in dem bei den Aufnahmen gemeinsame konstante Anteile zu Null werden und so die Pixelmatrix des Bildschirms teilweise eliminiert wird.When the pixel matrix and image distortion inducing layer are separated, a first image is taken of the overlying interference-inducing layer screen, then laterally displaced the interference-inducing layer a small distance at a fixed position of the screen and a second image taken under otherwise unaltered conditions. From these two shots is a Calculates difference image, in which the images common constant proportions to zero and so the pixel matrix of the screen is partially eliminated.
Das Differenzbild wird dann der beschriebenen Fouriertransformation unterzogen und die Sparkle-Kenngröße entsprechend Gl. 1 ermittelt.The difference image is then subjected to the described Fourier transformation and the sparkle characteristic is calculated according to Eq. 1 determined.
Die Bestimmung des 2-dimensionalen Frequenzbereichs, der nur geringe Anteile von der periodischen Modulation der Displaymatrix enthält, kann aus einer Aufnahme der Displaymatrix ohne AG-Schicht erfolgen.The determination of the 2-dimensional frequency range, which contains only small portions of the periodic modulation of the display matrix, can be done from a recording of the display matrix without AG layer.
Fall 2: Pixelmatrix und Entspiegelungsschicht liegen fest verbunden, nicht trennbar vorCase 2: Pixel matrix and anti-reflection layer are firmly connected, not separable
Die elektronische Kamera macht in diesem Fall eine Aufnahme von der fest verbundenen Kombination von Bildschirmmatrix und Bildstörung induzierender Schicht. Diese Aufnahme wird dann der beschriebenen Fouriertransformation unterzogen und die Sparkle-Kenngröße wie durch Gl. 1 beschrieben ermittelt.In this case, the electronic camera takes a picture of the firmly connected combination of screen matrix and image-disordering layer. This image is then subjected to the described Fourier transformation and the sparkle characteristic as described by Eq. 1 described determined.
Die Bestimmung des 2-dimensionalen Frequenzbereichs, der nur geringe Anteile von der periodischen Modulation der Displaymatrix enthält, kann aus einer Aufnahme der Displaymatrix mit AG-Schicht erfolgen soweit die periodische Modulation durch die Displaymatrix feststellbar ist. Alternativ kann die Streuwirkung der Entspiegelungsschicht durch Aufbringen von Wasser oder Alkohol zusammen mit einer dünnen Glasschicht (z. B. Deckglas für die der Mikroskopie) soweit aufgehoben werden, dass die periodische Modulation der Displaymatrix messbar wird.The determination of the 2-dimensional frequency range, which contains only small portions of the periodic modulation of the display matrix, can be made from a recording of the display matrix with AG layer as far as the periodic modulation can be determined by the display matrix. Alternatively, the scattering effect of the antireflection coating can be reversed by applying water or alcohol together with a thin glass layer (eg coverslip for microscopy) to the extent that the periodic modulation of the display matrix becomes measurable.
Mit der vorliegenden Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erreicht:
- • Ein Verfahren zur Ermittlung von Sparklewerten bei Bildschirmen, mit erhöhter Auflösung und Empfindlichkeit im Vergleich zu den bekannten Verfahren.
- • Ein Verfahren zur Ermittlung von Sparklewerten bei Bildschirmen, mit erhöhter Unterdrückung des Einflusses von niedrigfrequenten Frequenzanteilen.
- • Ein Verfahren, das die unterschiedlichen Empfindlichkeiten des menschlichen visuellen Systems für laterale Intensitätsvariationen (hier Sparkle) mit unterschiedlicher Ortsfrequenz berücksichtigt.
- • A method for determining sparkle values on screens, with increased resolution and sensitivity compared to the known methods.
- • A method for determining sparkle values on screens, with increased suppression of the influence of low-frequency frequency components.
- • A method that takes into account the different sensitivities of the human visual system for lateral intensity variations (here sparkle) with different spatial frequency.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- Darran R. Cairns and Philip Evans: Laser Speckle of Textured Surfaces: Towards High Performance Anti-Glare Surfaces, SID'07 Digest, 407–409 [0004] Darran R. Cairns and Philip Evans: Lasers Speckle of Textured Surfaces: Towards High Performance Anti-Glare Surfaces, SID'07 Digest, 407-409 [0004]
- T.-W. Hsu, et al.: Novel Evaluation Method of Sparkle for LCDs with Different Anti-Glare Films, Proc. IDW 2014, 953-955 [0007] T.-W. Hsu, et al .: Novel Evaluation Method of Sparkle for LCDs with Different Anti-Glare Films, Proc. IDW 2014, 953-955 [0007]
- Kathy Mullen: ”The contrast sensitivity of human colour vision to red-green and blue-yellow chromatic gratings”, J. Physiol. (1985), 359, pp. 381–400 [0020] Kathy Mullen: "The contrast sensitivity of human color vision to red-green and blue-yellow chromatic gratings", J. Physiol. (1985), 359, pp. 381-400 [0020]
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