溫 娜，武曉光，李 默，李 強，潘 榕，謝于迪，徐 暉，樊曉婷

（1.國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京100015；2.北京牡丹視源電子有限責(zé)任公司，北京100191）

作為數(shù)字家庭的重要終端，數(shù)字電視具有其他互聯(lián)終端所不具備的優(yōu)勢，人們可以通過它最終獲得高品質(zhì)的視聽享受，電視成為數(shù)字家庭多種設(shè)備融合的核心，其相關(guān)技術(shù)近幾年得到迅猛發(fā)展，LED、超高清、3D、OLED等概念層出不窮。其中，3D技術(shù)給人們帶來身臨其境的臨場感，正由影院走進家庭。2010年，被業(yè)內(nèi)稱為“3D”元年，在這一年，相關(guān)研究和產(chǎn)品爆發(fā)式發(fā)展，隨后幾年，受制于3D技術(shù)的諸多瓶頸，如觀看舒適度差、片源匱乏等問題，3D電視技術(shù)熱度下降，但是其功能逐漸成為了一種電視標(biāo)配。在2012年2月工信部發(fā)布的《電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》以及子規(guī)劃《數(shù)字電視與數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃》[1]中明確指出，十二五數(shù)字電視和數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點之一是推進三維電視、智能電視嵌入式軟件系統(tǒng)、超高清電視系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。同時，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。

電視企業(yè)尤為關(guān)注的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《立體電視圖像質(zhì)量測量方法》[2]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了需要佩戴立體眼鏡作為輔助設(shè)備的立體電視立體圖像質(zhì)量的測量條件和測量方法。與傳統(tǒng)二維顯示相比，立體電視的測量技術(shù)也有很大不同，測試工作量成倍增長。為了提高測試效率，該標(biāo)準(zhǔn)提出除采用普通點亮色度計外，增加了相機式亮色度計的可選方式進行測量。相機式亮色度計即成像式亮色度計，是以CCD攝像為基礎(chǔ)的高精度亮度計，可以得到亮度和色度的空間分布，廣泛應(yīng)用于光源、顯示器和材料散射測量。由于與傳統(tǒng)點亮色度計相比，成像式亮色度計的光學(xué)測量原理、使用特性、測量結(jié)果分析有很大不同，因此其相關(guān)特性是數(shù)字電視檢測領(lǐng)域需要研究的問題。本文首先討論了該類亮色度計的測量原理，測量系統(tǒng)的搭建，然后通過設(shè)計測試實驗環(huán)節(jié)，研究了成像式亮色度計的使用特性，最后進行了總結(jié)。

1 成像式亮色度計測量原理

成像式亮色度計是一種基于成像原理來進行測光和測色的計量儀器，基本結(jié)構(gòu)是由視覺（或色覺）匹配的探測器、光學(xué)系統(tǒng)以及與亮度（或三刺激值）成比例的信號輸出處理系統(tǒng)所組成。其測量原理如圖1所示。

圖1 成像式亮色度計測量原理示意圖

式中：τ為光學(xué)系統(tǒng)的透射比；n′和n為像方和物方的折射率，通常n′≈ n≈ 1。則上式簡化為L′=τL?？梢酝ㄟ^測量成像面上的亮度來測量發(fā)光體的亮度。

實際測量時探測器測量的是像方照度值，利用光度學(xué)和幾何光學(xué)可以導(dǎo)出成像面照度為

式中：E為成像面上的照度；L為發(fā)光面亮度；τ為光學(xué)系統(tǒng)透射比；f為光學(xué)系統(tǒng)焦距；l為測量距離；fm=f/D，D為光學(xué)系統(tǒng)孔徑。當(dāng)l?f時，上式可簡化為E=KL，其中K=πτ/，此為成像式亮色度計的基本計算公式[4]。

傳統(tǒng)點式亮度計采用硅光電二極管或光電倍增管作為光電接收探測器，僅有一個測量單元，只能逐點成像測量。而CCD面成像式亮色度計采用面陣CCD作為光電接收單元，其每一個CCD像素都可以看作一個獨立的檢測器，能夠瞬間將整個測量面成像在這些眾多的檢測器上，因此對于多點測量節(jié)省了測量時間，并且由于CCD面陣密度較高，能夠同時獲得更多的數(shù)據(jù)。CCD面陣可以看做是X×Y個點式亮度計的組合，其中X、Y分別對應(yīng)于CCD面陣水平和垂直像元數(shù)。根據(jù)幾何光學(xué)原理可以導(dǎo)出成像面亮度分布，亮度對于理想光學(xué)系統(tǒng)，均勻光源在成像面（CCD面陣）上的照度分布以入射角ω余弦的4次方衰減E′=KE cos4ω，其中K為斜光束的通光面積與軸向光束的通光面積之比。成像原理光學(xué)示意圖如圖2所示。

