（物理电子学专业论文）平板显示器“运动伪像”测试评估系统设计.pdf

摘要 摘要 目前随着工艺水平的提高和新技术的采用，平板显示器已经逐渐取代c r t 显示器在显示器市场 上的主导地位。但是平板显示器在动态图像上的显示质量上还是没办法同c r t 相比，如何改进平板 显示器的动态图像显示质量是目前平板显示器设计研究的热点。因此构建一套完善的测试评估系 统，客观地对平板显示器显示动态图像质量进行评估，对促进平板显示器运动图像显示质量的提高 意义重大。在目前国内外显示器。运动伪像”研究领域所采用的方法分析基础上，本论文中建立了 一套完整的运动伪像测试评估平台，并通过主观视觉感知实验验证了模拟计算运动伪像与真实运动 模糊图像的一致性，说明本系统对平板显示器“运动伪像”研究的适用性。 系统平台建立的理论基础是人眼的平滑追踪物体运动以及人眼视觉对亮度的时间积分理论，如 何精确采集到显示器的亮度响应特性是亮度特性测试系统设计的关键。 通过对p d p 和l c d 不同的显示特性大量的实验和理论分析，设计了可以同时满足两者亮度响应 特性测试需要的光电转换放大电路。将f p g a 作为平板显示器“运动伪像”研究的测试图像源和视 觉感知图像源，满足测试和视觉感知实验的要求。通过大量的测试分析和模拟计算，证明本测试系 统适用、稳定、可靠。利用得到的亮度响应曲线根据一定的算法模拟计算得到运动伪像，并采用将 模拟计算得到的伪像和真实运动图像放在同一块屏上进行视觉感知实验的方法，证明模拟计算得到 的伪像与真实伪像一致。为了使采集设备经济实用、益于便携和系统集成化，针对现有系统的中数 据采集部分迸一步进行了设计，提出基于u s b 2 0 设备接口新型数据采集卡设计，并进行了大量实 验。新型数据采集卡开发了u s b 设备接口，实现了d m a 方式数据传输，初步完成了采集系统的集 成化设计，取得了一定的成果，为后续研究打下了基础。 关键词：运动伪像平板显示器光电转换f p g au s b 东南大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht 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 yr e p l a c e d c a t h o d er a yt u b e s ( c r t s ) d i s p l a y si nt h ed i s p l a yf i e l d b u tt h em o v i n gi m a g eq u a l i t yo ff p d si sm u c h m o r ew o r s et h a nt h a to f cr - r s i ti su r g e n tt od e v e l o paw a yt oe v a l u a t ea n di m p r o v et h ei m a g eq u a l i t yo f f p d s s ot h es t e d yo nt h ee v a l u a t i o na n dm e a s u r e m e n ts y s t e mf o ri d e n t i 白i n gt h em o t i o na r t i f a c t si s s i g n i f i c a n t b a s e do nt h ep r o p o s e de v a l u a t i o na n dm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，an o v e le v a l u a t i o na n d n l c a s b l e m g n ts y s t e mh a v eb e e ns e tu p b ym e a n so ft h es u b j e c t i v ep e r c e p t i o ne x p e r i m e n ta n dt h eo b j e e t i v e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n t h es y s t e mc a l li d e n t i f yt h ec o n s i s t e n c yb e t w e e nt h es i m u l a t e dm o t i o na r t i f a c ta n d t h ep r a c t i c a lb l u r r i n gm o t i o ni m a g e b a s e do nt h es m o o t h - p u r s u i tp r i n c i p l eo fe y et r a c k i n ga n dt h et i m ei n t e g r a t i o np r i n c i p l eo fe y e p e r c e p t i o nt ol u m i n a n c e ，an o v e