（物理电子学专业论文）液晶显示中运动伪像的研究.pdf

摘要 近年来，液晶显示技术及产业的快速发展引人注目，作为平板显示器的杰出代表，液晶 显示器正逐渐取代传统的c r t 显示器，但是液晶显示器在显示运动图像时受到运动伪像问 题困扰，显示质量还不能令人满意，这制约了其在电视等对运动显示高要求领域的推广和运 用。运动伪像问题已是液晶显示器面临的最后难题，构建一套完善的测试评估系统，科学、 客观、定量的对液晶显示器运动伪像进行测量和评估，对不同液晶显示器的显示质量进行比 较，找出相关参数的展优组合，促进液晶显示器运动显示质量的改善，已经成为一项十分必 要和极具现实意义的研究工作。 目前业界最常用的针对液晶显示器运动伪像的评估测量方案是，通过测量液晶显示器响 应时间来加以衡量，但是随着研究深入，人们发现响应时间概念并不能解释引起运动伪像的 所有因素，事实上它只是揭示了运动伪像问题的一部分。为了再现人眼对液晶显示器运动图 像的感知，以便进行测量和评估，根据液晶显示器的保持型显示特性、人眼平滑追踪运动图 像以及人眼视觉是对亮度的时间积分理论，提出了两种测量方案：一种是基于高速c c d 相 机或追踪c c d 相机的测量方法，通过模拟人眼运动以及c c d 像素对亮度的积分作用，再 现人眼对运动图像的感知，但是这类测量系统硬件的同步性、测量精度等要求高，设计成本 高，而对运动伪像的模拟效果与人眼的真实感受还是存在差别；另一种测量方法则是软件模 拟方法，通过测量或假设响应曲线和建立人眼平滑追踪与对亮度时间积分的算法模型来模拟 运动伪像。模拟方法简单、实用、灵活，通过测量响应曲线可以了解器件亮度变化细节，在 评估运动伪像同时为改进器件设计提供依据，因此我们选择基于测量响应曲线和建立人眼平 滑追踪与对亮度时间积分模型的模拟方法展开深入研究，并采用最新的软件平台和硬件支 持，提出并建立一套完善的运动伪像预测评估系统，整个系统可分为硬件和软件两部分。 硬件部分包括可编程图像产生板和响应曲线采集电路，首先准确产生在不同灰度等级间 变换的图像源信号，然后利用和人眼视觉感知相一致的光电二级管将亮度变化转换成电流变 化，运放电路对电信号进行放大和抑制噪声后，由a i ) 转换采集卡采集相应的响应曲线。 本论文在系统设计过程中主要完成的工作是，以个人计算机为平台，引入虚拟仪器概念， 利用虚拟仪器编程软件l a b v l e w 实现和扩展传统测量仪器功能，充分发挥其在数据采集、 处理、表示、传递、存储等方面的优势，整个控制程序由采集界面、处理界面和模拟显示控 制界面三部分组成。 采集界面主要实现了实时控制图像产生板产生图像源信号，并使之与采集电路协调工 作，程序对响应曲线采集过程精确控制，保证采集到连续且同步的不同灰度等级间响应曲线； 处理界面主要实现了运用多次线性累加平均处理算法进一步提高采集到的响应曲线信 噪比，同时保留响应曲线中固有的周期性波动，还原响应曲线真实原貌，并通过计算响应时 间对处理后响应曲线的准确性加以检验，进而完成响应曲线的分析、处理、显示、保存工作； 模拟显示控制界面主要实现了以平均处理获得的响应曲线数据为依据，根据入眼视觉特 性，用软件算法模糊一幅静止图像，模拟其运动在液晶显示器上时的人眼感知，并将模糊图 像以静止方式与原始图像以运动方式一起再现在液晶显示器上，作为验证模拟结果准确性的 评估实验平台。 通过对实际液晶显示器的测鼍和模拟，实验结果表明，本系统具有很高的稳定性、可靠 性和实用性，操作过程灵活方便，达到设计要求，为后续的复杂运动图像的运动伪像研究奠 定了基础。本课题对相关领域的测量和图像处理的研究和试验也具有一定的参考价值。 关键词：液晶显示器运动伪像测量响应曲线虚拟仪器l a b v i e w a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to f l c d st e c h n o l o g ya n di n d u s t r y , l c dp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h e d i s p l a ya r e a a sl c d sf i n a lf a u l t , m o t i o na r t i f a c t sb l o c k sl c d sa p p l i c a t i o no nt v i ti su r g e n tt o d e v e l o paw a yt os t u d ya n dc h a r a c t e r i z et h em o t i o na r t i f a c t so f l c d a tp r e s e n t , s e v e r a le 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 sh a v eb e e np r o p o s e dt oe v a l u a t et h e m o t i o na r t i f a c t s t h el cr e s p o n s et i m e ( l c r t ) i sn o r m a l l yu s