VR頭戴設(shè)備顯示屏質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究與實(shí)踐

楊林，楊宇，苑曉歌，楊盈昀

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

隨著用戶對(duì)觀看體驗(yàn)的要求提升，Virtual Reality技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，VR技術(shù)不僅能夠使用戶在觀看視頻時(shí)更加具有沉浸感，而且還能提供人機(jī)交互。其中VR頭戴顯示設(shè)備顯示屏的顯示效果會(huì)對(duì)用戶的體驗(yàn)造成重要影響，因此，參照高清電視監(jiān)視器的測(cè)試指標(biāo)，本文研究了VR眼鏡的測(cè)試指標(biāo)，使用新的測(cè)試方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VR眼鏡顯示屏進(jìn)行的測(cè)試。

高清監(jiān)視器的評(píng)價(jià)體系主要有EBU-TECH3320[1]、ITU-R BT.2129[2]，主要指標(biāo)為黑電平亮度、全屏對(duì)比度、同時(shí)對(duì)比度、亮度均勻性、基準(zhǔn)白、基色色度坐標(biāo)、白場(chǎng)色度不均勻性、白平衡誤差、圖像清晰度、灰度等級(jí)、GAMMA、(運(yùn)動(dòng)圖像)拖尾時(shí)間、像素缺陷、可視角、響應(yīng)時(shí)間等等。

目前市場(chǎng)上還沒有統(tǒng)一的VR頭戴顯示設(shè)備顯示屏質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，在制定方案之前首先要對(duì)VR設(shè)備有一定的了解。

VR眼鏡分為三類：外接式、一體式、插入式。其中外接式內(nèi)置顯示屏，連接PC使用；一體式內(nèi)置顯示屏及處理器，可獨(dú)立使用；插入式無內(nèi)置顯示屏，需搭配手機(jī)使用。

根據(jù)VR頭戴顯示設(shè)備顯示器的工作原理可知，因?yàn)閂R頭盔顯示器因?yàn)樾枰w積小，重量輕，便于頭戴，所以無法使用相對(duì)笨重并且體積較大的CRT顯示器，而OLED顯示器還在進(jìn)一步研發(fā)中，技術(shù)沒有那么成熟，所以目前市面上的VR頭戴式顯示設(shè)備顯示器基本上全部使用LCD顯示器。因此，在建立適用于VR頭戴式顯示設(shè)備顯示器的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法時(shí)，可以參考高清晰度電視監(jiān)視器的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。不過，在制定測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方法時(shí)，VR頭戴式顯示設(shè)備顯示器與高清晰度電視監(jiān)視器的區(qū)別是要認(rèn)真分析的。

2 VR頭戴式顯示設(shè)備顯示器特點(diǎn)

VR頭戴式顯示設(shè)備顯示器有諸多不同于高清晰度電視監(jiān)視器的特點(diǎn)，比如：[3]

2.1 顯示器尺寸

根據(jù)T/IVRA 0001-2017[4]，VR頭戴式顯示設(shè)備尺寸應(yīng)在215mm*160mm*125mm左右，說明其顯示器尺寸應(yīng)小于215mm*160mm。對(duì)比之下，高清晰度電視監(jiān)視器的尺寸則遠(yuǎn)大于VR顯示器。顯示器尺寸會(huì)影響測(cè)試點(diǎn)的選擇。

2.2 成像特點(diǎn)

VR頭戴式顯示器的工作原理是通過透鏡等光學(xué)設(shè)備，將顯示器上呈現(xiàn)的實(shí)像進(jìn)行放大，成為遠(yuǎn)處的虛像，從而達(dá)到全像視覺的效果。而高清電視監(jiān)視器直接顯示實(shí)像。

2.3 視場(chǎng)角

視場(chǎng)角指頭戴式顯示設(shè)備所形成虛像的邊緣與人眼連線的夾角，為了呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)效果，VR顯示設(shè)備的視場(chǎng)角一級(jí)容限為大于等于100°，二級(jí)容限為大于等于80°。而高清監(jiān)視器的視場(chǎng)角則遠(yuǎn)小于這一標(biāo)準(zhǔn)，為30°。

