基于FRC改善PDP畫質(zhì)的最優(yōu)灰度組合

羅榕思，郭太良，林志賢

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

基于FRC改善PDP畫質(zhì)的最優(yōu)灰度組合

羅榕思，郭太良，林志賢

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

PDP較LCD有更高的對比度、更快的響應(yīng)速度，是一種能顯示高畫質(zhì)圖像的平板顯示器。然而出于PDP的發(fā)光顯示機理所限，在顯示動態(tài)圖像時會不同程度地產(chǎn)生動態(tài)假輪廓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了PDP圖像顯示質(zhì)量。為了有效解決這個問題，提出一種新型評價動態(tài)假輪廓現(xiàn)象的方法，該方法采用幀頻頻率控制來減少動態(tài)假輪廓的出現(xiàn)，同時提出采用最優(yōu)灰度組合方式的幀頻頻率控制新型算法，實驗驗證結(jié)果表明，采用該新型方法對比以往的方法能更有效地減少動態(tài)假輪廓現(xiàn)象。

等離子顯示器；動態(tài)假輪廓；幀頻頻率控制；灰度組合

現(xiàn)今全球的平板顯示器市場一直在穩(wěn)步增長中，預(yù)計2015年該市場的規(guī)模將達到150億美元，在這種形勢下各個制造商致力于實現(xiàn)高質(zhì)量圖像、低功耗驅(qū)動和低成本制造技術(shù)的開發(fā)。雖然等離子顯示器（PDP）擁有的市場份額比液晶顯示器（LCD）少，但PDP在降低成本、改善圖像和提高發(fā)光效率上取得越來越多的新突破，這使它具有很大的競爭力[1]。而采用子場技術(shù)實現(xiàn)灰度顯示的彩色等離子顯示器，在顯示動態(tài)圖像時會出現(xiàn)虛假輪廓[2]，稱之為動態(tài)假輪廓（Dynam?ic False Contour，DFC），DFC是PDP圖像質(zhì)量中最嚴(yán)重的問題[3]，本文提出了一種利用幀頻頻率控制（Frame Rate Control，F(xiàn)RC）減少DFC的方法，并對該方法做進一步研究，最后對結(jié)果進行評估，更有效地減少動態(tài)假輪廓現(xiàn)象。

1 Q值評價FRC減少DFC

目前提出了許多方法來改善運動圖像質(zhì)量[4-8]，例如將擁有相關(guān)權(quán)重灰度等級的子場區(qū)分開并分散在該場內(nèi)，雖然這種方法減少了DFC現(xiàn)象，但不適用于所有的圖像顯示。另一種減少DFC的方法是基于動態(tài)圖像的運動檢測來改變二進制代碼，如圖1所示，使用該方法雖然能減少DFC，然而灰度等級降低了[9-12]。因此在通過各個子場維持發(fā)光實現(xiàn)灰度顯示的方式下，減少DFC的方法是在DFC和灰度表現(xiàn)力之間獲取平衡，不能根本上消除DFC現(xiàn)象[13]。

1.1 DFC產(chǎn)生原因

由于人們在觀看運動的物體時，觀察者的視點會隨著運動物體一起移動，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，在圖像明暗變化較明顯的邊緣地帶會出現(xiàn)亮的或暗的虛影，即動態(tài)假輪廓現(xiàn)象。PDP是利用分子場顯示的方法實現(xiàn)灰度顯示，圖2是該方法的顯示機理。為了實現(xiàn)256級灰度顯示，在8個子場中，每個子場的顯示期按二進制的權(quán)重2n在時間軸上進行分割，這樣就增加了出現(xiàn)顯示動態(tài)圖像干擾的可能性。圖3所示是產(chǎn)生DFC的原因，例如當(dāng)視點停留在0位置時，觀看到的灰度等級為34，而當(dāng)視點從左向右移動時，顯示出來的灰度等級為0，正如圖中線條所示靜態(tài)與動態(tài)圖像之間灰度等級的差異，出現(xiàn)了DFC現(xiàn)象。圖4a是原始圖像，圖4b顯示的是當(dāng)圖像移動時產(chǎn)生DFC現(xiàn)象[14]。