le v a l u a t i o ns y s t e mh a sb e e np r o p o s e d t h ek e yo f m e a s u r e m e n td e s i g ni s h o wt oc o l l e c tt h el 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 so nt h es c r e e na c c u r a t e l y b yt h ea n a l y s i so nt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( l c d s ) a n dp l a s m ad i s p l a y p a n e l s 口d p s ) ，am u l t i p l e - u a i n gp h o t o e l e c t r i ca m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hv a i lb eu s e dt oc a p t u r e t h el u m i n a n c ew a u a i t i o nc u t v e so nl c da n dt h es u b - f i e l dp u l s e so np d eb a s e do l lt h ef t r s tt i m eu s a g eo f f p g a ，t h ep r o g r a m m a b l ei m a g eg e n e r a t i o nb o a r dg e n e r a t e st h et e s tp a t t e r no f d i f f e r e n tg r a y s c a l e sa n dt h e v i s u a lp e r c e p t i o np a t t e r no nt h em e a s u r e df p d ss c l e c ot os a r i s f yt h em e a s 煳ta n dp e r c e p t i o n a c a l c u l a t e ds i m u l a t i o nm o t i o na r t i f a c ta n dap r a c t i c a lm o t i o ni m a g ei sp u t0 1 1t h es a m es c r e e nt oc a r r yo u t t h ep e r c e p t i o ne x p e r i m e n t , w h i c hh a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es i m u l a t e dm o t i o na r t i f a c ti st h es a m ea st h e p r a c t i c a lm o t i o na r t i f a c t b yt h em e a s m e m e n ta n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nf o rl c dd i s p l a y s ， t h es y s t e mh a sd e m o n s t r a t e di t ss t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y i tr e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，a n d i ta l s oa c q u i r e sas e r i e so f i n n o v a t i o na c c o m p l i s h m e n t s o nt h eo t h e rh a n d ，an e wt y p eo f d a qb e a r dw i t h u s b2 0t e c h n o l o g yh a sb e e nd e s i g n e dt om a k et h ep r e s e n ts y s t e mm o r ee c o n o m i ca n dc o n v e n i e n tt ob e e x t e n d e dw h i l ea tt h e8 a n l et i m ei ti se a s yt oc a l t yw i t hp e o p l e t h ed a t at r a n s f e r r i n gm o d eb e t w e e np ca n d t h ed e s i g n e dd a qb o a r di ss e tt ot h ed m a a p p l i c a t i o nb a s e do nt h