显示技术基础3

1、显示技术基础显示技术基础办公室：办公室：E-mail: 图像质量与显示器性能图像质量与显示器性能 第二章第二章 阴极射线管及图像质量阴极射线管及图像质量 1. 图像信息的产生与传输图像信息的产生与传输 图像中的像素图像中的像素 电视图像的基本参数电视图像的基本参数 显示器的主要性能显示器的主要性能 关于关于On/Off时间与时间与GTG时间时间1.图像信息的产生与传输图像信息的产生与传输图像信息：图像信息：表示图像的信号是用与图像空间位置（表示图像的信号是用与图像空间位置（x,y,zx,y,z）相）相应的亮度或色彩变化分布函数应的亮度或色彩变化分布函数f(x,y,z)f(x,y,z)所表示的光

2、信号，所表示的光信号，或通过扫描等技术手段，由光信号转换的随时间变化的电或通过扫描等技术手段，由光信号转换的随时间变化的电压函数压函数f(t).f(t).前者称为前者称为图像图像，后者称为，后者称为图像信号图像信号。 图像传输的基本过程：图像传输的基本过程：发送端把活动景物的光信号转变成电信号，发送端把活动景物的光信号转变成电信号，经过加工，处理，记录、传送，在接收端把电信号还原成图像经过加工，处理，记录、传送，在接收端把电信号还原成图像发送端发送端：采用摄像管接收图像：采用摄像管接收图像 接收端：接收端：采用显示器显示（包括采用显示器显示（包括CRT和和PFD等）等）电子图像电子图像静止图像

3、静止图像活动图像活动图像电视传送的主要信息电视传送的主要信息信号处理与传输通道电视图像光电转换系统简图电视图像光电转换系统简图镜头摄像管景物图像电信号显像管图像电信号重现图像摄像端光电转换显像端电光转换RL2 图像中的像素图像中的像素像素像素：构成图像的最小面积单元，具有一定的亮度和色度属性。：构成图像的最小面积单元，具有一定的亮度和色度属性。CRT显示屏上的图像的像素数为显示屏上的图像的像素数为3050万个，而高分辨的显示器上万个，而高分辨的显示器上的图像的像素数为的图像的像素数为100万个以上万个以上黑白图像：每个像素是亮度不同的小点黑白图像：每个像素是亮度不同的小点彩色图像：每个像素由彩

4、色图像：每个像素由RGB三个点构成三个点构成3 电视图像的基本参数电视图像的基本参数1图像清晰度图像清晰度图像清晰度图像清晰度：指人主观感觉到的图像的细节的程度，分：指人主观感觉到的图像的细节的程度，分别用人眼在水平方向和垂直方向所能分辨的像素数来定别用人眼在水平方向和垂直方向所能分辨的像素数来定量描述，并相应地称为量描述，并相应地称为水平清晰度和垂直清晰度水平清晰度和垂直清晰度。如果人眼的最小分辨角为如果人眼的最小分辨角为，在分辨能力最高的垂直视，在分辨能力最高的垂直视线角线角15度之内所能分辨的像素数为：度之内所能分辨的像素数为：Z=15/ 例如：当例如：当为为1分时分辨率为分时分辨率为9

5、00线线电视系统的分辨力：电视系统的分辨力：指电视系统本身分辨图像的能力，指电视系统本身分辨图像的能力，它不受主观因素的制约。一般来说，扫描行数越多，电它不受主观因素的制约。一般来说，扫描行数越多，电视系统的分辨率越高。视系统的分辨率越高。垂直清晰度垂直清晰度M主要取决于图像有效行数主要取决于图像有效行数Z，由于不是所有，由于不是所有的行正好扫到图像的分界线上，有效行数的行正好扫到图像的分界线上，有效行数Z还要乘以凯尔还要乘以凯尔系数系数K1，即，即M=ZK1隔行扫描，还要乘隔行扫描系数：隔行扫描，还要乘隔行扫描系数：M=ZK1K2在同一电视系统中，水平分辨率和垂直分辨率相同时，在同一电视系统