2.4 觀看距離

根據(jù)T/IVRA 0001-2017，VR頭戴式顯示設(shè)備觀看時(shí)，人眼與鏡片的距離應(yīng)大于等于10mm。而人眼到設(shè)備所成虛像距離應(yīng)大于等于0.3m。而高清監(jiān)視器則為三倍畫面高度。

2.5 畸變

VR頭戴式顯示設(shè)備為了要呈現(xiàn)全像視覺效果，需通過類凸透鏡對(duì)顯示器上的實(shí)像進(jìn)行折射，這會(huì)導(dǎo)致圖像在觀測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)由光學(xué)系統(tǒng)引起的二維平面轉(zhuǎn)化為三維空間的畸變。而高清晰度監(jiān)視器則是二維平面的顯示系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生這種畸變。

2.6 輸入信號(hào)

VR頭戴式顯示設(shè)備的輸入信號(hào)主要分為兩種，一種是外接式和一體式設(shè)備的通過USB傳輸?shù)碾娔X信號(hào)，一種是插入式設(shè)備的手機(jī)存儲(chǔ)的視頻文件。而高清晰度電視監(jiān)視器則是數(shù)字分量信號(hào)、HDMI等基帶信號(hào)。

2.7 圖像色散

通過頭戴式顯示設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)觀察圖像元產(chǎn)生的圖像時(shí)，產(chǎn)生的不同顏色分離及色彩失真情況被稱為圖像色散。因?yàn)閂R頭戴式顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其呈現(xiàn)出的虛像圖像會(huì)有色散情況出現(xiàn)。而高清晰度電視監(jiān)視器因?yàn)闆]有類凸透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)類似的色散情況。

2.8 固有分解力

高清顯示屏的固有分解力為1920*1080，而對(duì)于VR頭戴式顯示設(shè)備來說，其固有分解力則因?yàn)槠浞N類的不同而有所區(qū)別。外接式和一體式設(shè)備大多為3840*2160分辨率，但這也是廠商標(biāo)明的最大輸入視頻及圖片的分辨率，實(shí)際測(cè)量會(huì)因分為左右兩屏而有所出入。第三種插入式顯示設(shè)備則需根據(jù)插入手機(jī)的屏幕分辨率，以及適配顯示設(shè)備的軟件不同而又有所區(qū)別。

基于上述特點(diǎn)，VR頭戴式顯示設(shè)備顯示器質(zhì)量測(cè)評(píng)方法不能按照高清電視監(jiān)視器照搬，我們需要針對(duì)VR眼鏡顯示屏的特點(diǎn)制定專門的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。經(jīng)過分析與測(cè)量實(shí)驗(yàn)，針對(duì)VR頭戴顯示設(shè)備顯示屏質(zhì)量的測(cè)試最終分為以下幾個(gè)方面：峰值亮度范圍、黑電平亮度、白場(chǎng)亮度、順序?qū)Ρ榷?、白?chǎng)亮度不均勻性、基準(zhǔn)白色溫、基色色度坐標(biāo)、Gamma曲線、白平衡誤差、色階重現(xiàn)、Mura、雜散光、輝光。

3 測(cè)試環(huán)境與工具

我們對(duì)市面上常見VR眼鏡：3Glasses、Oculus、idealens 、Pico neo、億鏡、小米、三星、Gear、HTC、暴風(fēng)魔鏡進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量信號(hào)格式：7680x4320/3840x2160；測(cè)試的VR眼鏡涵蓋了第二節(jié)所介紹了全部類別。不同種類的VR眼鏡，其屏幕分辨率不同；而且有的VR眼鏡支持圖片播放，有的僅支持視頻播放；有的VR眼鏡為全景圖片或視頻，而有的則只能在一個(gè)相對(duì)小的范圍內(nèi)，類似于鏡框一樣，播放圖片或者視頻，因此在測(cè)量方法上會(huì)有所不同。

測(cè)量環(huán)境選在暗室，并使用黑色遮光布遮擋，使環(huán)境照度低于1Lx。VR顯示屏的測(cè)量點(diǎn)取左右屏幕的正中央，測(cè)量時(shí)緊鄰VR左右鏡片垂直測(cè)量。測(cè)量?jī)x器選用亮度計(jì)/色度計(jì)：SpectraScan 655。

