（物理电子学专业论文）平板显示器动态清晰度测控与仿真研究.pdf

摘要 摘要 目前随着工艺水平的提高和新技术的采用，平板显示器已经取代c r t 显示器，成为市场的主流。 但是美中不足的是平板显示器在显示运动图像时总会出现运动伪像现象，导致平板显示器件的动态 图像显示质量下降，制约了其在诸如视频领域的运用。如何评价和改善平板显示器的动态图像质量 成为研究热点。因此构建一套完善的运动伪像测量控制系统，客观的评估平板显示器的运动图像质 量，对促进平板显示器运动图像质量的研究具有重大意义。 本论文从分析运动伪像产生的原因出发，通过大量调研得知运动伪像客观上是由于显示器的保 持型显示方式和液晶响应速度慢引起的，同时人眼对运动物体平滑追踪以及人眼对亮度在时间上的 积分也是造成运动伪像的原因。基于以上分析，本实验室建立了运用显示器响应曲线来仿真运动伪 像的理论模型，研究了精确采集显示器的亮度响应曲线的方法，设计出一套平板显示器亮度响应特 性测量和运动伪像图像评估的测试平台。 论文针对测量系统中的软件控制模块进行了重点研究，利用m f c 软件设计控制界面，实现了亮 度定标、产生测试图形、控制触发信号同步采集、自动测试、多次平均去噪处理和数据的仿真分析 等功能。该 , t f c 软件控制模块实现了对可编程视频信号发生器、标准亮度计( 美能达c a 2 1 0 ) 和信 号采集卡( n iu s b 6 2 5 1 ) 三个基本单元的控制，并对获得的信号进行了分析和存储。该系统的功能 以及本论文所采用的仿真算法都已经通过实验证明了其正确性。 本论文还针对运动伪像中表现较为明显的色彩畸变现象进行了详细研究，首先从显示器的驱动 特性角度解释了出现运动图像色彩畸变现象的原因，然后利用本项目建立的运动伪像测控系统进行 参数测量，仿真出色变图像，从色度学角度出发讨论了评价并量化色变程度的参数，并通过视觉感 知实验得到了验证，为更准确的参数的提出指出了方向。 关键词：平板显示器，动态清晰度，运动伪像，测量系统，m f c ，d a q 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 矾t h ed e v e l o p m e n to fd i s p l a yt e c h n o l o g y , t h ef l a tp a n e ld i s p l a y s ( f p d s ) h a v eg r a d u a l l y r e p l a c e dc a t h o d er a yt u b e s ( c r t s ) d i s p l a y st op r e d o m i n a t ei nt h ed i s p l a ym a r k e t b u tm o t i o n a r t i f a c t so nf p d se s p e c i a l l yi nl c d sr e s t r i c tt h e i ra p p l i c a t i o n s h o wt oe v a l u a t ea n di m p r o v et h e v i d e od i s p l a yq u a l i t yb e c o m e so n eo fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lt a r g e t s i no r d e rt oe v a l u a t et h e m o t i o na r t i f a c t sq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n dt oc o m p a r et h em e t h o d so fi m p r o v i n gt h em o t i o n p e r f o r m a n c eq u a l i t y ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ham e a s u r e m e n ts y s t e mf o re v a l u a t i o no fm o t i o n a r t i f a c t s t h i st h e s i sd e s c r i b e st h em e t h o da n dd e s i g nf o r t h em o d e l i n go fp e r c e i v e dm o v i n gi m a g eo n l c d si nd e t a i l 1 1 1 ec a u s e so ft h em o t i o na r t i f a c t sa r ea n a l y z e di nh o l d - t y p ed i s p l a ya n ds l o w t e m p o r a