基于人因的液晶顯示動態(tài)圖像質(zhì)量研究

宋 玉， 夏振平,2*， 胡伏原,2， 程 成,2

(1.蘇州科技大學 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州 215009；2. 蘇州科技大學 蘇州智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009)

1 引 言

近年來，基于信息需求的爆發(fā)式增長，信息顯示技術(shù)發(fā)展迅猛。其中，液晶顯示(Liquid Crystal Display, LCD)技術(shù)更是努力克服自身短板，從而更好地與有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)顯示技術(shù)抗衡[1-3]。隨著市場不斷向前發(fā)展和人們生活水平的提升，人們對圖像顯示質(zhì)量的追求也隨之提高。由顯示器件顯示機制和人眼視覺特性共同作用形成的運動模糊，是影響顯示系統(tǒng)動態(tài)圖像質(zhì)量的一個重要因素。就顯示器自身特性而言，LCD的保持型顯示特性和慢響應是導致其動態(tài)圖像質(zhì)量低下的主要原因[4]；而OLED同樣具有保持型的顯示特性，但其響應速度卻非常快，響應時間在0.1 ms左右[5]。

本文所研究的動態(tài)圖像質(zhì)量的影響因素決定了表征圖像感知效果的函數(shù)選擇。顯示系統(tǒng)的運動模糊源于顯示系統(tǒng)慢響應、保持型顯示特性、人眼平滑追蹤及視覺積分效應共同作用導致的調(diào)制傳遞函數(shù)特性的降低，因此可以采用動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)(Dynamic Modulation Transfer Function, DMTF)來表達。DMTF是基于正弦圖像運動，通過亮度響應序列在人眼視覺特性下的積分，計算出頻率域的調(diào)制度[6]。DMTF可以用來模擬人眼感知到的動態(tài)圖像效果。

本文提出了液晶顯示動態(tài)圖像感知效果模擬模型的建立方法以研究不同類型的顯示圖像受到顯示器的不同響應速度、幀頻及背光占空比對動態(tài)圖像顯示質(zhì)量的影響。該模擬模型的核心是基于顯示系統(tǒng)自身特性與人眼視覺特性，建立動態(tài)圖像感知模型。設計了運動模糊視覺感知實驗以評價各參數(shù)下模擬圖像質(zhì)量，對實驗數(shù)據(jù)進行分析得到各參數(shù)對動態(tài)圖像運動模糊的影響趨勢，可為液晶顯示系統(tǒng)動態(tài)圖像質(zhì)量的提升提供數(shù)據(jù)支撐。

2 運動模糊產(chǎn)生的機理

人眼感知的顯示系統(tǒng)運動模糊形成原因分為兩類：顯示系統(tǒng)自身特性和人眼視覺特性[7]。其中，顯示系統(tǒng)自身特性導致運動模糊主要體現(xiàn)在：保持型顯示特性和慢響應。保持型顯示特性是LCD和OLED所共有的特性，顯示器呈現(xiàn)的圖像將在約1/f秒的幀周期內(nèi)持續(xù)，即為保持型顯示特性[8]。OLED顯示的保持型響應曲線如圖1的實線部分所示。液晶的慢響應指的是液晶的亮度響應速度慢，無法瞬間響應至目標亮度，如圖1的虛線部分所示[9]。由于液晶慢響應特性，在顯示運動圖像時，LCD通常表現(xiàn)出比OLED更嚴重的圖像模糊效果[10]。

圖1 OLED和LCD亮度響應曲線Fig.1 Brightness response curves of OLED and LCD

人眼視覺特性導致感知圖像模糊，主要體現(xiàn)在人眼平滑追蹤運動和視覺積分效應。人眼會對緩慢運動的觀察對象進行自然的視覺平滑追蹤，結(jié)合人眼感光積分效應，人眼在視網(wǎng)膜某位置感受的亮度是視線掃過的多個像素發(fā)光亮度積分的效果，最終表現(xiàn)出感知的運動模糊效果。對于OLED具有極快的響應速度，可以將其視為理想化的瞬間響應狀態(tài)。保持型顯示的OLED人眼感知到的圖像邊緣模糊效果如圖2(a)所示。對應較慢響應的保持型LCD顯示器，人眼感知到的圖像邊緣模糊效果如圖2(b)所示[11]。

圖2 顯示系統(tǒng)自身特性和人眼視覺特性共同作用下的運動模糊效果。(a)OLED顯示系統(tǒng)；(b)LCD顯示系統(tǒng)。Fig.2 Motion blur effect under the joint action of display system's own characteristics and human visual characteristics. (a) OLED display system; (b) LCD display system.