圖2 成像原理光學(xué)示意圖

對于一個實際系統(tǒng)而言，其成像面上的照度分布還受到成像系統(tǒng)吸收以及漸暈，內(nèi)在反射、散射光，光學(xué)像差等影響，在儀器使用與校準(zhǔn)時需要注意。

2 成像式亮色度計的測量特性分析

成像式亮色度計測量系統(tǒng)與點亮度計測量系統(tǒng)類似，如圖3所示。

1）測量參數(shù)設(shè)置對測量結(jié)果的影響

Sarcevic用概念分析法探討了mortgage和hypothèque的關(guān)系。雖然兩者都體現(xiàn)的是法律上的債務(wù)擔(dān)保,但外延含義有所差別。Hypothèque的擔(dān)保沒有轉(zhuǎn)移財產(chǎn)的所有權(quán),而mortgage表達的是需要轉(zhuǎn)移所有權(quán)。因此,二者在法律功能或法律效力上并不完全對等[5]186。

在使用CCD面亮度計對平板電視進行測量時，需要針對兩者特點設(shè)定測量方式與設(shè)置，如設(shè)置不當(dāng)有可能造成測量數(shù)據(jù)的較大誤差。（1）CCD成像亮色度計采用累計曝光法來獲得像元的亮度，由器件像元信號輸出方式?jīng)Q定了在一定的曝光時間內(nèi)，CCD的動態(tài)范圍比較小，線性度要比傳統(tǒng)點式亮度計差，因此對于不同的亮度范圍需要采用不同的曝光值。（2）由于CCD面陣像元存在差異，需要采用多像元亮度定標(biāo)方法進行標(biāo)定。（3）由光學(xué)系統(tǒng)的眩光等效應(yīng)引起測量面內(nèi)各像點相互影響。若視場內(nèi)存在高亮區(qū)域，這些區(qū)域的光線被光學(xué)系統(tǒng)散射到較暗區(qū)域，從而造成測量誤差。高亮區(qū)域越多，面積越大，其造成的影響也越大。

圖3 成像式亮色度計測量系統(tǒng)示意圖

在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)，不同測量參數(shù)設(shè)置對測量結(jié)果有很大影響，也驗證了上述理論。例如，光圈設(shè)置、曝光次數(shù)、平均次數(shù)等，因此，為了獲得盡量滿意的測量結(jié)果，需要清楚了解所使用的成像式亮色度計具體原理和各個參數(shù)的設(shè)置，只有選取了正確的參數(shù)才可能得到理想的測量。

2）成像式亮色度計的亮度數(shù)值準(zhǔn)確性分析

目前，顯示質(zhì)量測量儀器大多采用點亮度計，而用成像式亮色度計少之甚少，成像式亮色度計只用來進行與均勻性有關(guān)的測量，那么成像式亮色度計測量得出的亮度絕對值是否準(zhǔn)確是個值得思考的問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，成像式亮色度計的計量是以點亮度計作為基準(zhǔn)完成的，因此，只要采用正確的、完備的計量方法可以保證成像式亮色度計的準(zhǔn)確性。下面分析一下計量過程：通常對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)屏中心點，采用標(biāo)準(zhǔn)器，如CS2000作為基準(zhǔn)進行測量，得到標(biāo)準(zhǔn)屏中心點的亮度、色度值，另外，取待計量的成像式亮色度計，在適宜位置測量該標(biāo)準(zhǔn)屏，同樣取中心點亮度、色度值，采用標(biāo)準(zhǔn)器的測量結(jié)果對成像式亮色度計測量結(jié)果進行修正。但是，僅僅校準(zhǔn)中心點位置是不夠的，需要對成像式亮色度計的面進行盡可能多的取點校準(zhǔn)，盡量遍歷面上的典型取點位置，如圖4上選取了多個spot，同時在其測試亮度區(qū)間范圍內(nèi)以一定亮度間隔進行遍歷，例如[0.1，10，100，500，1 000]（單位：cd/m2），得到相應(yīng)的校準(zhǔn)值，對其測量結(jié)果進行修正。另外，首次測量要進行暗場校準(zhǔn)，測量一定時間后需再次進行暗場校準(zhǔn)以降低暗電流對測量結(jié)果的影響。

圖4 成像式亮色度計取點校準(zhǔn)

