（物理电子学专业论文）显示系统分辨率和动态伪像测量评估研究.pdf

东南大学博士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，人们对于显示器件的显示质量要求不断提高。论文根据h d t v 对显示 器件分辨率和成像质量的要求。针对目前测量中存在的问题，对显示系统分辨率和动态伪像测量和 评估进行了深入研究分析。研究c r t 图像清晰度和静态光点分布尺寸、l c d 图像动态清晰度与亮度 时间响应之间的关系，建立了实际测量分析系统，并通过视觉感知试验加以验证。研究成果对研制新 型高精密度测试系统和制定正确的评估标准具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文针对c r t 中决定分辨率的关键参数电子束光点尺寸的精密测量方法开展研究。为了适应电 子枪及偏转线圈的设计，和评估光点对显示清晰度影响，开发了精密的静态光点和会聚的测量系统。 针对l c d 显示运动图像时产生运动伪像分析的问题进行分析，提出了利用实际测量的亮度响应特性 和基于人眼运动视觉感知模型来模拟计算运动模糊图像，并进行评估分析。开发研究了一套精确测 量l c i ) 亮度响应变化装置，并经过视觉感知试验加验证测量评估系统的可行性和准确性。 针对c r t 中影响清晰度的关键因素电子柬光点亮度分布的精密测量方法开展研究，开发了精密 的静态光点和会聚的测量系统。在满足了电子枪及偏转线圈的设计的需要同时，建立了光点对显示 清晰度影响的评估系统。针对l c d 显示器显示运动图像产生时清晰度和彩色失真的起因，从像素的 亮度响应特性分析出发，建立了以实际测量得到的亮度响应特性，眼睛追踪运动和积分效应对动态 分辨率的影响分析模拟模型。并通过视觉感知试验，对模拟结果评估分析。 论文提出了以阴极脉冲放大器、偏转脉冲放大器和微移动偏转方法为核心的静止光点测量方案。 该系统研制成功了脉冲宽度为l o o n s 、幅度为0 2 0 0 v 的阴极栅极脉冲放大器、脉冲偏转放大器， 有效的避免了测量不同位置光点时偏转线圈温升对测量精度的的影响。对于荫罩型彩色显像管，采 用计算机精密控制的微移动法，克服了荫罩影响，修复被遮挡的光点。通过大量试验结果表明，精 密光点测试系统可以适合于各种显像管显示管的测试。试验表明该系统光点测量重复性误差小于 5 ，测试结果为电子枪计算机模拟设计提供了可靠依据。利用测量得到的理想的电子束光点亮度分 布，通过视觉感知试验，分析了光点分布尺寸对图像清晰度的影响。 针对l c d 图像动态清晰度的问题，建立了以测量、模拟和视觉感知实验的l c d 运动伪像模拟评 估系统。该系统由灵敏度和人眼视觉相符的高速光点二级管，运算放大器，n ia o 采集卡。视频信 号发生器，l a b v l 聃控制软件等组成l c d 的亮度响应特性测量平台。以测量出的l c d 的亮度时间响 应特性曲线为依据，建立了以人眼追随运动视觉感知为模型的模拟软件，实现了亮度的时域变化到 运动感知空域的转换。通过亮度响应测量和视觉模拟仿真，达到运动伪像分析的目的。提出了同一 屏幕上视觉感知对比实验方法，来验证模拟感知的运动模糊图像和真实感知的图像相似程度。试验 证明了模拟的运动模糊图像和真实的运动感知图像具有很好的相关性。此方法不仅可以用于l c d ， 还可以用于其它显示器件。 以往考虑图像失真时往往是分别考虑空域失真( s p a t i a la r t i f a c t s ) 和时域失真( t e m p o r a l a r t i f a c t s ) ，通过分析视觉感知模型和实际测量亮度响应变化，可以建立起时域特性和空域特性之 间的关系。通过分别采集r 、g 、b 和_ 的亮度响应特性，可以进步分析其时域特性对运动空域的 影响。论文提出的模拟计算方法可以根据亮度响应特性曲线，根据设计需要，在没有实物的情况下， 仿真计算预测不同背景光来仿真预测可能的模糊效果。所以模拟测量法具有追踪相机的分析无法代 替的优点。它可以满足研发设计阶段对设计思想进行论证的需要。 精确的l c d 象素亮度响应变化测量装置和评估计算和视觉感知试验验证系统，为进一步的分析 运动模糊的起因和提出解决方法，提供了有效的工具。 关键诃：c r t ，l c d ，测量，分辨率，光点，会聚，响应时间，运动伪像 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n t h eh i g hr e s o l u t i o na n dd e f i n i t i o na r en e e d e d n 忙m a i nf a c t o r st od e t e r m i n et h er e s o l u t i o na r et h es p o ts i z ei nc r ta n dm o t i o na r t i f a c t si nl c d s 1 h e e v a l u a t i o na n dm e a s u r e m e n tl m t h o