（电路与系统专业论文）基于Volterra系统的LCD运动图像模糊的改善研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 基于v o l t e r r a 系统的l c d 运动图像模糊的改善研究 专业：电路与系统 硕士生：陈法灵 指导老师：谭洪舟( 教授) 摘要 平板显示器的应用开发已经成为现代显示器开发应用的最主要的方面。与传统的c r t 显示器相比，平板显示器突破了显示尺寸的限制，可以把显示器做到各种尺寸却仍可以 保持其轻薄的特点。而t f t l c d 作为平板显示器技术中发展最为迅速的一种技术，现今， 由于亮度，对比度，视角等问题的顺利解决，其色彩的丰富的优秀特点得到充分的发挥， 在静态图文的显示效果方面已经赶上甚至超过了成熟的c r t 的显示效果，其应用得到了 大大的推广。可是对运动的图像文字显示方面，却还存在一个难于解决的缺陷，这就是 运动模糊拖尾的问题。 本文从l c d 运动图像模糊的原理出发，从研究国内外的两个模型中得到启发，建立和 验证了一个新的双s i n c 模型。 本文深入研究了l c d 运动图像模糊的s f n c 模型，从仿真的角度认识了这个模型在处 理运动图像时所模拟的模糊现象，仿真的结果表明，此模型所描述的运动模糊现象与真 实的l e d 运动模糊现象的特点相一致。而在预补偿系统中直接采用此模型进行模糊的均 衡时存在改善的速度范围的问题。这是用图像处理方法改善运动模糊现象的数学限制。 本文的研究证明，采用s i n c 模型的数字图像处理方法改善l c d 运动模糊现象只能在一定 的运动速度范围内起作用，而在范围之外，采用此模型则会扭曲原图像。 在研究国内外的去运动模糊的方法的基础上，本文选择了数字图像处理的角度来改善 l c d 的运动模糊问题，采用的是模型化的均衡去模糊方法，具体采用了s n c 吖模型的近似 系统，v o l t e r r a 系统来实现预补偿。具体研究了采用v o l t e r r a 预补偿系统的实现方法， 巾山大学硕十论文 以及对运动模糊的改善程度。仿真结果表明，此系统具有优于原s i n c - 。系统的性能方面， 在处理小速度图像运动时造成的模糊现象中的效果与原s i n c - 7 系统相近的效果，而在大 速度造成的运动模糊的改善效果中，v o l t e r r a 预补偿系统具有优于原s i n c - 7 系统的特点。 关键词：l c d ，v o l t e r r a 预补偿系统，双s i n c 模型，s f n c 模型，s i n c 吖系统 摘要 l c dm o t i o nb l u rr e d u c t i o nr e s e a r c hb a s e do nv o l t e r r a s y s t e m m a j o r ： c i r c u i ta n ds y s t e m n a m e ：f a l i n gc h e n s u p e r v is o t ：p r o f h o n g z h o ut a n a b s t r a c t t h ef l a t p a n e ld i s p l a yh a sb e e nt h em a i na s p e c ti nt h em o n i t o ta p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p sf i e l d s c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lc r tm o n i t o r ，t h ef l a t p a n e l d i s p l a yh a sb r e a kt h r o u g ht h e r e s t r i c t i o n so fd i s p l a ys i z e ，s ot h a tt om a k ev a r i o u s s i z em o n i t o r sk e e p i n gt h ef e a t u r eo f1i g h t m i n d e d a st h ef a s t e s td e v e l o p i n g d e v i c ei nt h ef l a t p a n e ld is p l a yt e c h n o l o g y ，t h et f t l c d1i eo nt h es u c c e s so f r e s o l v e so nt h es i d e so f1i g h td e g r e e ，c o n t r a c td e g r e ea n dv i e wa n g l e a n dt h u s t h ef e a t u r eo fw i d ec o l o re x p r e s s i o nc a nb eb r o u g h ti n t op l a y i nt h es i d eo f e f f e c to fd i s p l a y i n gs t