6、中，水平分辨率和垂直分辨率相同时，图像质量最好。当高宽比为图像质量最好。当高宽比为A时，水平清晰度时，水平清晰度N为为N=AK1K2Z2电视系统的分辨力电视系统的分辨力 2006年年4月，信息产业部公布了数字电视相关行业标准，月，信息产业部公布了数字电视相关行业标准，规定液晶、等离子电视垂直清晰度和水平清晰度必须规定液晶、等离子电视垂直清晰度和水平清晰度必须达到达到720线以上才算高清线以上才算高清 目前，目前，42英寸等离子分辨率有英寸等离子分辨率有4种，分别是种，分别是852480，1024768，10241024，10241080 对于垂直清晰度对于垂直清晰度，基本上垂直方向有多少像素，

7、基本上垂直方向有多少像素就可以认为有多少线就可以认为有多少线 例如：例如： 852480可以认为垂直清晰度是可以认为垂直清晰度是480线线 对于水平清晰度还和图像的高宽比有关对于水平清晰度还和图像的高宽比有关，对于，对于16：9的平板电视，其电视线数值为水平方向像的平板电视，其电视线数值为水平方向像素值素值/高宽比高宽比 例如：例如： 852480的水平清晰度是的水平清晰度是9 825/16=479线，注意此处线，注意此处479意味着其水平清晰度最高不能意味着其水平清晰度最高不能超过超过479线线 大多数情况下，电视信号源图像的像素格式和电视机大多数情况下，电视信号源图像的像素格式和电视机固有

8、的像素格式不完全匹配。固有的像素格式不完全匹配。 例如例如：我国：我国HDTV的图像像素格式为：的图像像素格式为： 19201080，而电视固有的像素格式多种多样，包括：而电视固有的像素格式多种多样，包括： 852480， 720576 1280720，10241024，1366768等，当等，当19201080的图像加到其他像素格式的电视机上，就的图像加到其他像素格式的电视机上，就需要向上或者向下进行变换，以达到和电视机的像素需要向上或者向下进行变换，以达到和电视机的像素格式匹配。否则图像会过度充满或者未充满屏幕。格式匹配。否则图像会过度充满或者未充满屏幕。 只有当图像或者信号源的像素格式与

9、电视机固有的像只有当图像或者信号源的像素格式与电视机固有的像素格式完全匹配时，才能实现电视机与源图像的完全素格式完全匹配时，才能实现电视机与源图像的完全匹配。匹配。3视频信号带宽、场频和扫描行数视频信号带宽、场频和扫描行数 当要求图像的分辨率越高时，亮度信号的频带越宽。当要求图像的分辨率越高时，亮度信号的频带越宽。图像信号的最大带宽可由下式表示：图像信号的最大带宽可由下式表示：122max1 2pfAK K Z f其中其中A为图像高宽比，为图像高宽比，K1为凯尔系数，为凯尔系数，K2为隔行扫描为隔行扫描系数，系数，Z为扫描行数，为扫描行数，fp为祯频，按照我国电视标准为祯频，按照我国电视标准计

10、算，图像的最大带宽计算，图像的最大带宽fmax约为约为5.1M,实际上我国的实际上我国的视频传输通道的带宽固定为视频传输通道的带宽固定为6Mhz 场频：场频：选择场频主要考虑画面无闪烁、不受电源干扰、选择场频主要考虑画面无闪烁、不受电源干扰、活动图像又连续感、占用带宽尽量窄等因素活动图像又连续感、占用带宽尽量窄等因素 我国线性系统采用我国线性系统采用50Hz，高于人眼临界闪烁频率，这，高于人眼临界闪烁频率，这既有利于克服画面闪烁既有利于克服画面闪烁 扫描行数：扫描行数： 扫描行数的确定主要考虑图像的清晰度与信号带宽两扫描行数的确定主要考虑图像的清晰度与信号带宽两方面。当行数增加时，图像清晰度增

11、加，但带宽增加方面。当行数增加时，图像清晰度增加，但带宽增加速度更快，而是频带宽的增加导致一定波段中可容纳速度更快，而是频带宽的增加导致一定波段中可容纳的视频节目数量变少，还将导致电视设备的复杂化，的视频节目数量变少，还将导致电视设备的复杂化，增加投资成本。我国现行电视采取增加投资成本。我国现行电视采取625线线4 显示器的主要性能显示器的主要性能显示器的主要性能包括：显示器的主要性能包括：画面尺寸、显示容量（分辨画面尺寸、显示容量（分辨率）、亮度、对比度、灰度、显示色数、响应速度、视率）、亮度、对比度、灰度、显示色数、响应速度、视角、功耗、体积角、功耗、体积/质量等质量等1.画面尺寸画面尺寸