d so ft h es p o ts i z ea n dm o t i o na i t i f a c t sa r es t u d i e dd e e p l y an o v e l t e c h n i q u eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt om e a s u r et h es p o ts i z ei nat v m o n i t o rt u b ep r e c i s e l yb y n m a n so fac a t h o d ep u l s e da m p l i f i e r , p u l s e dd e f l e c t i o na n dm i c r os t e p p i n gd e f l e c t i o nm e t h o d s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m a g ed e f i n i t i o na n ds p o ts i z e ，l u m i n a n c er e s p o n s ew e r es t u d i e di ne x p e r i m e n t s t h e n b ya n a l y z i n gt h eo r i g i n a t i o n so fl c dm o t i o na r t i f a c t s ，b a s e do nt h el i l e a s n i e n t e a to fs t e pl u m i n a n c e r e s p o n s eo f l c da n dt h es m o o t h - p o r s u i te y e t r a c k i n ga n dt e m p o r a li n t e g r a t i o nal l e ws i m u l a t i o nm e t h o di s p r o p o s a dt oi d e a s u f ea n dc h a r a c t e r i z em o t i o na r t i f a c t si nl c d s n 屺p r e c i s el c dh i m i n a n c et r a n s i t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mw a se s t a b l i s h e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ev a l i d a t e db yt h ep e r c e p t i o ne x p e r i m e n t s d u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp e r i o do fb e a md i s p l a yd e v i c e s ，t h es p o ts i z ei sn o to n l yc h a r a c t e r i z e db y c o m p u t e rm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o n s ，b u ta l s ob ym e a s u r e m e n t si no r d e rt oc h e c kt h ev a i l o n sm o d e l sa n d c o n c e p t sf o rd i s p l a yd e v i c e s e s p e c i a l l yd u n n ge l e c t r o ng u na n dd e f l e c tu n i td e s i g n i n gp e r i o dt h e r ei sn o c h a s s i st od r i v et h et u b e ，s os o m gs p e c i a le q u i p m e n ts h o u l db ed e s i g n e df o rt h es m t i cs p o ts i z e m e a s u r e m e n t n 嵋s p o ts i z ei nt h i st e c h n i q u ei sc r e a t e db ya ne l e c t r i cp u l s e w h i c hs y n c h r o n i z e sw i t ht h e f r e q u e n c yo ft h em a i np o w e rs ot h a tt h ei n f l u e n c eo ft h em a g n e t i cs t r a yf i e l dc a l lb er e d