（物理电子学专业论文）平板显示器运动伪像控制测量系统.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。 但是美中不足的是运动伪像普遍存在于平板显示器件的动态显示中，导致平板显示器显示器件的动 态显示质量下降，制约了其在诸如电视领域的运用。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控制测量系统，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。 本论文从分析研究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慢的响应时间引起，主观上是由于人眼平滑追踪运动物体以及人眼对亮度的时 间积分引起。基于以上原理，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特性的方法，设计出一套平板显示器亮度响应特性测量和运动模糊 图像评估的测试平台。 论文针对测量系统中的测试控制部分进行了重点研究，利用l a b y i e 研软件设计控制界面，实现 了定标、产生测试图形、触发采集、自动测试、测试参数模拟计算、多次平均的噪声处理和仿真分 析，视觉感知实验等功能。开发平台l a b v i e w 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 1 6 2 5 1 ) 三个测控单元的控制，并对获得的信号进行了分析和存储。最 后采片j 将仿真图像和真实运动图像放在统一显示屏上进行视觉感知实验的方法，证明了仿真图像的 正确性。并通过对不同要求和类型的l c d 的实际测量，证明该测量控制系统可靠、适用。 为了使采集系统更经济适用，易于便携和系统集成化，本实验室开发了一套u s b 数据采集卡。 针对此套硬件测量系统，论文集中利用8 f c 设计了一套控制u s b 采集卡和标准亮度计( 美能达c a 2 1 0 ) 的软件应用程序，基于m s c o m 控件对串口和u s b 接口的编程，通过向下位机设备发送标准亮度计的 控制命令和采集参数控制各设备工作，初步实现了串口数据传输方式的测控过程。 关键词：l a b v i e w ，软件模拟图，运动伪像，测量系统，平板显示器，u s b ，亮度计，r s 一2 3 2 ，m f c 东南大学硕士学位论文 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 e g r a d u a l l yr 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 y m a r k e t b u tm o t i o na r t i f a c t so nf p d se s p e c i a l l yi nl c dr e s t r i c tt h e i ra p p li 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 ev 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 t t e c h n o l o g i c a lt a r g e t s i no r d e rt og e tt h er e s e a r c ho ft h em o t i o na r t i f a c t si nl c d m o r ec o n v e n i e n ta n dt oe v a l u a t et h em e t h o do fi m p r o v i n gt h em o t i o np e r f o r m a n c e q u a lit y ，i tisn e c e s s a r yt oe s t a b lis 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 ti o n a r ti f a c t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em e t h o da n dd e s i g nf o rt h es i m u l a t i o n o fp e r c e i v e dm o v i n g i m a g eo nl c d si nd e t a i l t h 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 nd i s p l a y t e m p o r a ll u m i n a n c 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 b a s e do nt h ea n a l y s i so fm o t i o na r t i f a c t s ，as 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 