12、一般用画面对角线的长度表示，单位为英寸或者厘米，常用一般用画面对角线的长度表示，单位为英寸或者厘米，常用对角线的英寸数作为型号表示对角线的英寸数作为型号表示显示容量表示总像素数，有时，总像素数也可以用分辨显示容量表示总像素数，有时，总像素数也可以用分辨率表示，分辨率可以用率表示，分辨率可以用1mm内的像素数表示内的像素数表示有屏分辨率和图像分辨率之分有屏分辨率和图像分辨率之分屏分辨率：屏分辨率：屏幕上所能呈现的图像像素的密度，显示器屏幕上所能呈现的图像像素的密度，显示器上的像素总数是固定，分辨率与画面尺寸及像素间距上的像素总数是固定，分辨率与画面尺寸及像素间距有关，屏分辨率取决于显示屏的结构、

13、类型、像素组有关，屏分辨率取决于显示屏的结构、类型、像素组成方式，是产品不变的量成方式，是产品不变的量图像分辨率：图像分辨率：指数字化图像的大小，是对信号和图像视指数字化图像的大小，是对信号和图像视频格式而言，也以水平和垂直像素的多少来表示。图频格式而言，也以水平和垂直像素的多少来表示。图像分辨率是说明图像系统分解像素的能力，是由扫描像分辨率是说明图像系统分解像素的能力，是由扫描行数、信号带宽等因素决定。行数、信号带宽等因素决定。2.显示容量显示容量 中国信息产业部公布的中国信息产业部公布的SJ/T11343-2006，数字电视液晶显，数字电视液晶显示器通用规范中规定：示器通用规范中规定： H

14、DTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）720线线 SDTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）450线线3亮度亮度 亮度表示显示器的发光强度亮度表示显示器的发光强度，用，用cd/m2（尼特）表示（尼特）表示 在测量电视机亮度时，因为对电视机的调整状态不同，在测量电视机亮度时，因为对电视机的调整状态不同，表征屏亮度的参数指标也不同，主要有种：峰值亮表征屏亮度的参数指标也不同，主要有种：峰值亮度、平均亮度、最大峰值亮度和最大平均亮度度、平均亮度、最大峰值亮度和最大平均亮度 对被动发光型显示器，通常有用平均亮度和有用峰值对被

15、动发光型显示器，通常有用平均亮度和有用峰值亮度是一样的，最大平均亮度和最大峰值亮度是一样亮度是一样的，最大平均亮度和最大峰值亮度是一样的的 对主动发光型器件，平均亮度与峰值亮度是不一样的对主动发光型器件，平均亮度与峰值亮度是不一样的对于正常观看节目而言，平均亮度才有实际意义对于正常观看节目而言，平均亮度才有实际意义 对画面亮度的要求与环境光强有关对画面亮度的要求与环境光强有关 例如，电影院中，电影亮度只有例如，电影院中，电影亮度只有3045cd/m2就可就可以了，但在室内看电视，要求显示器的亮度要大以了，但在室内看电视，要求显示器的亮度要大于于70cd/m2，而在室外观看则要求亮度应达到，而在

16、室外观看则要求亮度应达到300cd/m2左右，所以高质量的显示器亮度的要求左右，所以高质量的显示器亮度的要求是是300cd/m2左右左右 中国信息产业部公布的中国信息产业部公布的SJ/T11343-2006，数字电视液晶显，数字电视液晶显示器通用规范中规定：平均亮度值示器通用规范中规定：平均亮度值350cd/m2 CRT电视机平均亮度标准规定值：电视机平均亮度标准规定值： 60cd/m2 PDP电视机平均亮度标准规定值：电视机平均亮度标准规定值： 60cd/m2 我国新公布的标准中还规定了亮度均匀性标准我国新公布的标准中还规定了亮度均匀性标准 LCD亮度均匀性亮度均匀性75% PDP亮度均匀性