e dt oc h a r a c t e r i z et h et e m p o r a l p e r f o r m a n c e so fl c d b u tl c r tc a nn o te x p l a i na l lr e a s o n sc a u s i n gb ym o t i o na r t i f a c t s ，a sa m a t t e ro ff a c t , i ti sm o l el i k et h eb e g i n n i n go ft h es t u d y b a s e do nt h el c dh o l d - t y p od i s p l a y c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r i n t i p l eo fs m o o t h - p u r s u i te y e - t r a c k i n g , t w oa i t e m a t i v e sa r ep r o p o s e d o n ei sd i r e c tm e a $ u r e n l e n ts y s t e m , i nw h i c hh i g hs p e e dc c dc a m e r a , r o t a t i o nc a m e r ao rr o t a t i o n m i r r o rw i t hs t a t i cc a m e r ai su s e dt os i m u l a t et h ee y e sm o t i o n b u tc a n l e r ab a s e ds y s t e m sn e e d p r e c i s e m e c h a n i s ma n dc o m p l e xt r i g g e r i n gs ot h e s es y s t e ma r ee x p e n s i v ea n dc o m p l e x i n a d d i t i o n t h em e a s u r e dr e s u l tt a k e nb yc c dc a m e l r ai ss t i l ls o m ed i f f e r e n tt ot h ea c t u a l l yp e r c e i v e d m o v i n gi m a g e a n o t h e rm e t h o di ss i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hi sb u s e do nt r a n s i t i o nc u r v e sa n d m o d e lo fs m o o t h - p u r s u i te y e - t r a c k i n g s i m u l a 畦o nm e t h o di sf l e x i b l e 1 e s se x p e n s i v ea n ds i m p l e m e c h a n i s m b yc a p t u r i n gt h et r a n s i t i o nc u r v e ，w ec a nn o to n l ye v a l u a t em o t i o na r t i f a c t s ，b u ta l s o r e a l i z et h el i g h tb e h a v i o rw h i c hc a l lh e l pu si m p r o v et h ed e s i g n s ow es e l e c t e dt h es i m u l a t i o n w a yw i t hm e u s u r e m e u to ft r a n s i t i o nc u r v e sa n dm o d e lo fs m o o t h - p u r s u i te y e - t r a c k i n gt os e tu p e v a l u a t i o ns y s t e mb ym e a n so f t h es t a t e - o f - t h e - a r ts o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d e sp r o g r a m m a b l ei m a g e g e n e r a t i o n b o a r da n d r e s p o n s e c u r v e m e a s u r e m e n tc i r c u i t f i r s t , t h eb o a r dg e n e r a t e sd i f f e r e n tg r a y s c a l e st e s tp a t t e r no nt e s t e dl c du s r e q u i r e m e n t s