顯示屏殘影測試方法研究與應用

朱 創

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

現代專業顯示屏，以及個人使用的顯示屏，經常會用于靜態內容的顯示，例如電視、智能手機、車載顯示屏等。顯示屏殘影現象，多用英文Image Sticking、Image Retention、Residual Image，有時也指屏幕老化現象 （Burn-In）。殘影是描述靜態圖像對之后圖像顯示的影響，可以是之前靜態內容的迅速消失，也可以是暫時殘留的老化圖像。無論哪種情況下，這種殘影現象的定量表征，對于研究、開發以及顯示屏品質合規性評定都非常重要。

因此，有不少對殘影 （Image Sticking或Sticking Image）嚴重程度進行評定的方法，這些方法需要重現殘影現象以實現測試，同時不影響其它顯示特性 （如響應時間、均勻性），還要具有很高的重復性和再現性。這些對殘影測試都十分重要，因為殘影測試都是非常耗時且許多情況下是不可逆的。

本文分析了顯示行業常用的4種測量方法，驗證了影響殘影評價的主要因素。主要是重復性的驗證，同時也驗證了不同方法之間的差異。

1 最新的評測方法

目前，所有殘影測試方法都是通過一系列的測量實現的，通常包括預熱、老化和恢復3個階段，如圖1所示。

測試前應該通過點亮預熱，使顯示屏達到一個穩定的狀態。有些測試方法，可以使用不同畫面來回切換，來達到穩定狀態。殘影測試包含了一系列的測試，應確保顯示屏處于穩定狀態，并且在進入老化階段之前，沒有任何殘影產生。注意，在預熱結束之后，通常要馬上對恢復圖像進行測量，作為一項參考 （Reference） 測量，以便用于校正顯示屏本身非均勻性對殘影測試的影響。

老化階段是最容易讓顯示屏產生殘影圖像的過程，并保持一定的時間。具體使用何種圖像因方法而異，但通常使用黑白相間的圖像。雖然大多數測試的老化圖像使用灰階圖像，但也有研究使用彩色圖像進行老化來評價殘影現象，以研究不同類型子像素對殘影的影響。

在老化階段完成后，開始進入圖像恢復階段，相應地，測試圖像從老化圖像變為恢復圖像。恢復圖像本身疊加了殘影現象。

通過比較恢復圖像中相鄰區塊的亮度值可以量化殘影嚴重程度。圖像本身不均勻性通常使用老化前拍攝的恢復圖像進行校正。因此，殘影測試的每一個步驟，都應在恒定的環境條件下進行，以保證測試到的殘影現象是在參考圖像和恢復圖像之間產生的。

通常，從老化圖像切換到恢復圖像后的即時殘影值，或者切換后一段時間后的殘影值，是最有參考價值的，數值以百分比表示。此外，殘影消失過程可以用時間的函數來表示，也可以表示為恢復時間。在某些情況下，還可以分析圖像殘影的空間分布特性，即不同區域殘影的表現。

1.1 Bauer殘影測試方法

Bauer等人提出的殘影測試方法，可以認為是一個經典的殘影測試過程。通過比較相鄰區域在恢復圖像和參考圖像（老化前獲得的） 的亮度值，計算殘影值。該方法建議在切換到恢復圖像后100ms開始測量。老化圖像是黑白棋盤格，恢復圖像為50%灰度圖，如圖2所示。使用成像亮度計測量整個顯示屏，將殘影現象最嚴重方格的殘影值，作為該顯示屏的殘影值。

圖2 Bauer殘影測試方法的步驟

1.2 ICDM/IDMS 10.4的方法

當前版本的ICDM中的方法與Bauer等人的方法非常相似。老化圖像略有不同，非均勻性校正通過與老化之前采集到的亮度值進行比較確定。主要區別在于，該方法建議使用兩個灰度為0%和100%的恢復圖像，并且僅測量顯示屏的特定位置點。它也是唯一一種在少數指定位置進行測量的方法，而不是用成像亮度計進行空間解析測量。此外，該方法要求在切換后“盡快”進行測量。ICDM方法的步驟測試模式如圖3所示。

