一种调制传递函数的检测方法及检测装置

技术领域

本发明实施例涉及光学测试技术，尤其涉及一种调制传递函数的检测方法及检测装置。

背景技术

调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)反映不同空间频率(每毫米线对，lp/mm)下，成像过程中像物对比度衰减的程度，是一种用于评价光电仪器、光学镜头等成像性能的物理量。MTF曲线的横坐标代表空间频率，纵坐标代表MTF值，MTF的值在0和1之间，值越大，清晰度越好，反之越差。

对于MTF的计算，可以通过利用对斜边图进行处理得到MTF曲线。此方法可以观察连续空间频率下的清晰度，但对于显示器的MTF的测试，由于显示器包括多个像素单元，其显示的斜边图边缘不是连续变化，像素排列的周期性影响会引起像素周期性噪声，不能得到准确的MTF曲线，甚至可能计算出错误的MTF曲线。因此如何检测得到准确的MTF曲线，成为当前研究热点。

发明内容

本发明实施例提供一种调制传递函数的检测方法及检测装置，该检测方法可以去除由于显示器像素单元引起的周期性噪声，准确计算显示器的调制传递函数。

第一方面，本发明实施例提供一种调制传递函数的检测方法，包括：

获取待测显示器的斜边图像参数；

获取所述待测显示器的特征频率；

根据所述特征频率确定滤波范围，并根据所述滤波范围对所述斜边图像参数进行低通滤波，得到滤波斜边图像参数；

根据所述滤波斜边图像参数确定滤波斜边图像，并根据所述滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数。

可选的，获取所述待测显示器的特征频率包括：

获取所述待测显示器显示的黑白线对图像参数；

对所述黑白线对图像参数进行傅里叶变换，确定所述特征频率。

可选的，根据所述特征频率确定滤波范围包括：

根据所述特征频率计算奈奎斯特采样频率F

根据F

可选的，所述待测显示器包括阵列排布的像素单元，黑白线对包括多条沿第一方向延伸、沿第二方向交替排列的黑线和白线，所述黑线在所述第二方向上占据n个所述像素单元，所述白线在所述第二方向上占据n个所述像素单元，所述第一方向和所述第二方向垂直；根据所述特征频率计算奈奎斯特采样频率F

根据F

其中，F

可选的，获取待测显示器的斜边图像参数，包括：

控制所述待测显示器显示斜边图像；

通过工业相机拍摄所述斜边图像，并根据所述斜边图像确定斜边图像参数。

可选的，获取所述待测显示器显示的黑白线对图像参数，包括：

控制所述待测显示器显示黑白线对图像；

通过工业相机拍摄所述黑白线对图像，并根据所述黑白线对图像确定黑白线对图像参数。

可选的，根据所述滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数包括：

根据所述滤波斜边图像，确定边缘扩展函数曲线；

根据所述边缘扩展函数曲线，确定线扩展函数曲线；

根据所述线扩展函数曲线，确定调制传递函数曲线。

可选的，根据所述滤波斜边图像，确定边缘扩展函数曲线，包括：

对所述滤波斜边图像进行投影，确定所述边缘扩展函数曲线；

根据所述边缘扩展函数曲线，确定线扩展函数曲线，包括：

对边缘扩展函数进行微分，确定所述线扩展函数曲线；

根据所述线扩展函数曲线，确定调制传递函数曲线，包括：

对线扩展函数进行傅里叶变换，确定所述调制传递函数曲线。

可选的，所述待测显示器包括硅基显示器。

第二方面，本发明实施例还提供一种调制传递函数检测装置，包括：

斜边图像参数获取模块，用于获取待测显示器的斜边图像参数；

特征频率获取模块，用于获取所述待测显示器的特征频率；

滤波模块，用于根据所述特征频率确定滤波范围，并根据所述滤波范围对所述斜边图像参数进行低通滤波，得到滤波斜边图像参数；

计算模块，用于根据所述滤波斜边图像参数确定滤波斜边图像，并根据所述滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数。

由于待测显示器中像素单元周期性分布的影响，斜边图像的边缘过渡不连续，本发明实施例中，首先获取待测显示器的斜边图像参数和待测显示器特征频率，然后根据特征频率确定滤波范围，对斜边图像参数进行低通滤波后去除像素周期噪声，根据滤波斜边图像参数可以确定滤波斜边图像，然后利用刃边法计算出调制传递函数。本实施例提供的调制传递函数检测方法可以去除由于待测显示器中像素单元周期性分布引入的周期性噪声，准确计算显示器的调制传递函数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种调制传递函数的检测方法的流程示意图；