u c e dc o n s i d e r a b l y 1 b et e c h n i c a la d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a ls p o ts i z em e a s u r e m e n t s t h ea c h i e v e m e n t so ft h er e s e a r c h w o r ka st h ep r e c i s es p o ts i z em e a s u r e m e n ts y s t e mi sp r e s e n t e da sf o l l o w s ：n ”s t a t i cs p o to fap u l s e db e a m ( 1 0 0 峭一6m a ) a ta n yp o s i t i o no nt h es c r e e nm b em e a s u r e db ym o a n so fc a t h o d e o rg r i dp u l s e a m p l i f i e r ( w i d t hl o o n s ，2 0 0v ) a n d ah o r i z o n t a l ( 2 m a 1 0a ) a n dv e r t i c a l ( 6 m s ，2a ) p u l s ed e ：f l e c t i o n a m p l i f i e r , a l lh a v i n gaf r a m ef r e q u e n c y2 0 m s t h ed i s t u r b i n gi n f l u e n c eo fs h a d o wm a s kh a sb e e nr e m o v e d b yam i c r os t e p p i n gm e t h o d s p e c i a ln a l t o wp u l s ea m p l i f i e r sa n ds o f t w a r ef o rc o n t r o la n da n a l y s i sh a v e b e e nd e v e l o p e df o rt h i ss y s t e m e x p e r i m e n t sw i t ht h i sn e ws y s t e ms h o wr e p e a t a b i l i t yi ns p o ts i z eo fa b o u t5 i nr e s u l t so v e rt h e w h o l es c r e e na r e a a i s og o o da g r e e m e n th a sb e e nf o u n dw i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h eg u n su n d e r i n v e s t i g a t i o n t h ei m p r o v e ds p o ts i z em e a s u r e m e n ts y s t e mc a ne a s i l yd e a lw i t hd i f f e r e n tk i n d so ft h e c p t sa n dc m t s t h es y s t e mi se s p e c i a l l yd e s i g n e df o ra n dm e tt h er e q u i r e m e n to fe l e c t r o n o p t i cg u no r d ud e s i g n e r st om a k ea c c u r a t em e a s u r e m e n td u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp e r i o d an e wm e t h o di sp r o p o s e dt om e a s a r ea n dc h a r a c t e r i z em o t i o na r t i f a c t si nl c d s 1 h em e t h o di sb a s e d o na c c u r a t em a a s u r e m e n t so fl c dt e m p o r a ls t e pr e s p o n s ec u r v e sw i t hap h o t o - d i o d e ，a n dm o d e l i n gt h e m o v i n gi m a g ea sp e r c e i v e db ys m o o t h - p u r s u i te y e - t r a c k i n ga n dt e m p o r a li n t e g r a t i o n 1 1 i cp r