17、亮度均匀性75% CRT亮度均匀性亮度均匀性75%4对比度对比度 对比度（对比度（C）：最大亮度（）：最大亮度（Lmax）和最小亮度（）和最小亮度（Lmin）之）之比来表示比来表示C= Lmax / Lmin 分为暗场对比和明场对比度分为暗场对比和明场对比度，暗场对比度在全黑条件下测，暗场对比度在全黑条件下测得，亮场对比度是在有一定环境光的条件下测定的得，亮场对比度是在有一定环境光的条件下测定的 显示器的对比度是在亮度控制正常位置，在同一幅图像中显示器的对比度是在亮度控制正常位置，在同一幅图像中显示图像的最亮部分和最暗部分的亮度之比显示图像的最亮部分和最暗部分的亮度之比 对比度越高，图像的层次

18、越多，清晰度越高对比度越高，图像的层次越多，清晰度越高 数字电视液晶显示器通用规范数字电视液晶显示器通用规范SJ/T11343-2006中规定：中规定：LCD TV对比度值对比度值 150：1PDP，CRT的对比度值的对比度值150：1通常情况下，好的图像对比度至少要大于通常情况下，好的图像对比度至少要大于30：1灰度指图像的黑白亮度之间的一系列过渡层次。灰度指图像的黑白亮度之间的一系列过渡层次。人眼能分辨的亮度层次为：人眼能分辨的亮度层次为：结论：灰度与图像对比度成正比，并受图像最大对比度的限结论：灰度与图像对比度成正比，并受图像最大对比度的限制。灰度级越多，图像层次越分明，图像越柔和。制。

19、灰度级越多，图像层次越分明，图像越柔和。眼睛可分辨的最大灰度层次为眼睛可分辨的最大灰度层次为100级级2.3lognC5灰度灰度其中：其中：是人眼对亮度差的分辨率，一般取是人眼对亮度差的分辨率，一般取0.020.05。若。若取取0.05，则，则C=50时，时，n=78，C=100时，时，n=92。 在彩色显示时，灰度等级就表示各基色的等级。在彩色显示时，灰度等级就表示各基色的等级。 现代显示技术中，通常用现代显示技术中，通常用2的整数次幂来划分灰度级的整数次幂来划分灰度级 例如：将灰度分为例如：将灰度分为256级，正好占据了八个级，正好占据了八个bit的计算机空的计算机空间。间。 所以所以25

20、6级灰度又称为级灰度又称为8bit灰度级。在彩色显示时，就是灰度级。在彩色显示时，就是1670万全色万全色 一般来说，字符显示对灰度没有要求，只要有一定的对比一般来说，字符显示对灰度没有要求，只要有一定的对比度即可。而图形显示器则不仅要求高的对比度，还要求尽度即可。而图形显示器则不仅要求高的对比度，还要求尽可能多的灰度级可能多的灰度级6色域和色域覆盖色域和色域覆盖 色域：色域：CIE1931年公布的人眼可见光谱色域表示显示颜色年公布的人眼可见光谱色域表示显示颜色的范围和鲜明程度的范围和鲜明程度 通常用通常用CIE1976均匀色度坐标中显示器的均匀色度坐标中显示器的RGB三角形大小三角形大小来表

21、示。来表示。 在马蹄形线框中，三角形越接近外侧颜色的饱和度越高，在马蹄形线框中，三角形越接近外侧颜色的饱和度越高，越接近中心越靠近白色越接近中心越靠近白色 色域覆盖：色域覆盖：在在1976CIE u v 色度图上，显示电色度图上，显示电视机或者其他显示器的色域面积（即三基色视机或者其他显示器的色域面积（即三基色RGB三角形的面积）占三角形的面积）占u v 色度空间全部面色度空间全部面积积01952的百分数。该百分数的值越大，说的百分数。该百分数的值越大，说明重现还原的彩色越多，彩色越鲜艳明重现还原的彩色越多，彩色越鲜艳 色域覆盖率的计算：色域覆盖率的计算：用色度计分别测量屏幕中用色度计分别测量