图2为用于计算MTF的一种斜边图像的示意图；

图3为待测显示器显示的一种斜边图像的示意图；

图4为直接对待测显示器的斜边图像进行处理得到MTF的过程示意图；

图5为本发明实施例对待测显示器的斜边图像进行滤波后再处理得到MTF的过程示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种调制传递函数的检测方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种利用刃边法计算调制函数的示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种调制传递函数的检测方法的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的一种黑白线对图像的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种黑白线对图像参数经过傅里叶变换后的频谱示意图；

图11为本发明实施例提供的一种调制传递函数检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的一种调制传递函数的检测方法的流程示意图。参考图1，本实施例提供的检测方法包括：

步骤S110、获取待测显示器的斜边图像参数。

其中，待测显示器可以为用于头戴显示装置中的显示器，头戴显示装置可以为虚拟现实(Virtual Reality，VR)或增强现实(Augmented Reality，AR)显示装置。进一步的，为了适应头戴式显示装置体积小和重量轻的目的，待测显示器可以为硅基显示器，硅基显示器以单晶硅片为基底，其像素尺寸可以达到传统显示器的1/10，具有功耗低、体积小、分辨率高等优点，非常适用于近距离观察的头戴显示装置。具体实施时，待测显示器可以为硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)显示器，也可以为硅基微有机发光二极管(Micro OLED)显示器，还可以为硅基微发光二极管(Micro LED)显示器，本发明实施例对待测显示器的具体类型不进行限定。

斜边图像参数通过显示在待测显示器上的斜边图像获得，例如可以利用工业相机拍摄待测显示器显示的斜边图像，工业相机内存储的斜边图像中各个点的数据即为斜边图像参数。斜边图像为计算MTF常用的一种图像，斜边图像的两侧分别为对比度区分明显(例如黑色和白色)的两种颜色，两种颜色的交界处为一条倾斜的斜边，利用这个黑白的斜边(刀口)即可换算出约略相等于所有空间频率下的MTF。示例性的，图2为用于计算MTF的一种斜边图像的示意图，参考图2，斜边图像内部有一条倾斜的边缘，其颜色从图2中左侧到右侧由黑色过渡为白色，对斜边图像经过一系列处理后可计算出MTF曲线。

进一步的，由于斜边图像参数是通过显示在待测显示器上的斜边图像获得，无论待测显示器采用何种类型的显示器，也无论待测显示器的显示分辨率有多高，斜边图像显示多精细，由于待测显示器会设置阵列排布的像素单元，因此显示画面时会存在由于像素单元的周期性分布导致的噪声。示例性的，图3为待测显示器显示的一种斜边图像的示意图，参考图3，由于显示器包括多个阵列排布的像素单元1，斜边图像内部的倾斜边缘即为图3中示出的不连续的非平滑边缘，无法呈现图2中示出的理想平滑边缘，因此通过待测显示器显示斜边图像会存在斜边图像的斜边不能实现连续过渡的问题，如此在对斜边图像参数进行处理获得MTF曲线时就会引入与像素单元有关的周期性噪声，影响后续获得的MTF曲线的精度。因此要获得准确的MTF曲线，需要在后续处理步骤中去除该周期性噪声。

步骤S120、获取待测显示器的特征频率。

可以理解的是，若要去除像素单元引起的周期性噪声，可以通过首先获得噪声的频率范围，然后利用频率范围采用滤波的方式滤除该周期性噪声。其中，待测显示器的特征频率与待测显示器周期性的像素单元分布有关，待测显示器显示画面的周期性噪声主要在特征频率附近。不同像素分布密度的待测显示器，对应的特征频率不同，对于确定的待测显示器，其像素分布密度确定，因此其频率特征也是确定的。因此可以通过获取待测显示器的特征频率，进而根据特征频率确定滤波范围对待测显示器的斜边图像参数进行滤波，保证滤除因像素单元的周期性分布导致的噪声。

具体实施时，步骤S110和步骤S120的先后顺序不作限定，可以先执行步骤S110，之后执行步骤S120；也可以先执行步骤S120，之后执行步骤S110；还可以同时执行步骤S110和步骤S120。即在实际应用中，可以先获取待测显示器的斜边图像参数，之后获取待测显示器的特征频率；也可以先获取待测显示器的特征频率，之后获取待测显示器的斜边图像参数；也可以同时获取待测显示器的斜边图像参数和特征频率，本发明实施例对此不作限定，可以根据实际需求选择不同检测过程。