ll u m i n a n c er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dh u m a nv i s u a lp e r c e p t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a s i m u l a t i o nm o d e li sp r o p o s e db a s e do nt e m p o r a lr e s p o n s eo fl c d sa n dt h eh u m a nv i s u a ls y s t e m i no r d e rt oe v a l u a t et h em o t i o na r t i f a c t s ，o u rl a b o r a t o r yh a se s t a b l i s h e da na c c u r a t em e a s u r e m e n t s y s t e mt oc a p t u r et h et e m p o r a lr e s p o n s eo ff l a tp a n e lc o n s i s t i n go ft h ev i d e op a u e mg e n e r a t o r , p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r , l o wn o i s ea m p l i f i e r , d a qa n dc o n t r o li n t e r f a c e t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ed e s i g no fm e a s u r e m e n tc o n t r o li n t e r f a c eu s i n gm f cs o f t w a r e 1 1 1 ei n t e r f a c ec o n t r o l st h ep r o g r a m m a b l ev i d e os i g n a lg e n e r a t o r , t h es t a n d a r dl u m i n a n c em e t e r ( m i n o l t ac a 2 1 0 ) a n dt h ed a qc a r d ( n iu s b 6 2 51 ) v i a1 2 c ，r s - 2 3 2a n du s bs e p a r a t e l y a n di t r e a l i z e sa n da c c o m p l i s h e sas e r i e so ff u n c t i o n sa sf o l l o w i n g s ：t h ec a l i b r a t i o no fd i s p l a y l u m i n a n c e ， s a m p l eb yt r i g g e r m a n u a la n da u t om e a s u r e m e n t , n o i s ed e c r e a s i n gv i aa v e r a g i n g m u l t i p l es a m p l e s ，e t c t h es a m p l e sw e r ee f f e c t i v e l ya n a l y z e da n ds a v e df o rt h ef u r t h e r u s e f u r t h e rm o r e ，t h i st h e s i st a k ea ne m p h a s i so nm o t i o n i n d u c e dc h r o m a t i ca b e r r a t i o n , t h e o c c u r r e n c eo fw r o n g l yc o l o r e de d g e sf o rm o v i n go b j e c t t h ec a u s e so fc h r o m a t i ca b e r r a n c ea r e a n a l y s e da n dam e t h o dt oc h a r a c t e r i z em o t i o nc o l o ra r t i f a c t si sp r o p o s e db a s e du p o nt h et e m p o r a l s t e pr e s p o n s em e a s u r e m e n t so ft h r e ep r i m a r yc o l o r si n d i v i d u a l l y s o m ep a r