4 VR顯示屏主要的測(cè)試指標(biāo)及其檢測(cè)方法

4.1 峰值亮度范圍

峰值亮度范圍是指正常工作時(shí)顯示屏所能達(dá)到的最大亮度的范圍。

根據(jù)ITU-R BT.814[5]，高清監(jiān)視器峰值亮度范圍的測(cè)量有一個(gè)前提，需要用PLUGE信號(hào)(如圖1)對(duì)高清顯視器的“亮度”和“對(duì)比度”進(jìn)行顯示狀態(tài)調(diào)整。輸入PLUGE信號(hào)，在保證屏幕上低于黑電平約2%的水平條剛好消失，而高于黑電平約2%的水平條仍然可見的前提下，將監(jiān)視器的亮度調(diào)整到最低。輸入白場(chǎng)信號(hào)，測(cè)量屏幕中心點(diǎn)的峰值白亮度，即為峰值亮度的可調(diào)下限；在相同前提下將監(jiān)視器的亮度調(diào)整到最高，得到峰值亮度的可調(diào)上限。

因VR顯示屏無法顯示-2%的電平，因此，峰值亮度范圍可調(diào)下限和上限是分別采用該VR屏幕可調(diào)節(jié)的最低亮度和最高亮度表示。即輸入白場(chǎng)信號(hào)(如圖2)，調(diào)整亮度到可達(dá)的上限及下限，測(cè)量VR測(cè)量點(diǎn)的亮度，以此時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)為峰值亮度范圍。

圖1 ITU-R BT.814中的原PLUGE信號(hào)

圖2 最終測(cè)試使用的白場(chǎng)信號(hào)

4.2 黑電平亮度

黑電平對(duì)應(yīng)于最小圖像亮度的極限信號(hào)電平。黑電平不同的顯示設(shè)備顯示同一圖像的整體亮暗程度也不同。

在4.1節(jié)中已說明對(duì)于VR顯示屏無法滿足高清顯示屏的測(cè)量前提，因此VR顯示屏指標(biāo)的測(cè)量前提是將VR顯示屏的“亮度”和“對(duì)比度”恢復(fù)為默認(rèn)設(shè)置(下文中VR顯示屏所有指標(biāo)的測(cè)量均默認(rèn)滿足此設(shè)定)，輸入黑場(chǎng)信號(hào)，并使用亮度計(jì)測(cè)量VR設(shè)備測(cè)量點(diǎn)的亮度。

4.3 白場(chǎng)亮度

白電平對(duì)應(yīng)于最大圖像亮度的極限信號(hào)電平。

輸入白場(chǎng)信號(hào)，使用亮度計(jì)測(cè)量VR設(shè)備測(cè)量點(diǎn)的亮度。

4.4 順序?qū)Ρ榷?/h3>

順序?qū)Ρ榷仁秋@示器先后顯示標(biāo)準(zhǔn)白窗口圖像和黑場(chǎng)圖像時(shí)所呈現(xiàn)的最大亮度與最小亮度之比，又稱全屏對(duì)比度。

以4.2中測(cè)得的黑場(chǎng)亮度為，4.3中測(cè)得的白場(chǎng)亮度為，根據(jù)GY/T 284-2014由公式(1)計(jì)算順序?qū)Ρ榷龋?/p>

(1)

4.5 白場(chǎng)亮度不均勻性

白場(chǎng)亮度不均性是指當(dāng)輸入白場(chǎng)信號(hào)的時(shí)候顯示屏是否能夠顯示均勻的白色。對(duì)于高清電視監(jiān)視器，白場(chǎng)的亮度不均勻性是指同一屏幕不同區(qū)域的亮度不均勻性。但由于VR眼鏡鏡片面積過小，難以測(cè)量VR眼鏡同一屏幕不同位置的亮度，因此，此亮度不均勻性指VR頭戴式顯示設(shè)備左右屏幕的亮度不均勻性。測(cè)量方法是輸入白場(chǎng)信號(hào)，測(cè)量左右屏幕正中央的亮度，以左右屏幕中亮度較大的為lmax，較小的為lmin，使用公式(2)計(jì)算白場(chǎng)亮度不均勻性：

(2)

