杨林，杨宇，苑晓歌，杨盈昀

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

1 引言

随着用户对观看体验的要求提升，Virtual Reality技术应运而生，VR技术不仅能够使用户在观看视频时更加具有沉浸感，而且还能提供人机交互。其中VR头戴显示设备显示屏的显示效果会对用户的体验造成重要影响，因此，参照高清电视监视器的测试指标，本文研究了VR眼镜的测试指标，使用新的测试方法及评价标准对VR眼镜显示屏进行的测试。

高清监视器的评价体系主要有EBU-TECH3320[1]、ITU-R BT.2129[2]，主要指标为黑电平亮度、全屏对比度、同时对比度、亮度均匀性、基准白、基色色度坐标、白场色度不均匀性、白平衡误差、图像清晰度、灰度等级、GAMMA、(运动图像)拖尾时间、像素缺陷、可视角、响应时间等等。

目前市场上还没有统一的VR头戴显示设备显示屏质量评价方法，在制定方案之前首先要对VR设备有一定的了解。

VR眼镜分为三类：外接式、一体式、插入式。其中外接式内置显示屏，连接PC使用；一体式内置显示屏及处理器，可独立使用；插入式无内置显示屏，需搭配手机使用。

根据VR头戴显示设备显示器的工作原理可知，因为VR头盔显示器因为需要体积小，重量轻，便于头戴，所以无法使用相对笨重并且体积较大的CRT显示器，而OLED显示器还在进一步研发中，技术没有那么成熟，所以目前市面上的VR头戴式显示设备显示器基本上全部使用LCD显示器。因此，在建立适用于VR头戴式显示设备显示器的质量评价方法时，可以参考高清晰度电视监视器的质量评价方法。不过，在制定测试指标和测试方法时，VR头戴式显示设备显示器与高清晰度电视监视器的区别是要认真分析的。

2 VR头戴式显示设备显示器特点

VR头戴式显示设备显示器有诸多不同于高清晰度电视监视器的特点，比如：[3]

2.1 显示器尺寸

根据T/IVRA 0001-2017[4]，VR头戴式显示设备尺寸应在215mm*160mm*125mm左右，说明其显示器尺寸应小于215mm*160mm。对比之下，高清晰度电视监视器的尺寸则远大于VR显示器。显示器尺寸会影响测试点的选择。

2.2 成像特点

VR头戴式显示器的工作原理是通过透镜等光学设备，将显示器上呈现的实像进行放大，成为远处的虚像，从而达到全像视觉的效果。而高清电视监视器直接显示实像。

2.3 视场角

视场角指头戴式显示设备所形成虚像的边缘与人眼连线的夹角，为了呈现虚拟现实效果，VR显示设备的视场角一级容限为大于等于100°，二级容限为大于等于80°。而高清监视器的视场角则远小于这一标准，为30°。

2.4 观看距离

根据T/IVRA 0001-2017，VR头戴式显示设备观看时，人眼与镜片的距离应大于等于10mm。而人眼到设备所成虚像距离应大于等于0.3m。而高清监视器则为三倍画面高度。

2.5 畸变

VR头戴式显示设备为了要呈现全像视觉效果，需通过类凸透镜对显示器上的实像进行折射，这会导致图像在观测时会出现由光学系统引起的二维平面转化为三维空间的畸变。而高清晰度监视器则是二维平面的显示系统，不会产生这种畸变。

2.6 输入信号

VR头戴式显示设备的输入信号主要分为两种，一种是外接式和一体式设备的通过USB传输的电脑信号，一种是插入式设备的手机存储的视频文件。而高清晰度电视监视器则是数字分量信号、HDMI等基带信号。

2.7 图像色散

通过头戴式显示设备光学系统观察图像元产生的图像时，产生的不同颜色分离及色彩失真情况被称为图像色散。因为VR头戴式显示设备的光学系统，其呈现出的虚像图像会有色散情况出现。而高清晰度电视监视器因为没有类凸透镜的光学系统，不会出现类似的色散情况。

2.8 固有分解力

高清显示屏的固有分解力为1920*1080，而对于VR头戴式显示设备来说，其固有分解力则因为其种类的不同而有所区别。外接式和一体式设备大多为3840*2160分辨率，但这也是厂商标明的最大输入视频及图片的分辨率，实际测量会因分为左右两屏而有所出入。第三种插入式显示设备则需根据插入手机的屏幕分辨率，以及适配显示设备的软件不同而又有所区别。

基于上述特点，VR头戴式显示设备显示器质量测评方法不能按照高清电视监视器照搬，我们需要针对VR眼镜显示屏的特点制定专门的质量评价方法。经过分析与测量实验，针对VR头戴显示设备显示屏质量的测试最终分为以下几个方面：峰值亮度范围、黑电平亮度、白场亮度、顺序对比度、白场亮度不均匀性、基准白色温、基色色度坐标、Gamma曲线、白平衡误差、色阶重现、Mura、杂散光、辉光。

