立體電視綜合測(cè)試卡設(shè)計(jì)一例

徐康興，王學(xué)宏，柳玉華，武曉光，溫 娜，劉 誠(chéng)

（1.北京牡丹電子有限責(zé)任公司，北京 100191；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

1 電視綜合測(cè)試卡簡(jiǎn)介

電視綜合測(cè)試卡是直觀檢驗(yàn)電視顯示質(zhì)量的常用手段。圖1為HDTV綜合測(cè)試卡之一例，其各部位所安置的圖形都經(jīng)精心設(shè)計(jì)，能分別突出顯現(xiàn)某類缺陷的存在乃至程度，從而通過直接觀察就能對(duì)其顯示質(zhì)量做出基本判斷。由于綜合測(cè)試卡具有直觀、簡(jiǎn)便、快捷、價(jià)廉等突出優(yōu)點(diǎn)，在電視機(jī)生產(chǎn)、調(diào)整、檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，還常常被用作電視廣播的起始和結(jié)束圖標(biāo)。

普通電視綜合測(cè)試卡的設(shè)計(jì)已十分成熟。立體電視本身尚處起步階段，3D綜合測(cè)試卡的設(shè)計(jì)則剛提上日程，國(guó)內(nèi)還未見相關(guān)研發(fā)成果的報(bào)道。圖2是少見的一款由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）發(fā)布的立體電視綜合測(cè)試卡[1]，它以2DTV綜合測(cè)試卡為基礎(chǔ)，在其兩側(cè)增加了6組立體小球，以考察立體顯示效果。

自2010年參加我國(guó)立體電視機(jī)顯示質(zhì)量測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)工作組，筆者就開始進(jìn)行立體電視綜合測(cè)試卡的策劃與設(shè)計(jì)。同樣以2D綜合測(cè)試卡為基礎(chǔ)，并嘗試將諸多與3D要素相關(guān)的圖形安置在卡的中央，以突出檢測(cè)3D性能的效能。如此安置也考慮到空間集中易于調(diào)度，而且屏幕兩側(cè)邊緣，僅有一個(gè)視圖，不能呈現(xiàn)立體圖像，不宜安置3D元素[2]。

2 檢測(cè)項(xiàng)目及相應(yīng)的圖形設(shè)計(jì)

限于版面，圖3和圖4給出測(cè)試卡左右兩個(gè)視圖經(jīng)過亞取樣后的概貌，為看清用于清晰度測(cè)量楔形條紋的細(xì)節(jié)，圖5呈現(xiàn)此區(qū)一行圖形塊未經(jīng)壓縮的原貌。比較圖3和圖4，許多部位特別是兩側(cè)左右視圖的圖形是相同的，反映的是成像在屏幕上的性能；位于中間部位的一些圖形左右視圖的位置稍有不同，以其視差的不同性質(zhì)和大小，分別成像于屏前、屏上及屏后的不同層面上，或展現(xiàn)立體效果或用以測(cè)量不同成像面上的清晰度，有些位置上的圖形，左右視圖全然不同，專門用來檢測(cè)與3D相關(guān)的特定性能；現(xiàn)就其中間部分，以從上到下為序，對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目及相應(yīng)的圖形設(shè)計(jì)逐一加以說明。