4.6 基準(zhǔn)白色溫

基準(zhǔn)白色溫是測(cè)量顯示屏顯示的白色是否為基準(zhǔn)白。

VR顯示屏基準(zhǔn)白色溫的測(cè)量方法是輸入白場(chǎng)信號(hào)，用測(cè)量?jī)x器分別測(cè)量左屏幕和右屏幕正中央的色度坐標(biāo)(x，y)，并據(jù)此求出在ISO 11664-2-2011[6]中 CIE1976色度圖的坐標(biāo)(u′，v′)，計(jì)算方法見公式(3)、(4)

(3)

(4)

表1是在EBU Tech 3320中使用D65白作為基準(zhǔn)白下，一到三級(jí)容限范圍。但是在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有的VR眼鏡對(duì)于D65白基準(zhǔn)白及其容限范圍的偏移過大，我們有理由相信這些VR眼鏡使用的基準(zhǔn)白并非D65白。

表1 基準(zhǔn)白色溫相關(guān)指標(biāo)的參數(shù)值

4.7 基色色度坐標(biāo)

基色色度坐標(biāo)反映了顯示屏的色彩還原度。

VR顯示屏基色色度坐標(biāo)的測(cè)量通過依次輸入并顯示紅場(chǎng)、綠場(chǎng)、藍(lán)場(chǎng)的基色測(cè)試圖，測(cè)量左屏幕和右屏幕的正中央位置的色度坐標(biāo)值(x，y)并根據(jù)式(3)(4)得到(u′，v′)。紅場(chǎng)圖片即為RGB為(255，0，0)的單一顏色圖片，綠場(chǎng)藍(lán)場(chǎng)同理。據(jù)三基色色度坐標(biāo)可得到如圖3所示色度：

圖3 實(shí)測(cè)基色色度圖示例

4.8 電光轉(zhuǎn)換特性(Gamma)

Gamma值反映了顯示屏的電光轉(zhuǎn)換特性。

VR顯示屏Gamma特性的測(cè)量是通過依次輸入灰窗信號(hào)圖的灰階1到灰階19(亮度值依次為0、6、22、37、52……233、249、255)，測(cè)量左右屏幕在測(cè)量點(diǎn)的亮度取其均值記為L(zhǎng)N，由公式(5)計(jì)算Gamma值，并畫出Gamma曲線，結(jié)果如圖4所示。

(5)

其中，YIN為輸入信號(hào)電平LMAX，是輸入信號(hào)電平為255時(shí)的亮度，LMIN是輸入信號(hào)電平為0時(shí)的亮度。

根據(jù)GY/T 284-2014，Gamma應(yīng)滿足輸入信號(hào)電平從10%到90%，Gamma測(cè)量值與理想值2.2的差異在±0.15之內(nèi)，并保持單調(diào)變化。

圖4 實(shí)測(cè)Gamma曲線

4.9 白平衡誤差

白平衡誤差是顯示屏顯示不同亮度的灰度信號(hào)時(shí)，各灰度信號(hào)的色度坐標(biāo)與基準(zhǔn)白色度坐標(biāo)的偏離程度，又稱灰度等級(jí)色度重現(xiàn)。VR顯示屏白平衡誤差的測(cè)量是通過輸入1到19階各灰場(chǎng)信號(hào)圖，測(cè)量左屏幕和右屏幕的正中央位置的色度坐標(biāo)值(x，y)，根據(jù)式(3)(4)得到(u′，v′)。

表2 白平衡誤差指標(biāo)的參數(shù)1

表3 白平衡誤差指標(biāo)的參數(shù)2

表2、表3是在ITU-R BT.2129 與EBU Tech3320中白平衡誤差標(biāo)準(zhǔn)以及容限范圍。

4.10 色階重現(xiàn)

色階重現(xiàn)是為了測(cè)試顯示屏重現(xiàn)圖像的色彩豐滿度和精細(xì)度。

VR顯示屏色階重現(xiàn)特性的測(cè)量是通過輸入圖5所示色階信號(hào)(畫面中從上到下分布有紅、綠、藍(lán)三排基色階梯信號(hào)，每排階梯信號(hào)有8個(gè)階梯，左側(cè)四個(gè)階梯的基色電平約為0%、5%、10%、15%，右側(cè)四個(gè)階梯的基色電平約為85%、90%、95%、100%)測(cè)試結(jié)果是以各基色階梯信號(hào)能否被清晰分辨來表示。

圖5 基色階梯信號(hào)