em e a s u r i n gr e q u i r e m e n t t h en e wb e a r d b u i l d saf u n d a m e n tf o rf o l l o w i n gr e s e a r c ho ! id a qa p p l i c a t i o nb e c a u s ei th a sa c h i e v e ds o m ep r i m a r y r e s u l t s k e yw o r d s ：m o t i o na r t i f a c t s ，f l a tp a n e ld i s p l a y s ( f p d s ) ，p h o t o - c u r r e n tc o n v e r s i o n ，f p g a , u s b 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：盔堑蕴 日期：巫j ， 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：二垒兰厶吐导师签名：2 雾啦日期：兰幽 第一章绪论 第一章绪论 目前，我国正全面推进数字电视的发展，按照广电总局的规划，我国将于2 0 0 8 年全面推广数字 高清电视( h d i v ) 的地面传输。并于2 0 1 5 年关闭现有的模拟广播电视。高清电视强调的是电视机的 画面显示能力，它要求显示器不但支持高清输入，更要支持高清显示。目前，市面上销售的显示器， 在输入信号上达到高清标准，甚至达到更高的要求并不难实现。但是高清输入只是。高清”的其中一 个指标，是否支持高清显示才是重点，这实际上是显示器分辨率的问题，分辨率在根本上决定显示 器能否达到高清的标准。同时为了达到实现高清影音震撼的效果，必须要有一个足够大的屏幕。高 清显示要求在电视屏幕宽度1 5 2 倍的距离上观看，所以显示器至少应该在4 0 英寸以上，而且应该支 持较高的分辨率。从这个角度而言，传统的c r t 电视都己渐渐落伍，其显示分辨率低、显示带宽窄， 所以无法完美地表现1 0 8 0 i 的节目。与传统c r t 显示器相比，液晶显示器( l c d ) 等平板显示器有着 明显的技术优势，包括更轻的重量、更高的分辨率、更薄的厚度、更低的功耗和更长的寿命，因此 平板显示器将作为高清数字电视显示终端的有力竞争者。目前市场上主流的平板电视以液晶显示器 和等离子显示器( p d p ) 两种为主，主流的等离子显示器一般在4 2 英寸以上，主流液晶显示器也可 以达到4 0 英寸，在屏幕尺寸上满足了h d t v 的要求，但是两者在动态图像的高清显示上还存在着不 足。 高清显示的判别标准在于分辨率上。研究发现，视觉对于静止图像和运动图像的分辨能力并不 一样，人眼中看到的运动图像分辨率是下降的。液晶显示器为显示时间几乎覆盖了整个帧周期的保 持型显示，动态图像分辨率降低的现象尤为明显，因此运动伪像更成为液晶显示器作为高清电视终 端最需要解决的问题。 1 1 显示器件分辨率与动态图像 图像分辨率是评价高清显示的主要指标，图像分辨率是指显示器表征图像细节的能力，是人眼 能察觉到的电视图像的细节清晰程度，常用屏面上能够分辨出的明暗交替线条总数来表示，对于平 板显示器通常采用水平和垂直方向的像素数表示。因为显示器图像最终观察者是人，所以对显示图 像清晰度的评价不仅仅要包括显示屏上的图像分辨率，还要考虑人的因素，因此需引入空间频率特 性来评价图像的清晰程度。在观测运动中的物体时，人眼主要通过平滑的追踪运动来看清运动中的 物体，人的大脑利用亮度信号在时域和空域的积分来判断运动物体的速度和位置。对于显示器件上 显示的视频图像而言，由于视频显示利用了人眼的延迟特性来产生连续运动的图像效果，因此其实 际显示的亮度信号在时域和空域都是离散而非连续的。如果相继出现的画面时间间隔不够短，这种 非连续的亮度信号在眼球平滑的追踪运动作用下造成了视觉模糊，这使得视觉对静止图像和运动图 像分辨率的不一致，图像运动速度越快，其动态图像分辨率降低越快。图1 1 中采用平滑追踪相机 方法模拟人眼观察到的l c d 和p d p 上运动图像分辨率，图中h d 表示“高清”，s d 表示。标清”。在显 示静止图像时，l c d 和p d p 都表现了很好的图像分辨率( 达到高清标准) ，但是显示运动图像时， 两者的图像分辨率都出现了很大的下降，而l c d 的动态图像分辨率下降的尤为厉害，当显示快速运 动图像时，其分辨率甚至达不到标准分辨率( s d ) 。 东南大学硕士论文 图1 1p d p 和l c d 上图像运动造成的图像分辨率下降 视频图像的显示质量与显示器件的动态响应特性和人眼的运动方式密切相关。动态响应特性是 指显示动态图像时的自然性和动态清晰度等，显示器件的动态响应特性和时间响应特性相对应，与 显示器的驱动方式有关。l c d 的保持性显示( h o l dt y p e ) 、p d p 的子场驱动和人眼的平滑追踪和视 觉亮度积分效应共同作用引起动态图像边缘模糊、颜色失真、伪轮廓等问题导致动态图像分辨率 下降。