圖1 用于顯示動態(tài)圖像的二進制代碼

圖2 子場方法

圖3 靜態(tài)圖像與動態(tài)圖像之間的灰度差異

圖4 顯示圖像時的動態(tài)假輪廓現(xiàn)象

1.2 Q值評價

判斷DFC現(xiàn)象是否減少需要有一個評價標(biāo)準(zhǔn)，本文提出一種基于人眼視覺效應(yīng)，重在辨別靜態(tài)圖像與動態(tài)圖像之間灰度等級差別的評價方法，幀頻頻率控制減少DFC的方法也是基于該評價方法提出的[15]。

由于人眼視覺系統(tǒng)具有積分效應(yīng)，所以應(yīng)選擇兩幀以上圖像對DFC現(xiàn)象進行評價，而且人眼通常識別一幅圖像的一個或多個像素，因此給出如公式（1）所示指標(biāo)來評價DFC現(xiàn)象，即

通過軟件仿真制造出一些模式，然后對其Q值進行評估，圖5中（a）與（b）的值分別是0.6與0.3，在該兩種模式下都出現(xiàn)了DFC現(xiàn)象，而（c）的值為0.01，該模式下圖像顯示效果較好，沒有出現(xiàn)DFC現(xiàn)象，通過計算得出，產(chǎn)生DFC現(xiàn)象的閾值是0.2。由圖中虛線部分對比可知，分布式圖像的Q值比逐步式圖像的Q值小很多。該評價方法顯示，若將圖像信息轉(zhuǎn)換為分布模式，能有效地減少DFC現(xiàn)象，因此提出了FRC方法。

圖5 評價結(jié)果關(guān)系圖

1.3 FRC減少DFC方法

為了將逐步式圖像轉(zhuǎn)換為分布式圖像，并且轉(zhuǎn)換后圖像的灰度值與原圖像的灰度值相同，采用了FRC方法以滿足上述條件。

FRC通常是用于液晶顯示器的，它通過在不同幀之間控制開/關(guān)狀態(tài)來產(chǎn)生多個灰度等級，為了實現(xiàn)不同的灰度等級，一個像素的狀態(tài)在連續(xù)幀中被改變。

可以使用FRC來產(chǎn)生分布式的圖像，圖6對該方法進行了詮釋，圖中4個相鄰的像素分別輸入218， 219，220和221灰度值，在未采用FRC方法時可以看出，該圖像信息是逐步形成的模式，通過FRC將一場圖像信息分為若干幀，圖6所示是將其分為兩幀，該兩幀圖像在第9子場和第10子場是分布模式的，并且該兩幀圖像的灰度平均值與原圖像的灰度值一致。由此可見，F(xiàn)RC方法不僅能將逐步式圖像轉(zhuǎn)換為分布式圖像，還能保證轉(zhuǎn)換前后灰度值的一致性。

圖6 FRC方法減少DFC現(xiàn)象

2 最優(yōu)灰度組合

根據(jù)FRC減少DFC的原理，幀與幀之間的灰度組合方式并不唯一。為了更好地減少DFC現(xiàn)象，選取最優(yōu)的灰度組合方式是有必要的。由于在FRC方法中，應(yīng)具備以下兩個條件：

1）幀與幀之間滿足N幀圖像灰度值之和是原圖像灰度值N倍的關(guān)系；

2）在當(dāng)前幀相鄰像素之間各個子場的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)盡可能滿足分布式圖像效果。

如果具備上述兩種條件，那么得出的灰度組合方式便是最優(yōu)組合。

由條件一得出公式（2），其中，A向量表示子場的權(quán)值，Xi向量表示第i幀灰度值的二進制碼，N表示將原始圖像分為N幀，L表示原始圖像的灰度值，以圖6中像素 0為例，其中 A=[74 6052 4828 168 42 1]， Xn=[0 1 1 1 1 0 1 1 1 1]T，L=218，N=2。且

