孙保伟 张文君 +向望华 张大伟+常晓君 +裴增智
摘要： 依据光学传递函数与级联光学传递函数理论，通过CCD相机拍摄视频眼镜显示的ISO12233分辨率测试图像卡，运用Imatest软件分析视频眼镜中光学成像系统的质量和图像分辨率（SFR）参数。对Google Glass，Epson BT200，Optinvent ORA1，奥图科技Cool Glass One以及Raypai的几种视频眼镜进行了测试与分析，获得每一种视频眼镜的图像分辨率调制传递函数（MTF）结果并进行比较。MTF结果与实际视觉观测结果基本相符，表明这种测试方法与Imatest软件分析计算的正确性。
关键词：
工业技术； 视频眼镜； 光学传递函数； Imatest软件
中图分类号： TN 29文献标志码： 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
隨着虚拟现实和现实增强技术的迅猛发展，穿透式视频眼镜技术近几年取得了长足的进步，在很多领域都有广泛的应用前景。
视频眼镜能够接收各种控制源信号，包括手机、便携式媒体播放器、数码相机、游戏机等多媒体设备输出的视频信号，并在近眼的微显示器上产生一种虚拟图像，这种虚拟图像可在眼睛前面产生一种可穿透式画面，并在一个固定的距离内变化，从尺寸上看，相当于一个大屏幕电视，使用户完全沉浸在播放的图像中，不会受到任何外部光线的干扰[12]。
尽管视频眼镜有其独特的优点，但从显示效果看，生动逼真的色彩、高对比度、高分辨率的快速画面远远未能达到用户期望的舒适、震撼的效果，因而视频眼镜在消费市场还难以打开销路。因此，检测视频眼镜的视频图像清晰度等各种参数以提高产品的质量，是摆在我们面前的一大课题[34]。
影响视频眼镜图像质量的关键因素之一是视频眼镜中的光学系统，由于其体积小，结构比较复杂，安装、测试都比较困难，对成像质量造成了很大影响。目前所见到的各种视频眼镜的光学系统可以分为两类，即曲面加棱镜式和曲面加波导式[56]，其中Google Glass，Epson BT200，奥图科技Cool Glass One等属于曲面加棱镜式，而Optinvent ORA1，Raypai属于曲面加波导式。图1所示为两类视频眼镜光学系统的典型代表。图中LED为发光二极管，LCOS为硅晶液晶显示器，OLED为有机发光二极管。
当各种视频信号从微显示器[7]输入视频眼镜中，并通过光学系统在人眼中产生几十英寸（1 inch=2.54 cm）的大屏幕图像时，视频图像的质量分析还可以进一步用来评价视频眼镜光学系统的优劣。
对于图像质量的评价有两种途径，主观评价和客观评价。主观评价方法是以人的视觉效果作为评判准则，由观察者对图像质量提出判断；客观评价方法是指用可定量分析的数学模型表达人对图像的主观感受。主观评价方法需要对图像判读人员进行专门的训练，评价过程费时耗力，经济性差[89]。客观评价方法则是从理论出发，快速稳定，能给出定量数据，但忽略了人的视觉特性，有時评价结果与人的主观感受不一致。
目前，伴随高分辨率相机的迅速发展和调制传递函数（MTF）计算工具的进一步完善，Imatest软件已成为一个专门用于数码相机图像数据测试的重要工具。这个软件被广泛地用来测量镜头的空间频率分辨率（SFR）、色差、色彩还原度、色彩空间等重要参数，被认为是较为有效的一种成像分析软件。该软件在进行镜头分辨率分析测试时用光学传递函数法来描述，即用SFR（MTF）曲线来分析镜头的特性，光学传递函数法的优势是其他传统像质检测方法所不具备的。调制传递函数是目前对光学系统成像质量评价最有效、最全面、最客观的方式，描述了光学系统对不同空间频率下物体信息的传递能力，低频部分反映物体整体轮廓信息，高频部分反映物体细节信息[1011]。