22、屏幕中心红色的色度心红色的色度u Rv R，绿色的色坐标，绿色的色坐标u Gv G，蓝色的色度蓝色的色度u Bv B，计算计算RGB三角形的面积：三角形的面积： 12RGBRBGBGBRBSuuvvuuvv 色域覆盖率用色域覆盖率用Cp表示，则用表示，则用RGB三角形的面积三角形的面积SRGB除除以以0.1952，乘以，乘以100%，得，得100%0.1952RGBSCp 按照规定，按照规定，LCD、PDP、CRT电视机的色域覆盖率电视机的色域覆盖率V32%7.响应时间响应时间 响应时间：响应时间：显示器各点像素在激励信号作用下，显示器各点像素在激励信号作用下，亮度由暗变亮和由亮变暗的全过程所

23、需要的时间，亮度由暗变亮和由亮变暗的全过程所需要的时间，响应时间等于上升时间加下降时间响应时间等于上升时间加下降时间上升时间：上升时间：图像亮度从图像亮度从10%上升到上升到90%所用的时所用的时间间下降时间：下降时间：图像亮度从图像亮度从90%下降到下降到10%所需要的所需要的时间时间 注意：注意： 显示器件一个像素的响应速度与显示图面整体的响应速度显示器件一个像素的响应速度与显示图面整体的响应速度不一定一样，一般使用比较实用的方法，即图面整体响应不一定一样，一般使用比较实用的方法，即图面整体响应速度来表示速度来表示 电视图像响应时间要小于电视图像响应时间要小于1/30s，一般主动发光的显示

24、器响，一般主动发光的显示器响应时间都可以小于应时间都可以小于0.1ms，而非主动发光的，而非主动发光的LCD的响应时的响应时间为间为10500ms8视角视角 一般用面向画面的上下左右的一般用面向画面的上下左右的有效视场角度有效视场角度来表示来表示 国际电工委员会对视角作了规定：国际电工委员会对视角作了规定：在屏幕中心的亮度减在屏幕中心的亮度减小到最大亮度的小到最大亮度的1/3的时候的水平或垂直方向的视角的时候的水平或垂直方向的视角 测量方法：首先测量屏幕中心的亮度为测量方法：首先测量屏幕中心的亮度为L0，然后水平移，然后水平移动测量仪器的位置，分别在中心点的左右水平方向测得动测量仪器的位置，分

25、别在中心点的左右水平方向测得亮度为亮度为L0 /3时，得到的左视角和右视角之和，为水平视时，得到的左视角和右视角之和，为水平视角，垂直视角同理测量角，垂直视角同理测量 在在SJ/T11343-2006中规定：中规定： 水平可视角水平可视角120度度 垂直可视角垂直可视角80度度9功耗功耗 功耗分只测定显示器件的情况和测定包括驱动电路等在内功耗分只测定显示器件的情况和测定包括驱动电路等在内的模块的情况。（一般采用后者）的模块的情况。（一般采用后者） 反射式反射式LCD功耗很低，透射式功耗很低，透射式LCD实用背光源，功耗就实用背光源，功耗就不低了。不低了。10发光效率发光效率 发光效率是发光型显

26、示器件所发出的光通量和所消耗的功发光效率是发光型显示器件所发出的光通量和所消耗的功率之比率之比 VFD发光效率约为发光效率约为10lm/W，LED随其材料不同发光效率随其材料不同发光效率在在14lm/W，OLED的发光效率为的发光效率为15lm/W，PDP的发光效的发光效率只有率只有2.3 lm/W 发光效率决定了显示器件工作时的功率消耗，这对便携式发光效率决定了显示器件工作时的功率消耗，这对便携式显示器件尤其重要。显示器件尤其重要。5 关于关于On/Off时间与时间与GTG时间时间对于对于LCD响应时间，用户常对厂家宣称的过快数据感到响应时间，用户常对厂家宣称的过快数据感到困惑，因为在定义显

27、示屏响应时间时，上升下降时间指困惑，因为在定义显示屏响应时间时，上升下降时间指信号分别在稳定值的信号分别在稳定值的10%与与90%之间的时间间隔。其之间的时间间隔。其余余20%的时间被忽略了。的时间被忽略了。对于液晶分子来说，开启和断后都有滞留时间，有时甚对于液晶分子来说，开启和断后都有滞留时间，有时甚至可能超过至可能超过ISO响应时间定义本身，所以省去这响应时间定义本身，所以省去这20%就就可能美化了指标可能美化了指标 由于液晶分子由黑到白和由白到黑的转换速度并不是完全由于液晶分子由黑到白和由白到黑的转换速度并不是完全一致的，为了能够尽量有意义的标示出液晶面板的反应速一致的，为了能够尽量有意