a t i ci m a g e sa n dc h a r a c t e r ，t f t l c dh a sc a u g h tu pw i t ha n d s u r p a s s e dt h er i p e c r t s t h ea p p li c a t i o nf i e l dh a sb e e n w i d e l ye x p a n d e d a 1 t h o u g h ，t h e r es t i l le x i s tap r o b l e mo nt h es i d eo ft h ee f f e c tt od i s p l a yt h e m o t i o ni m a g eo rc h a r s i ti sh a r dt or e s o l v e ，t h ep r o b l e mi st ob en a m e d “l c d m o t i o nb l u rp r o b l e m t h ist h e s i sg r o u n d so nt h et h e o r yo ft h el c dm o t i o ni m a g eb l u r l i g h t e n e db y t h et w om o d e l sb u il db yh o m ea n da b r o a dr e s e a r c h e r ，i n s p e c ta n dv e r if yan e wm o d e l n a m e dd o u b l es i n cm o d e l t h ist h e s i sg o e sd e e pi n t ot h es i n cm o d e l f r o mt h es i m u l a t i o n ，r e c o g n i z et h e m o d e lh o wt od e a lw i t ht h el c dm o t i o nb l u rp h e n o m e n o n a n dt h es i m u l a t i o nm a k e s 中山大学硕十论文 i tc l e a rt h a tt h em o d e lc o n s i s t st ot h er e a ll c dm o t i o ni m a g eb l u rp h e n o m e n o n b u tw h e nt ou s et h em o d e lt o p r e c o m p e n s a t et h em o t i o n ，t h e r ei sap r o b l e mt h a t i si to n l yc a ni m p r o v es o m em o t i o nb l u rw h e nt h ei m a g em o t i o ns p e e di sa r o u n d s o m es c o p e ，b u tb e y o n dt h es c o p e ，i tc o u l dn o td oa n y t h i n gb u tt ot w i s tt h eo r i g i n a l i m a g e b a s e do nt h e r e s e a r c ha b o u tl c dm o t i o ni m a g eb l u r sr e d u c t i o nh o m ea n da b r o a d ， t h ist h e s i sc h o o s e st h em e t h o dt oi m p r o v et h em o t i o ni m a g eb l u r ，w h i c hi st h e m e t h o do fi m a g ep r o c e s s i n g i tb e l o n g st ot h em o d e li n ga n de q u a t i o nm e t h o d ，m o r e s p e c i f i c a l l y ，u s i n gt h ev o l t e r r as y s t e mt of i tt h es i n d lp r e c o m p e n s a t es y s t e m t h i st h e s i sg i v e st h ed e t a i lm e t h o dt of i tt h es y s t e m t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e s t h a tt h ef i t t i n gv o l t e r r as y s t e mh a ss o m eb e t t e rf e a t u r e st h a nt h eo r i g i n a lm n c 一7 s y s t e m w h e ni ti su s e dt od e a lw i t hs m a l