（光学工程专业论文）基于动态调制传递函数的lcd运动模糊研究.pdf

r e s e b y z h a o d e n g f e n g s u p e r v i s e db y p r o l ix i a o h u a s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu h i v e r s i 够 m a y 2 0 1o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二啤日期：上堆l 卑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 摘要 摘要 平板显示技术特别是液晶显示技术近年来取得了飞速的发展，已逐渐成为主流显示技术， 其显示动态图像的能力也越来越受到公众的关注。由于l c d 在显示快速运动的图像时，会出 现运动模糊现象，导致液晶显示器件的动态图像显示质量下降，制约了其在诸如视频领域的 运用。因此如何评价和改善液晶显示器的运动模糊现象成为研究热点。 研究发现，产生运动模糊的客观原因是液晶像素较慢的响应速度和l c d 的保持型显示方 式，此外，人眼的视觉特性是引起运动模糊的主观因素。本文基于l c d 响应和保持型显示的 特点以及人眼观看运动物体时平滑追踪、时域亮度积分的原理，推导了运动模糊仿真模型。 传统的评判运动模糊参数有着各自的缺点，为了克服其不足，论文采用动态调制传递函 数作为液晶显示器件运动模糊的评判参数，动态调制传递函数的计算采用空间频谱分析的方 法，基于空间频率和运动速度间的多灰度序列响应测量，所得结果更能反映出自然动态图像 显示的细节失真程度。论文详细讨论了其测量原理和计算方法。结合视觉感知实验，表明该 方法的计算仿真感知图形的模型和实际观看的相关性很高。 为了克服硬件产生测试图像的不足，并使视觉感知实验更加灵活，本论文在w i n d o w s 环 境下利用d i r e c t x 开发工具包进一步完善了图像源软件，软件平台以d i r e c t d m w 作为主要绘 图引擎，并且配合d i r e c t x 的其它组件。实际应用证明图像源软件在显示动态画面时稳定流 畅、无闪烁、无抖动，并且可以实时控制图像的变化，完成实验所需交互功能，满足视觉感 知实验对图像显示的要求。 随着背光技术的发展，在诸多的改善运动模糊现象技术中，扫描背光技术以其独特的技 术优点，显示了其优越性。论文最后针对扫描背光和传统的连续背光两种背光模式，结合测 量出的响应曲线，通过计算运动线扩展函数和动态调制深度，结合视觉感知实验进一步验证 采用调制背光可以有效地改善液晶显示器件运动模糊现象。 关键词：液晶显示，运动模糊，动态调制传递函数，d i r e c t x ，扫描背光 s m 0 0 t hp u r s u i t 订a c l ( i n ga 1 1 dt e m p o r a lb r i g h t i l e s si n t e g r a t i o i l ，as i m u l a t i o nm o d e li sd e r i v e dt 0 c a l c u l a t et h em o t i o na n i f a c t s 7 r 切l d i t i o n a le v a l u a t i o nm e m o d sh a v et 1 1 e i ri 1 1 s u f n c i e n c i e s ，s od v n 锄i cm o d u l a t i o nt r a n s f e r 如n “o n ( d m t f ) w a sp r o p o s e da sam e t r i ct oc h a r a c t e r i z em o t i o nb l u ri i ll c d s s i n c et h ed m t f i sc a l c u l a t e db a s e do nt h em e a s u r e dl i g h tb e h a v i o rw i t hi n p u tc o d es e q u e n c e ，i ti sr e n e c t e dt l l e g e n e r a ld e g r a d a t i o na tv 撕o u ss p a t i a 】舶q u e n c i e s d m t fi ss u p p o s e dt 0b eap r o m i s i n gm e t r i c m o r er e l a t e dt 0t h en o r n l a ln a t