既然Imatest软件在进行镜头分辨率分析测试时用光学传递函数法来描述，依据级联（或复合）传递函数的概念，如果用照相机拍摄视频眼镜显示的ISO12233分辨率测试卡，就可以将相机镜头与视频眼镜的光学系统看作两个线性系统的叠加，即级联（或复合）光学系统。如果将视频眼镜与相机的传递函数分别设为传递函数M1和传递函数M2，二者叠加的传递函数为M0，则M0=M1M2，M1=M0/M2，从而可以求出视频眼镜光学系统的传递函数M1，进而分析视频眼镜图像的分辨率等参数值[1214]。
本文通过CCD相机拍摄视频眼镜所显示的ISO12233分辨率测试卡的虚拟放大图像，利用Imatest软件直接分析视频眼镜光学系统的光学传递函数，并根据被测系统 MTF曲线进而分析视频眼镜的图像分辨率、清晰度等参数。
2MTF的实验测量
2.1实验设备与光路调整
实验使用的设备有CCD工业照相机（机身是Basler AUA460010UC，镜头是Edmund Optics 63779，HR12 mm，F#1.8）、各种视频眼镜、ISO12233分辨率测试卡等，使用HeNe激光调整光路[17]，使相机、视频眼镜的光学输出面、测试相机的ISO12233分辨率测试卡靶板以及在3 m远处与视频显示的虚像面尺寸相同大小的背景靶面（此背景靶面用来检测视频眼镜显示画面大小）均处在同一光轴上，如图2所示。
2.2图像的拍摄及数据处理
首先用相机对ISO12233分辨率测试卡进行拍摄，用Imatest软件分析，得出相机镜头的SFR（MTF）分布曲线，其MTF值为M2，如图3所示（其中空间频率的单位为cycle/pixel）。虽然对分辨率测试卡图像的中央及四个角的各种水平、垂直方向的MTF值都用Imatest软件进行了分析，但由于图片和数据的量太大，所以本文仅给出了中央水平方向的MTF曲线图，可以正确反映不同视频眼镜的差别。分析相机镜头与视频眼镜光学系统组合的MTF （M0）值时同样仅给出了水平方向的MTF曲线图[1819]。
将ISO12233分辨率测试卡的图像输入视频眼镜中，通过视频眼镜可以在远处显示出ISO12233测试卡的放大虚像图，将CCD相机放在距离视频眼镜的输出面22.4 mm处（出瞳），拍摄由视频眼镜显示的ISO12233分辨率测试卡的虚像图。用Imatest软件进行分析，获得一组MTF分布曲线，这是照相机镜头与视频眼镜的光学系统组合的MTF值，即M0。采用这种方法，分别对Google Glass，Epson BT200，Optinvent ORA1，以及奥图科技Cool Glass One，Raypai等8副棱镜型和波导型视频眼镜进行拍摄并用Imatest软件进行分析。分别得到CCD相机镜头与各种视频眼镜的光学系统组合的传递函数M0。图5所示为每一副视频眼镜中央水平方向的MTF曲线。
为了便于比较，将Imatest软件导出M0曲线汇集在同一图中，如图6所示。
测出相机镜头的MTF值（M2）、相机镜头与视频眼镜光学系统组合的MTF值（M0）之后，依据传递函数的级联关系式，求出视频眼镜光学系统的MTF值M1=M0/M2。图7所示为各种不同视频眼镜的M1曲线，可比较每一种视频眼镜的M1值。
由图7可见，由于不同视频眼镜光学系统的M1值不同，所以对应的分辨率是不同的。为了进一步了解不同视频眼镜的分辨率差别，给出同一M1值下的不同分辨率数值，M1分别为50 和30时各种视频眼镜的分辨率如表1所示。从表中可见，不论M1为50还是30时，Raypai波导2的分辨率都是最高的。同时还给出了同一分辨率值时对应的不同M1值，即分辨率为0.15 cycle/pixel和0.25 cycle/pixel时对应的M1值，如表2所示。另外，计算得到了每种视频眼镜的M1曲线与x、y坐标轴围成的面积，如表3所示。面积越大，光学系统传输的信息量越多，表明光学系统的成像质量越好，从这个参数来看，Raypai波导2也是最好的。
3结果分析
用CCD相机对ISO12233分辨率测试卡拍摄图像，再用Imatest软件分析，获得相机镜头的调制传递函数曲线，该曲线与文献所得结果基本一致。