ls p e e dm o t i o ni m a g e ，t h e i re f f e c t sa r e s i m il a r ，b u tw h e nt od e a lw i t hl a r g es p e e dm o t i o ni m a g eb l u r ，t h ev o lt e r r as y s t e m isb e tt e rt h a nt h es i n d ls y s t e m k e yw o r d s ：l c d ，v o l t e r r ap r e c o m p e n s a t e ds y s t e m ，d o u b l es i n e m o d e l ，s i n e m o d e l ， s i n c - 7s y s t e m l v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 僚临办 日期：州引月夕日 论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于 非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 瞄儿该 嗍洲钻月7 同 别醛辄l 、 同期：c ，占年阳j 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 纵观现在的监视器市场，l c d ( 液晶显示器) 已经在慢慢取代c r t ( 阴极射线管) 显 示器。随着平板电视机成本的降低，在电视机市场中，平板l c d 显示器也将有越来越大 的占有额。 无源l c d 由于液晶像素的双向导通特性，动态矩阵选址时会出现串扰现象，扫描行数 越多，串扰就越严重，因此无法实现大容量的信息显示。于是人们在每个像素上串入一 个薄膜晶体管，用t f t 的通断来控制像素的通断。t f t 的使用使像素单元双向导通的特性 变成了单向导通，矩阵选址的串扰消失了，扫描行数从理论上可以无穷多，可以实现大 容量的信息显示。为了提高tf 1 一l c d 的显示质量，人们往往在串入t f t 的同时，还设计 一个与液晶像素并联的存储电容c s ，如图卜1 所示，tf 1 打开时，信号电流给c s 充电， 在c s 上形成一个与信号大小成正比的直流电压。在t f t 关闭期间，c s 上的电压在整个一 帧周期内基本保持不变，并驱动该像素始终保持在相应的开启状态。这就是所谓的“保 持”型工作状态。存储电容c s 的引入使t f t l c d 的占空比提高到l ，其对比度和显示质 量达到了静态驱动的水平，使得t f t - l c d 很快在计算机终端显示上获得了巨大的成功n 1 。 幽1 - 1 中山大学硕士论文 液晶显示器与传统的c r t 显示器相比，具有许多优秀的特点。例如，显示质量高。由 于液晶显示器( l c d ) 每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不 像阴极射线管显示器( c r t ) 那样需要不断刷新亮点。因此，l c d 画质高而且绝对不会闪 烁，把眼睛疲劳降到最低；无电磁辐射。传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子束 撞击荧光粉而显示，电子束在打到荧光粉上的一刹那问会产生强大的电磁辐射，尽管目 前有许多显示器产品在处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能地把辐射量降到 最低，但要彻底消除是难于办到的。相对来说，液晶显示器( l c d ) 它根本就不存在辐射。 它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中，而普通c r t 显 示器为了散发热量的需要，必须尽可能地让内部的电路与空气接触，这样内部电路产生 的电磁波也就大量地向外“泄漏 了；可视面积大。对于相同尺寸的显示器来说，液晶 显示器的可视面积要更大一些。液晶显示器的可视面积跟它的对角线尺寸相同。而c r t 显示器显像管前面板四周有一英寸左右的边框不能用于显示；应用范围广。最初的液晶 显示器由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。随着液晶显示技术的 不断发展和进步，字符显示丌始细腻起来，同时也支持基本的彩色显示，并逐步用于液 晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机上。而随后出现的d s t n 和t f t 则被广泛制作 成电脑中的液晶显示设备，d s t n 液晶显示屏用于早期的笔记本电脑；t f t - l c d 则既用在 笔记本电脑上( 现在大多数笔记本电脑都使用t f t 显示屏) ，又用于主流台式显示器上； 画面效果好。与传统c r t 显示器相比，l c d 一开始就使用纯平面的玻璃板，其显示效果是 平面直角。