a m e t e r sf o re v a l u a t i n g c h r o m a t i ca b e r r a n c ea r ep r o p o s e da n dt h ec o r r e l a t i o n sa r ea n a l y z e dw i t hap e r c e p t i o ne x p e r i m e n t k e yw o r d s ：f p d ，d y n a m i cr e s o l u t i o n ，m o t i o na r t i f i c a t s ，m e a s u r e m e n ts y s t e m ，m f c ，d a q 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：查望酆垫整日期： 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。 研究生签名：查望鸳兰如师签名：茑酗期： 第一章绪论 第一章绪论 科技的发展迅速的改变着我们的生活，彩色显示高清时代已经到来。目前随着工艺水平 的提高和新技术的采用，l c d 以其优秀的色彩、对比度、分辨率等显示能力和重量轻、体积 小等特点成功地由计算机显示器领域进入视频显示领域。但l c d 在显示快速运动的图像时， 仍然有一些不足之处，会出现运动模糊、动态伪轮廓、大面积闪烁等失真现象，其中表现最 为明显的就是运动模糊，即原本清晰的静止图像，一旦运动，就会给人以模糊的感觉。这使 得l c d 作为视频显示器件，在视频显示清晰度方面和传统的c r t 相比仍然存在较大的差距， 因而缺少竞争力。目前，各大l c d 生产厂商、研发机构都在研究解决动态图像失真的问题。 本章先介绍了l c d 的运动伪像现象，从平板显示器原理以及人眼的视觉原理出发，解释了运 动伪像出现的原因，以及如何从动态清晰度角度评价运动图像失真，并进一步介绍了目前改 善运动伪像的方法。最后介绍了论文的主要研究工作和价值。 1 1l c d 的运动伪像现象 l c d 与传统的c r t 相比，具有体积小，重量轻，空间分辨率高，功率低等显著优点，成 为当前应用最广泛的平板显示器件，其对静态图像的显示质量已经可以和传统的c r t 显示器 件相媲美，但是其运动图像的实时显示仍然是一个大问题。可以说，运动图像显示失真已经 成为制约平板显示器件应用进一步得到扩展的一个关键性瓶颈。 1 1 1l c d 运动伪像的分类 平板显示器在显示运动图像时出现的运动伪像具体表现形式有很多，诸如拖尾效应( 例 如鼠标) ，运动物体模糊边缘、颜色混淆、文字特征拖尾、颜色改变或颤抖、高空间容量的 闪烁( 如密集的行或文字间) 、细节模糊( 导致细节丢失和边缘重现) 等，目前l c d 运动伪 像( m o t i o n a r t i f a c t s ) 的种类主要可归结为i l j ： 1 模糊边缘伪像：这一运动伪像主要发生在运动图像边缘和细节有灰度变化时，如头 发、草或瀑布，此时的图像边缘变得模糊、不清晰。 2 频闪运动：以帧频连续运动的图像被人眼感知为跳跃或起伏运动，就好像是通过一 个频闪观测仪观察运动。假设在连续视频序列中，一个球在某处停留3 帧时间后开始运动， 此后每帧时间内通过一定的显示区域，如果平板显示器面板完全响应信号需要3 帧时间，在 1 帧时间里只能达到5 0 的目标亮度，与静止区域相比，运动区域里的球显得较淡，产生消 失的感觉，当球停止下来再次变亮时，就会产生跳跃的感觉。 3 动态对比度下降：动态对比度即显示屏动态显示时的最高和最低光度比例。假设显 示视频序列的亮度快速变化，平板显示器面板上升和下降响应陆线一样，如果平板显示器件 能够在一帧时间内响应给定信号，那么就可实现所期望的亮度转换；如果不能，比如一帧时 间后只能达到所要转换亮度的6 0 ，那么得到的亮度就只有期望的6 0 ，动态对比度降低了。 4 颜色失真( 色彩畸变) ：r ，g 和b 三路信号响应时间不同，或彩色图像在不同色彩 的背景中运动时，由于上升和下降的响应时间不同等，均会引起色彩的失真。关于此类伪像 的评价量化参数的研究将在第四章进行详细讨论。 5 运动鬼影、失真g 对于运动的实物会有超过了模糊现象的伪像，如拖尾，颜色消失， 东南大学硕士学位论文 几何形变和物体形状的变化。 6 运动线条和线帧的闪烁：对于运动的线条和高空间容量的细节，会有瞬时伪像如分 裂，遗失，闪烁，闪光，颤抖，断断续续，停顿，失色和伪着色。 7 线条延伸：运动线条由于速度过快会扭曲。当速度增加他们会变得黯淡，在宽度上 延伸。 1 1 2l c d 运动伪像产生的原因 当人眼观看l c d 运动图像时，感觉到的失真主要由以下两个方面原因产生： 1 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，如图卜1 所示。