3 動態(tài)圖像感知效果模型構(gòu)建

為了更深入地研究提高顯示系統(tǒng)動態(tài)圖像質(zhì)量的方法，基于正弦圖像的運動調(diào)制度下降原理，建立了動態(tài)圖像感知效果模型。

3.1 亮度響應模擬

考慮液晶的慢響應顯示特性，模擬LCD亮度響應曲線依賴于液晶響應曲線的表達。液晶響應曲線由與時間相關的光衰減曲線TLC_decay(t)和光上升曲線TLC_rise(t)[12]組成。其中，衰減曲線TLC_decay(t)的具體表達如式(1)所示。

(1)

其中：δ0為相位延遲變化，τ0為液晶控制器重新定向時間，在本文中作為影響液晶響應時間(Liquid Crystal Response Time, LCRT)的變量。LCRT是指在驅(qū)動電壓作用下，液晶單元由亮變暗和由暗變亮所需的時間，通常采用亮度從10%至90%和90%至10%變化所需的時間[13]。

由于光上升曲線受施加電壓的影響十分復雜，這里假設上升曲線與衰減曲線對稱[14]。上升曲線TLC_rise(t)的具體表達如式(2)所示。

(2)

根據(jù)式(1)與式(2)，可以模擬出具有不同響應速度的液晶響應曲線(LCD_1和LCD_2)，同時OLED響應曲線作為液晶的理想情況也可以進行表示，如圖3所示。

圖3 具有不同響應速度顯示系統(tǒng)的亮度響應曲線Fig.3 Brightness response curves of the display system with different response speeds

3.2 動態(tài)圖像質(zhì)量影響因素

為了研究液晶響應速度對圖像感知效果的影響，液晶響應曲線模擬中的τ0取值為2，8，16 ms，對應LCRT分別為1.4，5.4，10.9 ms，3種響應速度的液晶顯示分別命名為LCD_1、LCD_2和LCD_3。理想化的OLED表征亮度響應時間為零的顯示系統(tǒng)，τ0取值0 ms，對應LCRT為0 ms[15]。

動態(tài)圖像質(zhì)量的另一影響因素是顯示系統(tǒng)的幀頻(Frame rate)，為保證不同顯示系統(tǒng)中人眼實際感知的運動圖像為同一運動速度，設置幀頻與以像素每幀(Pixel per frame, ppf)為單位的運動速度的乘積為相同值。考慮幀頻取值分別為60，120，240，480 Hz，則對應的以ppf為單位的運動速度分別為8，4，2，1 ppf。

背光調(diào)制技術(shù)也將影響動態(tài)圖像感知效果，背光調(diào)制原理如圖4所示，圖中背光占空比為A/Tf。模擬模型中選擇的背光占空比參數(shù)為25%、50%、75%和100%。

圖4 背光調(diào)制技術(shù)Fig.4 Backlight modulation technology

3.3 動態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)

DMTF是從信號系統(tǒng)角度分析運動圖像模糊，考慮了顯示系統(tǒng)對不同空間頻率的響應特性。對于由顯示系統(tǒng)和視覺感知系統(tǒng)組成的一個動態(tài)圖像信號感知系統(tǒng)，可用DMTF的概念來表征其系統(tǒng)特性。根據(jù)顯示系統(tǒng)正弦圖像的亮度響應序列，結(jié)合人眼平滑追蹤運動的亮度積分原理，可計算不同運動速度及空間頻率下信號系統(tǒng)的DMTF[16]。

圖5 運動速度為4 ppf時LCD亮度響應序列Fig.5 Brightness response sequences of LCD at a velocity of 4 ppf

基于人眼平滑追蹤運動的亮度感知是順著觀察軸在1幀時間內(nèi)的亮度積分，其表達式B(x)

如式(3)所示。

(3)

基于正弦光柵成像方法，DMTF可對像與物之間的對比度關系進行分析。空間頻率為f的正弦圖像，其單位表示為周期每像素(Cycle per pixel, cpp)，其對比度記為Ci(f)。當圖像運動速度為V時，由于運動模糊的產(chǎn)生，人眼可感知的圖像對比度下降至Cp(V,f)，則有：