步骤S130、根据特征频率确定滤波范围，并根据滤波范围对斜边图像参数进行低通滤波，得到滤波斜边图像参数。

可以理解的是，受到周期性排列的像素单元的影响，斜边图像中的周期性噪声频率主要集中在特征频率附近，并以特征频率为中心向两侧扩展一定的宽度。本实施例中，以大于特征频率的某个值作为滤波截止频率，对斜边图像参数进行低通滤波，可以滤除获取到的斜边图像参数中的周期性噪声，滤波后的图像可以得到接近于图2所示的结果。对滤波斜边图像参数进行处理可以提高MTF的计算精度。

示例性的，图4为直接对待测显示器的斜边图像进行处理得到MTF的过程示意图，参考图4(a)，可以明显看出由于像素单元引起的周期性噪声，图像的过度不平滑；图4(b)为由图4(a)得到的边缘扩展函数ESF(Edge Spread Function)曲线，ESF曲线的每个位置均具有较大的波动性；图4(c)为由图4(b)得到的线扩展函数LSF(Line Spread Function)曲线，经过两次变化后，LSF曲线产生了严重的变形，导致计算出的MTF曲线(图4(d))出现错误。

图5为本发明实施例对待测显示器的斜边图像进行滤波后再处理得到MTF的过程示意图，其中图5(a)和图5(b)分别为滤波前后的斜边图像，可以明显看出滤波后图像的平滑度明显提升；图5(c)为由图5(b)得到的边缘扩展函数ESF曲线，由于低通滤波滤除去了图像参数中的周期性噪声，ESF曲线为平滑曲线；图5(d)为由图5(c)得到的线扩展函数LSF曲线，LSF曲线基本没有发生形变，保真性良好；图5(e)为计算得出的MTF曲线，图5(e)得到的MTF曲线具有较高的准确性。

进一步的，频域滤波的针对性更强，保证低通滤掉的部分只有周期性的像素噪声，不会对斜边图像本身造成影响，保留滤波斜边图像参数中的基本斜边图像参数，有效保留斜边清晰度，保证最终得到的MTF精确度高。

步骤S140、根据滤波斜边图像参数确定滤波斜边图像，并根据滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数。

由于对斜边图像参数进行滤波后去除了周期性噪声，其相对于滤波前过渡连续性变好，滤波后的图像类似于图2所示的图像，后续可以根据滤波斜边图像利用刃边法可以计算MTF，保证计算得到的MTF具备良好的精度。

综上，由于待测显示器中像素单元周期性分布的影响，斜边图像的边缘过渡不连续，本发明实施例中，首先获取待测显示器的斜边图像参数和待测显示器特征频率，然后根据特征频率确定滤波范围，对斜边图像参数进行低通滤波后去除像素周期噪声，根据滤波斜边图像参数可以确定滤波斜边图像，然后利用刃边法计算出调制传递函数。本实施例提供的调制传递函数检测方法可以去除由于待测显示器中像素单元周期性分布引入的周期性噪声，且频域滤波的针对性更强，可以有效保留斜边清晰度，保证可以准确计算显示器的调制传递函数。

在上述实施例的基础上，刃边法是一种计算MTF的方法，刃边法的测量原理是根据地面的刃边靶标提供的垂轨或顺轨方向的阶跃输入信号，得到边缘扩散函数，根据边缘扩散函数微分求出该方向的线扩散函数，进而求出MTF。

具体的，图6为本发明实施例提供的另一种调制传递函数的检测方法的流程示意图，在上述实施例的基础上，图6示出的检测方法对如何利用刃边法计算调制传递函数进行了具体说明。参考图6，本发明实施例提供的调制传递函数的检测方法包括：

步骤S210、获取待测显示器的斜边图像参数。

步骤S220、获取待测显示器的特征频率。

步骤S230、根据特征频率确定滤波范围，并根据滤波范围对斜边图像参数进行低通滤波，得到滤波斜边图像参数。

步骤S240、根据滤波斜边图像，确定边缘扩展函数曲线。

其中，边缘扩展函数的测量是刃边法计算MTF至关重要的一部分。滤波斜边图像为二维图像，其对应的滤波斜边图像参数为二维矩阵，通过对滤波斜边图像进行超采样，得到一条更加细腻的黑白变换(黑变白或白变黑)的直线，这条直线的参数为一维矩阵，即得到边缘扩展函数。示例性的，图7为本发明实施例提供的一种利用刃边法计算调制函数的示意图。参考图7，先对滤波斜边图像沿x方向进行投影，进行超采样得到ESF曲线。