因此为了测量和评估高清晰度电视终端设备的显示质量，除了要测量静态图像分辨率外，还 要分析和测量动态图像显示质量。 1 2 运动伪像 目前主要的运动伪像现象有多种表现方式，引起运动伪像的主要原因还是人眼观察运动图像的 方式和平板显示器的本身的动态响应特性。 1 2 1 运动伪像现象 目前发现的平板显示器运动图像失真主要有以下几种： 1 模糊边缘伪像( b l u r r e de d g c sa r t i f a c t s ) ：快速运动的长方形物体会造成的边缘发生模糊的现 象。这是使用t i b i 系统可模拟出来的模糊边缘伪像( 如图1 4 所示) 。 2 闪烁运动伪像( b l i n k i n gm o t i o na r t i f a c t s ) ：快速变化的实物制造的一种视觉模糊。 3 运动实物伪像( m o v i n gs o l i do b j e c ta r t i f a c t s ) ：对于运动的实物会有过于模糊的伪像如拖尾、 颜色消失、几何形变和物体形状的变化 4 运动线条和线帧的闪烁( m o v i n gl i n eo rw i r e f r a m ef l i c k i n g ) ：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。 5 线条延伸( l i n es p r e a d i n g ) ：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，并 在宽度上延伸。 6 动态伪轮廓( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ) ：动态伪轮廓是一种出现在采用子场技术的平板显示器 ( 如p d p ) 中的模糊现象。这种伪像是由于人眼观察运动图像时的视网膜运动与子场显示技术相互 影响而产生的。 2 第一章绪论 1 2 2 人眼观察运动图像的方式嘲 外界光线进入人眼后依次通过角膜、水状体、晶状体、玻璃体，最后成像在视网膜上。人眼相 当于一个光学摄像系统，视网膜类似于光学感光胶片，而其前面的各种组织则类似于光学透镜系统。 视网膜黄斑是是视网膜中间凹的部分，这里没有其他干扰性细胞使得其没有引起光线散射，是人眼 结构中能够得到清晰鲜明图像的地方。通常为了看清物体，人需要转动眼球使物体的影像落在视网 膜黄斑区域。 人眼在观测运动中的物体时，眼球主要会有两种特殊的运动：快速的跳跃运动( s a e c a d i e ) 和 平滑的追踪运动( s m o o t l lp u r s u i te y em o v e m e n t ) 。人眼要看清物体的细节需要将物体的映像落在 视网膜的黄斑处。对于运动中的物体，眼球正是通过这两种运动来跟踪运动中的物体并使物体的映 像保持在视网膜的黄斑处，从而看清运动中的物体 ( 1 ) 跳跃性运动( s a c c a d i em o v e m e n t ) 仔细研究在观看静态景物时眼球的运动状态，可以将其分为在一处停留( 固视) 状态和正向别 处移动( 跳跃) 两种状态。在一处停留的时间约为3 0 0 m s ，而跳跃时间约为3 0 m s 。故人眼在一处会 停 3 0 0 m s 去采集信息，再需3 0 m s 向别处移动，然后再停 3 0 0 m s 获取信息，如此反复持续动作下 去。 此外，当视觉观看景物的位置发生变化时，还需约1 6 0 r r i s 的延迟时间，以对应于眼球利用跳跃 性运动来适应景物的位置变化。而当需预测观看对象动作的速度和方向时，便会产生出下述的平滑 追踪性运动，进一步的位置误差则需由跳跃性运动来弥补。人眼跳动的瞬间，视网膜上的成像也会 以相当快的速度( 最快速度为3 0 0 。7 0 0 。s ) 移动。但在通常的情况下，人们并不会感到这样的视 网膜成像的移动。这是因为当眼球的视线移向其他地方时，存在着信息隔断机制的作用。它使得当 眼球移动时的视网膜成像结果并不传向大脑，故不会感到视网膜成像的快速移动，这种抑制作用被 称为跳动抑制( s a e e a d i es u p p r e s s i o n ) ( 2 ) 平滑追踪运动( s m o o t hp u r s u i tm o v e m e n t ) 人眼的平滑追踪运动是指当对缓慢运动的观看景物进行自然追踪时视线的连续运动，此时观看 者要能预测其运动的方向和速度等，通常无法控制其意图。而仅靠平滑追踪运动能以连续追踪景物 的动作速度是有限的，通常在4 0 5 0 s 以内。假如动作速度超过该速度，仅靠平滑追踪运动便无法及 时捕捉到观看景物，所产生的位置误差需由跳跃性运动来弥补。但在短时间内产生的平滑追踪运动 分量，最快速度会达到约3 0 0 s 。根据研究表明，无论是观看对象动作的实际运动还是视在运动，几 乎都会产生同样的眼球平滑追踪运动。这种眼球运动的特点会对光栅扫描式电视画面的隔行扫描产 生出视觉误差或对动态图像显示特性产生很大的影响。此外眼球还会有不断的维系振动，称为固视 微动。 