一種分析視頻眼鏡圖像清晰度的新方法

孫保偉 張文君 +向望華 張大偉+常曉君 +裴增智

摘要： 依據(jù)光學(xué)傳遞函數(shù)與級聯(lián)光學(xué)傳遞函數(shù)理論，通過CCD相機拍攝視頻眼鏡顯示的ISO12233分辨率測試圖像卡，運用Imatest軟件分析視頻眼鏡中光學(xué)成像系統(tǒng)的質(zhì)量和圖像分辨率（SFR）參數(shù)。對Google Glass，Epson BT200，Optinvent ORA1，奧圖科技Cool Glass One以及Raypai的幾種視頻眼鏡進行了測試與分析，獲得每一種視頻眼鏡的圖像分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）結(jié)果并進行比較。MTF結(jié)果與實際視覺觀測結(jié)果基本相符，表明這種測試方法與Imatest軟件分析計算的正確性。

關(guān)鍵詞：

工業(yè)技術(shù)； 視頻眼鏡； 光學(xué)傳遞函數(shù)； Imatest軟件

中圖分類號： TN 29文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.004

A new method to analyze image clarity of video glasses

SUN Baowei1， ZHANG Wenjun1， XIANG Wanghua2， ZHANG Dawei1， CHANG Xiaojun1，

PEI Zengzhi1， WANG Zhifeng1， MEI Peijun1， XU Jian3

（1.School of OpticalElectrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；

2.College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China；

3.Department of Engineering Science， The Pennsylvania State University， PA 16802， USA）

Abstract：

Based on the theory of optical transfer function and cascade optical transfer function，we shoot the image of ISO12233 resolution test card，which is shown in the video glasses，by a CCD camera，and use the Imatest software to analyze the quality of the optical imaging system in the video glasses and the image spatial frequency resolution（SFR） parameter.Eight kinds of video glasses，including Google Glass，Epson BT200，Optinvent ORA1，AltoTech Cool Glass One，and several models from Raypai，are tested and analyzed，and the modulation transfer function（MTF） of each kind of video glasses is obtained and compared.The MTF results are consistent with the actual visual observations，indicating the validity of the proposed method and the Imatest analysis and calculation.

Keywords： industrial technology； video glasses； optical transfer function； Imatest software

引言

隨著虛擬現(xiàn)實和現(xiàn)實增強技術(shù)的迅猛發(fā)展，穿透式視頻眼鏡技術(shù)近幾年取得了長足的進步，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

視頻眼鏡能夠接收各種控制源信號，包括手機、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機、游戲機等多媒體設(shè)備輸出的視頻信號，并在近眼的微顯示器上產(chǎn)生一種虛擬圖像，這種虛擬圖像可在眼睛前面產(chǎn)生一種可穿透式畫面，并在一個固定的距離內(nèi)變化，從尺寸上看，相當(dāng)于一個大屏幕電視，使用戶完全沉浸在播放的圖像中，不會受到任何外部光線的干擾[12]。

盡管視頻眼鏡有其獨特的優(yōu)點，但從顯示效果看，生動逼真的色彩、高對比度、高分辨率的快速畫面遠遠未能達到用戶期望的舒適、震撼的效果，因而視頻眼鏡在消費市場還難以打開銷路。因此，檢測視頻眼鏡的視頻圖像清晰度等各種參數(shù)以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是擺在我們面前的一大課題[34]。

影響視頻眼鏡圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一是視頻眼鏡中的光學(xué)系統(tǒng)，由于其體積小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，安裝、測試都比較困難，對成像質(zhì)量造成了很大影響。目前所見到的各種視頻眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)可以分為兩類，即曲面加棱鏡式和曲面加波導(dǎo)式[56]，其中Google Glass，Epson BT200，奧圖科技Cool Glass One等屬于曲面加棱鏡式，而Optinvent ORA1，Raypai屬于曲面加波導(dǎo)式。圖1所示為兩類視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的典型代表。圖中LED為發(fā)光二極管，LCOS為硅晶液晶顯示器，OLED為有機發(fā)光二極管。