u r a ld i s p l a yq u a l 竹a 1 1 dm ea c t u a lp e r c e p t u a li m p r e s s i o n 1 1 1 ed e t a i l m e a s u r e m e n ta 1 1 ds i m u l a t i o nm e t l l o d sw e r ep r e s e n t e d t h ep e r c e p t u a le x p e r i m e n tw 嬲c o n d u c t e d t h er e s u l t so ft h ep e r c e p t u a le x p e r i m e n t si i l d i c a t e1 1 i 曲e rc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed m t fm e n l o d a l l dr e a lp e r c e i v e dm o t i o ns i n u s o i d a lp a t t e m i i lo r d e rt oo v e r c o m et l l ed e f i c i e n c i e so ft 1 1 et e s tp a t t e ms u p p l i e db yh a r d w a r ea n dt om a k et l l e v i s u a lp e r c 印删e x p e r i m e n tm o r ef l e x i b l e ，a 黟印1 1 i c sp r o 铲锄i si m p l e m e n t e du 1 1 d e rw i n d o w s e r l v i r 0 姗e n tu s i n gd i r e c c ks o 胁a r ed e v e l o p m e n tl 【i t d i r e c t d r a wi si l s e da st h em a i ng r a p l l i c s e n g i n ei nc o n j u n c t i o nw i t ho m e rc o m p o n e n t so fd i r e c t ：x p r a c t i c 2 l la p p l i c a t i o n sh a v ep r o v e dt h a t i m a g es o u r c es o f t w a r ei sa b l et od i s p l a ys t a b l e 觚ds m o o t hm o t i o ni m a g e sw i n l o u tn i c k e ro ri i 妣r ， a d j u s tt 1 1 em o v i n gs p e e dr e a l - t i m ea i l ds u 衔c et 1 1 ei n t e r a c t i v ef e a t l l r e s s oi tm e e t st l l er e q u i r e m e n t s o fi i i l a g ed i s p l a yi nv i s u a lp e r c 印t i o ne x p e r i i n e n t w i t h 也ed e v e l o p i n go ft l l et e c h n o l o g y ，t h em o d u l a t e db a c k l i g h t sa r eu s e dt 0 i m p r o v et l l e p h e n o m e n o no fm o t i o nb l u r c o m p a r i n go t l l e r st e c l l l l o l o 西e s ，t h es ca l ：i n i n gb a c l d i g h th a si t so 、n s u p e r i o r i t ) ，埘t l lm a n yu n i q u ea d v a l l t a g e s b ym e a s u r i n gt h em e 船u r e dr e s p o i l s ec u r v e s ，m o v i l l gl i l l e s p r e a d 觚c t i o n 觚dm o d u l a t i o nd e p t ha r ec a l c u l a t e df o rm ec o n t i n u o u sb a c l 【l i