成像式亮色度计测量特性分析

温 娜，武晓光，李 默，李 强，潘 榕，谢于迪，徐 晖，樊晓婷

（1.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京100015；2.北京牡丹视源电子有限责任公司，北京100191）

作为数字家庭的重要终端，数字电视具有其他互联终端所不具备的优势，人们可以通过它最终获得高品质的视听享受，电视成为数字家庭多种设备融合的核心，其相关技术近几年得到迅猛发展，LED、超高清、3D、OLED等概念层出不穷。其中，3D技术给人们带来身临其境的临场感，正由影院走进家庭。2010年，被业内称为“3D”元年，在这一年，相关研究和产品爆发式发展，随后几年，受制于3D技术的诸多瓶颈，如观看舒适度差、片源匮乏等问题，3D电视技术热度下降，但是其功能逐渐成为了一种电视标配。在2012年2月工信部发布的《电子信息制造业“十二五”发展规划》以及子规划《数字电视与数字家庭产业“十二五”规划》[1]中明确指出，十二五数字电视和数字家庭产业发展重点之一是推进三维电视、智能电视嵌入式软件系统、超高清电视系统的研发与应用。同时，相关技术标准也在制定当中。

电视企业尤为关注的是行业标准《立体电视图像质量测量方法》[2]，标准规定了需要佩戴立体眼镜作为辅助设备的立体电视立体图像质量的测量条件和测量方法。与传统二维显示相比，立体电视的测量技术也有很大不同，测试工作量成倍增长。为了提高测试效率，该标准提出除采用普通点亮色度计外，增加了相机式亮色度计的可选方式进行测量。相机式亮色度计即成像式亮色度计，是以CCD摄像为基础的高精度亮度计，可以得到亮度和色度的空间分布，广泛应用于光源、显示器和材料散射测量。由于与传统点亮色度计相比，成像式亮色度计的光学测量原理、使用特性、测量结果分析有很大不同，因此其相关特性是数字电视检测领域需要研究的问题。本文首先讨论了该类亮色度计的测量原理，测量系统的搭建，然后通过设计测试实验环节，研究了成像式亮色度计的使用特性，最后进行了总结。

1 成像式亮色度计测量原理

成像式亮色度计是一种基于成像原理来进行测光和测色的计量仪器，基本结构是由视觉（或色觉）匹配的探测器、光学系统以及与亮度（或三刺激值）成比例的信号输出处理系统所组成。其测量原理如图1所示。

图1 成像式亮色度计测量原理示意图

式中：τ为光学系统的透射比；n′和n为像方和物方的折射率，通常n′≈ n≈ 1。则上式简化为L′=τL。可以通过测量成像面上的亮度来测量发光体的亮度。

实际测量时探测器测量的是像方照度值，利用光度学和几何光学可以导出成像面照度为

式中：E为成像面上的照度；L为发光面亮度；τ为光学系统透射比；f为光学系统焦距；l为测量距离；fm=f/D，D为光学系统孔径。当l≫f时，上式可简化为E=KL，其中K=πτ/，此为成像式亮色度计的基本计算公式[4]。

传统点式亮度计采用硅光电二极管或光电倍增管作为光电接收探测器，仅有一个测量单元，只能逐点成像测量。而CCD面成像式亮色度计采用面阵CCD作为光电接收单元，其每一个CCD像素都可以看作一个独立的检测器，能够瞬间将整个测量面成像在这些众多的检测器上，因此对于多点测量节省了测量时间，并且由于CCD面阵密度较高，能够同时获得更多的数据。CCD面阵可以看做是X×Y个点式亮度计的组合，其中X、Y分别对应于CCD面阵水平和垂直像元数。根据几何光学原理可以导出成像面亮度分布，亮度对于理想光学系统，均匀光源在成像面（CCD面阵）上的照度分布以入射角ω余弦的4次方衰减E′=KE cos4ω，其中K为斜光束的通光面积与轴向光束的通光面积之比。成像原理光学示意图如图2所示。

图2 成像原理光学示意图

对于一个实际系统而言，其成像面上的照度分布还受到成像系统吸收以及渐晕，内在反射、散射光，光学像差等影响，在仪器使用与校准时需要注意。

2 成像式亮色度计的测量特性分析

成像式亮色度计测量系统与点亮度计测量系统类似，如图3所示。

1）测量参数设置对测量结果的影响

Sarcevic用概念分析法探讨了mortgage和hypothèque的关系。虽然两者都体现的是法律上的债务担保,但外延含义有所差别。Hypothèque的担保没有转移财产的所有权,而mortgage表达的是需要转移所有权。因此,二者在法律功能或法律效力上并不完全对等[5]186。