e c i s e a s u f e f l l g n s y s t e m s i m u l a t i o nm e t h o da n dap e r c e p a o np r o t o c o lh a v cb e e ne s t a b l i s h e dt oe v a l u a t el c d m o t i o na r t i f a c t s t h et e m p o r a ll u m i n a n c et r a n s i t i o nc u r v e sc a nb ep r e c i s e l ya c q u i r e db yu s i n gaf a s t , e y e s e n s i t i v i t yc o m p e n s a t e d 。p h o t o - d i o d e t h et e m p o r a lr e s p o n s ew a v e f o r m s 。w h i c hr e f l e c ts h ec h a r a c t e r i s t i c so faf r a m e - s e q u e n t i a ld i s p l a yi n d e t a i l a l eu s e da si n p u tf o rt h es i m u l a t i o nm o d e l 1 1 l em o d e la s s u i l ss m o o t h - p u r s u i te y e - t r a c k i n ga n d t e m p o r a li n t e g r a t i o no ft h el u m i n a n c ed a t a t h es p a t i a la r t i f a c t sc a n b es i m u l a t e db yt i m e - s p a c e c o n v e r s i o nb a s e do nt e m p o r a le h a r a c t e d s t i c sa n dh u m a nv i s i o ns y s t e m n 培m o d e lw a sv a l i d a t e dw i t ha p e r c e p t i o ne x p e r i m e n tw h i c hd e m o n s t r a t e st h es t i m u l u so nt h es a m ep a n e l 融s i m u l a t i o nm e t h o dc a l l p r e d i c tt h ee f f e c t so ft h en e wm e t h o d sw i t h o u tt h er e a lp r o d u c t s t i l i ss i m u l a t i o nm e t h o di su s e f u lt o e v a l u a t et h em o t i o na r t i f a c t sa n dv a l i d a t c 吐l en e wi d e a si nt h ed e s i g np e r i o d k e yw o r d s ：c r t ，l e d ，m e a s u r e m e n t , r e s o l u t i o n ，s p o ts i z e c o n v e r g e n c e ，l c r t ，m p r t ，m o t i o n a r t i f a c t s 东南大学博士学位论文 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： 攀硷卜日 期：2 0 0 6 - 7 - 1 8 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：簿导师签名： 1 弛日 日 期：2 q q 鱼二z 二! 璺 东南大学博士学位论文 第一章绪论 随着高清晰度电视标准的提出，对显示器件的要求大大提高。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。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，其中图像分辨率( r e s o l u t i o n ) 是影响清晰度的主要因素，锐度 ( s h a r p n e s s ) ，主要是指轮廓线的清晰程度。与显示影像的分辨率有关的因素，首先是图像的总像素数， 即有效扫描线数水平采样点数，或者扫描线数以及影像信号的频率宽度。通常这些是由电视图像 系统给出的，对于显示器则由计算机显示驱动电路决定的，而对于显示器，则需要能够忠实地把输 入信号所包含的信息全部显示出来。数字显示系统对于器件分辨率提出了更高的要求 1 ，2 ，3 ，1 2 ， 1 3 。