1.3 Kim殘影測試方法

Kim等人提出的方法，可以看作是ICDM 測試方法的一種擴展。其最明顯的變化是對不同基色的圖像分別進行殘影測試。此外，他們還建議用25%的灰度圖像作為恢復圖像，避免在不同的恢復圖像之間切換。如圖4所示，老化畫面中包含4種基色和不同位置的灰階。與Bauer等人測試方法相比，空間殘影信息替換為不同子像素的殘影信息。此外，如圖4所示的Dynamic fields，并未參與評估，該區域用于阻止一些顯示屏的殘影優化算法。

圖4 Kim方法的步驟

1.4 Lauer 殘影測試方法

Lauer等人提出了一種3階老化的方法。與Bauer等人的方法類似，該方法用50%灰階恢復圖像評估由0%和100%灰階引起的殘影現象。主要區別在于非均勻性校正。該方法采用特殊的老化圖像，該圖像包括恢復圖像的灰階，當切換到恢復圖像時，此處灰階不發生變化，并用作局部參考值以修正不均勻性。這意味著不需要在老化之前采集參考圖像，因此預熱步驟就并非必要。顯然，這種方法比前面提到的測試方法耗時短。恢復圖像包含了參考區域，也增強了測試的穩定性，例如顯示屏本身的不穩定性、測試條件本身的不穩定性。圖5頂部圖像分別是老化畫面和實際測試的恢復畫面。獨特的非均勻性校正的概念如圖5底部所示的參考區域。

圖5 Lauer方法的步驟

2 殘影測量的影響因素

如表1所示，不同的殘影評估方法在細節部分存在差異。在本節中，我們將分析這些影響，包括液晶顯示屏的測量結果。我們選擇LCD，是因為LCD的殘影可迅速消失，我們不僅可以測試重復性，而且可以評估測量進程對殘影效應的影響。所有測量均采用相同的成像亮度計LMK5-1。

2.1 延遲時間

從測量的角度來看，與時間有關且最關鍵的測量是第1次測量。這包括兩個與時間相關的參數。第1是延遲時間tstart，即切換到恢復圖像與實際開始測量之間的時間間隔。第2是積分時間也叫曝光時間。

如果延遲時間應“盡快” （ASAP），則必須仔細檢查如何將該延遲時間降至最小。此時，被測樣品 （DUT） 和成像亮度計之間的時間對準過程變得很重要。

在最簡單的測試設置中，一般計算機可控制被測樣品（DUT） 和成像亮度計。首先，計算機將測試圖像發送到顯示屏，然后，立即開始進行亮度圖像采集，這個過程中，沒有進行具體的時間對準。為了測試缺少時間對準過程對殘留圖像評估的影響，我們根據Bauer方法進行了殘影測量。測量過程都僅用了幾秒鐘的老化時間，同時我們只評估最初始的被測試殘影圖像。我們在兩臺不同的電腦上測試了同一顯示屏，并使用了不同的接口，如HDMI、VGA和USB-to-VGA適配器。對每個裝置進行15次評估。表2總結了每種方式測試的統計結果。

表1 不同殘影測試方法特點對比

表2 在無時間對準時盡快測量

首先，可以看出，每種方式的重復性都很差。有時測量在切換完成之前就開始了，這會導致嚴重的誤判。中位數的比較可以對不同操作條件之間的重復性進行分析。有時由于測量開始得太早而產生的誤差與實際殘影值在同一數量級，這是無法被檢測到的。因此，對于ASAP測量，必須考慮時間對準過程。

進行“盡快”測量的一個解決方案是采用一個光敏元件作為外部觸發器。如圖6所示，光敏元件在檢測到顯示屏上圖像的切換后立即啟動圖像采集。這樣就很好地實現了時間對準過程，得到一個比較準確的測試時間起點。

圖6 帶有觸發器時間對準測試裝置

通常，必須選擇延遲時間tstart，以保證是在圖像切換完成后才開始測量。在無法進行時間對準過程的情況下，應該根據信號輸入情況、系統控制裝置等進行保守估計。在最差的情況下，可能只有幾百毫秒。在由外部觸發器進行時間對準過程的情況下，tstart由最差像素響應時間確定，該響應時間要小一個數量級，可充分提高結果的有效性。