28、义的标示出液晶面板的反应速度，针对响应时间的定义，基本以度，针对响应时间的定义，基本以“黑黑白白黑黑”全程响全程响应时间为标准。应时间为标准。 事实上，液晶分子转换速度及扭转角度由施加电压的大小事实上，液晶分子转换速度及扭转角度由施加电压的大小来决定。从全黑到全白液晶分子面临最大的扭转角度，需来决定。从全黑到全白液晶分子面临最大的扭转角度，需施以较大的电压，此时液晶分子扭转速度较快；而介于全施以较大的电压，此时液晶分子扭转速度较快；而介于全黑、全白间的较小幅度灰阶变化，需施加较小电压来进行黑、全白间的较小幅度灰阶变化，需施加较小电压来进行准确而精细的角度控制，因此液晶分子扭转速度反而要慢准确而

29、精细的角度控制，因此液晶分子扭转速度反而要慢一些。一些。通常来讲，液晶面板黑白间的响应时间最快，而其通常来讲，液晶面板黑白间的响应时间最快，而其它灰阶之间也是构成绝大多数不同色彩变化的响应时间，它灰阶之间也是构成绝大多数不同色彩变化的响应时间，要比黑白间的响应时间慢得多要比黑白间的响应时间慢得多。例如：例如：某液晶显示器的响应时间测试数据某液晶显示器的响应时间测试数据按照按照ISO定义上沿时间为定义上沿时间为28.5-12=16.5ms但实际观察整个像素从但实际观察整个像素从0%到到100%灰度转化的全部过灰度转化的全部过程，用时程，用时40ms。ISO定义的定义的严重的缺陷是：忽略了不同灰度

30、切换的时间严重的缺陷是：忽略了不同灰度切换的时间某液晶显示器响应时间测试某液晶显示器响应时间测试 传统响应时间计算方式下，液晶显示器虽然可拥有传统响应时间计算方式下，液晶显示器虽然可拥有16ms,12ms或或8ms的响应时间，然而其灰度响应时间却可的响应时间，然而其灰度响应时间却可能超过能超过40ms甚至甚至60ms，所以以黑白黑为响应时间标准无，所以以黑白黑为响应时间标准无法全面表现法全面表现LCD真实的反应速度真实的反应速度 所以提出了灰度响应时间（所以提出了灰度响应时间（Gray To Gray GTG）概念）概念传统响应时间与最大灰阶响应时间对比传统响应时间与最大灰阶响应时间对比液晶分

31、子的响应时间方程式为：液晶分子的响应时间方程式为：2221thrVVd221thdVd其中，其中， 为液晶材料的粘滞系数，为液晶材料的粘滞系数，d为液晶盒驱动电压，为液晶盒驱动电压， 为液晶材料的介电系数。为液晶材料的介电系数。V为液晶盒驱动电压为液晶盒驱动电压1要缩小响应时间，需要从以下要缩小响应时间，需要从以下4方面着手：方面着手：1 减小液晶材料的粘滞系数减小液晶材料的粘滞系数 减小液晶盒厚度减小液晶盒厚度 增大液晶盒驱动电压增大液晶盒驱动电压2 增大液晶材料的介电系数增大液晶材料的介电系数液晶材料的粘滞系数和介电系数都是直接与液晶材料本液晶材料的粘滞系数和介电系数都是直接与液晶材料本身的特性相关的，需要反复实验测试对比找到合适材料身的特性相关的，需要反复实验测试对比找到合适材料增大液晶盒驱动电压可以提高响应速度，但同时减小液增大液晶盒驱动电压可以提高响应速度，但同时减小液晶寿命。所以需要反复实验和测试得出合适的驱动电压晶寿命。所以需要反复实验和测试得出合适的驱动电压值值GTG响应时间的实现与过驱动技术分不开响应时间的