而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，例如，1 7 英寸的液晶 显示器就能很好地实现1 2 8 0 1 0 2 4 分辨率，而通常1 8 英寸c r t 彩显上使用1 2 8 0 1 0 2 4 以上分辨率的画面效果是不能完全令人满意的：数字式接口。液晶显示器都是数字的， 不像c r t 显示器采用模拟接口。也就是说，使用液晶显示器，显卡再也不需要像往常那 样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美； 可实现轻便的特点。传统的c r t 显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。液晶显示器 突破了这一限制。传统的c r t 显示器是通过电子枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管 颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示器的体积。而液晶显示器通过显示 屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比 的增加，而且在重量上比相同面积的传统显示器要轻得多；功率消耗小。传统的显示器 内部由许多电路组成，这些电路驱动着阴极射线显像管工作时，需要消耗较大的功率， 2 第1 章绪论 而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率肯定也会随之增大。相比而言，液晶 显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动i c 上，因而耗电量比传统c r t 显示器要小 得多。 然而，l c d 并不完美，要想在各个性能指标上超越传统的c r t 显示器，还有需要解决 的问题。其中一个问题就是对运动图像的显示效果。具体来说，就是在运动图像的边缘 会出现不同程度的模糊，我们称它为l c d 的运动模糊问题2 m m m l 。作为下一代显示器的 l c d 将是一种能够很好支持高清图像显示技术的物质载体，而对运动图像的不理想表现已 经成为制约先进显示技术的障碍。这个问题已经引起了人们的关注，同时也取得了一些 研究进展，但仍未能完满解决这个问题。 相对来说，传统的c r t 在显示运动图像时没有类似的情况发生。这是由于c r t 是工作 在脉冲( i m p u l s e ) 发光的模式的，这与t f t l c d 的保持显示模式有很大的区别。如果按 照显示模式划分，显示方式可以分为如下几类：1 ，逐点脉冲发光，如c r t ；2 ，逐行顺序 显示，如无源l c d ，无源o l e d ，f e d 等；3 ，逐帧顺序显示( 即帧内保持模式) ，如t f t l c d ， 有源o l e d 等；4 ，子场显示，如p d p 。而出现运动图像模糊现象的显示器的显示模式是第 三种。它是帧保持模式。人眼对光线平均亮度的感受在这几种显示模式中是不相同的。 c r t 只在很短的时间内脉冲发光，l c d 是在一帧的全部时间内平均发光。p d p 则处于二者 之间，只在某些子场持续的时间内有几个到几百个脉冲发光，按不同的灰度分布于一帧 内不同的时间点上。 传统的c r t 显示器不存在这样的运动图像的模糊问题，事实上与c r t 显示器相比，某 个像素在一帧时间内的发光，人眼所感觉到的平均亮度是相同的，而不同的它们发光 随时间的分布：c r t 只在很短的时问内脉冲发光，l c d 是在一帧的全部时间内平均发光， 这也就是l c d 的保持特点，这是引起对运动图像的显示质量下降的一个重要原因。最先 提出t f t l c d 保持模式是产生运动图像模糊的原因并用实验验证的是t k u r i t a 和 t y a m a m o t o 引。1 9 9 8 年日本n h k 科学和技术研究实验室的t k u r i t a 首先提出了哪怕液 晶材料的响应时间下降为零，具有保持型工作特性的l c d 在显示运动图像时仍会出现模 糊现象。不久，t y a m a m o t o 设计了一套模拟人眼的感知的仪器，证实了t k u r i t a 的想法。 从此以后，降低运动图像模糊的研究进入了人们的研究领域。 中山大学硕士论文 1 2 研究现状 运动图像模糊的解决方法是当前一项研究热点。当前解决模糊问题主要从提高液晶像 素的响应速度，改进t f t l c d 所固有的保持特性，也就是模仿c r t 的脉冲工作方式入手， 已经取得了良好的效果。 为了进一步解决好t f t l c d 的运动图像的模糊问题，国内外的学者和技术人员想出各 种办法。其中包括有：1 ，提高液晶像素的响应速度；2 ，改进t f t - l c d 的保持特性；3 ， 采用图像处理技术。由于各种解决方法本身的特点，它们各自取得了一些进展，下面具 体说明。 1 2 1 提高液晶像素的响应速度 液晶像素的响应速度对运动图像的影响可以分为2 种情况。若响应时问大于帧周期， 则前后二帧的图像出现重叠，严重影响运动图像质量。若响应时问小于帧周期，则由于 t f t 的保持特性运动图像产生模糊现象。