e c e n d v i s u a lc o r r e c t e dp h o t o d i o d ei s u s e dt oc a p t u r et h e1 u m i n a n c et r a n s i t i o n c h a n g eo nl c d t h i r 0 , t h eo u t p u tf r o mp h o t e d i o d ei sa m p l i f i e db ya m p l i f i c a t i o nc i r c u i la tl a s t , t h es i g n a li sc a p t u r e db y a dc o n v e r s i o na n dc o l l e c t i o nc a r da st h er e s p o n s ec u r v e t h es o f w a r et h a ti st h ea u t h o r sm a i nt a s k si sb a s e de nv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a 聍一 l a b v i e wv e r s i o n7 1w h i c hh a sa na d v a n t a g eo fd a t ap r o c e s s i n g , f r i e n d l yi n t e r f a c e 。c o n v e n i e n t t r a n s f e r r i n ga n dc o n t r o l l i n g , s t o r i n gc t c c o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a le q u i p m e n t , t h ef u n c t i o no f t h e v i r t u a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tc a l lb er e a l i z e da n de x t e n d e de a s i l y t h ec o n t r o lp r o g r a mi st h e h u m a na n dm a c h i n em u t u a li n t e r f a c ei ne x p e r i m e n ta n di th a st h r e ei n t e r f a c e s t h ec a p t u r e di n t e r f a c es e t st h ep a r a n a e t e r sa n dc o n t r o l st h ei m a g eg e n e r a t i o nb o a r dr e a l - t i m e a n dt r i g g e r st h ed a qc a r dt oc a p t u r er e s p o n s ec u r v eh a r m o n i o u s l y n 碡c o l l e c t i o np r o c e s si s c o n t r o l l e da c c u r a t e l ys ot h a tw ec a ng e tt h er e s p o n s ec u r v ec o n t i n u o u s l ya n ds y n c h r o n o u s l y b e t w e e f id i f f e r e n tg r a yl e v e l sa sr e q u i r e m e n t s t h ep r o c e s s i n gi n t e r f a r er e d u c e sn o i s ec o n t a i n i n gi nt h et r a n s i t i o nc a l v e p r o g r a mm a k e su s e o fm u l t i - a d d - a v e r a g e - a r i t h m e t i ct oi m p r o v et r a n s i t i o nc u l n e s s n & t h ei n t e g r a l l yp e r i o d i c w a v e f o r mr e s p o n s ec u r v ew h i c hi si m p o r t a n tf a c t o rt oa n a l y z ei ss a v e da tt h es a m et i m e t h e r e s p o n s ew a v e f o r ma n ds o m ea n a l y z i n gr e s u l t s ，s u c ha sr e s p o n s et i m e ，a r es h o w no nt h ei n t e r f a c e a