n t e m p o r a lr e p o s eo fl c d sa n dt h eh u m a nv is 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 n a r ti f a c t s ，o u rl a b o r a t o r yh a se s t a b li s h e da na c c u r a t em e a s u r e m e n ts y s t e mt oc a p t u r e t h et e m p o r a lr e s p o n s eo ff l a tp a n e lb yc o n s i s t i n go ft h ev i d e op a t t e r ng 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 sp a p e r i sf o c u s e do nt h ed e s i g no fc o n t r o lm e a s u r e m e n ti n t e r f a c e t h es y s t e mw i t hd a qc a r d ( p c in 1 6 2 5 1 ) w a sc o n t r o l l e db yap cu s e ri n t e r f a c ed e s i g n e db yl a b v i e ws o f t w a r e t h 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 d l u m i n a n c em e t e r ( t h em i n o l t ac a 2 1 0 ) a n dt h es i g n a ls a m p l ec a r d ( n 1 6 2 5 1 ) s e p a r a t e l y v i a1 2 c r s 一2 3 2a n dp c i a n di tr e a li z e sa n da c c o m p li s h e sas e r i e s t h ef u n c t i o n s a 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 yl 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 d a 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 gm u l t i p l es a m p i e s ，g e n e r a t i o no f as i m u l a t e ds t a ti cm o t i o nb l u ri m a g e ，w h i c hw a su s e di nt h ep e r c e p t i o ne x p e r i m e n t t ov e r i f yw h e t h e rt h es i m u l a t i o nm o d e lw a sr i g h t ，e t c t h es a m p l e sw e r ee f f e c t i v e l y a n a l y z e da n ds a v e df o rt h ef u r t h e ru s e f u r t h e rm o r e ，t om a k e st h es y s t e mm o r ep o r t a b l ea n de c o n o m i c a l ，o u rl a bc r e a t e d an e wu s bd a qc a r dt os u b s t i t u t et h ep c in 1 6 2 5 1d a qc a r d i nt h i sc a s e ，t h em f cw a s u s e dt od e v e l o pan e ws o f t w a r ea p p l i c a t i o np r o g r a mw h i c hw a si n t e n d e dt or e a l i z e t h es a m ef u n c t i o no fl a b v i e wi n t e r f a c e n o wi tc a nc o n t r o lt h eu s bd a qc a r da n d m i n o l t ac a 2 1 0b ym e a n so fs e n d i n gt h e ms o m es p e c i a lc o m m a n d sw i t hm s c o m mc o n t r o l s a n ds o m ep r i m a r yr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：l a b v i e w v c + + ，m o t i o na r t i f a c t s ，s i m u l a t i o n ，m e a s u r e m e n ts y s t e m ，u s b 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。 