理論上，tstart取決于顯示屏殘影圖像的恢復速度。假設殘影圖像隨時間的恢復情況可以用指數關系來近似表示：

式中：SI0——圖像殘留的初始級別 （tstart=0s）；t——時間；τ——描述恢復速度的時間常數，τ值越低，tstart的影響越大。在τ=8s的情況下，tstart=0.1s和tstart=0.5s的殘影圖像值之間的相對偏差為5%。如果測量在1s后開始，而不是0.1s，則誤差為10%。假設恢復行為通常未知，且該近視擬合方法不起作用，一般情況下，對于高精度測量，tstart應盡可能小且準確。

2.2 積分時間

光學測量裝置的積分或曝光時間也會影響結果。較短的積分時間通常會得到更精確的殘影值。但是，對于25%或50%灰階圖像的典型亮度，曝光時間僅為幾毫秒，因此可以忽略此影響。在低亮度情況下積分時間與恢復速度相關。

此外，顯示屏本身的調制頻率限制了曝光時間的最小值。如果曝光時間長而引起過曝現象，可以安裝中性密度濾光片，以降低成像亮度計的靈敏度，從而保證測試過程中不出現過曝。

2.3 恢復和老化圖像

恢復圖像的灰階水平是評估不同測量方法之間偏差的另一個比對因素。通常恢復圖像的灰階等級對最終殘影結果有極其重要的影響。

在這個測試中，我們假設殘影導致的亮度LSI（t）可以采用如下模型進行分析，即乘法因子 （1+SI （t）） 和沒有殘影圖像的參考亮度L0的乘積，表示如下：

式中：LSI——亮度；t——時間；L0——沒有殘影圖像的參考亮度；SI（t）——圖像殘留隨時間的級別。這與用來描述OLED瞬時殘影的乘法因子是一致的。該模型也同樣適用于LCD顯示屏，因為殘影可以解釋為液晶的雙折射變化現象，這種變化引起了偏振態的改變，從而改變了第二偏振片的吸收，這也是一個乘法項。

為了測試恢復灰階等級的影響，我們使用如圖7a所示的垂直灰度漸變圖像為恢復圖像和參考圖像。利用成像亮度計的空間分辨率，我們分別測試了參考圖像和恢復圖像。老化圖像仍然是采用棋盤格。

殘影圖像乘法因子是恢復圖像和參考圖像的相除減1。如圖7b所示，殘影圖像顯示出很強的灰階相關性。當恢復灰階在＜4%和＞66%時，殘影現象輕微 （殘影值接近于0%）。但在灰階為42%時，殘影現象嚴重，殘影值為2.7%。但0%和100%灰階的恢復圖像都不能發現最嚴重殘影情形，該結論同樣適用于不同的顯示技術。

圖7 灰階相關性

除了恢復圖像灰階外，我們還測試了老化圖像灰階水平的影響。通過類似的漸變圖像實驗，對于本次測試用的顯示屏而言，發現0%/100%的棋盤格畫面并不能展現最嚴重的老化情形。

圖8 不同老化和恢復灰階參數比較

圖8顯示了標準灰階測試和自定義灰階測試的比較。圖8a殘影圖像由0%/100%的灰階老化和50%的恢復灰階形成。圖8b殘影圖像由50%/100%的灰階老化和42%的恢復灰階形成。標準灰階測試的殘影值約為3.5% （相鄰區域中為2.5%和-1%），而自定義灰階測試的殘影值約為5.4%（+/-2.7%）。相對值增加了35%。另外，特別注意，恢復時間隨灰階的不同而不同。

3 結論

上述介紹的幾種常用殘影評價方法，它們有著各自的優缺點。根據對比，發現恢復圖像的灰階等級和老化圖像的灰階等級對結果的影響最大。此外在“盡快”測量的情況下（即在切換到恢復畫面和測量開始之間要求極短延遲的情況下），需要進行時間對準過程。另外由于殘影的測試是非常耗時的，因此，我們建議在實際測試之前，必須對所選擇的方法、裝置以及所使用的測量設備的精度進行評估。一般來說，使用成像亮度計是唯一選擇，既可在空間上評估殘影現象，還可對殘影現象進行可視化展示。

根據以上對比分析，最后我們采用3階殘影圖片進行老化過程，然后切換成50%灰階恢復圖片，利用成像亮度計進行快速5點對位后，在切換后1min開始第1次測量，然后連續測量5次，時間間隔都是1min，最后得出殘影圖片和數據，這樣就可以綜合上述幾種方法的優點，這樣得到的殘影值也最有意義，也有利于提高優化顯示屏品質。