2.1 左右視圖亮度差

黑白亮度差會(huì)使立體感覺不真實(shí)、不舒適，基色亮度差還會(huì)造成色調(diào)失真。左右視圖最上部12列色塊構(gòu)成的圖形組專門用來檢測(cè)此類缺陷。它們?cè)谒椒较蚍殖?個(gè)色區(qū)，每區(qū)3列，依次對(duì)應(yīng)于灰度和綠、紅、藍(lán)三基色。以灰度區(qū)為例說明亮度的設(shè)置及其檢測(cè)原理。左視圖中間一列RGB三基色亮度均為50%，兩側(cè)列則全為0；右視圖中列的RGB全為0，左列的亮度上下分為3級(jí)，RGB同為50%，45%，40%，右列也分3級(jí)，分別為50%，55%和60%。觀察它們的合成圖像，由于中列和兩側(cè)列的亮度分別由左右視圖貢獻(xiàn)，通過比較中列與兩側(cè)列的亮暗，就能判定亮度是否存在差別及差別的大致程度。綠區(qū)G的取值與灰度區(qū)相同，但R和B全為0。根據(jù)HDTV的亮度方程Y=0.212 6R+0.715 6G+0.072 2B，對(duì)亮度的貢獻(xiàn)R僅20%稍多，B則不足10%，它們5%的級(jí)差所造成的亮度變化絕對(duì)量極微，人眼難以察覺，因此設(shè)計(jì)中將R和B區(qū)的變化級(jí)差增大到10%。因此，使用中需要留意，相對(duì)灰綠區(qū)而言，類似的感覺效果下，紅藍(lán)區(qū)的實(shí)際差別要擴(kuò)大一倍。此外，如不戴眼鏡觀察，直接檢查的是屏的性能；戴眼鏡觀察則包含了眼鏡的影響，不過由于此區(qū)域左右視圖差別太大，戴鏡不宜久視。

2.2 不同成像層面上的清晰度

普通電視的圖像都處于顯示屏幕上，立體電視的圖像會(huì)感覺到成像在不同的層面上，測(cè)量立體電視的清晰度應(yīng)在多個(gè)成像層面上進(jìn)行。用于3D清晰度測(cè)量的圖形組由3行4列帶有楔形條紋的12個(gè)白塊構(gòu)成。每個(gè)塊上有垂直與水平兩組楔形條紋，分別用于測(cè)量水平和垂直清晰度。按規(guī)定，為了確保測(cè)量的正確性，楔形條的數(shù)目不得少于10白9黑，由于采用了不對(duì)稱條紋的設(shè)計(jì)方案（對(duì)稱條紋之半），5白5黑即能達(dá)到同樣要求，減小了3D條件下數(shù)清條紋數(shù)目的困難。楔形條疏密對(duì)應(yīng)于清晰度的低高，在楔形條紋的左（或上）邊界上每隔一定距離作有一個(gè)標(biāo)記，相當(dāng)于清晰度變化了30電視線。同一行上4白塊所含楔形條疏密程度各不相同，實(shí)現(xiàn)覆蓋1 080～900，900～720，720～540，540～360電視線的測(cè)量范圍。就左右單個(gè)視圖而言，3行圖形具有相同的技術(shù)要素，但仔細(xì)觀察左右視圖，可發(fā)現(xiàn)不同行圖形的相對(duì)位移是不相同的。中間一行位移為0，成像在屏幕上；上面一行左圖右移、右圖左移，成像在屏幕前；下面一行右圖右移、左圖左移，成像在屏幕后，于是實(shí)現(xiàn)了測(cè)量屏前、屏上及屏后3層面清晰度的目標(biāo)。

2.3 直觀立體效果

中部的6個(gè)彩色小球，其亮暗色澤的變化模擬透視效果設(shè)計(jì)，加上左右視圖的視差及與之相匹配的前后掩蓋，正常情況下會(huì)輕松形成如下立體視覺：下球在屏前、中球在屏上、上球在屏后，且它們大小大致相同。如果由于屏或眼鏡的某種原因造成左右視圖倒置，視差與掩蓋的立體效果就相互矛盾，于是極難產(chǎn)生立體的感覺，即使艱難地出現(xiàn)了立體感，也不自然（后球竟然會(huì)遮擋前球），并且會(huì)感到前后球的大小差別極大。

此外，如圖3和圖4所示，在左視圖的左半圓下部黃色區(qū)有一個(gè)字符“L”，在右視圖的右半圓下部黃色區(qū)有一個(gè)字符“R”。帶著立體眼鏡觀察，閉上右（左）眼，在正常情況下，左（右）眼看到的圖像上協(xié)調(diào)地呈現(xiàn)一個(gè)字符“L（R）”。如左右視圖倒置，呈現(xiàn)的字符卻是不相協(xié)調(diào)的“R（L）”，據(jù)此可更加直觀地判斷左右視圖位置的對(duì)錯(cuò)。