研究生签名：j 善扛日 期：赳够采 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：辨导师签名 第一章绪论 第一章绪论 真空阴极射线管固有的几个重大缺点导致c r t 显示器越来越难适应消费者对显示器要求的进一 步提高，而此时平板显示器件异军突起，其中最有可能取代c r t 显示器在p c 和t v 等显示终端垄 断地位的就是液晶显示器。相对c r t 显示器来说，液晶显示器具有零辐射，低耗能，散热小，体积 小等优势，但是在显示运动图像时，出现了运动图像质量下降缺点，限制了其在电视等领域的发展。 现在各大显示器厂商都在研究动态图像失真问题，本章首先介绍了研究平板显示器运动伪像的意义、 以及国内外研究现状，然后从平板显示器的显示原理以及人眼的视觉原理出发，介绍了运动伪像出 现的客观与主观原因，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 1 测量平板显示器运动伪像的意义和现状 1 1 1 研究意义 平板显示器特别是液晶显示器与传统的c r t 相比，具有体积小，重量低，空间分辨率高，功率 低等显著优点，虽然现在平板显示器件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质量仍然是一个大问题。可以说，运动图像显示失真已经成为制约 平板显示器显示器件应用进一步得到扩展的一个关键性瓶颈。1 9 7 9 年，人们开始对平板显示器件中 运动伪像的产生原因和其对平板显示器件动态显示质量的影响展开研究。可以显现平板显示器缺点 的一个最典型的例子就是当在平板显示器笔记本电脑显示屏上滑动鼠标时具有拖尾现象，而这一问 题在c r t 显示器件中是不存在的。平板显示器显示器件的失真现象具体表现为：边缘模糊( b l u r r e d e d g e ) 、频闪运动( s t r o b o s c o p i cm o t i o n ) 、动态对比度下降( d e c r e a s eo fd y n a m i cc o n t r a s tr a t i o ) 等情况。早期人们认为这主要是由平板显示器材料的慢响应速度造成的，目前，大多数f p d 生产厂 商也都将平板显示器响应时间作为衡量动态显示质量的重要指标，但是，随着研究的深入，材料响 应时间和运动图像响应时间并不足以解释运动图像的失真问题，事实上，这仅仅是一个开始，研究 表明即使是零响应，失真现象也不能完全消失，而目前一般用来衡量运动图像失真程度的，主要针 对l c d 响应时间( r t 一- r e s p o n s et i m e ) 的各种评估测量方法，已不能全面的反映导致失真的所有因 素，尤其是人眼的积分效应，平滑追踪与灰度等级间转换时间( g r a y s c a l e st r a n s i t i o nt i m e ) 的关系 等。因此，为了进一步研究和分析f p d 显示运动失真问题，为了对运动失真结果进行有效评估，针 对平板显示器构建了一套完善的测试设备，科学、客观、定量的对平板显示器显示器件运动图像的 失真程度和情况进行评估，对不同平板显示器之间的显示质量进行比较，找出平板显示器相关参数 值的最优组合，促进平板显示器显示质量的改善，已经成为一项十分必要和极具现实意义的研究工 作。 近年来，围绕着电视图像质量客观评价的研究领域亦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项目研究课 题应该做完整地、全面地调研，从客观角度认识运动伪像现象、表现及种类；并从物理的、生理的 模型研究角度出发，深刻分析运动伪像产生的机理和原因；从解决问题角度深入研究对应的测量方 东南丈学碗士学位论文 法，并联系到具体使用，提出切实可行的测量方法。课题研究的目标是能够取得实现有客观评价方 法和手段的产品成果科技的发展迅速的政变着我们的生活。为了便于研究平板显示器显示器件运动 伪像并对各种改善动态显示质量的方法进行有效评估，有必要建立针对平板显示器显示器件运动 伪像的测量系统。 l 1 2 研究现状 目前国内外山现的评估显示屏质量的方祛主要分为两种，一种是机械运动法，主要包括：( i ) 高 速相机追踪法( 2 ) 旋转相机法( 3 ) 旋转镜面法。第二种则是软件模拟计算法。这些方法中“模拟 计算法”所需的硬件测试平台价格晟低，大多数的工作由计算机完成此评估方法最经济。 