3 测试环境与工具

我们对市面上常见VR眼镜：3Glasses、Oculus、idealens 、Pico neo、亿镜、小米、三星、Gear、HTC、暴风魔镜进行了测试，测量信号格式：7680x4320/3840x2160；测试的VR眼镜涵盖了第二节所介绍了全部类别。不同种类的VR眼镜，其屏幕分辨率不同；而且有的VR眼镜支持图片播放，有的仅支持视频播放；有的VR眼镜为全景图片或视频，而有的则只能在一个相对小的范围内，类似于镜框一样，播放图片或者视频，因此在测量方法上会有所不同。

测量环境选在暗室，并使用黑色遮光布遮挡，使环境照度低于1Lx。VR显示屏的测量点取左右屏幕的正中央，测量时紧邻VR左右镜片垂直测量。测量仪器选用亮度计/色度计：SpectraScan 655。

4 VR显示屏主要的测试指标及其检测方法

4.1 峰值亮度范围

峰值亮度范围是指正常工作时显示屏所能达到的最大亮度的范围。

根据ITU-R BT.814[5]，高清监视器峰值亮度范围的测量有一个前提，需要用PLUGE信号(如图1)对高清显视器的“亮度”和“对比度”进行显示状态调整。输入PLUGE信号，在保证屏幕上低于黑电平约2%的水平条刚好消失，而高于黑电平约2%的水平条仍然可见的前提下，将监视器的亮度调整到最低。输入白场信号，测量屏幕中心点的峰值白亮度，即为峰值亮度的可调下限；在相同前提下将监视器的亮度调整到最高，得到峰值亮度的可调上限。

因VR显示屏无法显示-2%的电平，因此，峰值亮度范围可调下限和上限是分别采用该VR屏幕可调节的最低亮度和最高亮度表示。即输入白场信号(如图2)，调整亮度到可达的上限及下限，测量VR测量点的亮度，以此时的测量数据为峰值亮度范围。

图1 ITU-R BT.814中的原PLUGE信号

图2 最终测试使用的白场信号

4.2 黑电平亮度

黑电平对应于最小图像亮度的极限信号电平。黑电平不同的显示设备显示同一图像的整体亮暗程度也不同。

在4.1节中已说明对于VR显示屏无法满足高清显示屏的测量前提，因此VR显示屏指标的测量前提是将VR显示屏的“亮度”和“对比度”恢复为默认设置(下文中VR显示屏所有指标的测量均默认满足此设定)，输入黑场信号，并使用亮度计测量VR设备测量点的亮度。

4.3 白场亮度

白电平对应于最大图像亮度的极限信号电平。

输入白场信号，使用亮度计测量VR设备测量点的亮度。

4.4 顺序对比度

顺序对比度是显示器先后显示标准白窗口图像和黑场图像时所呈现的最大亮度与最小亮度之比，又称全屏对比度。

以4.2中测得的黑场亮度为，4.3中测得的白场亮度为，根据GY/T 284-2014由公式(1)计算顺序对比度：

(1)

4.5 白场亮度不均匀性

白场亮度不均性是指当输入白场信号的时候显示屏是否能够显示均匀的白色。对于高清电视监视器，白场的亮度不均匀性是指同一屏幕不同区域的亮度不均匀性。但由于VR眼镜镜片面积过小，难以测量VR眼镜同一屏幕不同位置的亮度，因此，此亮度不均匀性指VR头戴式显示设备左右屏幕的亮度不均匀性。测量方法是输入白场信号，测量左右屏幕正中央的亮度，以左右屏幕中亮度较大的为lmax，较小的为lmin，使用公式(2)计算白场亮度不均匀性：

(2)

4.6 基准白色温

基准白色温是测量显示屏显示的白色是否为基准白。

VR显示屏基准白色温的测量方法是输入白场信号，用测量仪器分别测量左屏幕和右屏幕正中央的色度坐标(x，y)，并据此求出在ISO 11664-2-2011[6]中 CIE1976色度图的坐标(u′，v′)，计算方法见公式(3)、(4)

(3)

(4)

表1是在EBU Tech 3320中使用D65白作为基准白下，一到三级容限范围。但是在实际测试中发现有的VR眼镜对于D65白基准白及其容限范围的偏移过大，我们有理由相信这些VR眼镜使用的基准白并非D65白。

表1 基准白色温相关指标的参数值

4.7 基色色度坐标

基色色度坐标反映了显示屏的色彩还原度。

VR显示屏基色色度坐标的测量通过依次输入并显示红场、绿场、蓝场的基色测试图，测量左屏幕和右屏幕的正中央位置的色度坐标值(x，y)并根据式(3)(4)得到(u′，v′)。红场图片即为RGB为(255，0，0)的单一颜色图片，绿场蓝场同理。据三基色色度坐标可得到如图3所示色度：