提高液晶像素的响应速度有以下几个方面： 从液晶材料的角度，采用新型含氟液晶材料响应速度可以达到8 m s 以下。 从液晶盒设计的角度，减少液晶盒的厚度可以有效地提高响应速度，但液晶盒盒厚的 降低影响到对比度，同时增加工艺难度。现在的液晶盒盒厚最薄已经可以做到4i t m 左右。 同时在提高对比度方面得到改进。 从t f t 像素设计的角度，可以通过提高保持电容的方法来提高像素的响应速度。 从驱动的角度，过驱动( o v e r - d r i v e ) 是提高响应速度的有效方法，同时它也是广泛 采用的方法。 1 2 2 改进t f t - l c d 的保持特性 具体而言，是采用如下两种方法来办到的。1 ，提高帧频。即缩短了t f t 的保持时问。 如果帧频无穷大，它就向脉冲显示靠拢。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。因此并没有成为成熟的解决方案；2 ，模拟脉冲驱动 4 第1 章绪论 方案。即在t f t - l c d 显示原理的基上模拟c r t 脉冲显示的模式。现有发展起来的多种驱 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。其中包括：a ， 背光源闪烁技术。即控制背光源的发光，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，可是当占空比小于5 0 时，导致亮度下降，同时也 造成了不良的后果；b ，背光源扫描方案。即控制使背光源和显示屏同步扫描点亮，从而 实现这样的相位的一致。但是使屏的亮度降低了。采用改良的荧光灯技术可以使发光效 率提高。采用双光脉冲扫描背光源技术则可以进一步在改善运动模糊的基础上减小屏幕 的闪烁效应。完成这种方案需要l e d 技术的支持，而目前l e d 背光成本还较高，发热较 多，均匀性也还有待改进。因此这种改良技术也尚不成熟；c ，插入黑场的方案。即在正 常显示的数据之间插入黑数据，从而构造脉冲的效果。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。同时黑场的插入使显示部分的每行扫描时间缩短，会增加对 数据速率和带宽的要求，从而增加技术的难度和成本。 1 2 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，如正弦波调制法 等。 它们都可以使运动图像的模糊得到补偿。但基于这些方法的代价和优缺点的权衡，很 多技术还在实验室中，还没有能够成为最终完全解决l c d 运动图像模糊的完整方案。 1 3 研究内容和方法 本文的研究是针对有源l c d 显示器的对运动图像显示的不理想问题展开的。对于l c d 运动图像的模糊问题，本文的研究角度选取在数字图像处理的方面对l c d 上显示的运动 图像模糊进行改善。具体而言，是采用模型化的方法，首先得出运动图像模糊的数学模 型，然后采用预补偿的技术进行处理，在预补偿系统中，本文研究采用v o l t e r r a 系统进 行拟合原非线性系统的方法实现运动图像模糊的改善，仿真的结果显示其效果较好。可 中山大学硕士论文 以在一定程度上对运动图像模糊进行改善。 1 4 论文结构 本文的结构安排如下： 第一章是绪论，介绍了论文的选题背景知识。所谈问题涉及课题的提出过程，国内 国外的相关研究的成果，以及本文的切入点，同时概述了所采用的改善方法。 第二章是关于l c d 运动图像模糊的原理的分析。其中从l c d 显示材料的特性出发， 结合人眼的视觉特性，推导了l c d 运动图像模糊的基本数学模型。同时在模型的建立过 程中，给出了一定的限制条件。在本章的后面给出相关模型的仿真分析。 第三章介绍了l c d 运动图像模糊的改善方法。其中比较详细给出了采用物理材料改 进的思路以及数字图像处理的改进思路。结合本文需要采用的模型化的数字图像的处理 方法，本章重点介绍了采用数字图像处理的几个方案及实现框图。 第四章和第五章是本文的重点，其中具体介绍了本研究采用的v o l t e r r a 系统实现运 动图像模糊的改善的具体方法及其局限性。由于本研究采用的是模型化的方法进行，而 其基本原型则是s i n c 运动模糊模型，所以在第四章中，先具体分析和仿真了s i n c - 。预补 偿模型的适用性和局限性，并在此基础上与本研究所采用的v o l t e r r a 模型进行比较，得 出结论。 第六章是全文总结部分，同时对该课题的研究前景和下一步工作做了描述。 6 第2 章l c d 运动图像模糊的原理 第2 章l o d 运动图像模糊的原理 本章探讨了l c d 运动图像模糊的原理。基于国p q # l - 的研究成果，具体分析了m n c 模 型和s i n 模型的l c d 运动图像模糊的原理，同时由于前两种模型实现复杂的特点，提出 了一种具有空域处理简单的双m n c 模型来描述l c d 运动图像的模糊效应，仿真结果显示： 双s j n c 的运动图像的模糊模型在空间域和频率域中的处理与现实的运动模糊效应相一 致。 2 1l c d 运动图像模糊基本原理 普通t n 型t f t - l c d 在常温下的响应时间为1 0 2 0m s ，它实际上是l c d 显示画面由黑 到白或者由白到黑的周期时间。