(4)

根據(jù)各個顯示系統(tǒng)上正弦圖像的亮度響應序列，由式(3)的人眼平滑追蹤運動的亮度積分原理與式(4)fDMTF的定義，可以計算出不同運動速度、不同空間頻率下各顯示系統(tǒng)的fDMTF值。圖6是不同運動速度下DMTF的對比[17]。

圖6 不同運動速度下的DMTFFig.6 DMTF at different motion speeds

3.4 動態(tài)圖像感知模擬

DMTF表征了各因素參數(shù)下顯示系統(tǒng)特征及人眼視覺系統(tǒng)的特性，因此可用于表征原始圖像經(jīng)過運動模糊模擬系統(tǒng)后的感知效果。考慮DMTF曲線的頻域特性，動態(tài)圖像感知效果的模擬過程如圖7所示。所模擬的圖像運動為水平方向的運動，因此圖像在水平方向上逐行進行傅里葉變換，得到的頻率域特征再與特定的DMTF相乘，最終通過傅里葉逆變換得到動態(tài)圖像的感知效果。

圖7 動態(tài)圖像感知效果的模擬過程。(a)原始圖像；(b)原始圖像水平方向上像素(紅色虛線處)經(jīng)過FFT變換得到頻域特征；(c)特定顯示器響應速度、幀頻和背光占空比參數(shù)下的DMTF；(d)經(jīng)過運動模糊處理后的頻域特征；(e)人眼感知效果圖。Fig.7 Simulation process of dynamic image perception effect. (a) Original image; (b) Pixels (red dotted line) in the horizontal direction of the original image are FFT transformed to obtain the frequency domain features; (c) DMTF under the parameters of specific display response speed, frame rate and backlight duty ratio; (d) Frequency domain feature after motion blur processing; (e) Human eye perception effect.

4 視覺感知實驗

4.1 實驗設計

為了研究各因素對人眼感知動態(tài)圖像質(zhì)量的影響效果，設計了相應的視覺感知實驗。受測者通過主觀實驗對模型模擬出的動態(tài)感知效果圖進行評價。實驗挑選了3幅不同類型的圖像：高鑒別度的人物圖像Lena、特征為自然風景的Scenery和由鋼琴鍵和字符構(gòu)成主體特征的Character(圖8)，研究對不同特征的圖像，人眼感知的運動模糊程度。除此之外，實驗涉及的因素還包括：4種響應速度的顯示系統(tǒng)、4種幀頻和4種背光占空比。

圖8 動態(tài)圖像感知效果模擬。(a)OLED，幀頻為480 Hz，背光占空比為25%；(b)LCD_3，幀頻為60 Hz，背光占空比為25%；(c)LCD_3，幀頻為60 Hz，背光占空比為100%；(d)LCD_3，幀頻為480 Hz，背光占空比為25%。Fig.8 Simulation of dynamic image perception effect. (a) OLED, frame rate of 480 Hz, duty ratio of 25%; (b) LCD_3, frame rate of 60 Hz, duty ratio of 25%; (c) LCD_3, frame rate of 60 Hz, duty ratio of 100%; (d) LCD_3, frame rate of 480 Hz, duty ratio of 25%.

實驗中受測者需要主觀評價的圖像共有192幅，測試圖像隨機呈現(xiàn)在顯示屏上，受測者進行無時間限制的圖像觀察后對動態(tài)圖像質(zhì)量進行評分。受測者端坐在距離顯示屏3倍圖像高度的距離處[18]，正對顯示屏中央位置觀察圖像(圖9)。

圖9 視覺感知實驗設置Fig.9 Visual perception experiment settings

評分標準采用5分制[19]：5分為極佳，4分為不錯，3分為一般，2分為較差，1分為糟糕。實驗共邀請26名受測者參與，包含13名女性，年齡在19至25歲之間，平均年齡22歲。所有受測的視力均正常或矯正至正常水平。為了使實驗數(shù)據(jù)更可靠，正式實驗前通過練習實驗對受測者進行實驗方法的訓練。