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的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 - 1 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，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因素。 i 理想响应特性 一实际响应特性 光 强 ( a ) 脉冲型 ( 如c r t s ) 渤保持型 ( 如l c d s ) 图卜1 ( 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，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 - 1 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0 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伪像基本消失，运动物体 边缘变得更加清晰，但是并不能达到与c r t 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，因为运动伪像的产生还与l c d 的h o l d t y p ed i s p l a y 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，凸显出了更多更细微的运动伪像。 2 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：快速的跳跃运动和平滑追踪运动。 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，仅靠平滑追踪运动物体的动作速度是有限的，假如物体的 2 第一章绪论 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。 不同时刻运动 物体位置 真实显示 人眼的位置 视网膜上 感知的图像 不同时刻运动 物体位置 a ml c d 上 显示图像 眼睛的位置 视网膜上 感知的图像 寸审杪伊陟 圃圃圃圃 图1 - 2 真实物体运动和人眼感知图示 吐吐e 吐吐吐 掣甲甲甲甲叩 圃圃圃圃圃 图1 - 3a m _ l c d 保持型显示和人眼感知图示 真实物体运动和人眼感知如图1 2 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觉。对于l c d 的保持型显示特性 和人眼感知如图1 3 所示。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，而眼球还是在平滑运动，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 点的正确亮度感觉，引起了动态图像轮廓模糊，颜色失真及伪轮廓等问题，导 致动态清晰度下降。 1 1 3 动态清晰度 清晰度( d e f i n i t i o n ) 是用来表示图像精细程度、质感、细致描述其现实感的术语。从广义 上而言图像的色调特性、亮度、细节对比、以及暗部信噪比等都对清晰度产生影响，其中图 像分辨率( r e s 0 1 u t i o n ) 是影响清晰度的主要因素，而锐度( s h a r p n e s s ) 是指轮廓线的清晰程度2 1 。 对于视频显示系统而言，当观看运动图像时，由于眼球的随从性运动与积分效应，实际感知 3 东南大学硕士学位论文 的图像一般都会产生或轻或重的失真现象。图像的运动速度越快，其动态图像分辨率的降低 就越显著。对于l c d ，显示的时间几乎覆盖了整个帧周期的保持型显示，这一现象尤为明 显，也就使得的l c d 在显示运动图像时图像质量( 清晰度) 明显下降。 因此，对视频显示系统的运动图像质量进行测试评估，即等同于对运动伪像现象进行量 化评估。 1 2l c d 运动伪像的测量和评估方法分析 近年来，围绕着电视图像质量客观评价的研究领域已引起了国内外学术界、生产制造单 位以及使用者的极大兴趣和关注。其中，关于运动伪像的研究与测量课题已经在国内的许多 单位开始着手研究，国家标准部门也把这项研究引入到标准制定的讨论行列。运动伪像的研 究与测量的目的就是通过完整的、全面的调研，从客观角度认识运动伪像现象、表现以及种 类，从解决问题角度深入研究对应的测量方法，并联系到具体使用，提出切实可行的测量方 法，将感知到的各种运动伪像用数字图像重现出来，以便于分析。本节将详细介绍现有的 l c d 运动伪像测量方法与图像失真程度量化分析。 1 2 1l c d 运动伪像测量系统 研究人眼感知到的运动失真图像，应该把感知到的失真用数字图像重现出来，便于分析 研究，按照获得图像的方法分类，总体来说，目前相关的测试和分析方法主要有两种： 一、直接测量法 由于c c d 成像原理也是对亮度的积分，所以可以用c c d 拍摄的图像来仿真人眼看到 的图像，这种系统能直接记录运动模糊图像，但其同步复杂，跟踪要求精确，价格昂贵，而 且测量的结果和视觉感知结果还是存在差别。