g h ta n ds c 锄i n g b a c l d i g h tm o d e s ，m er e s u l t sp r 0 v e dt l l a tt h es c 锄1 i n gb a c h i g h tc a ni r n p r 0 v em o v i n gi m a g eq l l a l i t y k e yw o r d s ：l i q u i dc 巧s t a ld i s p l a y ，m o t i o nb 1 d y n a 而cm o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ， d n c t ) ( ，s c a i l i l i n gb a c k l i 曲t 目录 目录 摘! 1 2 l ：i a b s l t a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1t f t - l c d 的显示原理1 1 2l c d 运动模糊概述。2 1 2 1l c d 运动模糊现象及原因2 1 2 2 目前常用的减小运动模糊的方法4 1 3l c d 背光技术6 1 4 论文的研究内容与结构安排8 第二章l c d 运动模糊模型的建立及评判参数1 0 2 1 与l c d 显示技术相关的视觉特性1 0 2 1 1 视觉的时间特性1 0 2 1 2 视觉的空间特性一l o 2 1 3 对比敏感度函数1 1 2 2 运动模糊的测量与评估方法1 4 2 2 1 目前常用的运动模糊测量方法1 4 2 2 2 运动模糊测量评估系统架构设计一1 6 2 2 3 仿真模型的建立1 7 2 3l c d 运动模糊的时空域评判19 2 4l c d 运动模糊的频率域评判2 l 2 5l c d 运动模糊评判参数比较2 3 2 6 本章小结2 3 第三章动态调制传递函数在l c d 运动模糊评判中的应用2 4 3 1 调制传递函数的数理基础2 4 3 1 1 基于点扩展函数或线扩展函数的光学传递函数定义方法2 4 3 1 2 基于正弦光栅成像的光学传递函数定义方法2 5 3 2l c d 动态调制传递函数的定义2 6 3 3l c d 动态调制传递函数的计算与测量2 7 3 4 视觉感知试验验证2 9 3 5 动态调制传递函数的应用与讨论3 0 3 5 1 显示器伽玛特性的影响：3 0 3 5 2 液晶响应非线性的影响3 1 3 6 本章小结3 1 第四章测试图像源的软件实现方法3 2 4 1 基于硬件图像源设计的不足3 2 4 2 基于w i i l d o w s 环境测试图像源的设计3 3 4 2 1w i n d o w s 环境下建立应用程序3 3 4 2 2 测试图像源编程工具及引擎3 3 4 2 3 基于d i r e c t d r a w 的运动图像设计3 5 4 2 4 基于d i r e c u p u t 的输入设备响应设计3 8 4 2 5 应用程序构架3 9 4 3 程序测试与运行效果4 0 4 4 本章小结4 0 i i l 东南大学硕士学位论文 第五章两种背光模式下的l c d 运动模糊现象一4 1 5 1 扫描背光系统的工作原理4 1 5 2 两种背光模式下的l c d 响应曲线4 4 5 3 两种背光模式下运动模糊模型4 5 5 4 两种背光模式下比较与分析4 6 5 4 1 两种背光模式运动模糊测量方案4 6 5 4 2 两种计算方法4 7 5 4 3 两种背光模式测试结果的比较分析4 9 5 4 4 两种背光模式运动模糊的结果讨论5 2 5 5 本章小结5 2 总结5 3 致谢5 4 参考文献5 5 作者简介5 8 i v 第一章绪论 第一章绪论 近几年平板显示技术特别是液晶显示技术取得了快速的发展，并且逐步取代传统的c r t 成为显示设备的主流。但是新的l c d 运动模糊现象也不可避免地产生，原有的测量评估系统 不能满足要求，提出新的评判参数势在必行本章最后阐述了论文工作的必要性和论文的主 要工作。 1 1t f t - l c d 的显示原理 液晶显示器按照其结构和驱动方式可以分为：t n 、s t n 和t f t 等种类。由于t f t 型是目 前液晶显示技术发展的主方向，也是视频显示市场的主流产品，本节将主要介绍薄膜晶体管 ( t f t ，n l i nf i l mt r a i l s i s t o r ) 液晶显示器的结构及基本工作原理。 外 界 光 偏 振片 光输入 灞茹 女# t 背光：l i g h t ( t ) ( a )( b ) 图1 1( a ) t f t l c d 结构示意图( b ) t f t - l c d 发光示意图 如图1 1 ( 曲所示，t f t 液晶盒主要有上下偏振片、上下玻璃基板和液晶材料层等组成【2 1 。 