i ) t i m 耐量系统( t i m e b a s e d i m a g ei n t e g r a t i o nm e a $ 1 1 f e i d e n ts y s t e m ) “ 由于 眼的视觉特性和缓慢的响应时间因素， 眼从平板显示器上所感知到的运动图像，是模 糊的，是人眼与运动图像保持同步运动，井对图像在时间上进行积分的综台结果，而不仅仅是一张 运动图像的照片，所以，要客观再现人眼感知到的嚣像，就应该将在时间上离散、与运动图像保持 同步的不同位置上的图像综合来处理，t i m 系统据此建立，为满足设计要求，需要专业的视额发生 器，用以控制平板显示器显示屏上物体宽度、物体滚动速度及背景颜色；由于人眼分辨亮度变化的 极限是1 1 3 0 0 秒，所阻其采用照相频率要高于3 0 0 h z 而快门速度与暴光时间都要小于3 s 。测量用 高速c m o s 相机具有1 4 8 0 秒的晖光速度，对6 0 h z 帧频可保证采集8 幅图像；另外，c c d 同定在 显示屏前，可通过异步触发信号来控制图像拍摄。翻l1 ( a ) 给出的是静止时的图像。图像以8 像 素 喷的速度在l c d 屏幕上水平向也移动图，运动的图像被c c d 相机捕捉到作为时基图像如幽l1 ( b ) 所示，当获得时基图象之币将数据传送之p c 中再经过软仲处理，通过对不同时刻图像照 片的积分，同时考虑人眼平滑跟随运动即得山 眼感知i 脚像如幽ii ( c ) 所示。得到积分凹像之后 还可咀用相麻的软件得到亮度轮廓曲线如图il ( d ) 所示。此系统引入了运动图像响应时问、边缘 宽度模糊和动态对比度概念，可再现人眼感知到的运动图像、幽像的亮度轮廓和模糊边缘宽度a 2 ) 摄像机追踪系统”1 二二二 卜i n t e g r a t e a 二 - - - - - - - - - - - - - - - - 二= - 一 圈il t i m 系统捕捉图 平板显示器显示器件显示运动图像时，在一帧时间内，图像在屏上的固定位置持续显示，由于 人眼是平滑追踪图像的运动，如图1 2 ( a ) 所示，从而在人眼视网膜上形成拓宽的、模糊的影像信息。 利用c c d 相机的旋转来模拟人眼的追踪过程如图1 2 ( b ) 所示，c c d 相机的曝光时间为1 3 0 秒或更 高，可代替人眼的积分作用，摄像机追踪系统主要由c c d 相机、信号采集控制系统、相机旋转机电 系统和运动图像信号源等四个主要部分组成，计算机实现各个部分的协调工作。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，其中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图像 给l c d ，同时c c d 抓拍一次。采用一个马达使c c d 发生旋转来模仿人眼平滑追逐物体时的转动，这 ，溯i 弪三e 、!jl ； i ， 、! j !， j 、 !：ii， c 鑫p 伽r 刚i | l i 獬 l 图1 2 ( a ) 人眼平滑追踪物体运动 ( b ) 相机的平滑追踪运动 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冈 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，此系统采用了一个示波器 来测试马达的角速度，以便更好地进行调整。 3 ) m p r t - 1 0 0 0 系统啼1 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 同定不动，在显示屏与c c d 之间增加一面与运动保持同步的旋转镜，利用镜面 反射米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，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、测量误差以及光信 号在传送途中损失等问题可用于测试不同显示设备的n - b e t 值，从而比较各种设备在图像质量上的 优劣。 4 ) 软件模拟法 如图1 3 所示，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。由于产生运动图像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( t ) 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， 3 东南大学硕士学位论文 得到一个运动的像素的轮廓图如图1 3 ( c ) 所示，不再是一个清晰的像素。在获得显示器响应曲线 后，可根据运动伪像原理推导出的公式，获得人眼感知的模拟图像。 一d i + 1 剐 c a ， 因回回固回 0 ( b ) 1f i2 f o3 f ； 暑4 f 5 f s ( c ) 千 ( a ) p i x ds t r u c t u r v l i g h te m i t t i n gt i m et a b l e ( c ) r e t i n as t i m u l u s 图1 3 运动图像在视网膜上的反映 1 2 平板显示器显示运动伪像的产生原因 1 2 1 主观原因 所谓的主观原因即是由于人眼的视觉响应引起的，人眼并非是一套完美的视觉系统，当光刺激 人眼时，感觉并不是立即产生的，因为光作用于视网膜，产生兴奋才传输到大脑相关部位引起感觉， 这中间需要传导时间，而且光刺激在人眼内所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失，而是要 维持若干时间，对于一个暗的和一个亮的时相组成的一个周期的断续光，当频率低时，人眼看到是 一系列的闪光，当频率增加到一定值时，人眼就看不到闪光了，而是感受到连续的光，原因就是前 半个周期的亮度感觉在后半个暗周期中，仍然有部分残留在人脑的感觉中，这个频率叫临界闪烁频 率。