此外，追踪相机法必须先将整套l c d 驱动电 路完成后方可测试，无法预先预测结果。 按照摄像机的拍摄运动方式，该系统又可分为以下几种： 1 基于时间的图像积分测试系统( t i m e b a s e di m a g ei n t e g r a t i o nm e a s u r e m e ms y s t e m ) p 】 在该系统中，c c d 相机固定，被拍图像在l c d 上运动，每帧时间内拍摄8 张图片，然 后再把这些图像按照一定距离移位，来模拟人眼追踪，叠加后得到的整体效果就是人眼在一 帧内观看到的模糊效果。该系统要求定时触发准确，而且对c c d 相机的要求比较高，因为 拍摄频率高。( 图1 - 4 ) 2 追踪相机系统( p u r s u i tc a m e r as y s t e m ) h 为了模仿人眼的追踪运动，c c d 摄像被固定在一个旋转装置上，随着l c d 上的运动图 像而转动，因此有别于t i m 系统，此系统为图像运动，c c d 也转动，最终得到一幅运动模 糊图像。但笨重的c c d 转动可能会导致图像运动和c c d 转动不同步，尤其在开始和结束时。 ( 图1 - 5 ) 3 m p r t 测试系统( m p r tm e a s u r e m e n ts y s t e m ) i s l 为了改进追踪相机系统中c c d 摄像机直接转动追踪的缺点，采用在c c d 摄像机前放 置一面能转动的镜子，通过镜子的转动来代替c c d 转动，那么c c d 不直接拍摄屏上的运 动图像，而是拍摄镜子中的从l c d 上反射的图像。该系统已经由日本o t s u k ae l e c t r o n i c s 公 司制成。( 图1 6 ) 4 第一章绪论 圈1 _ 4 基于时间的图像积分测试系统 图卜5 追踪相机系统 图卜6 i p r t 测试系统 棚i兽 东南大学硕士学位论文 二、模拟计算方法【6 j i 7 j i q 如图1 - 7 所示【9 l ，图像显示以帧周期为单位划分，横坐标轴表示屏幕上的位置，当光点以 1 p i x e l f r a m e 的速度向左运动时，虽然发光点按照图上的虚线a 所指示的“移动一保持”发 光，但人眼不能按z 字型快速运动追踪，只能按b 线平滑运动。由于产生运动伪像的机理 简单直接，利用计算机模拟视觉图像成为可能，根据t a l b o t p l a t e a u s 规律，如果认为人眼的 闪烁周期比帧周期f 长，则对一帧时间i f ) 内的发光持续积分，将会成正比地增添视网膜对 运动亮点的亮度反应，光源a - e 中，每相邻的两个光源( 象素) 间的距离是p ；每个光源的宽 度是d ，每个光源在图( b ) 的阴影线所表示的时间段发光，垂直时间坐标轴以帧周期为单 位划分。根据人眼的平滑追踪和对亮度的时间积分，得到一个运动的像素的轮廓图如图1 - 7 ( c ) 所示，不再是一个清晰的像素。如果可以得到显示器瞬态亮度响应曲线，即可根据运 动伪像生成原因推导出的计算公式，获得人眼感知的模拟图像。本论文所作的工作都是基于 由模拟计算方法建立的一套测控系统而进行的研究，关于采用的数学仿真方法，将在第二章 进行详细介绍。 ( a ) o ( b ) 1f l 2 f 3 f 互 ：茹4 f 5 f s c ) 千 一dk i 刊 因回固回回 ( a ) 像素结构 ( b ) 光线按时间的轨迹 ( c ) 视网膜上成像 图卜7 运动图像在视网膜上的反映 1 2 2 目前常用的评估运动图像质量的参数 目前市面上用于标称l c d 运动图像质量的一个参数是响应时间，它是像素从o n 到o f f 状态转换所需要的时间，这个时间包括了所有的电子和物理的延时，它被定义为亮度时间曲 线中从1 0 到9 0 9 6 的转换时间。在l c d 中，由于上升和下降时间通常不一致，所以和在一起 给出总的响应时间。这个参数在一定程度上能评估运动图像质量，区分l c d 优劣，但是， 即使响应时间为0 ，l c d 运动模糊依然存在，而且这个参数只是标识了0 和2 5 5 灰度之间跳 6 第章绪论 变的响应时间其他中间灰度跳变所需时间更长，所以目前l c d 相关研究人员致力于制定 更加科学的评估参教。 而现在在学术界常用的评估参数为b e w ( b l u r r e de d g ew i d t h ，模糊边缘宽度) o l 定 义为在图像两级灰度跳变的亮度变化的模糊区域，亮度值在10 9 5 9 0 内的像素个数为宽度 的概念，见图卜8 。像素响应越慢，图像运动速度越快模糊越明显，不同灰度等级之间的 模糊宽度不一样。这是一个简单、直观、易理解的物理量。整条模糊的曲线被称为运动图像 响应曲线( m o t i o n p i c t u r e r e s p o n s e c t t e e e ，m p r c ) 。 