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。研究显示，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。另外，根据t a l b o t - - p l a t e a 法则，人眼的对显示器上亮度感觉为一帧内亮度 积分的平均值。 1 2 3l c d 上的运动图像模糊原因啪 对液晶显示器件得研究以a m - i - c d 为例，显示器件造成其运动图像边缘模糊的原因有两种“3 ： ( 1 ) 较慢的液晶响应时间( l c r t ) ，液晶材料的响应时间往往大于一帧，运动图像以帧为周期 在显示屏上变化，而液晶响应时间的变化长于一帧，那么前一帧的图象就会残留下来，并叠加在后 一帧上，这就导致了图象质量上的衰减。 ( 2 ) 保持显示特性( h o l d t y p e ) ，即液晶的行扫描工作方式使每行在一帧时间里持续亮。 显示器上观察到的物体的连续运动实际上是物体从一个位置跳到另外一个的位置，在一帧时间 东南大学硕士论文 内物体是静止的( 背景光连续) ，而人眼观察运动的画面时，人眼平滑追踪运动图像时的亮度积分 效应结果是在一帧内人眼对来自不同的象素亮度信号的累加，这样就造成了视网膜上的运动图像模 糊。运动图像模糊的在显示上的直接结果就是分辨率下降，即一帧时间内是视网膜黄斑上的一点 扫过的不只一个像素。 图1 2 所示为连续背景光下人眼平滑追踪l c d 上运动图像产生运动伪像的过 程”。 l c d 面板厂商一般将l c r t 作为l c d 动态工作性能指标，但是在把l c r t 降低到足够短的情况下， 运动伪像依然不能消除，深入研究发现显示器的保持显示特性也是引起的l c d 运动伪像的重要原因。 图1 2l c d 人眼运动伪像产生示意图 1 2 4p d p 上的运动图像模糊原因 对于表面放电型彩色等离子体显示屏由于动态伪轮廓引起的运动伪像是其采用寻址和显示分 离( a d s ) 的子场驱动方法的结果。按照这种驱动方法，在显示一幅图像时，是在一场时间内顺序 扫描寻址各显示行，然后整屏所有显示单元同时维持显示。首先将一帧时间分割成单独的子场时间 段，每个子场时间的维持脉冲个数是不一样的，通过组合各个子场的亮暗从而实现灰度级显示。 图i 3 显示电平信号量化为5 位的二进制子场显示过程，图中只标示了处于活动状态的子场。p d p 屏每一帧画面亮度灰度级的实现是通过在时间上将各个子场的亮度信号进行累加而得到的。在等离 子显示器的子场驱动方式下，同样会出现类似于液晶显示屏的运动模糊现象，同时由于各个子场的 时间差运动图像会产生亮暗的伪轮廓线。 4 第一章绪论 视网媵内感知到的运动图像 视阔膜内感知到的静止图像 图1 3p d p 运动图像失真产生示意图 图1 3 中上半部示意图的水平方向表示一维的空间坐标，垂直方向表示时间坐标。图底部是显 示器上为静止图像时人眼感知到的亮度信号，图上部为显示器上图像运动时人眼感知到的亮度信 号。 1 3 运动图像显示质量评估方法研究现状 在前面一节分析了人眼观察运动图像的方式和运动伪像产生原因，由于人眼跳跃抑制机制的作 用，跳跃运动对视觉感知的影响不大，人眼平滑追踪运动是导致视网膜内运动图像模糊的主要原因。 目前对运动伪像的评估研究的理论基础也是基于模仿人眼的平滑追踪运动。目前，评估运动伪像的 研究手段主要采用两种方法：直接测量法和模拟计算法。 1 3 1 直接测量法 直接测量法是采用高速相机或追踪相机的运动以及控制曝光时间模拟人眼的平滑追踪运动和 对亮度的积分效应。目前采用的方法主要有以下三种： ( 1 ) 高速相机法( h i g hs p e e dc a l l l g l a ) 采用高速c m o s 相机在一帧内多次拍摄图像的变化，并存储为b i t m a p 文件，如1 4 8 0 秒的曝光 速度，对6 0 h z 帧频可采集8 幅图像，然后根据图像的运动速度将8 幅图像位移后再叠加，即可模 拟人眼产生相应的感知模糊图像。t y a m a m o t o 所设计的t i m 系统( t i m e b a s e i m a g ei n t e g r a t i o n m e a s u r e m e n t ) 采用的就是这种方法 7 1 。其原理是来自于眼睛平滑追踪运动与运动图像同步。t i m 系 统可以重新”制造”出所看到的运动图像和图像的亮度轮廓。图1 4 为t i m 系统框图。系统采用视频 信号发生器来实现在t i m 系统中的测试图像，为白底上3 2 像素宽度的黑条，以8 像素帧的速度在 l c d 屏幕上水平向右移动，它的宽度、移动速度和色彩都可以调节，运动的测试图像被c c d 相机 捕捉到作为时基图像，其快门触发与子帧频率同步。c c d 相机拥有异步触发快门，相片是以逐行扫 描的形式被获得的。因为考虑到人视网膜神经细胞每秒至多输出3 0 0 个脉冲，即人眼在1 3 0 0 秒内 是不能区分不同级别的亮度的，所以t i m 系统采用照相频率要高于3 0 0 h z ，而快门速度与曝光时间 都要小于3 m s 。