上基板上涂有透明i t o 半导体导电层和滤色片，下基板上是t f t 有源矩阵。当未施加电场时， 液晶分子层是扭曲的，能把进入液晶层的偏振光扭曲成与原来垂直的方向，所以刚好与上偏 振片的透射方向一致，能透过上偏振片，进入人眼形成亮度感觉；当施加电场时，液晶分子 直立取向，使第一次透过下偏振片的偏振光无改变地经过液晶层，但到达上偏振片时，由于 这些偏振光的振动方向与上偏振片的透射方向垂直，所以这部分光就不能透过。 数据线 扫描缱 ol ( b ) c 图1 2t f t - l c d 像素结构示惫图 t f t 阵列以及彩色滤色膜上的刚g b 滤色单元与它们所对应的液晶共同组成一个显示单 元，称为子像素( s u b - p i x e l ) ，刚g b 子像素合在一起称为一个像素。显示屏上每个像素的点 亮是通过行列电极的共同寻址完成的，其中t f t 的源极和漏极分别与信号电极和像素电极相 连，栅极则与扫描电极相连，如图1 2 所示。寻址时，首先开启像素所在的行，然后再在相 应的列上施加一电压，故该行上只有那些要求的像素被开启，其余像素则由于对应的列未开 东南大学硕士学位论文 通而不被寻址。当t f t 开启时，信号电流给存储电容c 充电，在c 上形成一个与信号大小成 正比的直流电压；当t f t 截止时，存储电容上的电压在整个帧周期内基本保持不变，因此像 素信号的写入时间为行扫描周期，保持时间为帧周期，这种显示方式称作采样保持( s h ， s 锄p l e & h o l d ) 型显示p j 【4 儿副l6 儿。 为简单起见，把l c d 抽象成l c 像素单元、像素单元上的驱动电压、背光三部分。驱动 电压控制l c 像素单元的电场，使其中的液晶分子的旋转或扭曲，背光一直点亮，但只能通 过开启的l c 像素单元才能透光，所以l c 像素单元相当于一个光阀，驱动电压控制阀门的打 开和关闭。如图1 1 ( b ) 所示，人眼看到的亮度由两部分决定：y ( x ，t ) = t r a n s ( x ，t ) 拳“曲t ( t ) ，y ( x ，t ) 表示某个像素x 在t 时刻发出的亮度，其中t r a l l s 是l c 像素单元的透过率，也就是l c 光阀 开启或关闭的效果，表示某个像素x 在t 时刻的透过率，l i g h t 是背光源发光强度【8 】。 1 2l c d 运动模糊概述 由于在t f t - l c d 上显示运动图像时会引起图像清晰度的下降，即产生各种赝像，其中最 主要的是运动模糊现象，其严重地阻碍了t f t - l c d 在视频运态图像显示领域的应用，本节主 要论述l c d 的运动模糊。 1 2 1l c d 运动模糊现象及原因 一幅清晰的图像在l c d 上动态显示时，由于人眼视觉和显示器件的主客观特性，使得感 知到的运动图像产生模糊现象。运动模糊又可以分为运动边缘模糊( m o t i o ne d g eb h ) ，如图 1 3 ( a ) 所示，和运动方块模糊( m o t i o nb o xb l u r ) ，如图1 - 3 ( b ) 所示。前者主要指的是单一边缘 运动产生的模糊失真现象，后者主要考虑了运动方块前后边缘同时模糊现象( 两者本质一样) 。 ( a ) 静止图像 图像向右运动 ( b ) 静止图像 图像向右运动 图1 3l c d 运动模糊现象 早在1 9 9 8 年t k 面t a 就解释了l c d 运动模糊现象的原因，运动模糊现象由以下两个方 面原因产生： 1 客观原因：l c d 的显示特性 l c d 明显区别于c r t 的地方在于驱动方式的不同，如图1 4 所示【9 1 。l c d 为保持型显示 器件，其像素两端的电场在一定时间内保持不变，这样理想状态下，平板显示器的光域在一 帧内始终处于开启或关闭状态，光域的这种状态同时也完全地透过或者关闭了恒定的背光， 使l c d 最终射出来的光在一帧的时间内保持不变，成为一个矩形波，如图1 4 中的实线曲线。 这种特性反映在l c d 显示连续运动图像时，总体上人眼感觉图像是一直在运动，但实际上在 每帧期间，图像的位置保持不变的，到下一帧才跳一个位置，这与人眼的连续运动产生一个 错位，这是运动模糊产生的主要原因。 2 第一章绪论 理想响应特性 ，矗目= f - 刍r ： ：j t ，峙i 叼、1 呷正! z t 光 1 帧 光。 