图3 实测基色色度图示例

4.8 电光转换特性(Gamma)

Gamma值反映了显示屏的电光转换特性。

VR显示屏Gamma特性的测量是通过依次输入灰窗信号图的灰阶1到灰阶19(亮度值依次为0、6、22、37、52……233、249、255)，测量左右屏幕在测量点的亮度取其均值记为LN，由公式(5)计算Gamma值，并画出Gamma曲线，结果如图4所示。

(5)

其中，YIN为输入信号电平LMAX，是输入信号电平为255时的亮度，LMIN是输入信号电平为0时的亮度。

根据GY/T 284-2014，Gamma应满足输入信号电平从10%到90%，Gamma测量值与理想值2.2的差异在±0.15之内，并保持单调变化。

图4 实测Gamma曲线

4.9 白平衡误差

白平衡误差是显示屏显示不同亮度的灰度信号时，各灰度信号的色度坐标与基准白色度坐标的偏离程度，又称灰度等级色度重现。VR显示屏白平衡误差的测量是通过输入1到19阶各灰场信号图，测量左屏幕和右屏幕的正中央位置的色度坐标值(x，y)，根据式(3)(4)得到(u′，v′)。

表2 白平衡误差指标的参数1

表3 白平衡误差指标的参数2

表2、表3是在ITU-R BT.2129 与EBU Tech3320中白平衡误差标准以及容限范围。

4.10 色阶重现

色阶重现是为了测试显示屏重现图像的色彩丰满度和精细度。

VR显示屏色阶重现特性的测量是通过输入图5所示色阶信号(画面中从上到下分布有红、绿、蓝三排基色阶梯信号，每排阶梯信号有8个阶梯，左侧四个阶梯的基色电平约为0%、5%、10%、15%，右侧四个阶梯的基色电平约为85%、90%、95%、100%)测试结果是以各基色阶梯信号能否被清晰分辨来表示。

图5 基色阶梯信号

4.11 Mura、杂散光、辉光

Mura是指指显示器亮度不均匀的现象，测试方法是通过输入三基色及灰场信号观察是否出现显示不均匀的现象(灰场信号为8bit量化信号电平为128的灰场图像)。

杂散光是指表面反射的可见的光，是不需要的辉光是图像中光的条纹，它是不应该存在的。在VR眼镜中，它表现为从明亮的文字发出的光。

对于杂散光和辉光的测试是通过输入黑背景白字图如图 6，目测检查。

图6 黑背景白字图片

4.12 画面拖尾

画面拖尾是指在在相对静止的背景上，运动图像在其后面留下残影的现象，反映了显示屏液晶材料偏转响应时间，反应时间过长就会造成画面拖尾。

VR显示屏拖尾的测量时通过输入拖尾视频，截图如图 7；图中第二、五行白方块的右角与其他行的白色方块左角错开了若干像素。0号位置错开0像素，2号位置错开2像素，4号位置错开4像素……以此类推。拖尾序列的移动速度为900像素/秒。

画面拖尾情况通过拖尾时长反映，拖尾时长是拖尾像素数与序列的移动速度的乘积，拖尾像素数是寻找原本错开位置的方块因为拖尾彼此相连的最大位置序号。拖尾时长为拖尾像素数与移动速度相乘。

注：该序列的移动速度计算方法为：v=(序列起始位置-序列结束位置)/运动时间。

图7 拖尾视频截图

5 结论

对VR头戴式设备进行屏幕质量测量，对测量设备的精度要求更高。毕竟，头戴设备遮光性更好，黑场亮度特别低，本实验使用的亮度计最低可保证3.4至102800cd/m2亮度的高精度测量。然而被测设备在播放黑场图像时其显示屏亮度却低于3.4cd/m2，因此亮度计此时的测量精度较差，测量结果会有较大误差。用此测量值计算出的结果也会受到影响，比如上文中的顺序对比度、白场亮度不均匀性。从这次测评的结果来看，没有在各方面都突出的VR眼镜。但是，总体而言，HTC、3Glasses、Oculus、亿镜都在某些方面表现出色。

总体而言，每款眼镜都会有自己的优势与弱势，但是经过比较，HTC、3Glasses、Oculus 以及亿镜更具竞争力。他们在亮度的范围上提供了更大的选择空间，同时，他们对色温以及颜色的还原度也比较优秀，在光电转换特性上也与理想曲线较为一致。在保障画质的重现分解力方面，也都表现不错，尽管会有拖尾现象发生，但基于拖尾的发生基本上存在于每一种眼镜之中，在方便程度上，虽然 HTC、3Glasses与Oculus连接电脑的使用环境会带来不方便，但是在各项操作性上仍保持着水准以上的实力，而作为一体机的亿镜则在这两方面都有很好表现。