显示系统的分辨率往往可以采用光栅的临界分辨率的测试，如电视图像测试卡、压缩光栅法等， 还可以利用包括锐度在内表示更多性能的空间频率特件( m t f ) 的测试，以及在各种现场简便的字符、 测试图形显示目测等等。虽然c r t 的分辨性能与荫罩显像管的设计有很大关系，但实际上主要受荧 光屏上电子束点的亮度分布的发散因素影响。 由于点像和瞬间影像的发散性，以及c r t 中电 子束运动的发散性导致光线的发散趋势，容易 使图像产生模糊不清的现象。因此需要针对屏 上各个位置的电子束光点亮度分布情况测试。 对于l c d 与p d p 等矩阵式显示器，由于超过 像素区域的亮度分布扩散可以被忽视，因此图 像分辨性能主要是由像素数决定的。但是l c d 和p d p 在显示运动图像时图像质量( 清晰度) 会明显下降，因此对于视频图像而言，不但要 测试显示器的静态图像质量，还要对运动图像 质量进行测试评估。 图1 1 数字显示系统对于器件分辨率的要求 1 1 显示器件分辨率和运动伪像 分辨率：虽然分辨率是大家都很熟悉的参数，但是也是最容易被误解和弄错的参数，因为关于 分辨率这一概念并存着相当多的术语和定义。如果没有完全理解它们的含义，以及它们同视觉图像 特性的关系，就常常会用的不正确。最简单的分辨率的定义是，在一个可视图像中最小可鉴别或可 度量的细节。这看上去似乎是直接了当，但是事实上它的概念已经异常混乱。为了能够正确表达和 定义分辨率的概念，人们创造出了这些术语、定义和现有的各种测量方法 8 ，9 】。 首先定义视觉锐度，它象征在视野中分辨最小细节的能力，关于在某个标准距离d 处的视觉 锐度，可以定义为： 视觉锐度卸d 公式中d 是被测量物体的张角为最小可分辨角1 分时的距离。根据人眼的生理光学系统特性， 可以把1 分的张角作为分辨率的极限。还可以引用另一个分辨率的定义，即测试图上两个像素刚好 被识别时，此两像素夹角的倒数。 图像分辨率特性，是指图像的细微部分能被正确地显示、重现，以及图像给人清晰印象的程度 等。在心理学上是指图像的分辨度、细微度、清晰度等。能够测定的心理物理量或物理量包括i 临界 分辨率、空间频率响应、像素数等。在图像分辨率特性中，图像的细微部分在显示时被分割到什么 程度，用图像分辨率或者临界分辨率表示。但是评价图像清晰度时，只靠图像分辨率是不能评价的。 从而引入空间频率特性来评价图像的清晰度。 此外，视觉对于静止图像和运动图像的分辨率能力并不一样，当观察运动着的物体时，视力或 图像分辨率一般都会下降。对于视频显示连续的视在运动而言，对像物往往在一定时闻内( 帧周期 内) 出现在不同的位置上，这是由于把对像物的连续动作按时间进行采样再显示出来，如果采样脉 冲的时问宽度与采样周期( 帧周期) 相比并不是卜分短的话，对像物就会在移动方向上变得模糊。 这首先是由于图像输入系统的问题，在电视摄像机等图像传感器中，进行帧图像存储处理时，就会 第。一章绪论 导致产生这种模糊现象。这相当于拍摄对象的动作速度比光学照相机快门速度快时所出现的图像模 糊情况。面采用c c d 摄像机拍摄快速运动的对象时，由于使用电子快门，如果存储积累时间较短， 就可以防止这种模糊现象。此外，由计算机生成的图像，不会产生这种问题。 动态伪像对清晰度的影响： 对十视频显示系统而言，当观看运动图像时，由于眼球的随从性运动与积分效应，实际感知的 图像也会产生类似的模糊现象。由于随从性运动，眼球会随图像沿运动方向连续移动，演出显示的 时间较长且视线在静止表示着的对象上移动。这个期间，视线以把通过对象的光刺激积累起来的形 式作出响应。因此，如果相继出现的画面时间间隔相比并不十分短的话，就会产生与类似空问采用 脉冲宽度过大等价的模糊现象。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。在观看运动图像时产生的感 知图像的模糊和颜色失真等现象被统称为运动伪像。 视频图像的显示质董和显示器件的动态响应特性密切相关。动态响应特性是指显示动态被摄物 图像时的自然性和动态清晰度等。作为设备的特性，首先与时问响应特性( r e s p o n s et i m e ) 相对应。 另外，还与显示器的驱动方式相关，由于眼球随从性运动和视觉时间积分效果等影响，l c d 的保持 性( h o l d - t y p ed i s p l a y ) 和p d p 的子场驱动( s u b f i e l d ) 引起动态图像的轮廓模糊，颜色失真及伪轮 廓等问题，都会导致动态清晰度下降。而由于c r t 是脉冲扫描型显示器件，它在显示运动运动图像 时，人眼几乎感觉不到图像的运动失真。 作为视频显示器件，特别是为了测量和评估高清晰度电视的显示器的显示质量，除了测量静态 的分辨率以外，还需要分析和测量动态显示质量。 1 2 阴极射线管( c r t ) 分辨率 c r t 的工作原理与其他显示器件相比，其独特之处在于光栅扫描 3 ，4 ，1 3 】。c r t 器件充分利 用了人本身的视觉暂留现象，通过在极短时间内顺序点亮不同位置的光点来形成一幅完整的画面。 扫描分为行和帧扫描，分别在偏转线圈上加上横向和纵向的扫描偏转电流。