1 帧 强强 ，j 强 f i j i i i i 、 、 、 i 、 、 、 、 、 ( a ) 脉冲型 时间 ( b ) 保持型 时间 图1 4 ( a ) c r t 脉冲型显示( b ) a m l c d 保持型显示 另一方面，平板显示器的缓慢响应加剧了模糊现象，当l c d 像素两端的电场变化时，l c 像素并未立即响应，而是一个缓慢的过程，即平板显示器光阀的开启与关闭需要一定的时间， 导致调制背光后最终的l c d 亮度响应如图1 4 中虚线所示。 目前，由于l c d 生产商将主要精力放在提高l c 材料的响应时间上，加上过驱动等技术 的引入，灰度等级为o 级到2 5 5 级之间的响应时间已经可以低于8 m s 。实验证明，当响应时 间小于一帧( 约1 6 7 m s ) 时，动态对比度下降和频闪运动两种运动模糊基本消失，运动物体 边缘变得更加清晰，但是并不能达到与c i 汀显示器件一样的清晰程度，而且，即使是实现零 响应时间，也不能完全消除运动边缘模糊，因为运动模糊的产生还与l c d 的保持型工作模式 以及接下来将要介绍的人眼的视觉特性有关系，这些因素在l c d 响应速度提高之后，凸显出 更多更细微的运动模糊。 2 主观原因：人眼的视觉特性 人眼在观察运动的物体时眼球主要有两种运动方式【1 0 】：快速的跳跃运动( s a c c a d i c m o v e m e n t ) 和人眼平滑追踪运动( s p e m ，s m o o t hp u r s u i te y em o v e m e n t ) 。人眼观察静态事 物时眼球的运动状态也可以分为两种：在一处停留的状态和正向别处移动的状态。当需要预 测被观察对象动作的速度和方向时，就会产生平滑追踪性运动。人眼的平滑追踪运动是指当 对缓慢运动的事物进行自然追踪时视线的连续运动，此时观察者要能够预测物体的运动方向 和速度等。但是，仅靠平滑追踪运动追踪物体的动作速度是有限的，假如物体的动作速度超 过了上述有限的速度值，仅仅依靠追踪运动方式就无法及时捕捉到被观测事物，此过程中产 生的位置误差需由跳跃性运动来弥补。 人眼观察运动物体时，眼球跳跃性运动和平滑追踪运动起主要作用。研究表明，由于抑 制跳动机制的作用，跳跃性运动对视觉感知的运动图像质量影响不大，而人眼的平滑追踪运 动是导致运动图像模糊的主要原因。 显示目标图像： 图1 5 l c d 运动模糊原理 3 东南大学硕士学位论文 真实物体运动和人眼感知如图1 5 所示，人眼观看运动物体时，眼球随着物体的运动而进 行平滑追踪，在这个运动过程中不断地进行着亮度的感知。当人眼观看l c d 运动图像时，由 于一帧时间内l c d 的图像是静止的，而眼球还是在运动，所以使得视网膜某一点a 本来只 接受l c d 上某像素a ，的亮度，变成了视网膜上a 接受l c d 上与a ，相邻的若干像素的亮度， 导致视网膜上a 点不是对l c d 上a ，点的正确亮度感知，引起了动态图像轮廓模糊、颜色失 真及伪轮廓等问题。 1 2 2 目前常用的减小运动模糊的方法 从上节l c d 运动模糊产生的原因中，可以发现，运动模糊产生的客观原因有两个：( 1 ) 缓慢的l c 响应，( 2 ) l c d 的保持型模式。所以减少运动模糊主要也应从( 1 ) 提高液晶像素 的响应速度，( 2 ) 改进l c d 固有的保持型特性这两方面入手，也就是说，尽可能让缓慢上升 或下降的响应曲线变得更陡，趋向于方波，让方波更窄，类似于c i 玎的响应( 因为c i 订脉 冲型响应产生的运动模糊最小) 。 1 提高液晶像素的响应速度 从液晶材料的角度，l c 的粘度越低，它的响应速度就越快；l c 的越大，上升的响 应速度越快。通过降低液晶材料的粘度和提高，新型含氟液晶材料的响应时间可以达到 8 m s 以下。 从液晶盒的设计角度，减少盒的厚度可以有效地提高响应速度，但盒的厚度影响到对比 度，同时增加工艺的难度。 从驱动的角度，过驱动( o v e r d r i v i n g ) 也是提高响应速度的有效方法，因为液晶分子在 响应外电场的作用改变其排列方向时需要能量，如果在上升沿和下降沿加上比正常驱动电压 高一些的电压，则液晶分子在比较强大的电场作用下很快就达到所要求的排列方式，从而缩 短了响应时间。 事实上，就算响应时间减小到零，也即l c d 的响应曲线为理想的阶跃响应，由于保持型 显示和人眼的平滑追踪特性，同样会引起模糊感觉。 2 改进l c d 的保持特性 ( 1 ) 倍帧频( 丘锄er a t ed o u b l i n g ) i l l j 吲 提高帧频可以改善运动模糊的效果已经得到实验证实，它可以理解为缩短了t f t 的保持 时间，如果帧频无穷大，它就成了脉冲显示。如图1 6 ( c ) 所示，在相同l c 响应时间下提高帧 频对模糊的改善情况。多家公司报道了用1 2 0 h z 帧频对运动图像模糊的明显改善，到2 4 0 h z 时可以完全消除模糊现象，但是提高帧频涉及整个显示系统的诸多问题，如：运动估算和补 偿技术( m e m c ) 、功耗、带宽、干扰、成本上升等，产业界都慎重采用。 ( 2 ) 脉冲驱动( i i n p u l s e 嘶v i n g ) a 插入黑场( b l a c k 行锄ei n s e n i o n ) 1 1 2 j 1 1 j 1 如图1 6 ( b ) 所示，插入黑场是从信号处理的角度模拟脉冲驱动的一种方法，它在一帧的某 一时段消除整个显示屏各像素的信号，成为一个黑场，从信号处理的角度缩短了t f t - l c d 的 保持时间，从而改善运动图像的质量。但是由于插入黑场时l c d 的漏光现象，对比度会明显 下降( 控制插入的黑场小于帧周期的2 0 ，可以使对比度下降不很明显) 。另一方面，黑场 的插入使显示部分的每行扫描时间缩短，会大大增加对数据速率和带宽的要求，从而增加技 术的难度和成本。黑场的插入会明显降低显示屏的亮度，有人建议插入和图像亮度平均值相 应的灰场，以兼顾亮度和运动图像质量两个方面。 4 第一章绪论 o t 亘 蓉 图1 6 ( a ) 传统技术( b ) 插入黑场技术( c ) 倍帧频技术 b 背光源闪烁( b l i n “n gb a c k l i g m ) 州 由1 1 节知，既然l c d 的光输出是由背光源和液晶透过率共同决定的，通常的l c d 背光 源是一直开着，连续发光。如果控制背光源的发光，使它从连续发光变成只在一帧的某个时 间段内发光，t f t 的保持特性就有所改善，就有了些类似于脉冲发光的效果，则运动图像的 模糊程度就可以明显改善。图1 7 表示一组冷阴极荧光灯( c c f l ) 在一帧的6 0 的时间内同 时打开( 占空比为6 0 ) ，在余下的时间内同时关闭的情况。检测表明，在背光的占空比为 7 0 以上时，运动图像的质量没有明显改善，而占空比5 0 “o 时效果明显，但占空比太 小时容易产生闪烁( n i c k e r ) 现象。 用背光源的闪烁来改善运动图像的质量，可能导致亮度的下降，但研究表明，由于背光 源以一定的占空比工作，灯管表面温度降低，发光效率得到提高，另一方面，还可以适当提 高c c f l 的工作电流以提高它的亮度，但一般认为5 0 的占空比还是会引起亮度的下降，6 0 的占空比是一个比较合适的选择。 圈圈 图1 7 背光闪烁示意图 c 扫描背光源( s c 锄j 1 i n gb a c l 【l i 蛳) 【1 7 】【l s 】 除了控制背光源的占空比以外，控制背光源发光的相位也是有效的方法。如图1 8 所示， 为最为理想的扫描背光方法，避开液晶像素的上升和下降沿，在液晶像素完全开和完全关的 相位上点亮背光源。采用这种方法要求液晶的上升和下降时间之和小于2 3 帧周期，即小于 1 0 m s ，而背光只在后1 3 帧周期的相位点亮。由于液晶像素的开启是屏面从上至下顺序地扫 描的，用整个背光源闪烁的方法在全画面上实现这样的相位关系是不可能的，唯一的方法是 背光源和显示屏同步扫描点亮，可以基本上实现这样的相位关系。但是采用了扫描背光源以 后，屏的亮度降低了，以上述1 3 帧周期照亮而言，需要三倍的背光灯管才能补偿。因此建 议用热阴极荧光灯( h c f l ) ，因为它的亮度比c c f l 高不少，同时发光效率也高。 东南大学硕士学位论文 图1 8 扫描背光灯管点亮和像素响应相位关系示意图 扫描背光源还容易引起图像的闪烁，尤其在大片亮场的区域。因此提出在一帧内增加一 个光脉冲，二个光脉冲相隔半个帧周期，这就是双光脉冲扫描背光源，但双光脉冲扫描容易 引起双边缘虚像现象，可以根据图像的情况在双光脉冲扫描和单光脉冲扫描之间切换，以达 到既消除图像的闪烁，又不产生双边缘虚像的效果。 3 采用图像处理技术 ( 1 ) 运动补偿反转滤波技术( m o t i o nc o m p e n s a t e di n v e r s ef i l t e r i n g ) l 1 6 j 该技术是通过对图像信息频域中常用的空间频谱进行分析与处理来解决运动模糊现象。 从空间频谱分析的角度来看，l c d 与观察者视觉系统共同组成与空间位置变化有关的空间滤 波系统，而运动模糊现象实际上就是这种空间滤波系统对图像信号产生的一种与运动相关的 低通滤波效应( 1 0 w - p a s sf i l t e r i n ge 虢c t ) ，即观看者只感知到了图像中空间频率较低的信息成 份( 运动物体的轮廓) ，而空间频率较高的信息( 运动细节) 则被过滤掉了，所以观看者看到 的只是模糊的运动图像。因此，要消减l c d 的运动模糊现象，可以利用某种有效的运动图像 空间频谱数据分析与处理算法，并增加相应的反转滤波装置来抵消或校正上述的空间低通滤 波效应，从而实现对运动图像的补偿。 