在使用CCD面亮度计对平板电视进行测量时，需要针对两者特点设定测量方式与设置，如设置不当有可能造成测量数据的较大误差。（1）CCD成像亮色度计采用累计曝光法来获得像元的亮度，由器件像元信号输出方式决定了在一定的曝光时间内，CCD的动态范围比较小，线性度要比传统点式亮度计差，因此对于不同的亮度范围需要采用不同的曝光值。（2）由于CCD面阵像元存在差异，需要采用多像元亮度定标方法进行标定。（3）由光学系统的眩光等效应引起测量面内各像点相互影响。若视场内存在高亮区域，这些区域的光线被光学系统散射到较暗区域，从而造成测量误差。高亮区域越多，面积越大，其造成的影响也越大。

图3 成像式亮色度计测量系统示意图

在实际测试过程中发现，不同测量参数设置对测量结果有很大影响，也验证了上述理论。例如，光圈设置、曝光次数、平均次数等，因此，为了获得尽量满意的测量结果，需要清楚了解所使用的成像式亮色度计具体原理和各个参数的设置，只有选取了正确的参数才可能得到理想的测量。

2）成像式亮色度计的亮度数值准确性分析

目前，显示质量测量仪器大多采用点亮度计，而用成像式亮色度计少之甚少，成像式亮色度计只用来进行与均匀性有关的测量，那么成像式亮色度计测量得出的亮度绝对值是否准确是个值得思考的问题。通过分析发现，成像式亮色度计的计量是以点亮度计作为基准完成的，因此，只要采用正确的、完备的计量方法可以保证成像式亮色度计的准确性。下面分析一下计量过程：通常对准标准屏中心点，采用标准器，如CS2000作为基准进行测量，得到标准屏中心点的亮度、色度值，另外，取待计量的成像式亮色度计，在适宜位置测量该标准屏，同样取中心点亮度、色度值，采用标准器的测量结果对成像式亮色度计测量结果进行修正。但是，仅仅校准中心点位置是不够的，需要对成像式亮色度计的面进行尽可能多的取点校准，尽量遍历面上的典型取点位置，如图4上选取了多个spot，同时在其测试亮度区间范围内以一定亮度间隔进行遍历，例如[0.1，10，100，500，1 000]（单位：cd/m2），得到相应的校准值，对其测量结果进行修正。另外，首次测量要进行暗场校准，测量一定时间后需再次进行暗场校准以降低暗电流对测量结果的影响。

图4 成像式亮色度计取点校准

另外，计量过程中仍然要考虑不同亮度计测量参数对测量结果的影响。因此，除了上述工作以外，计量时还要更换不同光圈、曝光时间等设置获取其他参数下的亮度值，并且针对不同光谱曲线特性的被测样机，应获取各个特性曲线相应的校正值[5]。可想而知，该校准的工作量是非常巨大的，难以实现，目前中国计量院对成像式亮色度计的计量也仅限于给出中心点一种仪器设置下的修正值，仅计量中心点的值，使得实际亮度测量的误差普遍大于2%，尤其LED面板的电视测量误差大于7%[5]。所以，从理论上说，成像式亮色度计可以通过非常详细、完备的校准实现其测量结果的准确，但是实际工作中实现困难，这也限制了成像式亮色度计的使用场景，那些测量内容是相对值的项目，亮度的误差均在计量允许范围内，是可以直接使用成像式亮色度计的[6]。其典型应用是不严格要求亮度测试绝对值的情况，例如电视发光面板的均匀性测试等，但需要说明的是该类亮色度计进行色度学测试时，其测量绝对值是可用的[6]。

3）背景画面对目标测量的影响分析

成像式亮色度计与点亮度计的典型差异之一在于它以面的形式成像，按照理论来说，可以将成像式亮色度计认为是多个点亮度计规则摆放组成。对于点亮度计，通常采用套筒方式减少周围杂散光对其测量结果的影响，那么对于成像式亮色度计是否也存在杂散光对其的影响，需要使用一些遮挡物去减少环境光的影响？本文通过设计2个测试环节研究了这一问题。

（1）测试一

通过给被测电视机输入设计好的测试图，考查目标区域不变，周围背景有和没有物体遮挡两种情况下成像式亮色度计的表现。测试图是白底8灰阶测试图（灰阶：0、32、64、96、128、192、224、255，背景电平：255）。采用上述测试图，测试1：测量8灰阶的亮度；测试2：在屏幕测量区域内，8灰阶外围背景区域的左、右、上三面使用遮挡物进行遮挡，光线透过纸张强度减弱，测量此时8灰阶亮度，测试结果见表1。

表1 测量数据

由表1可见，对于相同被测目标物，进入取景范围的周围背景亮度变化，那么相当于测试图也变化了，目标物的亮度测量值也是有变化的。为了确保这一结论无误，又设计了另一测试环节进行验证。

（2）测试二

给被测样机分别输入9窗口和5窗口测试信号，如图5所示。

图5 测试图

图5a 测试图的窗口5、2、6、8、4对应图5b测试图的窗口0、1、2、3、4、5，9窗口信号相当于1、3、7、9黑窗口被白代替，就成为了5窗口信号。使用成像光度色度计进行测试，上述对应点的测试结果数值对比如表2。