当获得时基图像之后，将数据传送给p c ，再经过软件处理，通过对不同时刻图像照 片的积分，同时考虑人眼平滑追踪运动即得出模糊图像。得到模糊图像如图1 4 中( c ) 所示。可以 看到： 原来清晰的黑条前沿和后沿变成了一定宽度的模糊区域，这就是测量得到的运动图像的模糊现 象。为了能定量地研究模糊的程度，需要进一步观察a a 剖面的亮度分布。本系统中引入一个边缘 东南大学硕士论文 模糊宽度( b l u r r e d - e d g e - w i d t hb e w ) 的概念，它可以定义为边缘亮度变化在l o 到9 0 之间的宽 度。b e w 和液晶材料的响应时间，t f t - l c d 的保持时间以及物体运动的速度有关。 图1 4t i m 系统框图 ( 2 ) 旋转相机法( r o t a t i o nc a m e r a ) 快速相机的价格昂贵，而且人眼的运动和对亮度的积分是连续的，高速相机不能够满足连续不 断的拍摄要求，由此提出的旋转相机法j ，即使用相机的旋转模拟人眼的平滑追踪运动。这种方法 中相机的曝光时间只要在一帧内即可。系统由c c d 相机、相机旋转机械，示波器和视频信号发生 器等主要部分组成，系统框图见图1 5 。制作的运动图像数据通过视频信号发生器在l c d 上产生运 动的视频图像，通过运动马达控制c c d 的拍摄和运动图像同步，其同时发出的触发信号是两者同 步的关键。当视频信号发生器接受到这个信号后发一帧的图像给l c d ，同时c c d 抓拍一次。用一 个马达来旋转c c d 来模仿人眼平滑追踪物体时的转动，这个马达要求定位很准而且必须有相应 的硬件电路来控制其旋转的角速度。由于阻力和摩擦力等因素，采用p c 来控制马达旋转的角速度 并不能准确的反映c c d 旋转的速度，本系统采用了一个示波器来测试马达的角速度，以便更好的 调整。利用c c d 相机旋转模拟人眼的自动追踪，相机曝光过程代替人眼对亮度的积分作用，c c d 相机曝光时间为1 3 0 秒，是液晶显示器帧周期的2 倍。c c d 模仿人眼的平滑追逐运动，即假设物 体是连续运动的，人眼也随着连续的运动，c c d 在帧与帧之间是一个连续转动的过程。旋转相机对 图像的追踪过程如图1 6 所示 图1 5 旋转相机系统示意图 6 第一章绪论 图1 6 旋转相机追踪图像过程 ( 3 ) 旋转镜面法( r o t a t i o nm i n o r ) 州 鉴于c c d 自身较重，其旋转追踪过程难以达到精确控制，本系统利用旋转镜代替c c d 旋转来 追踪运动图像，即c c d 固定不动，在显示屏与c c d 之间增加一面与运动图像保持同步的旋转镜， 利用镜面反射来捕捉需要的影像信息，根据光学原理镜面旋转的角速度只需相机旋转角速度的一 半，而且镜面较轻，启动时所需冲量小，易于精密运动控制，系统结构框图见图1 7 。不过，本系 统同样存在图像运动、镜面追踪运动及采集之间的同步问题，同时还由于光学系统的引入而带来的 旋转镜光学畸变、测量误差及光信号在传送途中损失等问题。 1 3 2 模拟计算法 图1 7 旋转镜面法示意图 模拟计算法是以测量到的显示器亮度响应变化为依据，依据数学方法模拟人眼的平滑追踪过程 和人眼对亮度的积分效应。精确测量得到不同灰度下的亮度响应曲线是模拟计算运动图像失真的基 础。 对液晶运动伪像的模拟计算法以亮度响应曲线和a m - l c d 的保持显示的特点为基础，根据人眼平 滑追踪运动方式和人眼对亮度的积分效应，使用模糊边沿( b l u re d g e ) 来表现运动伪像。在对人 眼机理分析基础上，以下假设对于模拟计算法成立： ( 1 ) 人眼以平滑追踪运动图像来感知运动图像； ( 2 ) 视网膜上一点感知到的光亮度等于一帧时间光强的积分； ( 3 ) 对同一测试区域各像素具有相同的亮度响应特性。 基于这三点假设，人眼视网膜黄斑上感知的图像为以下两者综合的结果 7 东南大学硕士论文 ( 1 ) 眼球平滑追踪运动的移动位置( 和运动速度有关) ； ( 2 ) 视网膜黄斑上一点感知到的亮度为眼球移动过程中在视网膜黄斑上同一点接收到显示器屏 幕上各像素光强在一帧时间内不同时刻的积分和。 这样只要得到精确的亮度响应曲线，就可以模拟出运动模糊图像。图1 8 为基于亮度响应特性的 模拟计算运动伪像原理模型。 图1 8 基于亮度响应特性模拟计算运动伪像原理模型 模拟计算法根据精确测量到的不同灰度间的液晶响应曲线结合人眼平滑追踪运动和人眼对亮 度的积分效应，根据一定的数学算法来计算人眼感知的模糊图像。 模糊计算法相对平滑追踪相机方法简单，这种方法的缺陷是得到模糊边沿需要作时域到空域的 转化。即模拟人眼追踪积分过程，模拟结果是否和真实感知一致需要验证。模拟计算方法的优点在 于可以通过模拟的方法验证一些对显示器显示质量的改进方法，因此模拟计算方法不只可以评估显 示器动态显示质量。还可以用来对显示器研发阶段的方案验证。 1 4 改善运动伪像的方法啪 平板显示器运动图像显示质量的改进是目前平板显示器的研究热点。当前解决运动伪像的方法 也是基于对运动伪像产生原因分析基础上的改进，目前的主要研究重点在于液晶显示器，因此本节 也以介绍液晶显示运动图像显示质量提高方法为主。