另外，計量過程中仍然要考慮不同亮度計測量參數(shù)對測量結(jié)果的影響。因此，除了上述工作以外，計量時還要更換不同光圈、曝光時間等設(shè)置獲取其他參數(shù)下的亮度值，并且針對不同光譜曲線特性的被測樣機，應(yīng)獲取各個特性曲線相應(yīng)的校正值[5]?？上攵?，該校準(zhǔn)的工作量是非常巨大的，難以實現(xiàn)，目前中國計量院對成像式亮色度計的計量也僅限于給出中心點一種儀器設(shè)置下的修正值，僅計量中心點的值，使得實際亮度測量的誤差普遍大于2%，尤其LED面板的電視測量誤差大于7%[5]。所以，從理論上說，成像式亮色度計可以通過非常詳細、完備的校準(zhǔn)實現(xiàn)其測量結(jié)果的準(zhǔn)確，但是實際工作中實現(xiàn)困難，這也限制了成像式亮色度計的使用場景，那些測量內(nèi)容是相對值的項目，亮度的誤差均在計量允許范圍內(nèi)，是可以直接使用成像式亮色度計的[6]。其典型應(yīng)用是不嚴(yán)格要求亮度測試絕對值的情況，例如電視發(fā)光面板的均勻性測試等，但需要說明的是該類亮色度計進行色度學(xué)測試時，其測量絕對值是可用的[6]。

3）背景畫面對目標(biāo)測量的影響分析

成像式亮色度計與點亮度計的典型差異之一在于它以面的形式成像，按照理論來說，可以將成像式亮色度計認為是多個點亮度計規(guī)則擺放組成。對于點亮度計，通常采用套筒方式減少周圍雜散光對其測量結(jié)果的影響，那么對于成像式亮色度計是否也存在雜散光對其的影響，需要使用一些遮擋物去減少環(huán)境光的影響？本文通過設(shè)計2個測試環(huán)節(jié)研究了這一問題。

（1）測試一

通過給被測電視機輸入設(shè)計好的測試圖，考查目標(biāo)區(qū)域不變，周圍背景有和沒有物體遮擋兩種情況下成像式亮色度計的表現(xiàn)。測試圖是白底8灰階測試圖（灰階：0、32、64、96、128、192、224、255，背景電平：255）。采用上述測試圖，測試1：測量8灰階的亮度；測試2：在屏幕測量區(qū)域內(nèi)，8灰階外圍背景區(qū)域的左、右、上三面使用遮擋物進行遮擋，光線透過紙張強度減弱，測量此時8灰階亮度，測試結(jié)果見表1。

表1 測量數(shù)據(jù)

由表1可見，對于相同被測目標(biāo)物，進入取景范圍的周圍背景亮度變化，那么相當(dāng)于測試圖也變化了，目標(biāo)物的亮度測量值也是有變化的。為了確保這一結(jié)論無誤，又設(shè)計了另一測試環(huán)節(jié)進行驗證。

（2）測試二

給被測樣機分別輸入9窗口和5窗口測試信號，如圖5所示。

圖5 測試圖

圖5a 測試圖的窗口5、2、6、8、4對應(yīng)圖5b測試圖的窗口0、1、2、3、4、5，9窗口信號相當(dāng)于1、3、7、9黑窗口被白代替，就成為了5窗口信號。使用成像光度色度計進行測試，上述對應(yīng)點的測試結(jié)果數(shù)值對比如表2。

表2 測試數(shù)據(jù)

由表2可知，雖然都是黑窗口，5窗口信號的測試數(shù)據(jù)明顯高于9窗口信號相對應(yīng)的數(shù)值，說明5個窗口測試數(shù)據(jù)受到了周圍的影響。

綜合考慮上面2個測試的測試結(jié)果，分析原因可能如下：第一，目標(biāo)測試點受環(huán)境雜散光影響，該環(huán)境雜散光可能是測試圖上目標(biāo)測試點以外測試圖帶來的。第二，由于成像式亮色度計自動測試時認為所有進入測量畫面的物體都是目標(biāo)物，會根據(jù)所有攝入畫面物體的亮度情況自動調(diào)整測量參數(shù)，因此，只要測量畫面有所不同，即使只是背景變化而目標(biāo)物沒有變化，成像式亮色度計仍然會得出不同測量結(jié)果。所以，當(dāng)使用面亮度計進行測量時，要盡量使目標(biāo)測量物剛好攝入畫面，減少背景。那么此時整個測量畫面都是目標(biāo)區(qū)域，也就沒必要增加遮擋物去減少雜散光的影響，如果增加遮擋物，就相當(dāng)于改變了測試圖，影響測試準(zhǔn)確性，若遮擋物將一些測試點也遮擋了，就不能體現(xiàn)成像式亮色度計一次多點成像的優(yōu)點。所以可以得出結(jié)論，成像式亮色度計不需要類似套筒的遮擋物。