步骤S250、根据边缘扩展函数曲线，确定线扩展函数曲线。

对边缘扩展函数进行求导(即微分)，可以得到线扩展函数(Line SpreadFunction，LSF)，根据LSF可以确定LSF曲线。示例性的，继续参考图7，对边缘扩展函数进行微分，得到线扩展函数(LSF)曲线。

步骤S260、根据线扩展函数曲线，确定调制传递函数曲线。

进一步的，对线扩展函数进行傅里叶变换，确定MTF曲线。

其中，计算MTF的傅里叶变换定义如下：

若按照定义循环求和，程序的运算时间较长，增长检测工时，不利于工业化大批量生产。本实施例采用的傅里叶变换可以为快速傅里叶变换，快速傅里叶变换(Fast FourierTransform，FFT)是一种利用计算机计算离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称，可以以较小的复杂度计算多项式乘积中每一项的系数。MTF曲线图像纵坐标代表MTF，该值经过归一化，无单位，横坐标代表空间频率，单位为周期/像素(cycles/pixel)。在实际检测中，横坐标的频率一般为线对(lp/mm或cycles/mm)，两者含义相同。若将单位周期/像素转换为线对，需要知道检测所用相机传感器的像素大小，例如，相机像素大小为0.01mm，即100pixel＝1mm，那么1cycles/pixel＝100lp/mm。具体MTF的计算可以通过计算机程序计算得出。

综上，通过滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数，一方面保证调制传递函数计算简单高效，另一方面保证得到的调制传递函数已经去除由于待测显示器中像素单元周期性分布引入的周期性噪声，调制传递函数计算结果精确。

在上述实施方案的基础上，图8为本发明实施例提供的另一种调制传递函数的检测方法的流程示意图，在上述实施例的基础上，图8示出的检测方法对如何获取待测显示器的特征频率以及如何根据特征频率确定滤波范围进行了具体说明。参考图8，本发明实施例提供的调制传递函数的检测方法包括：

步骤S310、获取待测显示器的斜边图像参数。

具体的，获取待测显示器的斜边图像参数可以包括：

控制待测显示器显示斜边图像；

通过工业相机拍摄待测斜边图像，并根据斜边图像确定斜边图像参数。

在具体实施时，可以根据待测显示器定制夹具，待测显示器固定在定制夹具上，并在特定位置设置固定工业相机的卡槽，利用工业相机拍摄待测显示器显示的斜边图像，例如图3所示的图像，工业相机获得的数据即为斜边图像参数。进一步的，工业相机具有较高的图像稳定性、较高的传输能力和较高的抗干扰能力等，通过采用工业相机拍摄待测斜边图像可以保证待测斜边图像采集效果良好，便于后续得到精确的MTF。

步骤S320、获取待测显示器显示的黑白线对图像参数。

其中，MTF是描述不同空间频率下的调制函数，类似于利用赫兹(Hz)描述频率，空间频率用每毫米线对(lp/mm)描述，即每毫米的宽度内有多少线对，其中每两条线条之间的距离，以及线条本身的宽度之比为定值。通常每个线对包括一条黑线和一条白线组成。

具体实施时，可选的，获取待测显示器显示的黑白线对图像参数，可以包括：

控制待测显示器显示黑白线对图像；

通过工业相机拍摄黑白线对图像，并根据黑白线对图像确定黑白线对图像参数。

示例性的，图9为本发明实施例提供的一种黑白线对图像的示意图。参考图9，黑白线对图像由间隔排列的黑线和白线组成，具体黑白线对图像的空间频率可以根据实际情况选择，本发明实施例对此不作限定。其中，工业相机拍摄的黑白线对图像的数据即为黑白线对图像参数。

在具体实施时，同样可以根据待测显示器定制夹具，待测显示器固定在定制夹具上，并在特定位置设置固定工业相机的卡槽，利用工业相机拍摄待测显示器显示的黑白线对图像，例如图9所示的图像，工业相机获得的数据即为黑白线对图像参数。进一步的，通过采用工业相机拍摄黑白线对图像可以保证黑白线对图像采集效果良好，便于后续得到精确的特征频率。

步骤S330、对黑白线对图像参数进行傅里叶变换，确定特征频率。

其中，傅里叶变换(Fourier transform)是一种线性积分变换，用于信号在时域(或空域)和频域之间的变换，在物理学和工程学中有许多应用。通过对黑白线对图像参数(可以视为时域函数)进行傅里叶变换，可以计算出待测显示器的特征频率(得到频域函数)。示例性的，图10为本发明实施例提供的一种黑白线对图像参数经过傅里叶变换后的频谱示意图，参考图10，其中的峰值F