这个时间并不是实际最长的时间，如果所有的狄阶响应 时间都能够达到这一水平，那么对于正常的视频显示是足够的，但灰度切换时间远长于 这一时间，甚至高达上百毫秒。 据近几年来的研究表明h 儿朝阳1 ，导致l c d 显示运动图像的模糊的原因主要有以下四个 方面：1 l c d 显示材料的慢响应过程。2 l c d 显示的“抽样一保持”特性，就是在显示的 刷新周期内保持各像素点的显示亮度。3 人眼视觉系统( h v s ) 的运动跟踪特性儿9 1 。4 人 眼视觉系统( h v s ) 的低通滤波特性1 0 1 。 ( a ) ( a ) l c d 材料的光电响应曲线 一c r t 的显示脉冲倒新频率是矧z ) 实际l c d 的响应曲线 理想l c d 的响应曲线 时间o 图2 - i 4 0 m s8 0 m s1 2 0 m s ( b ) ( b ) l c d 和c r t 的响应特性比较 中山大学硕士论文 其中，第1 和第2 个原因是l c d 显示器区别于c r t 显示器的显示特性的物理原因，如图 2 - 1 ( a ) 和图2 1 ( b ) 是l c d 的响应特性曲线与c r t 显示特性的对比。 c r t 的脉冲显示特性显示的运动图像是很适合在人眼的视觉系统中重建的，可是，对 于l c d 来说，时间上的保持和慢响应过程都不利于运动图像的显示，使得运动图像在人 眼的视觉系统中不能完全重建恢复出原来的图像，而只能重建出一个带拖尾的图像，这 便是我们在l c d 上看到的模糊的图像。 第3 和第4 个原因则关系人眼的视觉系统9 2 3 钔，其中包括： 人眼眼球的运动追踪运动物体的过程，这个物体的运动速度限制在视角的 4 。一5 。s ： 夺人眼对光感应的时间的积分效果，对于两个光脉冲，当时间间隔小于2 0 m s 时，脉冲 具有时间的积分，对于l c d 来说，它是连续发光型的，时间间隔为0 ，因此，其亮 度在人眼中反映的幅度是：，= 专f 三( ，协，其中三( ，) 是光刺激的时间分布函数； 令人眼对图像的空间感知方面，其频率响应是一个低通滤波系统，分辨空间物体的能 力是有限的。原因在于瞳孔有一定的几何尺寸和一定的光学像差，视觉细胞有一定 的大小。 l c d 对运动图像的模糊的系统框图如图2 2 ： 一一一j l c d 慢响应和l h f 入眼对光线k f 视觉的低通勘一一一al 盟生列保持特性h 。m 亮度的积分医! 滤波特性h “，。翳垂丞x ，幽) 飞缓滋戮缴搦沥琵豳。飞琵豳琵滋琵鞫幽。、磁澎缁蕴鍪塑幽 v “ 也剑 图2 - 2 本章从基本原因出发，分析了与l c d 运动模糊原因相关的人类视觉系统的二个特点， 随后将具体描述l c d 运动图像模糊的三种模型，在本章的最后将给出相应的仿真结果。 2 2 人类的视觉特性 这旱对与l c d 运动图像模糊的原因相关的两个视觉特性进行说明，其中包括平滑追踪 眼运动m 1 和人眼的光感受非线性特性1 。 第2 章l c d 运动图像模糊的原理 2 2 1 平滑追踪眼运动 所谓平滑追踪眼运动，就是人眼自动运动以追踪被观察物体的现象。 设图像的强度函数是f g ，y ，) ，运动物体的运动速度矢量为l ，y 】。 人眼在追踪屏幕上的运动物体的运动时，视网膜上的成像f x ，y ，f ) 与屏幕成像i g ，y ，f ) 的关系如下： f x ，y ，) = i ( x + u t ，y + w ，) ( 2 - 1 ) 对( 2 1 ) 式两边求连续空间傅里叶变换，有： j ( 六，z ) = ( 六，z + 矾+ 、乃) ( 2 2 ) 其中，六，兀，z 分别空间率分量和时间频率分量。 因此： l i = x ，lv = l y ， i = l 七喇xj r q ，她筒 因此，有如下结论： 1 当眼运动与物体的运动匹配时，视网膜上的有效时间频率是0 。 2 一般地，通过追踪物体的运动，视网膜上的有效时间频率会降低。 2 2 2 人眼的光感受非线性特性 根据人类对自身视觉系统的研究，由韦伯一费赫涅耳生理学定律指出： 人眼感觉到的明度b 和光刺激强度( 即亮度) l 的对数成j 下比，即： b = k i n l ( 2 4 ) 式中，k 是人眼对亮度的感度系数。据此，有下面关系： ab：k_al(2-5) 若衄。加表示人眼所能感受到最小亮度差，当取a b = a b m 。时，由上式可以计算出虬 就是人眼所能分辨的最小亮度差，称之为亮度阈值址胁，即： 9 中山大学硕士论文 = 半小s ob(2-6) 即人眼在不同亮度下，所能分辨的最小亮度差与亮度本身成正比，如s 。在o 0 2 0 0 5 之间，如取s 。= 0 0 3 ，则在等分的2 5 6 级亮度等级中，当亮度从2 5 0 变化到2 5 6 时，人 眼是感觉不到亮度的变化的，相反，当亮度从2 级到3 级变化时人眼却可以感受到。 在整个对比度范围内，人眼所能分辨的亮度级差数m 就是人眼可以分辨的灰度级。 设屏上最高，最低亮度分别是三，。与l ，加，则灰度级依次为： 三。折，三。加0 + s dl 三。加0 + s 。) 2 ，三肭0 + s d ) ”一 令最大显示亮度k ： 。= 三。