对电视系统而言，电子 束从屏幕左上角开始，沿水平方向往右扫到右上角。这样就完成第一行扫描，扫描一行的时间约为 5 2 微秒，电子束从右端返回到左端下一行，然后开始第二：行扫描，这样一行一行的有屏幕上方扫到屏 幕下方。对于队l 制而言，一共进行6 2 5 次来回扫描才扫完整个屏幕。然后电子束返回左上角，开 始第二：帧的扫描。研究发现，在每秒4 8 帧以上的闪烁才是人眼不町察觉的，也就是说，显像管的扫 描频率必须在每秒4 8 帧以上。为了节约带宽，电视技术人员叉发明了隔行扫描。即电子束先扫描奇 数行，然后再扫描偶数行，每一帧的图像都是由奇数场和偶数场复合而成。这样原来一秒钟扫描4 8 帧以上就变成了每秒扫描2 5 帧，5 0 场，既节省了带宽，又避免了闪烁。而对计算机显示器则采用 逐行扫描和较高的刷新频率。c r t 的扫描线是由电子束光点水平和垂直方向运动而产生的。所以光 点的分布特性决定了扫描线的特性。可以看到，光点是构成显像管图像的基本要素，屏上的光点大 小直接决定了显象管的显示的清晰程度。显像管主要由荧光屏( 对于彩色c r t 含荫罩) 、电子枪、 偏转线圈和玻璃外壳等四部分组成，只有各部件的合理设计和组合才有可能保证屏上图像的质量。 决定c r t 显示质量的主要指标之一是分辨率。通过检测荧光屏上光点的大小和形状，我们可以评价 屏的显示质鼍，同时改进各部件的性能。 置 图1 2c r t 的工作原理图1 3c r t 扫描工作模式 2 东南大学博士学位论文 需要注意的是，显示器件的分辨率( r e s o l u t i o n ) 与寻址( a d d r e s s i n g ) 能力是有一定区别的。分辨率 指的是可见的图像信息细节多少；而寻址能力则指的是显示器件在纵向和横向可控制的象素数，例 如1 2 8 0 1 0 2 4 。但是，一个象素是可寻址的并不代表它是可分辨的。 1 2 1 影响c r t 分辨率的主要因素 电子束光点大小( s p o ts i z e ) 、会聚特性( c o n v e r g e n c e ) 、荫罩的间距( p i t c h ) 、带宽( b a n d w i d t h ) 以 及屏幕反射、眩光( g l a r e ) 、几何畸变( g e o m e t r y d i s t o r t i o n ) 另外，散射光线( s t r a yl i g h t ) 。 分辨率和光点、荫罩节距和带宽是实现高清晰度显示的最主要因素，它们与清晰度的关系可以分析 如下。 a 原来寻址像素b 寻址像素增加一倍 c 原来寻址像素d 寻址像素增加一倍 图1 4 增加水平方向可寻址像素数 当从数字信号源产生的视频信号加在显示器上时，显示图像的像素我们可称之为可寻址像素。 在垂直方向它等于扫描的行数。在水平方向它等于可见的扫描过程中的采样数( 一般扫描超过显示 范围6 左右，所以有的产品采用一定措施号称可以显示一般显示器看不见的部分) 。因为这取决于 视频处理系统和扫描频率，它可以( 假设适合的视频驱动器和适合的偏转线圈) 设定为任意值。增 加可寻址像素数是高清晰度的基本要求。可以通过减小寻址像素尺寸，来改善图像的质量，即使寻 址像素尺寸比屏幕节距( 屏幕节距：相邻荧光粉点之间的距离) 还要小时。 双倍的寻址像素密度( 在此例中仅限于水平方向) 改善了显示字符的显示质量。特别对于斜体 字符有利。对于竖直字符也是有利的。字符间和单词的距离更确定，见图1 5 和图1 6 。 鬻鬻鬻鬻鬟；繁攀掣孽耄j 癸霉饕雾霎耄零i 攀羚；璺! 亨鬻? 警霉翌 鬻暾滋糯暾葫锄两阚鳓撼：蘸融鬻撩蘸 缓麓巍羹荔懑磊氛；：囊囊落瓣妻羹囊囊i i 露嚣旗撬瓣懿蒜锈臻转晓舞簿囊舔喜喾枣矮繇参蕊 鍪缝黪识藏誊荔蠢 图1 5 参考可寻址像素密度 豢鬻鼯鬻篱鬣灞 黥黼澄缀瀚蕊& 蘧妻彘毳褫凝螽蕊掰瓣缀黝霸熬瀚瀚躺鹣l 镳骚漱溉瓣翰溅獭麟豢 图1 6 水平可寻址像素密度提高一倍时 因此只要减小寻址像素尺寸不但可以显示更多细节，而且这不需要更小的光点和更小的屏幕节距。 但是限制因素不是管子，而是视频放大器的带宽和偏转线圈的最大扫描频率。 图1 7r 、g 、b 、三电子束会聚于屏幕图1 8 电f 柬重心对于彩色的影响 第章绪论 对于彩色显像管而言必须考虑r ，g ，b - - 束，荫罩的影响是保证了三束精确打到各自对应的荧 光粉上。c r t 的三束必须会聚于屏幕上，而不是在荫罩上，即如果去除掉荫罩，三个电子束应当会聚 于屏幕上。所以屏幕的节距( 相邻荧光粉点之间的距离，而不是荫罩的节距) 影响分辨率。为了表 达清楚起见，图1 9 将荫罩节距和屏幕节距画的同样宽，实际上存在投影关系。彩色显像管的荧光 粉点红、绿、蓝三色为一组，光点的重心的位置影响到颜色。为简单起见，假设电子束是以正方形。 以荫条式荫罩管为例，当三个电子束从左向右偏转扫描时，如图1 1 0 所示，右边的一个红色荧光粉 点首先逐渐被点亮，同时左边的一个红逐渐熄灭，蓝色和绿色也如此。同样对于六角形分布的荧光 粉点也是如此，随着电子束的扫描和所加视频信号的调制，被扫描各个粉点逐渐的亮暗，其中有中 间色的变化。