步骤S340、根据特征频率计算奈奎斯特采样频率F

其中，奈奎斯特采样定理解释了采样率和所测信号频率之间的关系。阐述了采样率Fs必须大于被测信号感兴趣最高频率分量的两倍。该频率通常被称为奈奎斯特采用频率F

可选的，待测显示器包括阵列排布的像素单元，黑白线对包括多条沿第一方向延伸、沿第二方向交替排列的黑线和白线，黑线在第二方向上占据n个像素单元，白线在第二方向上占据n个像素单元，第一方向和第二方向垂直；根据特征频率计算奈奎斯特采样频率F

根据F

具体的，以图9所示的黑白线对图为例，当黑线在第二方向(水平方向)上占据一个像素单元，白线在第二方向上占据一个像素单元时，即n＝1，此时F

步骤S350、根据F

由于因像素单元周期性排布引入的周期性噪声多为高频噪声，因此设置低通滤波的频率范围为[0，F

步骤S360、根据滤波范围对斜边图像参数进行低通滤波，得到滤波斜边图像参数。

步骤S370、根据滤波斜边图像参数确定滤波斜边图像，并根据滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数。

综上，通过黑白线对图像参数确定特征频率，并根据特征频率确定奈奎斯特采样频率，并进一步根据奈奎斯特采样频率确定滤波范围，一方面保证滤波范围合理可靠，保证通过此滤波范围可以充分滤除高频噪声，另一方面保证频域滤波的针对性更强，可以有效保留斜边清晰度，保证可以准确计算显示器的调制传递函数。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种调制传递函数的检测装置。具体的，图11为本发明实施例提供的一种调制传递函数检测装置的结构示意图。参考图11，该调制传递函数检测装置包括：斜边图像参数获取模块10，用于获取待测显示器的斜边图像参数；特征频率获取模块20，用于获取待测显示器的特征频率；滤波模块30，用于根据特征频率确定滤波范围，并根据滤波范围对斜边图像参数进行低通滤波，得到滤波斜边图像参数；计算模块40，用于根据滤波斜边图像参数确定滤波斜边图像，并根据滤波斜边图像利用刃边法计算调制传递函数。

本发明实施例提供的调制传递函数检测装置可以执行上述实施例提供的任意一种调制传递函数的检测方法，具备执行各步骤相对应的模块，与调制传递函数的检测方法具备相同或相应的技术效果。

可选的，特征频率获取模块包括黑白线对图像参数获取单元和特征频率确定单元；黑白线对图像参数获取单元用于获取待测显示器显示的黑白线对图像参数，特征频率确定单元用于对黑白线对图像参数进行傅里叶变换，确定特征频率。

可选的，滤波模块包括奈奎斯特采样频率计算单元和滤波范围确定单元；奈奎斯特采样频率计算单元用于根据特征频率计算奈奎斯特采样频率F

可选的，待测显示器包括阵列排布的像素单元，黑白线对包括多条沿第一方向延伸、沿第二方向交替排列的黑线和白线，黑线在第二方向上占据n个像素单元，白线在第二方向上占据n个像素单元，第一方向和第二方向垂直；奈奎斯特采样频率计算单元具体用于根据F

可选的，斜边图像参数获取模块包括第一控制单元和第一拍摄单元；第一控制单元用于控制待测显示器显示斜边图像，第一拍摄单元用于通过工业相机拍摄斜边图像，并根据斜边图像确定斜边图像参数。

可选的，黑白线对图像参数获取单元包括第二控制单元和第二拍摄单元；第二控制单元用于控制待测显示器显示黑白线对图像，第二拍摄单元用于通过工业相机拍摄黑白线对图像，并根据黑白线对图像确定黑白线对图像参数。

可选的，计算模块包括边缘扩展函数曲线确定单元、线扩展函数曲线确定单元和调制传递函数曲线确定单元；边缘扩展函数曲线确定单元用于根据滤波斜边图像，确定边缘扩展函数曲线；线扩展函数曲线确定单元用于根据边缘扩展函数曲线，确定线扩展函数曲线；调制传递函数曲线确定单元用于根据线扩展函数曲线，确定调制传递函数曲线。

可选的，边缘扩展函数曲线确定单元具体用于对滤波斜边图像进行投影，确定边缘扩展函数曲线；线扩展函数曲线确定单元具体用于对边缘扩展函数进行微分，确定线扩展函数曲线；调制传递函数曲线确定单元具体用于对线扩展函数进行傅里叶变换，确定调制传递函数曲线。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。