甩。篚 图卜8b e w 的定义 从b e w 中还可以引申出其他几个相关的参数： e b e w ：扩展模糊边缘宽度( e x t e n d e d b l u r r e d e d g c w i d t h ) ，定义为b e w 的12 5 倍。 n b e w ：归一化的b e w ( n o r m a l i z e db e w ) ，定义为b e w v e l o c i t y ，单位为h 彻1 e 。由 于b e w 与运动速度有关，所以归一化速度后就成了与速度无关的参数口l 。 n b e t ：归一化的b e t ( n o r m a l i z e d b e t ) 定义为n - b e w f r a m er a t e ，单位为m s 它 与运动图像的速度、l c d 的类型、显示的大小无关，因此可以作为比较不同l c d 的参数”1 。 m p r t ：运动图像响应时间( m o t i o n p i c t u r e r e s p o i l s e t i m e ) ，定义为n - b e w ( a v e r a g e d o v e r g r a y l e v e l s ) t 船e e o n d s f r a m e ) ，其中t f 为1 6 6 7 m s ( 6 0 h z ，n t s c ) 或2 0 m s ( 5 0 h z ，p a l ) 叫。 ，6 1l翠irvr 固剀l 叫 图卜9 ( a ) p b e w 的计算过程 图卜9 ( b ) p b e w 的定义 w p e e w - x 删一x 吼自n p b e w ：感知模糊边缘宽度( p e r c e i v e d b l u r r e d e d g e w i d t h ) 类似于n - b e w ，该参数也 可引申为n p b e w 。计算过程和定义如图1 9 所示，与b e w 不同的是考虑到人眼的 c s f ( c o n t r a s t s e n s i t i v 时f u n c t i o n ) 的作用，它被认为优于b e w 的更能反映人眼感觉到的模糊 东南大学硕士学位论文 宽度的参数，但其合理性还需进一步研列】【1 2 l 。 以上与b e w 相关的参数对运动伪像的评估仅限于以亮度变化来分析图像边缘模糊，但 在实际情况下，亮度变化之外，运动物体边缘还会出现色彩畸变。人们也一直在试图去量化 这种彩色伪像，但是至今还没有找到一种正确、可靠而又精确有效的方法。目前最广为普遍 的衡量色差的参数就是c i eae ，主要有e 。、e 曲7 6 及ae 9 4 ，ae 表示的是实际测量的 m p r c 与理想的m p r c 之间在对应位置上的颜色差异，可以认为是在c i e1 9 9 4 色度图上颜 色a 到颜色b 之间的距离【1 3 1 。本文第四章将从色差、亮度变化范围和亮度对比度几个方面 对色彩畸变程度进行分析，并通过视觉感知实验分析了这些参数和人眼感知失真程度之间的 相关性。 1 3 改善l c d 运动伪像的方法 从1 1 2 节l c d 运动伪像产生的原因中，可以发现，运动模糊产生的客观原因主要有两 个：缓慢的l c 响应；l c d 的保持型模式。所以减少运动模糊主要也应从提高液晶像 素的响应速度，改进l c d 固有的保持型显示特性这两方面入手，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 r t 的响应，如图 1 1 0 。( 因为c r t 脉冲型响应产生的模糊最小) c 图卜1 0 改变响应波形，减少运动模糊 1 提高l c 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 的占越大，上升的响 应速度越快。 从液晶盒的设计角度看，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。 从驱动的角度看，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，其电容会发生变化，因此所加电位会发生变化，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 在一帧内能达到所要求的排列方式，从而缩短了响应时间【8 l 。 但就算响应时间减少为零，也即l c d 的响应曲线为理想的阶跃响应，由于其是保持型 显示方式和人眼的平滑追踪积分效果，也会引起模糊感觉。 2 改进l c d 的保持型显示特性 ( 1 ) 提高帧频( f r a m er a t ed o u b l i n g ) 1 4 l 提高帧频可以改善运动图像的效果在t i m 系统中已经得到实验证实。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。