所以人眼的这种时滞特性被广泛利用于显示照明器件，如日光灯、电视机的扫描频率( 5 0 h z 或 6 0 h z ) 当周期光信号的频率高于这个频率时，眼睛对这种周期性变化光的感觉就像一个恒定的光一 1 r 样，人眼感觉到的亮度为，= 三r 三f t ) d t 。 t 句 、7 人眼的跟踪运动：人眼的视觉运动感觉悔有两类，因为物体的位置随时间连续变化而产生的最 基本的运动感觉，如现场观看赛车比赛，成为实际运动，与此相对，当一系列静态画面在一定时间 内连续出现时，我们的视觉系统就会看到动态动作，把这种视觉特性成为视在运动，如显示器上的 动态图像是由一系列稍有动作差异的静态画面连续播放形成的。当人眼观看外界某个运动的物体时， 4 蒸= 童缝造 人服第一需要确定物体和背景在视阿膜上的位置一第二注意连续运动的物体时，邮使物体静止下来 人眼也会感觉到他在运动，或者说人限被欺骗着几许保持一定时间的追踪运动，例如对流落的瀑布 水帘注视几分钟后，立刻把眼光移动到鬻布旁边的景致上，会感觉到理应静止景色也好像在运动， 与眼球相关的地运动是视在运动，广义上是指对于实际上未运动的观察对象，人眼感觉上好像在运 动，光电显示系统显示画面时，画面的位置随者时问僦断续的变化，而在比较临近的地方，如果有 同一幅画面在很短的时间町隅内即使显示出来，也会给人连续平滑的动卷现实感。如图i4 所示， 当观看l c d 运动图像时，由于一帧内l c d 的图像是静止的而跟球还是运动，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 ，点的正确亮度盛觉，所以产生了运动圈像模糊。 22 客观原因 平板显示器明显区别于c r t 的地方在于驱动方式的不同，如图i5 所示。 -ideal - oa c t l l & l “) c r t ( i i 坤m 螗q y p 寸 a m - l c d ( h o l d - r y e ) 图15c r t 与l c d 的响应曲线 平板显示器是保持型显示器件，其像票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丁开启或关闭状态，光域的这种状态同时也完全的透过或者戈闭 了恒定的背光使l c d 最终射出来的光在一帧的时问内保持不变。成为一个矩形波，如图i5 ( b ) 中的实线这种特性反映在l e 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的，到下一帧才跳一个位置这与人跟的连续运动产生一个错 位，这是运动模糊产生的主要因素。另一方面平板显示器的慢响应速度加剧了模糊当l c d 像素两 端的电场变化时，l 馓素并未立即响应，而是一个缓慢的过程，即，平扳显示器光闻的开启与关闭 擒警 东南大学硕士学位论文 需要一定的时间，导致调制背光后最终的l c d 亮度响应如虚线所示。基于以上这两点，l c d 是保持 型模式；l c d 的慢响应速度，都是产生运动模糊的l c d 的本身驱动特性方面的因业绩。 1 2 3 小结 人眼观看物体时，眼球随着物体的运动而进行平滑的追踪运动，在这个运动过程中不断的积分 亮度的感觉，并且由于f p d 的保持型显示方式以及慢响应速度，所以当观看f p d 中的运动图像时， 会感觉到模糊。 所有的显示器件都存在不同程度的运动伪像，平板显示器似乎是最易受到运动伪像困扰的显示 器件。平板显示器显示器件运动伪像的具体表现形式很多，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。研究表明，导致平板显示器显示器件运动伪像产 生的原因有：平板显示器材料响应时间慢( 平板显示器材料和像素电容引起) 、平板显示器显示器 维持显示( h 0 1 d d i s p l a y ) 的工作模式。其中，与平板显示器响应时间慢有关的运动伪像有：动态 对比度下降、频闪运动、边缘模糊，简要说明如下： 动态对比度下降m ：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曲线一样，如果平板显示器显示器件能够在一 帧时间内响应给定信号，那么就可实现所期望的亮度转换，见图1 6 ( 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1 6 ( b ) ，那么得到的亮度就只有期望的6 0 n 5 ，运态对比度降 低了。 lf r a m e ( a ) if r a m e 厂 ； ； ； - if r a m e ( b j ； 卜_ ( c ) 3 妇雠5 图1 6 不同响应时间的亮度转换对比 频闪运动：连续运动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 的亮度响应， 见图1 6 ( c ) ，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，跳跃的感觉产生了。 