当前的解决方法主要从提高液晶像素的响应速 度和改进液晶显示器固有的保持特性上考虑。 1 提高液晶像素的响应时间 ( 1 ) 采用新材料 通过降低液晶材料的粘度和提高e 来提高液晶的响应速度，现在新型含氟液晶材料响应速度 可以达到8 m s 以下。 ( 2 ) 改善驱动方式 过驱动( o v e r - d r i v e ) 技术是目前采用的提高响应速度的有效方法。 2 改进t f r - l c d 的保持显示特性 ( 1 ) 脉冲驱动方法( i m p u l s ed r i v e ) 第一章绪论 主要有两种：一种是插入黑色图像数据( b l a c k ，i m a g ei n s e r t i o n ) ；另一种是闪烁背景光或扫描背 景光调制( b l i n k i n go rs c a nb a c k l i g h t ) 。这两种方法可以明显的消除a m l c d 的保持特性。其中前者 是在每帧中依顺序在真实图像数据之后插入黑色图像数据，这样当黑色图像数据插入后，模糊就会 变得没有那么显著了，但是图像会变得黯淡了。而后者采用的原理则是以改变l c d 背景光的开关 来达到目的，同样图像也会变黯淡，为了保持亮度可以提高电流来加大背景光的亮度。这两种脉冲 驱动方法的目的都是为了消除a m l c d 的保持特性，从而削弱人眼的积分特性，使得模糊边缘得到 减弱。 ( 2 ) 高帧频率驱动方法( i a i g h f r e q u e n c yf r a m e - r a t ed r i v e ) 即提高显示的刷新频率，我们一般采用的方法是将在这里常用的是将输入信号的频率提高一倍， 由原来的6 0 h z 提高到1 2 0 h z ，这一解决方案对器件驱动电路和信号预处理的要求较复杂，不仅需 要对输入信号进行运动补偿内插处理，而且必须采用价格更加昂贵的高频显示驱动芯片和数据存储 电路。 ( 3 ) 运动补偿技术( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 使用运动补偿技术可以预测到移动物体的位置， 示正确的位置。这个方法减少了视网膜运动的幅度， 个技术要求液晶材料具有更短的响应时间。 从而为保持型和帧重复型显示器加入的子场显 从而改进了运动物体的图象显示质量。同时这 ( 4 ) 视网膜感知图像边缘的收缩( s h r i n ko f p e r c e i v c de d g e so f t h er e t i n a li m a g e ) 使用这种技术，我们可以使用附加信号调制图像以减少视网膜图像的边缘大小。这种方法需 要一种特别的对应于运动物体任一速度的调制信号。但是，这是一种使用图象处理技术来减小视网 膜图像边缘的方法，而不是减少视网膜运动幅度。这个技术可以减少运动模糊，而且不必遭受亮度 的衰减和闪烁。 3 对于采用子场技术的p d p 所出现的动态伪轮廓伪像，一个典型的解决方法是避免子场的最 大光持续时间，并且使子场的顺序和分量( w e i g h t ) 晟优化，以便消除伴随图像运动的不期望存在 的亮度变化。因为如果有不期望的亮度变化发生，这些不规则的亮度变化会被有误的散射方法分布 到不显著的子场中去。另外，可以用缩短总的子场时间来减少动态伪轮廓，采用更为复杂的方法可 以用来控制运动图像子场的顺序和分量。这种方法可以改进运动图像的质量，但是需要复杂的图象 处理和驱动电路。 1 5 论文的选题及主要工作 目前对平板显示器的显示质量改进技术研究主要在于提高平板显示器动态图像的显示效果，本 文着眼于建立一种平板显示器动态伪像测试评估系统，在运动伪像测量和定性评估基础上，为运动 伪像的解决提供理论基础和实验依据，这套系统不仅能够帮助分析伪像产生的原因，还可以用于显 示器研发阶段的方案验证。本文所设计的平板显示器运动评估系统是基于模拟计算方法，并使用视 觉感知实验结果证明本设计的成功，同时在已建立平台基础上进行了产业化改进。此测试评估平台 的设计成功对于平板显示器动态图像质量评估意义重大，有利于促进平板显示器技术上的改进，使 其能更好的满足高清电视的要求。 本设计平台在平板显示器运动图像质量评估研究领域具有很多创新点，为平板显示器动态显示 质量研究提供了手段，同时为测试设备的产品化打下了良好的基础。 主要研究工作： ( 1 ) 简要地介绍了运动图像对动态分辨率的影响，并分析了人眼观察运动物体运动方式、运动伪 像产生原因、研究现状，在分析国内外已有关于平板显示器运动伪像理论和测量评估方法基础上， 提出基于模拟计算方法的平板显示器运动伪像铡试评估系统。 ( 2 ) 根据亮度测试设备的采集要求和应用特点，经过大量分析实验后，建立可以同时应用p d p 和 9 东南大学硕士论文 l c d 亮度响应曲线采集的优化光电转换放大电路，与国外同类产品相比性价比更具有优势。 ( 3 ) 首次将f p g a 在运动伪像研究领域用于在显示屏上产生测量图像和特殊的感知实验图像的图 像源平台，满足了正确测量和评估运动伪像的图像源需求，这是本文的创新点之一。 ( 4 ) 根据硬件采集到的响应曲线模拟运动伪像，并在视觉感知实验中提出了一种新的实验方法， 将模拟计算得到的运动伪像与真实运动图像产生的伪像显示在同一块显示器上，验证了本测试评估 系统对运动伪像研究的适用及准确，这是本文创新点之二。 ( 5 ) 所设计的新型采集设各方案中引入u s b 接口，实现了u s b 设备端d m a 传输，降低了整体采 集设备成本，提高了设备的便携性。 本课题来源于东南大学东飞显示技术研究中心与荷兰飞利浦公司的一项国际合作项目以及对 此进行的拓展。 全文结构安排： 第一章简要介绍了运动伪像产生的原因和目前对于平板显示器运动图像失真的研究现状，并 简要介绍了目前主流平板显示器厂商改进显示动态图像质量的几种方法。 第二章成功设计了平板显示器亮度响应特性测试系统。在本章中通过对光电二极管特性的研 究，结合l c d 和p d p 显示器的不同特点，设计了适用于两者亮度响应曲线采集的光电转换放大电 路，并使用o r e a d 软件对转换放大电路稳定性进行模拟。采用了f p g a 产生测试图形和视觉感知模 型的方案，这种方案简单、稳定性好，完全可以替代目前在运动伪像研究领域广泛采用的软件产生 测试图形的方案，在实验中表现了更好的特性。最后介绍了已建立亮度响应特性测试系统中所使用 的数据采集卡及界面程序设计。 第三章介绍了采用此平台分别对l c d 和p d p 显示器进行测试的结果，证实了采集的准确性。 应用采集到的曲线，采用模拟计算算法，模拟出运动伪像。在此基础上提出将模拟出的运动伪像和 实际运动伪像放在同一块屏上的新型视觉感知实验，并进行主观实验验证模拟计算的结果。 第四章介绍了为了克服现有系统中采集设备的不利之处，开发了基于u s b 接口的数据采集板 设计方案。在设计中开发了u s b 设备接口，实现了u s b 接口的d m a 数据传输。提高了采集设备 的抗干扰性、便携性，同时显著降低了采集设备的成本，为进一步产品化打下了基础。 第五章总结与展望。 1 0 第二章平板显示器亮度响应特性测试系统 第二章平板显示器亮度响应特性测试系统 通过对目前所采用的评测方法的研究，我们使用模拟计算法建立我们的评估系统，为了精确测 量平板显示器亮度响应特性，本章介绍了可以精确采集不同灰度等级的平板显示器亮度响应特性测 量系统的设计。 2 1 系统框架 本系统设计思路是：通过精确测量获取平板显示器不同灰度等级间亮度响应曲线数据，作为模 拟计算平板显示器运动模糊图像时的依据，并将模拟结果再现在平板显示器上，进行主观实验以验 证模拟计算结果与真实感知的一致性。图2 1 为平板显示器亮度响应特性测试系统总体框图。 图2 1 平板显示器亮度响应特性测试系统整体框图 本系统包括以下几个部分：光电转换放大电路，可编程信号发生器，数据采集卡，亮度计，计 算机，平板显示器。可编程信号发生器接收上位机经1 2 c 接口发送过来的命令和数据根据不同测试 需要产生所需的图像源信号和视觉感知实验所需图像，光电二极管将可编程信号发生器产生在平板 显示器上的测试图像的亮度变化转换成电流输出，再经过放大器电路转换成电压信号，数据采集板 卡将采集到的电压信号转换为数字量通过p c i 总线插槽送入计算机处理，同时使用标准亮度计美 能达c a 2 1 0 ( m i n o l t a 2 1 0 ) 将电压值转化为亮度值以校准系统光电转换的线性。上位机程序采用虚 拟仪器开发软件l a b v i e w 编写，实现数据采集、处理、存储等控制功能。 2 2 光电转换放大电路设计 光电转换放大电路要求能够精确测量平板显示器的响应曲线。l c d 和p d p 性能上存在巨大差 异，为了能够同时测量l c d 和p d p 的响应曲线，必须要设计一种可以能够同时满足两种平板显示 器件采集要求的光电转换放大电路。实际设计中因为p d p 具有较高峰值亮度所以光电转换放大电路 设计相对简单，但是由于液晶在2 5 5 级灰度信号下的峰值亮度比p d p 低很多，而在1 6 级灰度信号 下的峰值亮度更低，所以用于液晶显示器的光电转换放大电路能否为系统采集到足够信噪比的亮度 响应曲线成为测试系统设计能否满足模拟计算所需要精确数据关键。本节主要描述对液晶显示器应 用的光电转换放大电路的设计，同时简要介绍了可以同时应用的l c d 和p d p 的响应曲线采集的光 电转换电路。 2 2 1 光电转换电路基本原理 东南大学硕士论文 利用光电二极管的光敏性采集平板显示器的响应时间是一种常用选择，由于采集光电二极管的 电流比采集电压具有更好的线性、偏移和带宽增益，所以选用电流转换电压模式来采集液晶亮度响 应曲线。光电二极管在光照下产生的光生电流1 为： l = 掣c 一高 仁- ， 式2 1 中p 为入射光光强( r o w ) ，r 为反射系数，l ，为入射光的频率，口为光吸收系数，l d 为多余载流子的扩散时间，w 为耗尽层宽度，q 为电子的电量，h 为普朗克常量。 图2 2 中所示为光电转换放大电路基本原理，采用低输入阻抗高增益的电流放大器使检测器件 工作在电流放大状态，以提高频率响应，而放大器的高增益可在不改变信号通频带的前提下提高信 号的输出电压。利用光电二极管上入射光产生的电流i 从负极流至正极，由于放大器的方向输入