當(dāng)各種視頻信號從微顯示器[7]輸入視頻眼鏡中，并通過光學(xué)系統(tǒng)在人眼中產(chǎn)生幾十英寸（1 inch=2.54 cm）的大屏幕圖像時，視頻圖像的質(zhì)量分析還可以進一步用來評價視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

對于圖像質(zhì)量的評價有兩種途徑，主觀評價和客觀評價。主觀評價方法是以人的視覺效果作為評判準(zhǔn)則，由觀察者對圖像質(zhì)量提出判斷；客觀評價方法是指用可定量分析的數(shù)學(xué)模型表達人對圖像的主觀感受。主觀評價方法需要對圖像判讀人員進行專門的訓(xùn)練，評價過程費時耗力，經(jīng)濟性差[89]。客觀評價方法則是從理論出發(fā)，快速穩(wěn)定，能給出定量數(shù)據(jù)，但忽略了人的視覺特性，有時評價結(jié)果與人的主觀感受不一致。

目前，伴隨高分辨率相機的迅速發(fā)展和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）計算工具的進一步完善，Imatest軟件已成為一個專門用于數(shù)碼相機圖像數(shù)據(jù)測試的重要工具。這個軟件被廣泛地用來測量鏡頭的空間頻率分辨率（SFR）、色差、色彩還原度、色彩空間等重要參數(shù)，被認為是較為有效的一種成像分析軟件。該軟件在進行鏡頭分辨率分析測試時用光學(xué)傳遞函數(shù)法來描述，即用SFR（MTF）曲線來分析鏡頭的特性，光學(xué)傳遞函數(shù)法的優(yōu)勢是其他傳統(tǒng)像質(zhì)檢測方法所不具備的。調(diào)制傳遞函數(shù)是目前對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評價最有效、最全面、最客觀的方式，描述了光學(xué)系統(tǒng)對不同空間頻率下物體信息的傳遞能力，低頻部分反映物體整體輪廓信息，高頻部分反映物體細節(jié)信息[1011]。

既然Imatest軟件在進行鏡頭分辨率分析測試時用光學(xué)傳遞函數(shù)法來描述，依據(jù)級聯(lián)（或復(fù)合）傳遞函數(shù)的概念，如果用照相機拍攝視頻眼鏡顯示的ISO12233分辨率測試卡，就可以將相機鏡頭與視頻眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)看作兩個線性系統(tǒng)的疊加，即級聯(lián)（或復(fù)合）光學(xué)系統(tǒng)。如果將視頻眼鏡與相機的傳遞函數(shù)分別設(shè)為傳遞函數(shù)M1和傳遞函數(shù)M2，二者疊加的傳遞函數(shù)為M0，則M0=M1M2，M1=M0/M2，從而可以求出視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)M1，進而分析視頻眼鏡圖像的分辨率等參數(shù)值[1214]。

本文通過CCD相機拍攝視頻眼鏡所顯示的ISO12233分辨率測試卡的虛擬放大圖像，利用Imatest軟件直接分析視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)，并根據(jù)被測系統(tǒng) MTF曲線進而分析視頻眼鏡的圖像分辨率、清晰度等參數(shù)。

2MTF的實驗測量

2.1實驗設(shè)備與光路調(diào)整

實驗使用的設(shè)備有CCD工業(yè)照相機（機身是Basler AUA460010UC，鏡頭是Edmund Optics 63779，HR12 mm，F(xiàn)#1.8）、各種視頻眼鏡、ISO12233分辨率測試卡等，使用HeNe激光調(diào)整光路[17]，使相機、視頻眼鏡的光學(xué)輸出面、測試相機的ISO12233分辨率測試卡靶板以及在3 m遠處與視頻顯示的虛像面尺寸相同大小的背景靶面（此背景靶面用來檢測視頻眼鏡顯示畫面大?。┚幵谕还廨S上，如圖2所示。