2.4 左右視圖中心重合度

一般中心位置用“十”字標(biāo)志，但線條的寬度至少2個(gè)像素。本卡的中央是個(gè)小圓，上下左右構(gòu)成黑白相間的4個(gè)扇形，無寬度的交界精確地標(biāo)志了中心位置所在。左右視圖相疊時(shí)，根據(jù)交界模糊寬窄可大致判斷中心重合度的好壞。

2.5 “3DTV”圖標(biāo)

采用立體字體，恰當(dāng)?shù)淖笥乙暡钍顾鼈兂上裼谄燎埃ㄎ挥谙虑蚝椭星蛑g），與6彩球一起構(gòu)成4個(gè)立體層次。根據(jù)需要，可用不同的電視臺(tái)標(biāo)替代。

2.6 雙眼串?dāng)_

雙眼串?dāng)_是立體電視的關(guān)鍵指標(biāo)之一，對(duì)立體觀看效果和舒適程度有嚴(yán)重影響。根據(jù)LCD，PDP等類顯示屏的特性，普遍主張多灰階測(cè)量。太多的灰階，同一卡上難以安排，本卡只選了中高（_zg）、中低（_zd）兩個(gè)典型狀態(tài)。用以檢查串?dāng)_的圖形組位于“3DTV”圖標(biāo)之下，從左至右分成4區(qū)，分別檢測(cè)右對(duì)左_zd、右對(duì)左_zg、左對(duì)右_zd和左對(duì)右_zg的串?dāng)_程度。以右串左_zd為例（對(duì)于_zg的亮度設(shè)置，則將25%與75%相互交換）說明圖形設(shè)計(jì)和測(cè)量方法。

此區(qū)右視圖的左側(cè)亮度全為25%，其右側(cè)則上下分成12條塊，亮度75%和25%相間。即使左視圖此區(qū)亮度全相同（25%），當(dāng)有串?dāng)_存在時(shí)，通過左眼鏡（右眼閉）注視此區(qū)域右側(cè)的圖像，會(huì)因串?dāng)_而隱約察覺到有亮暗相間的12條塊存在，這些條塊的亮暗差別大小，反映了串?dāng)_程度。因此設(shè)計(jì)中，將左視圖此區(qū)的左側(cè)同樣分成12塊，它們的亮度如下設(shè)置：上4塊全為25%，模擬無串?dāng)_的效果；中4塊的第一塊設(shè)置成在原有亮度上增加5%的串?dāng)_亮度，模擬5%串?dāng)_的效果，第三塊設(shè)置成在原有亮度上減少5%的串?dāng)_亮度，模擬-5%串?dāng)_的效果，第二、四塊仍取25%，作為亮度對(duì)比的基礎(chǔ)；下4塊的亮度設(shè)置與中4塊基本相同，不過需將串?dāng)_量由5%改為10%，以模擬±10%串?dāng)_的效果。如此安排之下，左視圖此區(qū)左側(cè)圖形就像一組串?dāng)_率標(biāo)尺。通過左鏡注視此區(qū)圖形時(shí)，只要將右側(cè)實(shí)際串?dāng)_效果與左側(cè)模擬串?dāng)_效果相比較，就可對(duì)串?dāng)_程度做出大致的數(shù)量估計(jì)。