l c d 在整个帧周期内持续发光，其“时间孔径 趋于一宽度为保持时间即帧周期的矩形 函数，而在频率域，该孔径可以表述为一辛格函数( s i n c ) ，故时间孔径的作用等效为一时间 低通滤波器。在运动图像情况下，通过时空转换x 吲，时间低通滤波器转换为空间低通滤波 器，故可以用反向滤波器对这一空间滤波效果进行预补偿。这就是一个纯粹的视频图像处理 过程。 4 结论 由于t f t - l c d ，包括其它使用t f t 阵列的平板显示技术，是工作在保持型模式下，显示 运动图像时出现模糊是不可避免的。通过提高液晶响应速度，采用脉冲驱动法改善t f t - l c d 的保持特性，也就是缩短保持时间，可以在很大程度上减小模糊现象。综合采用这些方法已 经可以使模糊现象达到人眼不易感知的程度，但这些方法大都比较复杂，有些还成本较高。 随着显示向高清晰度方向发展，进一步提高运动图像质量的工作还会进一步深入发展，人们 期待着有效、简单、低成本方法的进一步出现。 1 3l c d 背光技术 背光源是l c d 中的发光体，观察者所看到的图像都是由最终的背光源经滤色片过滤而 来。目前l c d 大多采用c c f l 作为背光源，但其所产生的色域只能到达n t s c 的7 2 ，并且 含汞污染环境，其功耗等也不足令人满意。 如下图1 9 所示，为c c f l 连续背光模式t f t - l c d 面板的驱动结构示意图。 6 第一章绪论 图1 9l c d 面板驱动结构示意图 然而随着液晶显示技术的快速发展，各种新型背光模式不断涌现： ( 1 ) 含灵活算法的可局部控制的l e d 背光源显示系统【1 9 】 对于传统背光l c d ，强度均匀的背光源照射整个显示区域，通常各点的平均光强是一致 的( g l o b a ld i m m i n g ) 。 局部控制技术( 1 0 c a ld i m m i n g ) 是根据所要显示的区域图像内容决定背光源亮度或颜色， 并对l c d 控制信号进行调制，在保持图像亮度的前提下，有效地节省功耗，提高对比度。在 判断到最亮的地方，完全打开该单元格中液晶单元的同时，还给对应的l e d 单元格加最大的 电压，使其亮度达到最大；而最暗的地方则把该单元格中液晶单元完全关闭，同时对应的l e d 单元格的电压也降低到最小( 或者关闭) ，因此减轻了漏光现象。 根据人眼的视觉特点，算法系统可以准确估算插黑比例以消除因保持特性而引起的运动 模糊现象，而该l e d 背光源控制器可以维持面板的亮度，使用该驱动系统后，可以提高运动 图像质量而不增加能耗和降低显示面板亮度。 图1 1 0 ( b ) 为局部控制背光源液晶显示算法流程图，由输入图像内容决定的背光源驱动信 号产生非均匀的动态背光，并在已知的背光光扩散分布的基础上，由输入图像和液晶补偿信 号共同确定l c d 的信号。实际区域控制技术依据背光驱动信号的获取、背光强度分布及液晶 屏幕信号补偿采用了不同的方法。 输入 图像 h 确定背光驱动信号卜- 一 l e d 背光信号 i ! 广1 广_ 1i ： l 非均匀动态背光区域 i： 确定背光强度分布 ；i r 信号补偿区域 l h 液晶屏幕补偿信号卜- 叫 l c d 屏幕信号 i ； ! l _ - 一j 。_ j ( b ) 区域控制背光源液品显示算法流程 图1 1 0 传统统背光源与区域控制背光源算法流程比较图 7 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 高动态范围显示系统【2 0 】 由d o l b y 实验室开发的高动态范围显示技术( h i 曲d y n 锄i c 啪g e ) ，该技术可以得到比消 费市场的高清显示屏更清晰的图像，该技术使用一系列l e d 作为背光源，可以单独或成组地 控制显示器上不同的光量，相比于传统技术，对于图像的亮暗部分，可以得到一些列更大范 围的亮度值。 滴 ( a ) h d r 结构图 ( b ) h d r 实物图 图1 1 1 高动态范围显示系统结构图和实物图 该背光系统由独立寻址l e d 矩阵组组成，该结构可以提供的亮度范围从亮( 3 0 0 0 c 讹2 ) 到全黑，而且节省能耗。该背系统可以由如图1 1 l ( a ) 所示的双面板l c d 显示器模拟，面板一 ( 靠近背光源) 用于模拟分割背光源的光线调制，面板二为可变暗显示系统中真正的面板。 1 4 论文的研究内容与结构安排 1 论文的目的和意义 为了适应平板显示技术的发展，必须采用更加科学准确的方法对平板显示图像质量进行 测定和评估。目前液晶显示器在屏幕的大尺寸化、亮度、对比度、可视角度以及寿命等方面 获得了突破性的进展，成为平板电视机市场中最有力的竞争者之一。