6 釜= 茔缝迨 一一 运动边缘模糊；这一运动伪像本身报细微，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，此时的图像边缘变得模期、不清晰。 平板显示器响应时问是指开关( o n - o f f ) 两种状态下上升时间和下降时问总和，由于f p d 生产商 将主要耩力放在提高平板显示器的材料响应时间上，加上过驱动等技术的引入，现在，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 皿s ，不过，其它不同灰度等级间的响应时间仍大于1 5 m s 。 实验证明，当响应时何小于一帧( 约1 6 7 m s ) 时，动态对比度下降和频c 可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，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，因为它的产生还与平板显示器显示器件的工 作模式有关，随着平板显示器响应时间加快平扳显示器显示器件显示模式特性和人限积分特性共 同作用导致的更细微的运动伪像已经突显出来。 1 3 改善液晶运动伪像的方法 i ) 提高液品像素的响应速度 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。若响应时间丈于帧周期则前后二 帧的龃像出现重叠，严重影响i 薹动捌豫质量。若响应时间小f 帧周列，则由丁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可咀从以r 几个方面 手： 从液晶材料的角度看，l c 的粘度越低，它的响麻速度就越快。l 上的e 越大，上升的响麻速度 越快。通过降低液晶材料的粘度和提高s ，现在新型含氟液晶材料响应速度可以达到8 m s 以f 。 执液晶盎设计的角度看，液品村料的f 降响席时间止比于盒j 的平方，即tr 牲d 2 。减少盒厚可以 有教地提高响应速度但盒厚的降低影响到对比度，同时增加i i 艺难度。现在的盘厚展薄可以做到 4 r a m 左右 从t 阿像素设计的角度看，像素电容远远小于存储电容即c l c c s ，可以提高像素的响应速度。 这已经是t f t 阵列设计的一项准则。 从驱动的角度看过驱动( o v e r d r iv e ) 是提高响应速度的有效方法，如图17 所示。液 晶分子在响应外电场的作用改变其排列方向时需要能量。如集在上升沿和f 降治加上比正常驱动电 源高一些的电压，则液晶分子在比较强大的电场作用下很快达到所要求的排列方式，从而缩短了响 应时间。需要指出的是f 降沿由丁是一个无场或低场f 的弛像过程它的响应时间往往比上升沿长， 过驱动在这部分尤其有效。对于不同的t n 、v a 、1 p s 等液晶模式在具体实施过驱动时还有一些不 同的形式。 例17 液晶响应原理 以上讨论的都是液晶从开到荧的总的响应时间。 ( g r o g ) 更为重要。尤其在较暗的灰鹰等级之间转换， 其实在实际应用中不同灰度等级之间的转换 其时所加的电压较低响应比较缓慢必需 东南大学硕士学位论文 予以特别重视。 2 ) 改进t f t l c d 的保持特性 ( 1 ) 提高帧频哺1 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 脉冲显示的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t f t - l c d 的保 持模式下摹仿或部分实现脉冲显示的方式，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 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 ) 法呻儿叫 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 f t 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 c k li g h t ) 法u 副 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，即小于l o 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面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“ 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 8 箜二童堑丝 一r 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。 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。 