n dc a nb es e l e c t e dt os a v e 1 1 s i m u l a t i o ni n t e r f a c eg e n e r a t e ss i m u l a t e db l u r r e di m a g eb yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h e p r o p e r t i e so f v i s u a ls y s t e ma n dt r a n s i t i o nc u r v ea n dd e m o n s t r a t e st h es t i l ls i m u l a t e db l u r r e di m a g e o nt h es a m el c dt oc o m p a r ep e r c e i v e de f f e c tw i t ht h ea c t u a lm o v i n gi m a g e i ti sv a l i d a t et h e s i m u l a t i o nm o d e lv e r s u sa c t u a lp e r c e i v e dm o v i n ge f f e c t b yal a r g ea m o u n to fm e a s u r i n gt e s t so nl c dm o n i t o r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi s r e p e a t a b l e , r e l i a b l e ，a c c u r a t ea n dp r a c t i c a b l e i tm e e t st h er e q u i r e m e n to f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：l c d , m o t i o na r t i f a c t s ，m e a s u r e m e n t , r e s p o n s ec u r v e ，v i r t u a li n s l n n e n t l a b v i e w i i i 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。 研究垒签名：至起 日期：洌6 q - , 2 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 文被查阅和借阕，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： 圣超 导师签名： 3 期。 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着科技进步，人类已进入信息化时代，信息成为推动经济和社会发展的重要因素，并 且融入人们生活的方方面面。人们获取信息的手段多种多样，将信息以图像形式显示出来， 是人们有效获取信息的重要手段。以阴极射线管( c r t ) 为标志的现代电子显示技术的兴起 满足了这一需要，现在电子显示器无所不在，并从根本上改变了人们的生产和生活方式，最 典型的示例就要数电视了。c r t 显示器发展至今已有一百多年，长期占领着电子显示技术 领域，即便在各种显示器件蓬勃发展的今天，仍然占据一定的优势，但是由于技术的不断创 新，平板显示( f l a tp a n e ld i s p l a y ) 技术正在迅速崛起，c r t 显示器被平板显示器替代，已经成 为必然的趋势。 平板显示技术是指制作厚度小于显示屏幕对角线尺寸四分之一的显示器技术，这类显示 器厚度较薄，看上去就像一个平板，平板显示由此得名。平板显示类型多样，按照显示媒介 和工作原理，主要可分为液晶显示( l c d ) 、等离子显示( p d p ) 、有机电致发光显示( o e l d ) 、 场发射显示( f e d ) 等几类。其中又以液晶显示器的应用晟为广泛。 液晶产业发展至今已有2 0 多年，现已发展成年产值超百亿美元的大型产业链，产品涵 盖了手表、手机屏幕、电脑显示器、电视等从小到大所有需要电子显示器的领域，而且无论 是在技术成熟度或是市场占有率方面，液晶显示器都处于各类平板显示器之首。由于应用领 域不断拓展，市场前景光明，进一步刺激了对液晶显示器研究和生产的投入，其产能不断扩 大，成本不断下降，有理由相信。在可预见的将来，液晶显示器将占据主导地位，成为人们 获取信息的主要电子显示设备。液晶显示器本身种类较多，当前主流产品及研发重点是有源 矩阵l c d ，特别是t f t - l c d ，其技术优势明显，发展潜力巨大。 液晶显示器要想最终取代c r t 显示器，就得在显示质量上有所超越，早期液晶显示器 在这方面还存在缺陷，不过随着新技术、新材料的应用，在几乎所有的技术领域，液晶显示 器的表现正在迅速接近c r t 显示器，在某些方面甚至已经超越，如静态酎像显示，但在显 示动态图像时，液晶显示器仍然存在比较严重的问题，其主要原因是人眼观察液晶显示器显 示运动图像时会感受到运动伪像，导致其动态显示质量下降。