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 5 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，如功耗，带宽，干 扰等，代价较高，成本上升，大家都慎重采用。 ( 2 ) 脉冲驱动( i m p u l s ed r i v e ) 既然c r t 脉冲显示模式完全没有运动图像模糊的问题，人们自然会想，能不能在 8 第一章绪论 t i 叮l c d 的保持模式下模仿或部分实现脉冲型显示方式，从而改善运动图像的质量呢? 答 案是肯定的。现在发展起来的多种动态背景光驱动方式都根据这个思路而来，而且在不同程 度上改善了运动图像的质量。是当前t f t - l c d 动态背景光驱动技术研究的热点。 a 背光源闪烁( b l i n k i n gb a c k l i g h t ) 法l i 副1 1 6 1 l c d 是通过调制背光源的光来实现显示的，通常的l c d 背光源是一直开着，连续发光。 既然t i 吓l c d 的保持特性无法改变，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成分，则 运动图像的模糊就可以明显改善。一组c c f l 灯管在一帧的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， 运动图像质量的没有明显改善，而占空比5 0 - 6 0 时效果明显，但占空比太小时容易产生 闪烁( f l 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恰当的选择。 b 背光源扫描( s c a n n i n gb a e k l i g h t ) 法i l 7 0 s j 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。一种理想的避 开液晶像素的上升和下降沿的方法是在液晶像素完全开和完全关的相位上点亮背光源的方 法。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，a p d , 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幕从上至下顺序的扫描的，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。但是采用了背光源扫描以后，屏的亮度 降低了。以上述1 3 帧周期照亮而言，需要3 倍的背光灯管才能补偿。有人建议用热阴极荧 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。 背光源扫描还容易引起图像的闪烁，尤其在大片亮场的区域。有人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 引起双边缘轮廓，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，又不产生双边缘轮廓的结果。 当然，无论是背光源闪烁，还是背光源扫描，l e d 背光是最好的选择，因为l e d 背 光除了响应快，易控制外，它的色域宽，温度特性好，没有汞污染。但是目前l e d 背光成 本还高，发热较多，均匀性还有待改进。相信几年以后l e d 背光将逐步进入商品领域。 c 插入黑场( b l a c kf r a m ei n s e r t i o n ，b f i ) 法【心1 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二个方面。 d l e d2 d 背景光( 2 dl e d d i m m i n gb a c k l i g h t ) 虽然目前l c dt v 用l e d 背光成本仍高，但其被认为是继笔记型计算机( n b ) 用l e d 背光源后，将要在l c dl v 上主力发展的背光源，尤其是直下式l e d 背光搭配l o c a ld i m m i n g 技术，其好处是可大幅降低耗电量、提高显示画面对比值、灰阶数、及减少残影等，为其它 背光源难以取代之处。l o c a ld i m m i n g 是l c d 显示器背光源可作到不同区域、不同程度辉 度明暗变化的技术，故又称为区域控制技术。 9 东南大学硕士学位论文 3 采用图像处理技术 图像处理技术可以在采用上述技术的基础上进一步缩小运动图像的模糊现象，采用的方 法各异，效果也不尽相同。例如，通过预先计算出运动图像的位置，用内插值显示图像的准 确位置，可以减少视网膜上感知图像的移动。另有运动补偿法，这里介绍一种正弦波调制法。 通过对人眼感知运动物体的积分模拟的研究发现，如果对一个亮度均匀的物体，其亮度用正 弦波进行调制，它的空间周期等于物体移动速度的值，那这个物体在以该速度运动时，它的 模糊不容易被人所觉察。 