从视频眼镜光学系统的调制传递函数曲线可知，调制传递函数曲线整体越高，说明各个频率的变换值M1越大，系统的成像质量越好，清晰度越高。Raypai波导2式视频眼镜的M1曲线总体最高，其他依次是Raypai棱镜式，Epson BT200，奥图科技Cool Glass One，Google Glass，Raypai OLED，Raypai波导1式，Optinvent ORA1。从特征频率处的MTF值和MTF为50、30时所对应的分辨率值来看，Google Glass眼镜低于奥图科技Cool Glass One，但其面积值高于后者。这是因为Google Glass在中频段曲线抬高，曲线的低频部分反映物体的轮廓传递情况，频率为5～15 lp/mm 时可判断视频眼镜的对比度性能；中频部分反映物体的层次传递性能；高频部分则反映系统对物体细节的传递性能，所以实际佩戴时会认为Google Glass眼镜更为清晰，原因在于其中频段MTF值较高。法国Optinvent ORA1眼镜各项指标都比较低，但其高频部分MTF值很高，所以清晰度应该比较好，实际佩戴之后发现该结果与人的视觉感受也是一致的。
4结论
将ISO12233分辨率测试卡分别输入每副不同的视频眼镜中，用CCD相机拍摄视频眼镜输出的ISO12233分辨率测试卡视频图像，再用Imatest软件分析MTF值。结果显示不同的视频眼镜其MTF曲線有很大的差异，这种差异与人眼观察得到的视觉效果是一致的。这种定量的视频眼镜MTF值分析方法可用于判断视频眼镜的分辨率高低及像质的优劣，不仅可以用于视频眼镜的鉴别，也适用于其他组合光学系统的像质评价，还可以通过组合的方式间接检测其中某一独立光学系统的成像质量。
值得注意的是，这种测量方法需在条件相同的情况下用于不同视频眼镜的对比检测，例如相同的相机、相同的测试环境等。该方法也存在一定的局限性，无法测量光学系统的色差、色彩还原度、色彩空间等参数。
参考文献：
[1]BUNKENBURG J，FRITZ 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]张明丽.影响CCD传递函数因素的综合分析[D].辽宁：辽宁师范大学，2001：153.
[4]朱瑶.光学系统的星点检验方法[J].红外，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]刑新华，张锷.照相物镜的像质评价及其光学传递函数的测定[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，1993，9（1）：3439.
[9]曾明智，李海峰.投影机镜头的MTF实时检测系统[J].光电工程，2008，35（2）：134139.
[10]庄松林，钱振邦.光学传递函数[M].北京：机械工业出版社，1981：177233.
[11]迟学芬，刘斌，韩昌元，等.显微物镜光学传递函数测定[J].光学机械，1990（2）：2238.
[12]张以谟，张红霞，贾大功.应用光学[M].北京：电子工业出版社，2015：574609.
[13]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2006：193203.
[14]周言敏，李建芳，王君.光学测量技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013：162169.
[15]赵凯华.新概念物理教程：光学[M].北京：高等教育出版社，2004：7681.
[16]道尔，基恩伯格，迈克尔斯.光机集成分析[M].北京：国防工业出版社，2015：3644.
[17]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012：154177.
[18]刘衍琦，詹福宇.MATLAB图像与视频处理实用案例详解[M].北京：电子工业出版社，2015：93101.
[19]GONZALEZ R C，WOODS R E.数字图像处理[M].北京：电子工业出版社，2007：3036.
（编辑：张磊）