事实上，运动伪像普遍存在于 各种显示器的动态显示中，但是，液晶显示器似乎是最易受运动伪像困扰的平板显示器，运 动伪像阀题已是液晶显示器面临的最后难题，严重制约了液晶显示器在诸如电视等对运动图 像显示质量高要求领域的推扩和应用。 伪像是指显示系统再现图像时所观察到的反常的或非有意安排的某些东西，即从人的视 觉角度来看，图像的某一部分错了。显示出现伪像并不是显示器不具备适当地调节功能，例 如，当色调控制设置不当，图像显示会看起来很糟糕，但这不是伪像，伪像是图像某种程度 的物理破坏。为便于研究，伪像被划分为与时间相关的和与运动相关的两类。 与时间有关的伪像发生在显示屏上的视觉目标处于静止状态或没有图像的满屏时，包含 以下特征：响应时间、闪烁、残像、亮度随时间变化，如来自潜在的图像( 短期) ，预热( 中 期) ，或老化( 长期) 效应，所以可以被称为与时间有关的表现、静态时间表现或固定位置 时间等等， 运动引起的伪像是指显示屏上的视觉目标运动时发生，静态时显示正确的视觉目标，在 运动时可能产生很大失真，由于运动图像的视频内容在可视区域内能够任意的、随机的改变 运动状态，并且混杂了颜色、灰度等级、空间容量密度、方向及速度等因素，使得运动伪像 问题非常复杂。 国际标准v e s a 2 0 针对部分伪像给出界定，并且推荐了一些标准的测龟评价方法l l j ， 但是它们只涉及到一小部分的液晶显示运动伪像，只是研究液晶显示运动伪像问题的一个起 点。为深入研究液晶显示运动伪像产生原因及类型，并对各种改善液晶显示器动态显示质量 的方法进行有效评估，建立针对液晶显示器运动伪像预测评估系统的意义就显得十分重要。 1 2 运动伪像的研究现状 早在1 9 7 9 年，人们就对平板显示器运动伪像产生原因及其对动态显示质量的影响程度 展开研究。研究结果表明，液晶显示器似乎是所有平板显示器中最易受运动伪像问题困扰的 显示器件，而液晶响应时间慢是造成液晶显示器运动伪像的主要原因。因此，液晶显示器生 产厂商将响应时间作为衡量动态显示质量的重要指标，投入大量人力和物力进行技术研发， 力图通过缩短响应时间来改善动态显示质量。 随着过驱动等技术的运用，以及液晶材料的不断改进，现在的液晶响应时间较以前己大 大缩短，运动图像显示质量也大为改善，但是液晶显示器运动伪像并没有完全消失，深入的 研究表明，运动伪像不只与液晶的响应时间有关，还取决于液晶显示器的显示方式和人眼的 视觉特性，新的理论为针对液晶显示器运动伪像测量工作的开展提出了新的目标。 根据2 0 0 4 年发布的v e s a 2 0 国际标准，对下列运动伪像加以界定： ( 1 ) 运动图像响应时间( m p r t ) ：定义运动边缘拖尾效应，根据模糊边缘宽度，提供方 法加以量化，主要针对液晶显示器，这一现象出现在一个鼠标在显示屏上快速运动时，它是 由响应时间、中间灰度等级响应时间及其它影响图像运动的显示物理特性一起引起的。 ( 2 ) 闪烁的运动伪像：快速变换着的固体目标，产生如无规律的开关时的视觉效果，它们 可以是静止或运动时的目标，可能表现出频闪的效果。 ( 3 ) 运动固体目标伪像：对于运动的固体目标，在每段运动图像响应时间内，除了这些模 糊如拖尾效应、变色、形状改变如拖尾或整个形状改变，还可能有其它目标细节的运动伪像。 ( 4 ) 直线运动或线帧闪烁：对于多条运动直线或高空间容量细节，可能会有诸如畸变、闪 烁、闪光、颤动、延迟、变色及错误的重现等与时间有关的伪像，这与c r t 显示器上大面积 明亮条件下的传统的闪烁不同，也不同于由时间电路、电源加载产生的高空间频率内容闪烁， 线帧闪烁是在显示一条或多条运动直线时，亮度或颜色不稳定的变化时出现。 ( 5 ) 线扩展：多条运动直线可能产生与运动速度有关的失真，它们变得模糊并且随着速度 增加而在宽度上扩展，尽管这种现象的起因与引起其它运动伪像的原因相似，它提供了一种 不同的方法来观察显示器对运动图像的显示质量。 针对液晶显示器运动伪像的产生原因、改善方法、测量评估标准等方面，是目前l c d 研究领域的最热点。 1 3 本文研究工作内容和结构安排 本文研究工作内容： ( 1 ) 收集和移理国内外己有的关于液晶显示器运动伪像的理论和测量评估方法，并展开对 比分析，了解液晶显示运动伪像产生原因和已有运动伪像分析模型各自实现目标和优缺点； ( 2 ) 在分析理论和借鉴已有经验的基础上，提出符合自身开发条件和实验条件的运动伪像 2 预测评估系统设计方案； ( 3 ) 搭建液晶显示运动伪像预测评估系统的硬件电路，并运用l a b v i e w 虚拟仪器语言编 写控制硬件产生图像源信号和采集响应曲线的采集界面；提高采集曲线信噪比，还原曲线原 貌，分析、显示、保存曲线的处理界面；根据人眼视觉感知理论，初步建立评估系统设计的 模拟显示控制界面； ( 4 ) 针对p h i l i p s - 1 7 0 x 5 液晶显示器反复进行测量实验，不断完善硬件平台和软件程序，并 通过具体实验数据验证预测评估系统的稳定性、可靠性和实用性，说明系统达到最初的设计 要求。 