在实际应用中，这几种方法可以相互结合，优势互补。此外，还有一些其他的方法用于 改进l c d 的显示特性，减少运动模糊。以上方法尽管能在一定程度上减少运动模糊，但有 些还会带来一些其他副作用，闪烁、亮度降低、重影等或者成本较高。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 4 本论文主要研究工作 l c d 发展至今，由于其本身的显示特性和人眼的追踪运动而引起的运动伪像是当今 l c d 显示领域还未攻克的最后一个堡垒，是l c d 进一步挑战c r t 领导地位的最后的一个 障碍，也是当今各大l c d 研发、生产机构为引领技术潮流而竞争的一个战场。l c d 运动伪 像问题得以解决或者程度得以减轻，将会带来巨大的商机，为显示器件平板化开辟新的纪元。 本课题的主要目的，即在现有的软件模拟方法基础上，对我们建立的动态清晰度测控 系统进行内容扩充，使其能够对l c d 的运动图像失真情况进行有效的评估，最终目标则是 初步建立一整套自主研制的、针对l c d 运动图像失真问题的、主客观相结合的控制测量系 统，并为将来进一步建立包括l c d 在内的所有的平板显示器件运动图像评估测量体系打下 基础。 本论文的主要研究工作包括： 1 对仿真l c d 运动伪像的软件模拟方法进行分析，以显示器的显示特性与人眼的视 觉原理综合得到的仿真算法为基础，建立了动态清晰度测控仿真系统。系统通过使用光电二 极管将显示器的光信号转换为电信号后经过放大器处理，再传输到数据采集卡，并最终传输 到上位机软件中进行分析处理。 2 采用m f c 设计测控系统的软件控制模块，控制可编程视频信号发生器、标准亮度 计( 美能达c a 2 1 0 ) 和数据采集卡( n i u s b 6 2 5 1 ) 三者有效地工作而达到预期目的，并根 据评估方法的需求，实现光电输出电压的亮度定标、控制可编程视频信号发生器产生测试图 形、同步触发采集卡采集、自动或手动控制测试、多次平均去除噪声的处理和仿真分析，以 及视觉感知实验等功能。 3 对l c d 显示器上显示运动图像时在图像边缘出现的色彩畸变进行分析，通过分别 测量三基色的时间阶跃响应曲线并叠加来仿真运动图像色变，提出了几种评价并量化运动图 像色变的参数，并由视觉感知实验分析了其相关性。 本课题来源于东南大学与荷兰飞利浦公司的一项国际合作项目，全文结构安排如下： 第一章：绪论部分介绍了l c d 上出现的运动伪像现象，并分析了其产生原因，以及国 内外现有的测量和评估方法，并简要介绍了改进平板显示器动态图像质量的几 种方法。 第二章：基于人眼的视觉追踪与亮度积分效应以及平板显示器的显示方式，详细介绍了 离散仿真模型和连续仿真模型的形成。 第三章：从本项目建立的测量l c d 响应曲线硬件系统出发，展开介绍系统的功能以及 1 0 第一章绪论 软件控制模块的详细设计过程。 第四章：讨论运动图像色彩畸变出现的原因并对色变图像进行仿真，然后提出了各种量 化色变的参数并通过视觉感知实验的到了验证。 第五章：全文工作总结以及存在的问题和下一步工作建议。 东南大学硕士学位论文 第二章软件模拟运动伪像模型建立 研究l c d 运动伪像的问题，首先得把人眼看到的失真图像用数字图像的格式真实地再 现出来。由于本论文再现失真图像的方法基于响应曲线仿真，所以需要建立符合l c d 显示 特性和人眼视觉特性的运动伪像仿真模型的数学表达式，以此为基础，可以进一步研究运动 伪像的特性，评估不同l c d 显示运动图像的能力，以及为减少运动伪像提供理论依据。 2 1 视网膜感光的假设 为便于理解，我们把人眼观看l c d 上的运动 图像抽象成一个最简单的模型【2 0 】，见图2 1 ：一个 亮的像素点在黑背景上以v = l ( p i x e l f r a m e ) 的速 度向右运动，用图中的方块表示；把转动的眼球 上的视网膜看成是以相同速度向右拉动的一卷 “胶片”，用图中的水平坐标轴表示；视网膜对像 素亮度的感知，相当于胶片对亮点照射的“曝光”， 并且规定垂直照射。实际上，由于液晶显示的“跳 图2 - 1 视网膜感光的假设 跃式”和“保持型”特性，即在一帧之内，该亮点的位置是保持固定不变的，亮度也是保持 不变的( 理想状况) ，要等到下一帧才向右跳一格像素继续显示。但是在这一帧之内，眼球 还是“惯性地”继续转动，即胶片继续匀速向右拉动。在这帧结束后，得到t f 时刻的水平 坐标轴。所以，在这一帧时间内，像素光点的“静”和视网膜的“动”，引起了感光的扩散， 造成了模糊的感知。用简单的数值计算分析这一过程：“曝光”在数值上相当于积分，“胶片” 上的曝光强度等于胶片所拉动过的光点的亮度在一帧时间内的积分，在这最简单模型中，由 于速度为l p p f , 胶片上所有点拉动的距离都是一个像素的长度，经历的时间都是t f ，但所 拉动过的像素的亮度和有效曝光时间不尽相同，如：胶片上0 这一点在向右拉动时，全程都 1， 处在亮点的“照射”下，设亮点的亮度为l