為滿足第2個條件，由圖5可以看出，同一子場相鄰像素之間應(yīng)盡量避免同取暗值，因此首先設(shè)Xi向量與Yi向量為相鄰像素灰度值的二進制表示，T為Xi與Yi取或之后的向量值，再將T向量中各個元素相加，得值P。采用窮舉法，對各個Xi向量和Yi向量進行計算，當(dāng)P取最大值時，那么就可以滿足第2個條件，即式（3）和式（4）

式中：M為子場數(shù)；ti為T向量中第i個元素值。為得到P的最大值，應(yīng)從滿足式（2）的向量中提取出滿足條件2的向量，如此計算量是十分龐大的，由于DFC現(xiàn)象只在運動圖像中出現(xiàn)，對于顯示靜態(tài)圖像效果還是十分良好的，因此為了降低計算量，可先將一幅圖像中運動的部分提取出來，以減少計算量。

3 結(jié)果與分析

通過Q值評價，對上述組合方法進行驗證。以圖6為例，對原始圖像中像素0位置進行Q值計算，所得結(jié)果為0.06，而圖6中FRC變換后圖像的Q值為0.03，而采用第二部分所述的灰度組合方法后，灰度組合方式如圖6下部虛線所示，計算其Q值，結(jié)果降低為0.02。對于一個像素而言雖然變化不是很大，但根據(jù)式（1）所示，該評價式為求和公式，窗口的大小與幀數(shù)對其具有一定的影響，誤差在計算過程中也將擴大，因此選取最佳灰度組合方式是十分有必要的。

根據(jù)PDP基于FRC的CLEAR驅(qū)動方式與子場編碼方法，建立一定的運動圖像感知模型，對圖像進行模擬，在人眼積分效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過MATLAB軟件計算圖像中每個像素在人眼視網(wǎng)膜上感知到的亮度，然后對每個像素的亮度值進行重新計算處理，最后得出新的灰度等級，合成仿真圖像并得出對應(yīng)的Q值。

如果在高速運動的圖像下，采用此方法依然能降低DFC現(xiàn)象的出現(xiàn)，便能實現(xiàn)高畫質(zhì)圖像顯示，因此選取圖像的移動速度為每幀10個像素。仿真過程中，若Q值大于0.4，圖像出現(xiàn)明顯的DFC現(xiàn)象，在Q值逐漸下降過程中，DFC現(xiàn)象隨著Q值的降低而減輕，當(dāng)Q降低為0.2以下時，幾乎看不出DFC現(xiàn)象，由此可見，Q值可以正確地評價DFC現(xiàn)象的嚴(yán)重程度。

仿真結(jié)果如圖7所示，圖7a為未采用FRC方法的圖像仿真結(jié)果，該圖的Q值為0.5，DFC現(xiàn)象明顯，圖7b雖采用FRC方法，但未使用最優(yōu)灰度組合，此時的Q值為0.18，未有明顯DFC現(xiàn)象，圖7c為采用最優(yōu)灰度組合的FRC方法處理后的圖像，該圖Q值較圖7b降低了0.03，由圖可見，圖7c的畫質(zhì)比圖7b更為清晰細膩，圖中方框處所示部分圖像過度更加平滑，所以采用最佳灰度組合的FRC方法具有一定的實踐意義。

圖7 仿真結(jié)果（截圖）

4 結(jié)論

本文采用了Q值評價的方法，對DFC現(xiàn)象的嚴(yán)重程度進行評估，基于該方法提出了使用FRC方法來減少DFC現(xiàn)象，對FRC方法做進一步研究，提出一種計算方法，從而得到幀與幀之間最佳灰度組合方式，計算結(jié)果表明，最佳灰度組合方式能更好發(fā)揮出FRC方法的優(yōu)勢，達到最大程度減少DFC現(xiàn)象的目的。

[1]OHARA T，AKIYAMA Y，NAGATA K，et al.A reduction method of dynamic false contour utilizing the frame-rate-controlmethod with suppression of the side effect on PDPs[J].Journal of the So?ciety for Information Display，2011，19（1）：116-119.

[2] 沈思寬，張小寧，黃金福．等離子顯示技術(shù)的新進展[J]．液晶與顯示，2009，24（1）：38-42.