本文结构安排： 第一章是绪论，对选题背景、意义和研究现状进行阐述，晟后说明本文研究内容及全文 的结构安排； 第二章是理论分析，根据收集的国内外相关文献，对液晶显示器运动伪像产生原理，目 前已有的改进方案及针对液晶显示器运动伪像测量系统进行对比分析； 第三章是液晶显示器运动伪像预测评估系统总体设计方案说明，阐述了系统设计过程中 的思考和对整个系统的规划： 第四章是系统测量图像源设计介绍，第五章是响应曲线采集电路设计介绍，它们组成整 个系统的硬件部分； 第六章是系统软件部分功能及设计思路介绍，软件部分由虚拟仪器编程软件l a b v i e w 编写，它既是人机交换界面，控制图像源产生、数据采集等硬件部分工作，又是后期数据平 均处理、信息提取和模拟结果再现的输出控制界面； 第七章是对系统测量不同灰度等级响应曲线的精确度和稳定性分析，为进一步提高响应 曲线信噪比，应用不同平均处理算法，并通过响应时间计算结果精度来加以对比判断，最后 选用多次线性累加平均处理算法，该算法可以准确还原曲线原貌； 第八章是系统采集和平均结果展示，并对平均处理后的响应曲线加以应用，获得不同 1 9 级灰度等级模糊边缘时间统计以及模拟0 - - 2 5 5 灰度等级运动图像的模糊图像，说明整个 系统测量过程的重复性、可靠性以及测量结果的实用性，满足设计要求； 第九章是对本论文的总结。 第二章l c d 运动伪像分析 现有的液晶显示运动伪像测量评估系统，其实现原理和方法各有不同，目前业界运用最 为广泛的评估方法是针对液晶显示器响应时间加以测量，通过比较响应时间数据，作为判断 液晶显示器显示质量好坏的依据，响应时间表示也从单一的0 2 5 5 灰度等级( o n - o 毋转换时 间数据，发展到用1 6 级不同灰度等级间的转换时间数据统计来加以表示，但是研究表明， 响应时间并不是产生运动伪像的全部原因，并不能完全反映运动伪像本质，于是便产生了各 种模拟人眼感知的追踪相机测量方法，实验结果表明，由此获得的模拟结果与人眼的真实感 知之间仍然存在差异。目前的各种测量手段和方法均不能全面有效的描述和测量运动伪像， 因此，急需一种全面客观的测量评估系统来对液晶显示运动伪像进行分析和研究。 2 1l c d 运动伪像产生原因分析 液晶显示器运动伪像是一种笼统的叫法，其具体表现形式很多，诸如：拖尾效应( 例如 鼠标箭头拖尾) ，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 容龟的闪烁( 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”j 。不同表 现形式的形成原因不尽相同，最新研究表明，运动伪像是在液晶分子受压重新排列过程中产 生，由人眼视网膜上残留影像引起，而导致液晶显示器运动伪像产生的因素有：液晶材料响 应时间慢( 液晶材料和像素电容引起) 、液晶显示器保持显示( h o l d - d i s p l a y ) 的工作模式、 人眼对运动图像的感知方式。 2 1 1 响应时间慢导致的运动伪像 液晶响应时间是指开关( o n _ o 两种状态下上升时间和下降时间之和，与液晶“响应时 间慢一有关的运动伪像有：动态对比度下降、频闪运动、边缘模糊”1 ，简要说明如下： 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亮度比。假设显示视频 序列的亮度快速变化，而液晶面板上升和下降 响应曲线一样，如果液晶显示器能够在一帧时 间内响应给定信号，那么就可以实现所期望的 亮度转换，见图2 1 1 ( a ) ；如果不能，比如一 帧时间后只能达到所要转换亮度的6 0 ，见图 2 1 1 ( b ) ，那么得到的亮度就只有期望的6 0 ， 这就造成动态对比度的降低。 频闪运动：连续运动被人眼感知成为跳跃 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 位置处停留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，如果液晶面板实现 完全响应需要3 帧时问，在l 帧时间里只能达 到5 0 的亮度响应，见图2 - 1 一l ( c ) ，与静止区 4 攫撄 _ 啼 l帧3帧 ( c ) 图2 - 1 1 不同响应时间的亮度对比 域相比，运动区域里显示的球就显得较淡，产生消失的感觉，当球停止下来再次变亮时，跳 跃感产生了。 运动边缘模糊：这一运动伪像本身很细微，不易被注意到，主要发生在运动图像有许多 细节时，如头发、草或瀑布，此时图像的边缘变得模糊、不清晰。 长期以来，“响应时间慢”被认为是导致液晶显示器产生运动伪像的原因，l c d 生产商 将主要精力放在改善响应时间的新材料和新技术的应用上，现在，6 - , 2 5 5 灰度等级间的转换 时间，即响应时间，已经可以低于8 m s ，但是，其它灰度等级间的转换时间仍然会大于一帧 时间( 刷新率6 0 h z ，约1 6 7 m s ) ，灰度等级间的转换过程甚至需要三帧以上的时间才能相对 稳定。实验证明，当响应时间小于一帧时，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，只是仍然达不到与c r t 显示器同样的清晰程度。