表2 测试数据

由表2可知，虽然都是黑窗口，5窗口信号的测试数据明显高于9窗口信号相对应的数值，说明5个窗口测试数据受到了周围的影响。

综合考虑上面2个测试的测试结果，分析原因可能如下：第一，目标测试点受环境杂散光影响，该环境杂散光可能是测试图上目标测试点以外测试图带来的。第二，由于成像式亮色度计自动测试时认为所有进入测量画面的物体都是目标物，会根据所有摄入画面物体的亮度情况自动调整测量参数，因此，只要测量画面有所不同，即使只是背景变化而目标物没有变化，成像式亮色度计仍然会得出不同测量结果。所以，当使用面亮度计进行测量时，要尽量使目标测量物刚好摄入画面，减少背景。那么此时整个测量画面都是目标区域，也就没必要增加遮挡物去减少杂散光的影响，如果增加遮挡物，就相当于改变了测试图，影响测试准确性，若遮挡物将一些测试点也遮挡了，就不能体现成像式亮色度计一次多点成像的优点。所以可以得出结论，成像式亮色度计不需要类似套筒的遮挡物。

4）均匀性测试分析

通常要求测试在暗室中进行，环境照度不超过1lm，以保证测量绝对值的准确性。而既然成像式亮色度计主要用于类似均匀性参数测量，那么有必要分析环境光对均匀性测量结果是否有影响。下面通过以下测试环节研究了这一问题，测量评估了实验室开灯（使用9个CL-200A探头，测得环境照度39lm）和暗室情况下的均匀性测试结果，测试信号：100%全白场，在测量屏幕上均匀选取20个目标区域，得到两组测量数据的平均值与标准差如表3所示。

表3 测量数据

由上述结果，可以看出：（1）被测设备的亮度越大，受环境光的影响越小；（2）均匀性测试采用的是100%白场信号，由上面数据标准差非常接近，说明环境光对均匀性测量影响很小，可以忽略不计。因此可以得出结论，使用成像式亮色度计测量时如果无法严格满足对暗室的环境光要求，那么对于亮度值较高情况，测试也是可以进行的。

5）莫尔效应的影响

平板电视的屏幕是由一个个像素单元构成的发光面，通过光学系统成像在CCD面阵上容易与面阵像元产生莫尔效应从而影响测量，这要求面阵空间频率（像素数）要远大于待测屏幕区域的空间频率（像素数）。为降低莫尔效应发生的几率，一般地在CCD面阵前安装有低通滤镜以降低成像的空间频率[3]。在实际测量时，要注意避免莫尔效应的发生，通过旋转屏幕或亮度计、改变焦距等方式减轻或消除莫尔效应。

6）需要进一步解决的问题

在SJ/T11348—2006《数字电视平板显示器测量方法》标准中规定，测量距离应为显示器屏幕高度的3倍（HDTV）或4倍（SDTV）；同样地，在行业标准《立体电视图像质量测量方法》中提到的对于相机式亮度计放置位置为屏幕高度的3倍距离，同时要求能够摄取全屏画面内容。这要求成像式亮度计视角要在33°以上（相当于60mm镜头全画幅），因此需要根据CCD面阵尺寸选取合适的镜头。一般的成像式亮度计CCD面阵尺寸较小，镜头焦距也要相应减小，对于短焦镜头其光学畸变较大，会造成测量数据较大误差。因此，采用成像式亮度计进行测量时，可否根据其最佳视角改变放置位置，需要进行探讨。从理论上来说，在设置正确情况下，测量值与测量距离无关，那么需要分析不同测量距离对测试结果的影响，以及采用成像式亮色度计测量时与点亮度计测量结果横向比较是否可用，这是需要进一步通过实验验证解决的问题。

3 结论

通过上述理论分析及实验，可以看出成像式亮色度计能够大幅提高测试效率，但为保证测量准确性，有些环节需要高度重视。第一，重视该类仪器的计量方法；第二，测试过程中要保证正确的曝光量、曝光时间等设置；第三，分析测试需求，在符合成像式亮色度计测量特性的测试中采用该类设备。

[1] 电子信息制造业“十二五”发展规划[EB/OL].[2014-02-20].http://www.gov.cn/gzdt/att/att/site1/20120224/782bcb888d4910b13de50 1.doc.

[2] 立体电视图像质量测量方法[EB/OL].[2014-02-20].http://wenku.baidu.com/link?url=QClwaDxU5ls9MGhmMg4D_nzv07LKRIXLdN EdNqaX-MgQLWBa8LUXYxT-vLeAKPKRe1AjzUHbRrCAHfyhC ImSxw3Tp73KKRDE5Q_3yNEnuom.

[3] 周钢，马鵷鶵，牟同升.数码成像法测量面发光体亮度[J].光学仪器，2006，28（3）：12-16.

[4] 魏建中，王仲春，苏学刚，等.CCD成像型宽量程亮度计系统研究[J].光学技术，1999（1）：88-91.

[5] 李默.不同光谱特性的电视机在光学测量中的校准 [J].电视技术，2011，35，（22）：87-91.

[6] 李默.积分式与分光式测光测色仪器的计量校正[J].电视技术，2012，36（4）：71-77.