4）均勻性測試分析

通常要求測試在暗室中進行，環(huán)境照度不超過1lm，以保證測量絕對值的準(zhǔn)確性。而既然成像式亮色度計主要用于類似均勻性參數(shù)測量，那么有必要分析環(huán)境光對均勻性測量結(jié)果是否有影響。下面通過以下測試環(huán)節(jié)研究了這一問題，測量評估了實驗室開燈（使用9個CL-200A探頭，測得環(huán)境照度39lm）和暗室情況下的均勻性測試結(jié)果，測試信號：100%全白場，在測量屏幕上均勻選取20個目標(biāo)區(qū)域，得到兩組測量數(shù)據(jù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。

表3 測量數(shù)據(jù)

由上述結(jié)果，可以看出：（1）被測設(shè)備的亮度越大，受環(huán)境光的影響越??；（2）均勻性測試采用的是100%白場信號，由上面數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差非常接近，說明環(huán)境光對均勻性測量影響很小，可以忽略不計。因此可以得出結(jié)論，使用成像式亮色度計測量時如果無法嚴(yán)格滿足對暗室的環(huán)境光要求，那么對于亮度值較高情況，測試也是可以進行的。

5）莫爾效應(yīng)的影響

平板電視的屏幕是由一個個像素單元構(gòu)成的發(fā)光面，通過光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD面陣上容易與面陣像元產(chǎn)生莫爾效應(yīng)從而影響測量，這要求面陣空間頻率（像素數(shù)）要遠大于待測屏幕區(qū)域的空間頻率（像素數(shù)）。為降低莫爾效應(yīng)發(fā)生的幾率，一般地在CCD面陣前安裝有低通濾鏡以降低成像的空間頻率[3]。在實際測量時，要注意避免莫爾效應(yīng)的發(fā)生，通過旋轉(zhuǎn)屏幕或亮度計、改變焦距等方式減輕或消除莫爾效應(yīng)。

6）需要進一步解決的問題

在SJ/T11348—2006《數(shù)字電視平板顯示器測量方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，測量距離應(yīng)為顯示器屏幕高度的3倍（HDTV）或4倍（SDTV）；同樣地，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《立體電視圖像質(zhì)量測量方法》中提到的對于相機式亮度計放置位置為屏幕高度的3倍距離，同時要求能夠攝取全屏畫面內(nèi)容。這要求成像式亮度計視角要在33°以上（相當(dāng)于60mm鏡頭全畫幅），因此需要根據(jù)CCD面陣尺寸選取合適的鏡頭。一般的成像式亮度計CCD面陣尺寸較小，鏡頭焦距也要相應(yīng)減小，對于短焦鏡頭其光學(xué)畸變較大，會造成測量數(shù)據(jù)較大誤差。因此，采用成像式亮度計進行測量時，可否根據(jù)其最佳視角改變放置位置，需要進行探討。從理論上來說，在設(shè)置正確情況下，測量值與測量距離無關(guān)，那么需要分析不同測量距離對測試結(jié)果的影響，以及采用成像式亮色度計測量時與點亮度計測量結(jié)果橫向比較是否可用，這是需要進一步通過實驗驗證解決的問題。

3 結(jié)論

通過上述理論分析及實驗，可以看出成像式亮色度計能夠大幅提高測試效率，但為保證測量準(zhǔn)確性，有些環(huán)節(jié)需要高度重視。第一，重視該類儀器的計量方法；第二，測試過程中要保證正確的曝光量、曝光時間等設(shè)置；第三，分析測試需求，在符合成像式亮色度計測量特性的測試中采用該類設(shè)備。

[1] 電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[EB/OL].[2014-02-20].http://www.gov.cn/gzdt/att/att/site1/20120224/782bcb888d4910b13de50 1.doc.

[2] 立體電視圖像質(zhì)量測量方法[EB/OL].[2014-02-20].http://wenku.baidu.com/link?url=QClwaDxU5ls9MGhmMg4D_nzv07LKRIXLdN EdNqaX-MgQLWBa8LUXYxT-vLeAKPKRe1AjzUHbRrCAHfyhC ImSxw3Tp73KKRDE5Q_3yNEnuom.

[3] 周鋼，馬鵷鶵，牟同升.數(shù)碼成像法測量面發(fā)光體亮度[J].光學(xué)儀器，2006，28（3）：12-16.

[4] 魏建中，王仲春，蘇學(xué)剛，等.CCD成像型寬量程亮度計系統(tǒng)研究[J].光學(xué)技術(shù)，1999（1）：88-91.

[5] 李默.不同光譜特性的電視機在光學(xué)測量中的校準(zhǔn) [J].電視技術(shù)，2011，35，（22）：87-91.

[6] 李默.積分式與分光式測光測色儀器的計量校正[J].電視技術(shù)，2012，36（4）：71-77.