( 1 + s d ) ”- 1 ( 2 7 ) 可得灰度级脚， i n k 聊= 1 + 而l 葡l n l ? l ( 2 8 ) 当取，s d = 0 0 5 ，则当对比度为5 0 时，灰度级聊= 9 5 。一幅图像的欢度级越多，图 像的层次越分明，图像越柔和，人眼所能分辨的最大狄度级数大概是1 0 0 。可见：人眼所 见到的灰度级是实际亮度的一个等比级数的序列。 2 3l c d 运动图像模糊模型 2 3 1s i n c 频域模型 假设l c d 显示器由理想的液晶材料构成，其响应时间是0 ，所有的运动模糊来自其抽 样一保持特性。设原始视频帧的强度函数是( x ，y ，疗) ，其中”是图像的帧序号，g ，y ) 是图 像的空间位置坐标。令乃是显示器的扫描周期。当屏幕中的图像发生运动时，人的眼睛 会跟踪运动物体的运动，这是一种视觉补偿。一般地，通过追踪物体的运动，视网膜上 1 0 第2 章l c d 运动图像模糊的原理 输出是一个沿运动路径的一个积分过程啼1 。在运动视频中，v 代表的是视频中图像的运动 速度( 参照物是显示器本身) ，v = 【匕，v 。】是速度矢量。则人眼所看到的运动图像的实际亮 厶( x ，y ，刀) = f 川x ，y ) + 伽瓦， ) d a = 熙x ，y ) + 伽瓦，疗) h ( a ) d a ( 2 - 9 a ) 1 10 口 1 w 口j = ( 2 - 9 b ) 1 0其它 只埘( “，y ，门) = e 。厂。w ( x ，y ，n ) e 掣小川k 盯d x d y = f ( u ，v ，n ) h ( u ，1 ，) ( 2 一l o ) ( 2 1 0 ) 式中，f ( u ，聆) 是时刻 的原始图像的二维空间傅里叶变换。由文献 5 推导 h 0 ，v ) = s i n c ( z t h v x , v y k ，v 】7 ) ( 2 1 1 ) 从而得到理想液晶显示器对运动图像模糊的频域模型h ( u ，) 。取五：1 3 0 ， h ， ，】= o 1 ，0 1 ( 米秒) ，则频域模型h ( u ，v ) 如图2 - 3 所示。 如由=喜十l 睁一嘲+ 哆一瓯) ) 哪砌 0 其它 ”( o l ，z 一1 ) ( 2 - 1 2 ) 其中，厶) 是显示器的空间采样频率，所处理的是肘像素的运动图像。 中山大学硕十论文 1 td5 d 1 0 0 0 图2 - 3 频域模型h ( u ，v ) 2 3 2s i # 空间域模型 c r t s 的灰度响应曲线 l c d s 的运动模糊边缘 x ：位置坐标( 单位：像素) 图2 4 图像的模糊边缘 考虑图2 一l 所示的l c d 慢响应特性，l c d 的时域脉冲响应函数啊( ，) 为1 ： h f t ) = 0 ( 苴它) ( 2 一1 3 ) 其中，瓦= 2 丁，丁是l c d 的脉冲响应的上升时间。假设上升时问和下降时问相等， 同时不考虑保持时间的影响，并假设原始图像( x ，y ，) 只有水平方向的运动速度，即 v 。= 0 ，人眼系统传递函数是g ，对应的时域响应函数是g ( x ，y ，) ，人眼视觉系统实际感 受的输出是： 无( 石，y ，f ) = f ( x v x l ，y v 、，) 牛g ( x ，y ，) ( 2 1 4 ) 考虑l c d 的慢响应作用，则人眼所见的输出图像是： 六( x ，y ，f ) = 工，木啊( ，) = f ( x k ，y v y l ，) 丰曩( ，) 木g ( x ，y ，) ( 2 15 ) 上式中，“术”表示系统卷积。对于c r t 显示器而言，同样经过系统函数g ，因此， 相对于c r t 显示器，l c d 的运动图像的模糊边缘n 向应由文献 2 的计算可得： 触儆，搬h 川。 k 一光 力 _ 佗 帆 妇川钏i， g 瓦了一。陋呼 )万一 翌瓦rf1 第2 章l c d 运动图像模糊的原理 厶，g ，只，) = 厂g l t ，y v y t ，f ) 木曩( ，) = 少g 一叱一y - v y t ，一f h g k f b i 。x y t ) = 0 g o 沙 等耐( 轰1 ) 万 iz ，一。j ( o 工匕瓦2 ) ( 2 - 1 6 ) 等+ ( ( x 一孚) 一等耐( 盍( x 一孚) ) ( v , t h 2 x 匕瓦) ( 2 1 7 ) 运动图像模糊边缘的灰度变化情况可由图2 - 4 所示。由式( 2 - 1 7 ) 可知，模糊边缘的 宽度与物体的运动速度成正比，同时正比于l c d 的响应时间丁。因此，得到慢响应因素 引起的l c d 对运动图像的模糊的空间域模型，其对运动图像灰度变化边缘的模糊效果由 ( 2 1 7 ) 式表征。注意到式( 2 1 7 ) 是基于水平运动图像的假设，则任意方向的运动图 像的模糊边缘可表示为： ，b f 知y 1 、= 00v l o ) 半祈啸) ( o r q v l t h l 2 ) 警+ n 警) 半5 ( 赢( r - 警) 0 y 2 印z 阢 b r 出方( 4 - 2 ) 得到l c d 运动模糊系统本身是： 日，六) = s 加c ( 万d 阮，r ) = s 砌c 仁，k ，匕】瞳，r ) = s 砌c k ，h 六+ 匕乃) 】 ( 4 3 ) 式中，t ，是帧刷新周期。