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(jí)聯(lián)光學(xué)傳遞函數(shù)理論，通過CCD相機(jī)拍攝視頻眼鏡顯示的ISO12233分辨率測(cè)試圖像卡，運(yùn)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(duì)Google Glass，Epson BT200，Optinvent ORA1，奧圖科技Cool Glass One以及Raypai的幾種視頻眼鏡進(jìn)行了測(cè)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(jìn)行比較。MTF結(jié)果與實(shí)際視覺觀測(cè)結(jié)果基本相符，表明這種測(cè)試方法與Imatest軟件分析計(jì)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(hào)： TN 29文獻(xiàn)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(shí)和現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)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(zhǎng)足的進(jìn)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(hào)，包括手機(jī)、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)等多媒體設(shè)備輸出的視頻信號(hào)，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(gè)固定的距離內(nèi)變化，從尺寸上看，相當(dāng)于一個(gè)大屏幕電視，使用戶完全沉浸在播放的圖像中，不會(huì)受到任何外部光線的干擾[12]。

盡管視頻眼鏡有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但從顯示效果看，生動(dòng)逼真的色彩、高對(duì)比度、高分辨率的快速畫面遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到用戶期望的舒適、震撼的效果，因而視頻眼鏡在消費(fèi)市場(chǎng)還難以打開銷路。因此，檢測(cè)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(cè)試都比較困難，對(duì)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(jī)發(fā)光二極管。

當(dāng)各種視頻信號(hào)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(shí)，視頻圖像的質(zhì)量分析還可以進(jìn)一步用來評(píng)價(jià)視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

對(duì)于圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)有兩種途徑，主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)方法是以人的視覺效果作為評(píng)判準(zhǔn)則，由觀察者對(duì)圖像質(zhì)量提出判斷；客觀評(píng)價(jià)方法是指用可定量分析的數(shù)學(xué)模型表達(dá)人對(duì)圖像的主觀感受。主觀評(píng)價(jià)方法需要對(duì)圖像判讀人員進(jìn)行專門的訓(xùn)練，評(píng)價(jià)過程費(fèi)時(shí)耗力，經(jīng)濟(jì)性差[89]。客觀評(píng)價(jià)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(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果與人的主觀感受不一致。

目前，伴隨高分辨率相機(jī)的迅速發(fā)展和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）計(jì)算工具的進(jìn)一步完善，Imatest軟件已成為一個(gè)專門用于數(shù)碼相機(jī)圖像數(shù)據(jù)測(cè)試的重要工具。這個(gè)軟件被廣泛地用來測(cè)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(rèn)為是較為有效的一種成像分析軟件。該軟件在進(jìn)行鏡頭分辨率分析測(cè)試時(shí)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(shì)是其他傳統(tǒng)像質(zhì)檢測(cè)方法所不具備的。調(diào)制傳遞函數(shù)是目前對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)最有效、最全面、最客觀的方式，描述了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)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(xì)節(jié)信息[1011]。

既然Imatest軟件在進(jìn)行鏡頭分辨率分析測(cè)試時(shí)用光學(xué)傳遞函數(shù)法來描述，依據(jù)級(jí)聯(lián)（或復(fù)合）傳遞函數(shù)的概念，如果用照相機(jī)拍攝視頻眼鏡顯示的ISO12233分辨率測(cè)試卡，就可以將相機(jī)鏡頭與視頻眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)看作兩個(gè)線性系統(tǒng)的疊加，即級(jí)聯(lián)（或復(fù)合）光學(xué)系統(tǒng)。如果將視頻眼鏡與相機(jī)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(jìn)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(jī)拍攝視頻眼鏡所顯示的ISO12233分辨率測(cè)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(cè)系統(tǒng) MTF曲線進(jìn)而分析視頻眼鏡的圖像分辨率、清晰度等參數(shù)。

2MTF的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與光路調(diào)整

實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備有CCD工業(yè)照相機(jī)（機(jī)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(cè)試卡等，使用HeNe激光調(diào)整光路[17]，使相機(jī)、視頻眼鏡的光學(xué)輸出面、測(cè)試相機(jī)的ISO12233分辨率測(cè)試卡靶板以及在3 m遠(yuǎn)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(cè)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(jī)對(duì)ISO12233分辨率測(cè)試卡進(jìn)行拍攝，用Imatest軟件分析，得出相機(jī)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(duì)分辨率測(cè)試卡圖像的中央及四個(gè)角的各種水平、垂直方向的MTF值都用Imatest軟件進(jìn)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(jī)鏡頭與視頻眼鏡光學(xué)系統(tǒng)組合的MTF （M0）值時(shí)同樣僅給出了水平方向的MTF曲線圖[1819]。

將ISO12233分辨率測(cè)試卡的圖像輸入視頻眼鏡中，通過視頻眼鏡可以在遠(yuǎn)處顯示出ISO12233測(cè)試卡的放大虛像圖，將CCD相機(jī)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(cè)試卡的虛像圖。用Imatest軟件進(jìn)行分析，獲得一組MTF分布曲線，這是照相機(jī)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(duì)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(jìn)行拍攝并用Imatest軟件進(jìn)行分析。分別得到CCD相機(jī)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(cè)出相機(jī)鏡頭的MTF值（M2）、相機(jī)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(jí)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(duì)應(yīng)的分辨率是不同的。為了進(jìn)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(shí)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(shí)，Raypai波導(dǎo)2的分辨率都是最高的。同時(shí)還給出了同一分辨率值時(shí)對(duì)應(yīng)的不同M1值，即分辨率為0.15 cycle/pixel和0.25 cycle/pixel時(shí)對(duì)應(yīng)的M1值，如表2所示。另外，計(jì)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(gè)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(jī)對(duì)ISO12233分辨率測(cè)試卡拍攝圖像，再用Imatest軟件分析，獲得相機(jī)鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，該曲線與文獻(xiàn)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(gè)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(shí)所對(duì)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?yàn)镚oogle 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(shí)可判斷視頻眼鏡的對(duì)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(duì)物體細(xì)節(jié)的傳遞性能，所以實(shí)際佩戴時(shí)會(huì)認(rèn)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(xiàng)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(shí)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(cè)試卡分別輸入每副不同的視頻眼鏡中，用CCD相機(jī)拍攝視頻眼鏡輸出的ISO12233分辨率測(cè)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(píng)價(jià)，還可以通過組合的方式間接檢測(cè)其中某一獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

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

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（編輯：張磊）