本课题的主要目的，即 在软件模拟方法基础上，对液晶显示器的运动模糊进行评估和测量，在比较各种评判参数后， 选定课题组提出的评判参数研究运动模糊现象，为进一步建立液晶显示器的评估测量体系打 下基础，同时还基于该参数来评判扫描背光模式相对于传统连续背光模式改善运动模糊的效 果。 2 本论文的主要研究工作内容 ( 1 ) 液晶显示器已经成为显示市场的主流，运动模糊现象是l c d 技术快速发展的瓶颈， 也是本课题研究的重点，目前关于运动模糊尚没有一个广为接受的评判标准，东南大学显示 技术研究中心在平板显示测量和评判方面已经有了很好的基础，本课题将在此基础上对液晶 运动模糊进行初步研究，指出目前主要评判方法的不足，借鉴参数调制传递函数( m t f ， m o d u l a t i o n1 r a n s f ；暑rf u n c t i o n ) 用来评判光电系统成像质量，本课题采用课题组提出的动态调 制传递函数( d m t f ，d y n a 面cm o d u l a t i o nt r a i l s f e rf u n c t i o n ) 讨论评判l c d 运动模糊。 ( 2 ) 采用d 沁c t ) ( 组件在w i n d o w s 环境下编程实现图形编程，软件平台用于基于d m t f 的评判l c d 运动模糊现象的主观视觉感知实验。应用程序基于w i n d o 、s 程序开发的框架， 以d i r e c t d r a w 作为主要绘图引擎，配合d i r e c t x 的其它组件，采用面向对象的开发方式，将 各个功能模块和相应函数封装成类。实验证明图像源软件在显示动态画面时稳定流畅，无闪 烁、抖动，可以满足视觉感知实验对图像显示的要求。对液晶显示器的运动模糊进行评判， 并基于软件平台进行实验设计与验证，并对结果进行分析。 ( 3 ) 为了降低l c d 运动模糊现象，产业界推出了各种不同的新技术，而降低运动模糊 的关键在于改进l c d 的保持特性。扫描背光技术就是这样一种新技术，在充分了解其工作原 8 第一章绪论 理的基础上，为了与传统的连续背光系统对比，根据各自采集的光电响应曲线以及相应的运 动模糊仿真模型，分别求出对应模式下的d m t f ，结合其它评判参数及计算结果，从而可以 客观体现扫描背光模式能较好改善运动模糊现象。 论文结构安排如下： 第一章绪论部分首先介绍n 、t - l c d 的显示原理，在此基础上介绍l c d 运动模糊现象， 并分析其产生原因和改善方法。 第二章基于与l c d 显示技术相关的视觉特性，介绍运动模糊的测量方法、时空域和频 率域的评判参数。 第三章基于调制传递函数进行l c d 运动模糊的研究，并在w i n d o w s 软件平台上进行主 观视觉感知实验，讨论并分析了实验结果。 第四章设计用于评判l c d 运动模糊的主观实验的软件平台，并详细介绍了其设计原理、 模块设计与面向对象设计类的建立。 第五章在充分了解扫描背光系统工作原理的基础上，进行扫描背光模式和连续背光模 式的l c d 运动模糊的对比研究。 第六章全文工作总结以及下一步工作建议。 9 第二章l c d 运动模糊模型的建立及评判参数 第二章l c d 运动模糊模型的建立及评判参数 人眼所感知到的l c d 运动模糊现象，与人眼视觉特性直接相关，在充分了解其特性后， 建立符合l c d 显示特性和人眼视觉特性的运动模糊仿真模型，以此为基础，进一步研究运动 模糊的特性，评估不同l c d 显示运动图像的能力 2 1 与l c d 显示技术相关的视觉特性 显示系统屏幕上的光信号是通过人的眼睛被接收并传送给大脑，从而使人获得图像的亮 度信息。在显示和认知系统中，人和机器同是系统的组成部分。因此人的因素特别是视觉生 理因素在显示系统中有着极其重要的地位，它为显示参量的选择提供重要依据。 2 1 1 视觉的时间特性 在许多显示器件中，通过光栅扫描，在很短的时间内，把一幅二维图像逐行扫描并显示 出来。比如c l 玎通过光点，从画面左上角到右下角顺序扫描多条光线，从而把图像显示出来， 所以每个像素点只是在一帧内很短的一短时间上发光。之所以我们察觉到的是一幅稳定的图 像，是因为视觉对于光的刺激从感觉上会有一段残留时间( 视觉暂留) ，在足够短的时间内， 非持续的光刺激会被叠加( 被积分) ，我们称这种现象为视觉的时间积分效应1 2 1 】瞄l 。正是这 种时间积分效应使各种显示器件实现静态、动态画面显示成为可能。 类似于空间频率特性，人们也做了大量的工作研究人眼的时间频率特性。考虑光刺激强 度( 比如亮度) 随时间按正弦规律变化，在一定时间频率情况下，调节光信号随时间变化的 幅度，可以得到时域对比敏感度。k e l l y 在1 9 6 1 年给