2.2圖像的拍攝及數(shù)據(jù)處理

首先用相機對ISO12233分辨率測試卡進行拍攝，用Imatest軟件分析，得出相機鏡頭的SFR（MTF）分布曲線，其MTF值為M2，如圖3所示（其中空間頻率的單位為cycle/pixel）。雖然對分辨率測試卡圖像的中央及四個角的各種水平、垂直方向的MTF值都用Imatest軟件進行了分析，但由于圖片和數(shù)據(jù)的量太大，所以本文僅給出了中央水平方向的MTF曲線圖，可以正確反映不同視頻眼鏡的差別。分析相機鏡頭與視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)組合的MTF （M0）值時同樣僅給出了水平方向的MTF曲線圖[1819]。

將ISO12233分辨率測試卡的圖像輸入視頻眼鏡中，通過視頻眼鏡可以在遠處顯示出ISO12233測試卡的放大虛像圖，將CCD相機放在距離視頻眼鏡的輸出面22.4 mm處（出瞳），拍攝由視頻眼鏡顯示的ISO12233分辨率測試卡的虛像圖。用Imatest軟件進行分析，獲得一組MTF分布曲線，這是照相機鏡頭與視頻眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)組合的MTF值，即M0。采用這種方法，分別對Google Glass，Epson BT200，Optinvent ORA1，以及奧圖科技Cool Glass One，Raypai等8副棱鏡型和波導(dǎo)型視頻眼鏡進行拍攝并用Imatest軟件進行分析。分別得到CCD相機鏡頭與各種視頻眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)組合的傳遞函數(shù)M0。圖5所示為每一副視頻眼鏡中央水平方向的MTF曲線。

為了便于比較，將Imatest軟件導(dǎo)出M0曲線匯集在同一圖中，如圖6所示。

測出相機鏡頭的MTF值（M2）、相機鏡頭與視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)組合的MTF值（M0）之后，依據(jù)傳遞函數(shù)的級聯(lián)關(guān)系式，求出視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的MTF值M1=M0/M2。圖7所示為各種不同視頻眼鏡的M1曲線，可比較每一種視頻眼鏡的M1值。

由圖7可見，由于不同視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的M1值不同，所以對應(yīng)的分辨率是不同的。為了進一步了解不同視頻眼鏡的分辨率差別，給出同一M1值下的不同分辨率數(shù)值，M1分別為50 和30時各種視頻眼鏡的分辨率如表1所示。從表中可見，不論M1為50還是30時，Raypai波導(dǎo)2的分辨率都是最高的。同時還給出了同一分辨率值時對應(yīng)的不同M1值，即分辨率為0.15 cycle/pixel和0.25 cycle/pixel時對應(yīng)的M1值，如表2所示。另外，計算得到了每種視頻眼鏡的M1曲線與x、y坐標(biāo)軸圍成的面積，如表3所示。面積越大，光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘吭蕉?，表明光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，從這個參數(shù)來看，Raypai波導(dǎo)2也是最好的。

3結(jié)果分析

用CCD相機對ISO12233分辨率測試卡拍攝圖像，再用Imatest軟件分析，獲得相機鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，該曲線與文獻所得結(jié)果基本一致。