4.2 實驗結(jié)果分析

實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后，使用SPSS軟件(IBM SPSS Statistics 23.0)進行分析。方差分析(ANOVA)(表1)結(jié)果表明，圖像類型、響應速度、幀頻和背光占空比對運動圖像質(zhì)量均有顯著的影響(p<0.01)，響應速度和幀頻的交叉作用對運動模糊也有顯著的影響(p<0.01)。表1中，df是自由度，F(xiàn)是組方差值，sig.是顯著性檢驗值。

表1 各變量因素對運動模糊程度評分的ANOVA分析結(jié)果Tab.1 Results of ANOVA analysis for different factors on motion blur

圖像類型對動態(tài)圖像感知質(zhì)量有顯著性影響。Lena是輪廓清晰的人物圖像，Character是黑白分明背景下的字符圖像，這兩者整體輪廓相對清晰。而Scenery是遠景的自然風景圖像，其細節(jié)相對更豐富，微小的模糊都會讓整體動態(tài)圖像質(zhì)量感知大大下降。因此整體評分中，Scenery評分顯著偏低，如圖10(a)所示。背光調(diào)制技術(shù)可削弱顯示器的保持型特性導致的運動模糊，背光占空比的降低對削弱運動模糊程度具有明確的正向作用，如圖10(b)所示。

圖10 圖像類型與背光占空比對應的運動模糊評分平均值。(a)不同圖像特征；(b)不同背光占空比。Fig.10 Mean score of motion blur corresponding to backlight duty ratio and image type. (a) Mean score of different image features; (b) Mean score of different duty ratio.

物理上削弱液晶的慢響應特性可顯著降低LCD運動模糊效果，液晶顯示響應速度的提高可有效抑制運動模糊，如圖11(a)所示。實驗結(jié)果表明，LCD_1與OLED不相上下，實際因液晶顯示響應速度造成可感知的動態(tài)圖像質(zhì)量下降對應的LCRT閾值在1.4～5.4 ms區(qū)間內(nèi)，具體閾值有待進一步實驗進行驗證。

幀頻對動態(tài)圖像感知質(zhì)量的影響如圖11(b)所示。整體而言，隨著幀頻的提高，動態(tài)圖像感知質(zhì)量先上升后下降，這實際上是幀頻與響應速度對動態(tài)圖像質(zhì)量產(chǎn)生交叉影響的體現(xiàn)。如圖11(c)所示，在響應速度較快時(OLED和LCD_1)，幀頻的提高直接削弱了保持型顯示特性，從而體現(xiàn)出幀頻越高動態(tài)圖像質(zhì)量越好；在響應速度較慢時(LCD_2和LCD_3)，液晶需要更多的時間完成響應，過高的幀頻使得液晶還未完成響應便進入下一幀響應過程，從而加劇了運動模糊的效果。極端情況下直接反轉(zhuǎn)，形成幀頻越高動態(tài)圖像質(zhì)量越差的效果。

圖11 響應速度和幀頻對應運動模糊評分平均值。(a)不同響應速度；(b)不同幀頻；(c)不同響應速度與幀頻交叉。Fig.11 Mean score of motion blurscore corresponding to response speed and frame rate. (a) Mean score of different response speeds; (b) Mean score of different frame rate; (c) Cross influence of display type and refresh frequency on motion blur.

5 結(jié) 論

對于液晶顯示系統(tǒng)，保持型的顯示特性和慢響應是導致其動態(tài)圖像質(zhì)量低下的主要原因。為了研究液晶顯示系統(tǒng)的動態(tài)圖像質(zhì)量提升方法，建立了液晶顯示動態(tài)圖像感知效果的模擬模型。該模型可以模擬不同類型的顯示圖像在不同液晶響應速度、幀頻及背光占空比情況下的動態(tài)圖像感知效果。研究通過視覺感知實驗對模擬圖像進行評價并統(tǒng)計分析實驗結(jié)果。實驗結(jié)果表明，背光占空比調(diào)制可有效提升動態(tài)圖像質(zhì)量；顯示器件響應速度的快慢與動態(tài)圖像質(zhì)量呈正相關關系，LCD的響應速度達到一定程度后可忽略慢響應對人眼感知動態(tài)圖像效果的影響，從而使LCD與OLED相媲美；幀頻與響應速度對動態(tài)圖像質(zhì)量產(chǎn)生交叉影響。研究結(jié)果可為液晶顯示系統(tǒng)動態(tài)圖像質(zhì)量的提升途徑提供理論參考。