[3] KURITA T，SEKIM，KOIKE J，et al.A 42inch Diagonal HDTV PlaDisplay[J].IEEE Trans.Image Processing，1997（9）：55-58.

[4]WEIHaicheng，ZHANG Xiaoning，LIU Chunliang.A novel adap?tive gray coding for picture quality improvement of plasma dis?play panel[J].Vacuum Science and Technology，2013，33（2）：136.

[5] ZHANG Xiaoning,HUANG Jinfu，TU Zhentao,et al.Improvement of dynamic false contour with low dither noise in plasma display panels[J].Optoelectronics Laser，2011，22（6）：921-925.

[6]王志國,梁志虎,劉純亮.交流等離子體顯示器改進型自適應(yīng)子場編碼驅(qū)動方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2011，45（6）：55-58.

[7]張小寧，梁志虎，劉純亮.基于圖像信息的彩色PDP動態(tài)子場編碼優(yōu)化方法[J].光電子激光，2010，21（3）：354-358.

[8] HUANG Jinfu，ZHANG Xiaoning，WANG Yaogong，et al.Adap?tive unsymmetrical dither region to improve dynamic false con?tour in PDPs[J].IEEE Transactions on Image Processing，2010，56（4）：2027-2031.

[9] YAMAMOTO T.Improvement of moving-picture quality on a 42-in-diagonal PDP for HDTV[C]//Proc.SID Symposium Digest. [S.l.]：IEEE Press，1997：217-220.

[10] ZHU Y W.A motion-dependent equalizing-pulse technique for reducing gray-scale disturbances on PDPs[C]//Proc.SID Sympo?sium Digest 28.[S.l.]：IEEE Press，1997:221-224.

[11] KAWAHARA I.Dynamic gray-scale control to reduce mo?tion-picture disturbance for high-resolution PDPs[C]//Proc.SID Symposium Digest 30.[S.l.]：IEEE Press，1999：166-169.

[12] XU B L.Improvement in PDP image quality by suppressing dy?namic false contour while maintaining high brightness[C]//Proc. SID Symposium Digest 34.[S.l.]：IEEE Press，2003：455-457.

[13] 鄭曉慶，張小寧，梁志虎，等.采用自適應(yīng)有限灰度級子場編碼方法提高等離子體顯示器的顯示質(zhì)量[J]．液晶與顯示，2011，26（6）：854.

[14] 應(yīng)根裕，胡文波，邱勇，等.平板顯示技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社，2002.

[15] MIKOSHIBA S.Dynamic false contours on PDPs-Fatal or cur?able?[C]//Proc.IDW’96.[S.l.]：IEEE Press，1996：251.

Optimal Gray-level Combination to Improve PDP Image Quality by FRC

LUO Rongsi，GUO Tailiang，LIN Zhixian
（College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China）

The plasma-display panel is a type of flat-panel display that can display a high quality image,and has a higher contrast ratio,faster response speed than the LCD.However,for the limit of the PDP’s light emitting display mechanism,annoying disturbances such as false contour noise occurs when displaying moving images.This noise is called dynamic false contour,it seriously affects the PDP image quality.To effectively solve the problem,this paper put forward a new evaluation method of the dynamic false contour phenomenon,it adopts the frame rate control to reduce dynamic false contour.And presents a new algorithm for calculating optimal grayscale combinations of frame rate control,experiment results show that by using this new method can more effectively reduce the dynamic false contour comparing to previous method.

PDP；dynamic false contour；frame rate control；gray combination

TN873

A

羅榕思（1988—），女，碩士生，主研信息顯示技術(shù)、驅(qū)動電路；

?? 盈

2013-10-12

【本文獻信息】羅榕思，郭太良，林志賢.基于FRC改善PDP畫質(zhì)的最優(yōu)灰度組合[J].電視技術(shù)，2014，38（8）.

國家“863”重大專項（2012AA03A301；2013AA030601）；國家自然科學(xué)基金項目（61101169；61106053）；福建省自然科學(xué)基金項目（2011J01347）

郭太良（1963—），研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事FED顯示器驅(qū)動電路；

林志賢（1975—），教授，主研信息顯示技術(shù)、FED顯示器驅(qū)動電路。