從視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線可知，調(diào)制傳遞函數(shù)曲線整體越高，說明各個頻率的變換值M1越大，系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，清晰度越高。Raypai波導(dǎo)2式視頻眼鏡的M1曲線總體最高，其他依次是Raypai棱鏡式，Epson BT200，奧圖科技Cool Glass One，Google Glass，Raypai OLED，Raypai波導(dǎo)1式，Optinvent ORA1。從特征頻率處的MTF值和MTF為50、30時所對應(yīng)的分辨率值來看，Google Glass眼鏡低于奧圖科技Cool Glass One，但其面積值高于后者。這是因為Google Glass在中頻段曲線抬高，曲線的低頻部分反映物體的輪廓傳遞情況，頻率為5～15 lp/mm 時可判斷視頻眼鏡的對比度性能；中頻部分反映物體的層次傳遞性能；高頻部分則反映系統(tǒng)對物體細節(jié)的傳遞性能，所以實際佩戴時會認為Google Glass眼鏡更為清晰，原因在于其中頻段MTF值較高。法國Optinvent ORA1眼鏡各項指標(biāo)都比較低，但其高頻部分MTF值很高，所以清晰度應(yīng)該比較好，實際佩戴之后發(fā)現(xiàn)該結(jié)果與人的視覺感受也是一致的。

4結(jié)論

將ISO12233分辨率測試卡分別輸入每副不同的視頻眼鏡中，用CCD相機拍攝視頻眼鏡輸出的ISO12233分辨率測試卡視頻圖像，再用Imatest軟件分析MTF值。結(jié)果顯示不同的視頻眼鏡其MTF曲線有很大的差異，這種差異與人眼觀察得到的視覺效果是一致的。這種定量的視頻眼鏡MTF值分析方法可用于判斷視頻眼鏡的分辨率高低及像質(zhì)的優(yōu)劣，不僅可以用于視頻眼鏡的鑒別，也適用于其他組合光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價，還可以通過組合的方式間接檢測其中某一獨立光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

值得注意的是，這種測量方法需在條件相同的情況下用于不同視頻眼鏡的對比檢測，例如相同的相機、相同的測試環(huán)境等。該方法也存在一定的局限性，無法測量光學(xué)系統(tǒng)的色差、色彩還原度、色彩空間等參數(shù)。

參考文獻：

[1]BUNKENBURG J，F(xiàn)RITZ T A.Innovative diffractive eyepiece for a helmetmounted display[C].SPIE，1998，3430：4149.

[2]SUTHERLAND I E.A headmounted threedimensional display[C]// AFIPS Proc.Fall Joint Computer Conf，1968：757764.

[3]張明麗.影響CCD傳遞函數(shù)因素的綜合分析[D].遼寧：遼寧師范大學(xué)，2001：153.

[4]朱瑤.光學(xué)系統(tǒng)的星點檢驗方法[J].紅外，2004，9（9）：3136.

[5]KRESS B，STARNER T.A review of headmounted displays（HMD） technologies and applications for consumer electronics[C].SPIE，2013，8720：872011.

[6]CRAIG A B.Understanding augmented reality[M].San Francisco：Morgan Kaufmann Publishers，2013.

[7]ARMITAGE D，UNDERWOOD I，WU S T.Introduction to microdisplays[M].Chippenham：John Wiley & Sons，2006.

[8]刑新華，張鍔.照相物鏡的像質(zhì)評價及其光學(xué)傳遞函數(shù)的測定[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，1993，9（1）：3439.

[9]曾明智，李海峰.投影機鏡頭的MTF實時檢測系統(tǒng)[J].光電工程，2008，35（2）：134139.

[10]莊松林，錢振邦.光學(xué)傳遞函數(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981：177233.

[11]遲學(xué)芬，劉斌，韓昌元，等.顯微物鏡光學(xué)傳遞函數(shù)測定[J].光學(xué)機械，1990（2）：2238.

[12]張以謨，張紅霞，賈大功.應(yīng)用光學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：574609.

[13]郁道銀，談恒英.工程光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：193203.

[14]周言敏，李建芳，王君.光學(xué)測量技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013：162169.

[15]趙凱華.新概念物理教程：光學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：7681.

[16]道爾，基恩伯格，邁克爾斯.光機集成分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015：3644.

[17]王慶有.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：154177.

[18]劉衍琦，詹福宇.MATLAB圖像與視頻處理實用案例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：93101.

[19]GONZALEZ R C，WOODS R E.數(shù)字圖像處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：3036.

（編輯：張磊）