由于此區(qū)域左右視圖差別甚大，專為戴眼鏡但閉單眼的使用場(chǎng)合設(shè)計(jì)，檢查立體效果時(shí)不宜注視此區(qū)圖形。

2.7 音視頻同步性

電影制作中的“對(duì)口型”，電視制作中的“唇音同步”都是需要關(guān)注的性能。由于模擬電視機(jī)在還原聲音和圖像過程中引入額外的時(shí)間差一般甚小[3]，只要信號(hào)的音視頻是同步的，還原的音視頻也是同步的，因而模擬電視機(jī)并無此指標(biāo)要求。到了數(shù)字電視、接收機(jī)的聲音與圖像所需處理時(shí)間的差別加大，特別3D成像，大大加長(zhǎng)了圖像處理時(shí)間，聲音通道如不加恰當(dāng)?shù)匮舆t補(bǔ)償，就會(huì)造成圖像落后于聲音的嚴(yán)重后果，于是音視頻是否同步也成了考查項(xiàng)目之一，稱“音視頻同步性”。按ITU-R BT 1729—2005[4]的建議和國(guó)標(biāo)GB/T 26273—2010[5]的要求，本測(cè)試卡增加了用來檢查音視頻同步性的信號(hào)，它由特定的運(yùn)動(dòng)圖形和特定的聲音聯(lián)合組成。其圖形見卡的中間最下部，在黑背景上設(shè)置了上、中、下3組垂直白線段：上組含5條短線，稱作上刻度，其中央線是同步基準(zhǔn)，向外的兩線給出顯示器合格范圍（-120 ms～45 ms），最外兩線則給出一體機(jī)合格范圍（-160 ms～65 ms）；中組僅含1條短線，但它從左向右作勻速運(yùn)動(dòng)，達(dá)最右位置時(shí)立即復(fù)位到最左位置繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，每個(gè)周期為960 ms，稱作動(dòng)標(biāo)；下組含等間隔的11條短線，稱作下刻度，其中央線同樣是同步的基準(zhǔn)，每間隔對(duì)應(yīng)100 ms。聲音信號(hào)為左聲道400 Hz連續(xù)單音，右聲道600 Hz有間斷的單音。每當(dāng)動(dòng)標(biāo)與同步基準(zhǔn)線相合的瞬間，右聲道即刻停止發(fā)聲，25 ms后恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)的嚴(yán)格同步。將此信號(hào)加到待測(cè)機(jī)上，傾聽待測(cè)機(jī)發(fā)出的聲音，同時(shí)注視顯示圖像上的動(dòng)標(biāo)，聽到聲音瞬變時(shí)，確定動(dòng)標(biāo)的位置，如正好與基準(zhǔn)線重合，待測(cè)機(jī)的音視頻時(shí)間差為0，如在基準(zhǔn)線左側(cè)，音頻超前（計(jì)作“+”）；反之，音頻落后（計(jì)作“-”）。根據(jù)上刻度判斷是否合格，根據(jù)下刻度粗略讀出再現(xiàn)聲音對(duì)圖像的時(shí)間差。

3 試用效果

該卡的設(shè)計(jì)在一款信號(hào)發(fā)生器上已實(shí)施，在試用中進(jìn)行改進(jìn)，逐步達(dá)到了比較實(shí)用的目標(biāo)。試用中曾發(fā)現(xiàn)某一款進(jìn)口品牌立體電視左右亮度差明顯超過10%。通過多臺(tái)樣本測(cè)試發(fā)現(xiàn)，左右模式情況下水平清晰度只有540電視線，垂直清晰度則因機(jī)而異，好的能達(dá)1 080線；上下模式情況下的結(jié)果正相反，垂直清晰度只有540線，水平清晰好的能達(dá)1 080線；幀封裝模式下，水平、垂直清晰度都因機(jī)而異，好的兩者都達(dá)1 080線。測(cè)試結(jié)果表明，偏振式LCD立體電視的串?dāng)_率一般要比同步開關(guān)式小，但受視角的影響較大。試測(cè)中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口品牌立體電視機(jī)的音視頻同步性一般較好，但某臺(tái)國(guó)產(chǎn)機(jī)聲音比圖像超前了120 ms以上，需從設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)。

[1]HDMI 1.4 3D視頻分析與測(cè)試[EB/OL].[2012-06-09].http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/1122.

[2]溫娜.智能電視技術(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].電視技術(shù)，2011，35（20）：41-42.

[3]徐康興.音頻與視頻信號(hào)時(shí)間差及其測(cè)量[J].電視技術(shù)，2009，33（2）：85-87.

[4]ITU-R BT 1729—2005，16比9及4比3數(shù)字電視圖像通用測(cè)試圖形[S].2005.

[5]GB/T 26273—2010，地面數(shù)字電視音視頻同步性技術(shù)要求及測(cè)量方法[S].2010.