特别是在实际光点分布为高斯分布的情况下，c 盯的这一特点尤为重要。这就说明了， 如果仅仅以荫罩的节距( p i t c ho fm a s k ) 来作为衡量分辨率的指标是不科学的。 图1 9 视频对三电子束的调制图1 1 0 偏转时电子束对应于屏上荧光粉位置 因为三束不是会聚在荫罩面上，三束不可能保证同时亮和 暗。，实际上电子束往往要覆盖多个荫罩孔，多组荧光粉 点被点亮。c r t 的扫描和寻址有其特有的特性，光点的寻址 位置可以被确定为小于荫罩的节距。因此增加水平寻址数 可以提高分辨能力。 显示波形和町分辨的像素数之间的关系。 的 形 图1 1 2 显示波形和可分辨的像素数之间的关系 图1 1 1 电子束斑对应的荧光粉点 表1 1d 2 m a c ( d 2 一m u l t i p l e x e da n a l o g o u sc o m p o n e n t s ) 系统的水平分辨率 亮度带宽 5 6 姗z 扫描时问 5 1 6 z s 过扫描 7 可分辨像素 5 4 0 4 丁 东南大学博士学位论文 1 2 z 高分辨率对于荫罩和光点的要求 可以采用空间频率分析的方法分析荫罩的空间频率和电子束的空间频率从而得到高分辨率对荫 罩和光点的要求。 高分辨率荫罩节距的要求 十千十十妒 蘸罩孔 图1 1 3 荫罩和电子束的相对位置影响 图1 1 4 荫罩，荧光粉和电子束的相对位置影响 荫罩对于寻址有一定的影响这称为“克尔”( k e l l ) 因子，对于给定屏幕节距，它导致了分辨率降低 “克尔”因子用于计算可分辨像素。 我们可以计算屏幕节距对水平分辨率的限制。节臣的值和节距的水平尺寸相关。取克尔因子为0 8 ， 来计算可分辨像素。计算结果见表1 2 。 表1 2 屏幕节距对水平分辨率的限制 管型图像显示的宽度( r a m )屏幕节距( m )可分辨像素( m ) 1 4 英寸c m t 2 8 20 ，2 59 0 2 2 0 英寸c m t4 0 00 2 51 3 2 5 6 6f st v 5 3 608 25 2 2 8 6 骼w7 5 2o 8 0 7 5 9 8 6 髂h d t v7 5 2 0 6 0 1 0 0 3 可以看出因为三色的影响，分辨率大大下降。三种颜色之一将总是转换为亮度波形，虽然三种 颜色不是相同的亮度。但是电视图像总是运动的，因为运动，这时很好显示和不能很好显示的情况 非常快的交替出现，而人眼对亮点和颜色的感觉是积分的结果，从而使得荫罩的影响不再被感觉到。 根据以上讨论可知，因为三色影响和运动的影响，当评定管子是否适合于h d t v 图像时，荫罩节 距不是重要的因素。荫罩的影响不应该作为明确的高空间频率截止滤波器。而上屏电子束斑的尺寸 即光点的亮度分布是影响分辨率的最主要因素。光点的亮度分布和尺寸是决定分辨率的核心参数， 虽然有许多研究成果，但是还没有一种非常适合的测量设备对屏上各个位置的静止光点测量其大小 和形状。 1 2 3 高分辨率对于光点的要求 显示器的分辨率和调制度密切相关，调制度往往可以采用图1 1 5 所示的图形，和图下的公式来 计算，其中l n m x 为亮度的最大值，l m i n 为亮度的最小值，a a v 为亮度的平均值，a f w 为亮度最大 值减平均值。但是我们必须注意左右二个公式的差别。对于正弦函数二者的结果相同。但是有时输 入的并非是正弦波，左边常用的方程中平均值和基波的调制深度会发生变化，不能简单地用大、小 值相加、减，所以采用右边的函数定义更为科学。 5 l m a x l l m i r r 第一章绪论 一l l m a ：l - - 1 l m j nm d ： 。+ 。 寸 m d 晰：竽 以， 图1 1 5 调制深度 如图1 1 6 所示，当_ 条扫描线的亮度轮廓靠近时，可以看到他们综合的发光效果。二：条扫描线的距 离在光点3 0 宽度处相遇时，调制深度为2 5 。 y 加c 越l i d 卅 图1 ，1 6 二条扫描线的亮度轮廓 当电子枪被正弦电压1 0 0 调制度时，电流的形状，如图1 1 7 所示。 - - - - - x 图1 | 1 7 电子枪被正弦电压1 0 0 调制度 因为电子枪的伽玛( g a m m a ) 效应影响，信号的基本波形的调制度是1 5 。可以分别计算出垂 直和水平方向上的不同调制度下所允许的光点像素比的关系曲线。 6 东南大学博士学位论文 垂套方向 f 、 、 l ； 一、 、。 、 ”- 、 1 、 。、 ，| 罩= _ ， n 。i 一。f 、两 0o - 20 40 石n li1 01 1 4i 五l j2 所需的调制度 5 二：；舷瓣滕是尊麒寸 i l l1 1 8 水平方向上所需调制度所允许的光点尺, - j - 像素尺寸 水平方向 l i f j 、 l ? 、 、 、 。一 、 h 1 、0 ， 鸯 o0 20 40 6o gl1 21 41 61 82 所需的调制度 二虢藩磊赡炎孑强熬飘 5 0 图1 1 9 垂直方向上所需调制度所允许的光点尺寸像素尺寸 7 ， ” 4 ” ， 2 ” 。 ” o 嘭窿芎求是妊锭 5 5 4 5 3 5 2 5 l 5 0 4 3 2 1 0 争嘭雠譬鬃暑k袋 m 悃2 - n ( 1 ， 脚一p p 对于给定的波形，所需的光点尺寸来得到一定的m t f 值， 实际因素在垂直方向上是2 ，在水平方向 上是l r5 。 d 。一4 三a 石 ( 1 3 ) 在：条扫描线的距离为3 0 的光点直径是，数值计算可以清楚的显示调制度大于2 5 。 土：亟：兰 。i 。丸痒 2 光点方面的结论： = 2 0 1 5( 1 4 ) = 个可以分辨像素相遇于3 0 光点真径，此时调制度为2 5 。图1 1 8 和图l1 9 可以来决定在相 同或其它调制度时，光点的直径( ) 。 可分辨像素数，作为允许的视频带宽，考虑取6 过扫描 脚。= 2 。九。志 ( 1 5 ) 扫描时间作为扫描频率的函数，考虑取2 0 叵1 扫时间 1 仁0 8 “6 ) js c “ 在给定的行扫描频率下，视频带宽允许的可分辨像素数， = 羔等 ， 例如视频带宽3 0m l z ， 扫描频率4 8 k h z ，可以提供：每行9 4 0 像素；而视频带宽3 0m i i z ，扫 描频率3 4 k h z 可以提供：每行1 3 3 2 像素。综上所述，h d t v 为逐行扫描。虽然我们能够设计偏转线 圈工作到4 8 k h z ，图像的性能将减低，因为视频放大器有瓶颈。注意，监视器的视频带宽可以很高， 但是这是因为较低的驱动。 8 东南大学博士学位论文 c 盯的分辨率主要由扫描光 点的性质决定。电子束在电子枪中 从阴极出发，经过聚焦，偏转后打 在屏幕上，激发荧光粉发光，从而 形成光点。光点的大小，形状，亮 度分布等都受到电子枪各个部件 的制约和影响。因此，电子枪设计 的宗旨就是保证在屏幕上各处产 生良好的，接近理想的光点。要作 到这一点，必须对某个特定电子枪 所产生的光点进行分析和衡量，才 能了解电子枪设计的优劣和需要 改进的地方。所以，对于c r t 显示 器来说，分辨率的衡量很大程度上 是光点特性质量的评价。 1 2 4 光点尺寸的判定 图1 2 0 光点重心的定义 判断光点的尺寸有很多方法 1 1 。比如，在暗室条件下，用肉眼借助于带刻度的显微镜来读取 屏幕上光点的大小，估测光点的横向和纵向尺寸。在读取的过程中，要注意避免光晕的影响，通常 光晕的存在会使读取的结果偏大。要是有荫罩存在时，由于荫罩的遮挡，读取光点更加困难。测量 更不准确，往往只能依靠在十字线图形中，数取线条横向或纵向上一定范围内的发光的荧光粉点的 数目来衡量。而在数取过程中，常常会遇到荧光粉点一部分亮，一部分不亮的情况。这样就给生产 厂家和客户带来争议。 科学的方法是：首先，对所得到的光点图像进行数据分析，在x 和y 两个方向上分别对图像积 分得到一个平均的分布。现在，有了两个方向上的分布，分别找到x 和y 方向上的亮度最大值，以 最大值的百分比来决定。可以以6 0 ，5 0 ，2 0 ，1 0 ，5 和1 e 等标准确定光点在两个方向上的尺 寸( 人眼一般能确定的光点边界为5 或1 0 ) 。此方法则虽然相对比较复杂，但精确度高。 1 2 4 1 光点的重心 由于多种因素的影响，产生在屏幕上的光点并不是理想的高斯分布的完全对称的形状，因此其 图像的几何中心并不一定和重心重合。光点重心的决定，可以如图1 2 0 所示，光点重心的计算可以 定义如下： p ( z ) 出= p ( 工) 出 一x0 y o “ f ( y ) d y = f ( y ) d y ( 1 7 ) ( 1 8 ) 其中x o 和y 0 就是光点的重心，而f ( x ) 和f ( y ) 则是分别在y 和x 方向上积分后的光点分布函 数。可以简单的理解为：在某个方向的亮度分布图上，被曲线所包围的不规则图形中x 0 ( 或y 0 ) 左右 两部分的面积相等。在上面的积分关系式中解出x 0 和y o ，就得到了光点重心。 1 2 4 2 电流电压和光点尺寸大小，重心的关系 通过改变电压或电流，可以测量出电压或电流对光点尺寸的影响。测量数据表明，在一定范围 内，i 羁极电流与光点尺寸几乎成正比，而光点尺寸则随电压变化有一个极小值，并且在不同电流时 极小值的位置不相同。这正好对应于电子光学中电子枪的最佳聚焦电压。采用光强在x 和y 方向上 的积分方法，更符合实际扫描情况下，电子束扫描线的分布情况，从而将光点的大小和显示器的分 辨率联系在一起，有利于判断显示器的分辨率。 9 第一+ 章绪论 图1 2 1荫罩式c r t 光点亮度分布图1 2 2 光点大小的定义 根据测量目的的不同，c r t 分辨率的测量有 很多方法，例如压缩光栅法，狭缝扫描( 又分为 机械扫描，电子扫描和双缝扫描等) ，点阵扫描， c c d 扫描阵列等 1 。 1 3c r t 的分辨率测量方法 雾盆 = 一 图1 2 3 光点尺寸的定义 对于c r t 器件而言，分辨率测量特别困难除了采用的技术不同以外。还因为采用不同的方法， 所得到的数值不同。因此，如果不知道所用的方法，其测量结果就会搞错。 1 3 1 直接观察法 i ) 显微镜目测法 这是测量c r t 线宽的最简易方法。它应用有刻度的显微镜或放大镜直接读取光点尺寸或线宽数 据。但由于人眼难以辨别光点边界，这种方法有很大的