理论分 析表明，即使是实现零响应时间，也不能完全消除运动边缘模糊，因为它的产生还与液晶显 示器保持型( h o l d - t y p ed i s p l a y ) 工作模式有关。事实上，随着液晶响应时问加快，液晶显示 器显示模式和人眼视觉感知是对亮度的时间积分共同作用导致的更细微的运动伪像现象突 显出来。 2 1 2 显示器显示方式分析 尽管所有的显示器( 包括c r t 显示器) 在显示运动图像时都受到运动伪像影响，液晶 显示器却是最易受到这一问题困扰的平板显示器，因为运动伪像的起因与液晶显示器独特的 显示方式有关，图2 1 - 2 说明了c r t 显示器与 a m l c d 显示器在显示方式上的不同。= = ：譬 c r t 显示器通过偏转部件控制电子束运 动，使其击中屏幕上规定位置的荧光粉，同时莓 控制该位置上的发光强度来实现图像显示，所 以被称作脉冲显示方式，由于荧光粉被电子束 击中后立刻发光，而辉光残留时间极短，传统 c r t 显示器响应时间仅为l 3 m s ，因此在c r t 显示器参数指标中一般并不提及响应时间。 t1 6 0 。e c 岔 皿帐悭 ( 柚c b f ( 1 m p u l s e - t y p e )( ”删- l c o ( h o l d t t p o ) 图2 - 1 - 2 c r t 与l c d 响应曲线对比 a | - l c d 显示驱动则是在控制写入像素 电极的薄膜晶体管有源电路上加载行扫描信号和列寻址信号，使之产生足够大通断比，从而 间接控制像素电极间呈t n 型的液晶分子排列，利用液晶分子扭转控制光的通断，达到控制 亮度实现显示，正是由于液晶分子扭转过程的存在。液晶显示器的响应时间要比c r t 显示 器的响应时间长的多，这种工作方式还使得像素在一帧时间内持续发光，因此被称为保持显 示方式( h o l d - t y p ed i s p l a y ) 。 2 1 3 人眼对运动物体的观察方式分析 自从k u r i t a 发表了关于人眼对h d d - t y p e 型显示器件显示运动物体的感知存在模糊机制 后，用“人眼追踪综合效应”来解释液晶显示器运动图像显示质量变坏的观点已被广泛接受， 即人眼视觉感知是对亮度的积分，并且人眼会自行追踪显示的运动目标。 图2 - 1 3 解释了人眼视网膜对一运动光点的感知成像过程。显示器上的像素依次点亮， 表现为一个运动的光点( 见a ) 。垂直坐标表示时间，单位为帧，水平位置坐标则相对显示 5 屏固定( 见b ) ，光点以1 像素，帧的速度向左运 动，尽管光发射轨迹是一个“移动保持”型运 ”j 动，如粗断线a 所示，人眼却不能及时响应这。o 种快速的z 字形运动，它只能平滑地沿着粗实 ” 线( 直线b ) 运动，并始终保持光发射的中心落： 在人眼视网膜的中心。根据t a l b o t - p l a t e a u 定律警。 的解释，周期性光发射过程中，人眼感知到的亮 苗5 f 度与发射占空因素成正比，即正比于1 忭，考虑s 到人眼临界闪烁周期比帧时间长的多，这就意味 ( c ，。 2 2 改善运动伪像的方法 当前改善液晶显示器运动伪像研究工作的主要方向集中在减小人眼视网膜运动的幅度 和视角方面，以下几种方法有效的实现了改善。 ( 1 ) 缩短液晶材料响应时间 如果液晶材料响应时间比一帧时间长的多，前一帧的映像将残留下来，并层叠到后一帧 的映像上，这必然会导致图像显示质量严重变坏。通过对各种降低液晶材料响应时间的物理 因素进行调查，响应时间对图像显示质量的影响得以评估。 ( 2 ) 过驱动技术 接近中间级灰度等级间的状态转换时间很长，采用过驱动技术，并最优化驱动电路参数， 通过运用向前、向后反馈技术，将转换时间缩短到一帧时间内，特别是前馈驱动技术，它加 速了任意中间级灰度等级间的转换过程，使之在一帧时间内完成，从而改善了运动图像显示 质量，但对于响应时间已小于一帧的液晶显示器运动伪像的改善作用就有限了。 ( 3 ) 响应时间快速的液晶材料和多种最优驱动方案相结合 降低运动模糊的一个有效方法是采用响应时间短的液晶材料，研究表明，在液晶显示器 中运用高速响应液晶材料，黑场插入技术以及( 或) 电容偶合技术，这些新型液晶显示器具 有进一步降低运动模糊的潜力。 ( 4 ) 与图像扫描同步的背光控制以及黑场插入 一个短时间、高亮度的闪光是消除运动模糊和不平稳运动最简单的方法，效果也较好。 但是这一技术会在显示时引起闪烁感，因此闪光时间选择和持续时间是本方法的重要因素， 背光控制和黑场插入法已经被证实可以改善运动伪像。 ( 5 ) 过驱动技术和背光控制相结合 6 由于采用过驱动技术，液晶材料响应时间可以缩短到一帧时间以内，而背光控制技术的 运用使得图像亮度的持续时间小于一帧时间，从而改善液晶显示器运动伪像。 ( 6 ) 运动补偿和帧频加倍 对于保持型或帧重复型显示器，通过运动补偿技术预测运动物体的下一位置，在以内插 值替换的子场中显示正确位置，这能减小视网膜运动幅度，从而改善运动映像的显示质量， 当然，这一技术需要更短的液晶材料响应时间。 ( 7 ) 调制图像运动速度 针对运动图像不同速度，设计一种与之相对应的调制信号来调整映像，达到减少视网膜 映像边缘尺寸的目的，这一方法的实质是运用运动补偿技术，通过映像处理技术来减少视网 膜图像的感知边缘，而不是直接减小视网膜运动幅度，这样不但能够减小运动模糊，同时不 会带来图像亮度减小以及闪烁的新问题。 ( 8 ) 多种技术结合应用 视网膜运动的幅度、帧频和亮度，是产生不稳定运动和边缘闪烁伪像的三因素，同时运 用背光控制( 闪烁，扫描) 、帧频加倍和运动图像补偿技术等有效方法。 2 3 现有l c d 运动伪像测量系统分析 为更好的研究液晶显示器运动伪像的产生原因，并对各种改进技术和方法的具体作用进 行评估，在上述液晶显示器运动伪像产生理论的基础上，已经有一些测量手段和方法被提出， 根据已发表文献，有光电二极管测量系统、以时间为基础的图像积分测量系统、照相机追踪 系统、m p r t - 1 0 0 0 系统、模拟法、主观评价等不同方案，这些方案可被归纳成两类测量模式： 直接测量模式和模拟预测模式。 2 3 1 直接测量模式 ( 1 ) 光电二极管测最系统 液晶材料光学特性与指数函数相似，见图2 - 3 1 ，即在理想的快速响应与实际响应之间， 存在着以时间为基础的对光学响应积分值的偏差，这导致图像运动时显示对比度的降低，而 在运动图像实例中，图像许多位置的像素等级改变频繁，尤其是运动目标边缘，所以有必要 建立一套测量液晶显示器响应曲线的系统。 削 i 眼 础 脚 1 ，则有0 1 且接近于l ，上式改写为。 爿( 忉= 例( 一1 ) + ( 1 一) x ( 忉= ( 1 一) “飞( h ) 石 这就是指数加权数字式平均算法，它也是利用新数据对上次的平均结果进行修正，得到 本次平均结果。由式可见，平均过程把每个取样数据乘以一个指数函数，再进行累加，数据 序号n 越大，权越重，因此，在平均结果中新数据比老数据起的作用大。参数b 决定了递推 更新过程中新数据和原平均结果各起多大的作用，算法特性对b 的依赖性很大。 从频域分析，对上式做z 变换：4 ( z ) = 尼“a ( z ) + ( 1 一) x ( z ) 得椭散传粕则加等= 等 其懿频率响应日( e j r ，2 芳懒桩为i 球叫2 面毛萧 当b = 0 时，平均器为全通滤波器，当0 b 1 时，为一阶低通滤波器，其带宽取决于b ， b 越接近于1 ，带宽越窄。本算法可对时变信号低通滤波处理且算法简单。 ( 2 ) 多次线性累加平均算法 多次线性累加平均算法针对若干条同步波形曲线进行线性累加处理，是一种批量算法， 包含数据量大，需要处理时间长。设被测信号为x ( t ) = s ( t ) + l l ( t ) ，t 从m 玎时刻，s ( t ) 为有用信 n - i 号，n ( i ) 为干扰噪声，多次线性累加平均计算公式：4 = 专e x o ( o - n = o 因为s ( t ) 是确定性信号，对于每个采样周期，取样值基本不变，而噪声n ( t ) 是随机的， 当平均次数n m 时，平均结果是其数字期望值，对于确定性信号，其数学期望值为信号本 身，对零均值噪声，其数学期望值为零。平均器输出信号的信噪比为一，信噪改善比s n i r 也为无穷大。即通过增加平均次数可使信噪改善比达到任何希望的值。当平均次数为有限次 时，假定噪声为高斯分布白噪声，对于确定性信号，n 次累加后幅度增加n 倍，而噪声的 幅度是随机的，累加的过程也不是简单的幅度相加，需要从统计量角度考虑，取样累加后的 噪声均方值包括噪声各次取样值平方和的数学期望值，噪声在不同时刻的取样值两两相乘之 和的数学期望值。如果信号周期足够大，使得不同时刻的噪卢取样值之间互不相关，则其乘 积的数学期望值为零最终的信噪改善比s n i r - 籍= 届即n 次不同 时刻取样值的累积平均可以使信噪比改善万倍，这就是常说的万法则。如果是高斯分 布有色噪声，数字式平均所达到的信噪改善比要低于白噪声的情况。 多次采集平均算法的关键是如何确定每次采集过程起始点，即每次取样过程必须保持同 步，本系统采集进程受图像产生板返回信号控制，可以很好的满足同步的要求。 6 2 2 2 处理模块 处理模块包含在与p r o c e s sd a m 按钮输出状态对应的选择结构中，按钮工作模式l a t c h w h e np r e s s e d ，处理对象是以数组形式存放在计算机内存中的采集数据，具体处理功能有： ( 1 ) 一条原始波形显示：根据a v e r a g ep o i n t s 1 5 m e s 控件的选择，从连续采集的多组原始波 形中提取相应一条显示，并将数据存入数据待处理数组和平均处理结果数组； ( 2 ) 过采样平均算法处理显示：对数据待处理数组中的波形数据执行过采样平均算法处理， 显示处理结果，并将其传递到平均处理结果数组中； ( 3 ) 移动平均算法处理显示：对数据待处理数组中的波形数据执行移动平均算法处理，显 示处理结果，并将其传递到平均处理结果数组中； ( 4 ) 递推式平均算法处理显示：对数据待处理数组中的波形数据执行递推式平均算法处理， 显示处理结果，并将其传递到平均处理结果数组中； ( 5 ) 指数加权平均算法处理显示：对数据待处理数组中的波形数据执行指数加权平均算法 处理，显示处理结果，并将其传递到平均处理结果数组中： ( 6 ) 连续采集波形显示：将连续采集的波形显示在同一波形图中 ( 7 ) 连续采集线性累加平均处理结果：对连续采