对这个系统进行采样，而采样的频率，由采样定理确定， 即：工2 f 。而这个系统在- o o ，佃) 的频率范围内都有响应，因此需要对该系统的频响 进行符合实际的截短。 对于数字图像而言，其频率谱是周期性的，在利用离散时f b j 傅里叶变换( d t f t ) 进行频 域处理时，其数字域频率是在以2 万为周期的，同样，该系统进行按采样定理进行采样以 后得到的数字系统也是一个以2 万为周期的频域响应系统，由d t f t 的时域卷积定理可以 第4 章s i n e - 7 预补偿模型的局限性 进行频域滤波。假设数字图像的最高频率成分是厶，那么可以用z = 2 厶的频率来对该 连续系统来采样，此时， f 悱丢薹f 【，o 一) 】 上式中的o ) s = 2 矾，六= 专。 ( 4 - 4 ) 重建图像利用了采样定理，也就是为了让人眼看到的图像具有连续的效果，要使采样 频率大于输入信号本身最大频率的两倍，即z 2 厶，作为l c d 显示器，为了能使各种 分辨率的图像得到真实的恢复，它是采用了一个比较大的采样频率的，对于一个1 5 寸的 1 0 2 4 7 6 8 的l c 。显示器而言，其采样频率是：= 等= 3 3 5 7 ( 像素米) ； 瓜= 面7 6 8 = 3 3 3 9 ( 像素米) ，它们分别是水平方向和垂直方向上的采样频率，同样的道理， 对于1 7 寸的1 2 8 0 术1 0 2 4 的l c 。显示器而言， 凡= 百1 2 百8 0 = 3 7 6 5 ( 像素米) ， = 百1 0 万2 4 = 3 7 9 2 ( 像素米) 。相比而言，1 7 寸的l c d 的采样频率更高。 由第二章式( 2 1 1 ) l c d 运动模糊模型在模拟域中表达式，写作：s i n c i n t ，y 六+ 匕六) j ， 在l c d 的采样显示的过程式中，是进行了( ，爪) 的空间采样的显示过程的，这个系统 从糙耗j 的磊编粟样而蜜网i 出苴嘉诀式蛮虎 日，) ：艺咖c k ，p y 执一毗) + 叱一哌) ) 】( 4 - 5 ) 连续信号采样以后的连续傅里叶变换就是离散时间傅旱叶变换，即d t f t 。与离散时 间傅里叶变换在本质上是一致的，因此，可以通过数字域频率与离散域的频率的换算关 系进行对应，即：缈t = q ，( z 9 ，= 2 矾，q 是数字域的频率，g o 是模拟域的频率。 利用离散傅里叶变换的卷积定理，即下式来处理这个问题。 z 胛( 厂( 七) o 办( 七) ) = ，( 以) 日( 刀) ( 4 - 6 ) 为此，可以对输入的图像求二维离散傅罩叶变换，得到一个与数字域频率相对应的二 维图像的变换域表达。为了能在s i n e 系统下实现滤波，该做频率的对应变换，即 2 9 中山大学硕士论文 厂模拟域= 厶字域石。便可以用圆周卷积定理来实现频域滤波。 对应的夭糸是： 六= 三，其中小= o ，1 ，2 ( m 1 ) ( 4 - 7 ) 乃= 专 s ，其中”= o ，1 ，2 ( 一1 ) ( 4 - 8 ) 其中，m 和n 分别表示图像的宽和高的维度。 由于式( 4 3 ) 得到的s i n c 模型，是对应于模拟域的频率从( - o o ，佃) 的系统，而处 理的信号是有限带宽的图像信号，而且由于l c d 显示器性质的固定性，就是说其分辨率 是在生产中就确定的，因此，我们用这个采样频率对这个系统带限，并采样，即是把s i n c 系统做下面二步： ，限定其带宽在( 一争，等) ，( 一譬，譬) 。 2 用( 一椰厂。) 的采样频率采样该系统。得到的系统表达式是如下： h 怃，六) = 艺咖c b h 一毗) + v ，阮一哌) ) 】 0 其它 因此，用二维d f t 来处理这个系统滤波的过程是： 六( 一孚，譬) 乃( 一譬粤) 1 对二维数字图像做二维离散傅里叶变换，得到； ( 4 - 9 ) 2 利用频率的对应转换关系式六= 暑几和= 焉 s 将数字域的频率对应 到模拟域的滤波频率中来。 3 得用系统式( 3 ) 和上面得到的对应模拟域频率得到响应过程的系统函数h 彳。 4 用h , 4 一m u 实现频域滤波。得到的是对应于数字频率的二维响应的离散傅里叶 变换的输出，删。 5 对，刚做反离散傅罩叶变换得到输出图像厶，。 3 0 第4 章s i n c 预补偿模型的局限性 从而，对于s f n c 系统的数字域的表达式是： i - 1 ( m n ) = 喜十i 睁一叫+ 哆睁一刎m 如阢胛h 如阢批b 0 其它 4 2s i n c 频域系统的空间域模型 ( 4 - 1 0 ) 对于二维的s i n c 频域的模糊系统而言，并不能从数学上直接求得其空间域的系统模 型，而只能通过各种自适应的方法求到，本论文所采用的方法是l m s 的梯度下降的方法， 参数矢量是二维的方形块，根据具体的矩形块的大小的不同，可以模拟出不同运动速度 造成的运动图像模糊的效果，具体如下： 选择控制参数m 用来控制参数矩阵块的大小。l m s 梯度下降方法的计算过程如下： 令：= l g ，n = 3 时，参数矩阵形式如= 1 w 2 1w 2 2 w 2 3 l ，输入矩阵形式 1w 1 1 们2w 1 3l i 们1w 3 2w 3 3l ix