4.11 Mura、雜散光、輝光

Mura是指指顯示器亮度不均勻的現(xiàn)象，測(cè)試方法是通過輸入三基色及灰場(chǎng)信號(hào)觀察是否出現(xiàn)顯示不均勻的現(xiàn)象(灰場(chǎng)信號(hào)為8bit量化信號(hào)電平為128的灰場(chǎng)圖像)。

雜散光是指表面反射的可見的光，是不需要的輝光是圖像中光的條紋，它是不應(yīng)該存在的。在VR眼鏡中，它表現(xiàn)為從明亮的文字發(fā)出的光。

對(duì)于雜散光和輝光的測(cè)試是通過輸入黑背景白字圖如圖 6，目測(cè)檢查。

圖6 黑背景白字圖片

4.12 畫面拖尾

畫面拖尾是指在在相對(duì)靜止的背景上，運(yùn)動(dòng)圖像在其后面留下殘影的現(xiàn)象，反映了顯示屏液晶材料偏轉(zhuǎn)響應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)造成畫面拖尾。

VR顯示屏拖尾的測(cè)量時(shí)通過輸入拖尾視頻，截圖如圖 7；圖中第二、五行白方塊的右角與其他行的白色方塊左角錯(cuò)開了若干像素。0號(hào)位置錯(cuò)開0像素，2號(hào)位置錯(cuò)開2像素，4號(hào)位置錯(cuò)開4像素……以此類推。拖尾序列的移動(dòng)速度為900像素/秒。

畫面拖尾情況通過拖尾時(shí)長(zhǎng)反映，拖尾時(shí)長(zhǎng)是拖尾像素?cái)?shù)與序列的移動(dòng)速度的乘積，拖尾像素?cái)?shù)是尋找原本錯(cuò)開位置的方塊因?yàn)橥衔脖舜讼噙B的最大位置序號(hào)。拖尾時(shí)長(zhǎng)為拖尾像素?cái)?shù)與移動(dòng)速度相乘。

注：該序列的移動(dòng)速度計(jì)算方法為：v=(序列起始位置-序列結(jié)束位置)/運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

圖7 拖尾視頻截圖

5 結(jié)論

對(duì)VR頭戴式設(shè)備進(jìn)行屏幕質(zhì)量測(cè)量，對(duì)測(cè)量設(shè)備的精度要求更高。畢竟，頭戴設(shè)備遮光性更好，黑場(chǎng)亮度特別低，本實(shí)驗(yàn)使用的亮度計(jì)最低可保證3.4至102800cd/m2亮度的高精度測(cè)量。然而被測(cè)設(shè)備在播放黑場(chǎng)圖像時(shí)其顯示屏亮度卻低于3.4cd/m2，因此亮度計(jì)此時(shí)的測(cè)量精度較差，測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大誤差。用此測(cè)量值計(jì)算出的結(jié)果也會(huì)受到影響，比如上文中的順序?qū)Ρ榷?、白?chǎng)亮度不均勻性。從這次測(cè)評(píng)的結(jié)果來看，沒有在各方面都突出的VR眼鏡。但是，總體而言，HTC、3Glasses、Oculus、億鏡都在某些方面表現(xiàn)出色。

總體而言，每款眼鏡都會(huì)有自己的優(yōu)勢(shì)與弱勢(shì)，但是經(jīng)過比較，HTC、3Glasses、Oculus 以及億鏡更具競(jìng)爭(zhēng)力。他們?cè)诹炼鹊姆秶咸峁┝烁蟮倪x擇空間，同時(shí)，他們對(duì)色溫以及顏色的還原度也比較優(yōu)秀，在光電轉(zhuǎn)換特性上也與理想曲線較為一致。在保障畫質(zhì)的重現(xiàn)分解力方面，也都表現(xiàn)不錯(cuò)，盡管會(huì)有拖尾現(xiàn)象發(fā)生，但基于拖尾的發(fā)生基本上存在于每一種眼鏡之中，在方便程度上，雖然 HTC、3Glasses與Oculus連接電腦的使用環(huán)境會(huì)帶來不方便，但是在各項(xiàng)操作性上仍保持著水準(zhǔn)以上的實(shí)力，而作為一體機(jī)的億鏡則在這兩方面都有很好表現(xiàn)。