结论：由于t f t - i a 2 d ，包括其它使用1 1 玎阵列的平板显示技术，是工作在保持型模式下，显示运 动图像时出现模糊是不可避免的。通过提高液晶响应速度，采用脉冲驱动法改善平l c d 的保持 特性，也就是缩短保持时间，可以在很大程度上减小模糊现象。综合采用这些方法已经可以使模糊 现象达到人眼不易感知的程度。但这些方法大都比较复杂，有些还成本较高。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。 回想已经1 0 0 年历史的c r t ，它只用了8 根引线和相应的电路就能扫出整个光栅和显示视频图 像，而且没有运动图像的问题，真是感慨不已。感谢当今高度发展的电子技术和i c 产业，没有它们 的支持和配合，t f l 乙l c d 的发展是很难想象的。 1 4 论文的主要研究工作 通过对上述几种测试方法的分析和比较，并结合我们当前的实验条件，本课题的开展将参考已 有的软件模拟法。与其它运动伪像测量方法相比，模拟法最经济，它不需要复杂、昂贵的硬件设备， 而且可以更好的抵抗来自测量系统外部的干扰，因为除了通过光电检测电路采集的显示器响应曲线 受外部环境影响外，诸如建立在某些参数基础上的运动图像和对不同灰度等级问亮度水平响应曲线 的积分，几乎都是在计算机内部运行，并且本系统采用多次采集取平均值法进行了降噪处理。 本课题的目的是在现有模拟法的基础上，对其实质内容进行扩充，使我们建立的控制测量系统 能够对平板显示器的运动图像失真情况进行有效的评估。本课题的最终目标则是初步建立一整套自 主研制的、针对平板显示器显示器件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 来进一步建立包括平板显示器显示器件在内的所有的平板显示器件评估测量体系打下基础。 本论文的主要研究工作： 1 )软件模拟运动伪像的方法，如何根据显示器的显示特性和人眼的视觉原理，建立起对人 眼感知图像进行仿真的离散型和连续型模型。并作为控制测量系统的理论基础。 2 )对平板显示器运动伪像的测量方法进行分析的同时建立了初步的硬件控制测量系统。深 刻了解系统工作流程与硬件操作。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。 3 ) 针对系统的控制部分，利用l a b v i e w 软件设计出一个可以获得精确的显示器响应曲线 的控制界面。如何协调视频信号发生器、标准亮度计( 美能达c a 2 1 0 ) 和数据采集卡的 三者工作而达到预期目的。并且对于采集到的数据，根据评估方法的需求，实现光电输 出电压的亮度定标、控制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、测试亮度参数计算，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，并对数据进行有效的存储。 4 ) 为了进一步使采集系统更经济适用，易于便携和系统集成化，本实验室开发了一套u s b 数据采集卡，针对此套硬件测量系统，如何利用m f c 设计了套控制u s b 采集卡和标 准亮度计( 美能达c a 2 1 0 ) 的软件应用程序成为关键。 9 东南大学硕士学位论文 5 )通过设置实验屏的上半部分为模拟的静态模糊图像，下半部分显示运动的清晰图像进行 视觉感知评估实验，以此评价我们仿真模型的正确性和所建立的控制测量系统的正确性 与可靠性。 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运动伪像的研究意义，国内外现状和其产生的客观原因与主观原 因，并简要介绍了国内外改进平板显示器动态质量的几种方法。 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，详细介绍离散仿 真模型和连续仿真模型的形成。 第三章为了获得平板显示器响应曲线，建立了一套控制测量系统，此章仔细介绍了如何利 用l a b v i e w 软件设计了一款控制界面，实现对系统的硬件控制和数据处理分析，实 现了多功能集成化 第四章详细阐述了为何选择f t 2 4 5 b m u s b 芯片作为采集卡与p c 机的接口，并通过m f c 提供 的m s c o m m 控件实现了对标准亮度计和u s b 设备的编程控制。 第五章详细介绍了如何配置视觉感知实验和整个实验过程，通过数据分析证明了仿真模型 的可靠性。 第六章总结和展望。 1 0 第二章软件模拟运动伪像模型建立 2 1 图像基础“1 第二章软件模拟运动伪像模型建立 图像是栅格结构的画面存储形式。栅格结构将图像划分为均匀分布的栅格( 像素) ，显式的 记录每一像素的光度值( 亮度色彩) ；而象素的坐标值确是规则的隐含的，其位置规则排列( 如 最常见矩形排列) 。在w i n d o w s 环境中最重要的图像就是位图( b i t a p ) ，即位映像( b i tm a p ) 。 人眼看到的任何自然界的图像都是连续的模拟图像，其形状和形态表现由图像各位置的颜色所 决定，色度学理论认为，任何颜色都可由红、绿、蓝三种基本颜色按不同的比例混合得到。红、 绿、