虛擬像素顯示均勻性及相關問題的分析和應對

皇甫魯江，李真真，譚文靜，黃 碩，趙 輝，史世明

(京東方科技集團股份有限公司 技術中心，北京 100176)

1 引 言

像素是數(shù)字畫面顯示最小獨立表現(xiàn)單元。在紅、綠、藍三基色色彩空間中，彩色像素需要由亮度獨立可控的紅、綠、藍三基色子像素構成，通過混色效應表現(xiàn)所需的色彩和亮度。這種像素通常也稱為真紅綠藍像素，包括像素構成以及對應的子像素數(shù)字亮度灰階信號(后文多簡稱為信號)。目前，主流彩色數(shù)字顯示系統(tǒng)多數(shù)采用這種真紅綠藍像素。

市場對高品質顯示的追求使彩色顯示器的分辨率不斷提高，在某些應用領域已經(jīng)達到了人眼分辨能力相當?shù)乃健＠缣O果公司iPhone 4及之后產(chǎn)品采用的“視網(wǎng)膜屏(Retina screen)”，其326 ppi(Pixels per inch，每英寸像素數(shù))及以上分辨率就已經(jīng)達到設定應用條件下人眼的分辨能力水平。高分辨率增大了顯示器的制作難度，如目前應用于移動顯示的有源矩陣有機電致發(fā)光二極管(Active Matrix Organic Electric Luminance Diodes，AMOLED)顯示器，其子像素圖形化主流技術FMM(Fine Metal Mask, 精細金屬掩模版)的水平，很大程度上制約了真紅綠藍高ppi AMOLED顯示器的制作。

對人類視覺特性的研究發(fā)現(xiàn)，人眼對亮度和不同顏色圖形(邊緣、形狀)的分辨能力是有差異的[1]。其中對亮度(明暗對比)圖形的分辨能力最高，紅色(紅綠對比)圖形次之，藍色(藍黃對比)圖形最低。由于綠子像素的亮度效應高(占白平衡～65%)，紅、綠、藍三基色彩色顯示器中，綠子像素密度是像素亮度分辨率表現(xiàn)的基礎。當真紅綠藍像素顯示器分辨率表現(xiàn)能力達到人眼分辨能力水平時，真紅綠藍像素中紅、藍子像素密度及相應的基色分辨率表現(xiàn)能力就可能出現(xiàn)冗余。這意味著有可能通過優(yōu)化像素構成及子像素相關信號的方法減少真紅綠藍像素顯示系統(tǒng)中部分紅、藍子像素，在維持顯示器亮度分辨率表現(xiàn)能力前提下，降低制作難度[2]。

本文把基于真紅綠藍像素紅、藍分辨率表現(xiàn)能力冗余的消減，由不完備子像素集構成的與真紅綠藍像素對應的畫面最小表現(xiàn)單元稱為低冗余虛擬像素，簡稱虛擬像素。合理的虛擬像素方案可以實現(xiàn)真紅綠藍像素亮度分辨率表現(xiàn)能力和相近顯示效果。為便于敘述和區(qū)分，本文把真紅綠藍像素中的紅、綠、藍單基色子像素或信號用小寫字母r、g、b表示，低冗余虛擬像素中的紅、綠、藍單基色子像素或信號用大寫字母R、G、B表示。通常每個虛擬像素包含一個獨立的G子像素，以確保虛擬像素(亮度)分辨率表現(xiàn)能力，但R、B子像素數(shù)減少，以此降低制作難度。同時，虛擬像素R、B子像素信號需要通過一定的算法與相關多個真紅綠藍像素的r、b信號對應，以一定程度彌補子像素數(shù)量減少造成的表現(xiàn)能力損失。

基于人眼亮度、色彩分辨能力的差異，合理的低冗余虛擬像素R∶G∶B 量比有2∶2∶1構成2個虛擬像素方案，相當于2個真紅綠藍像素中的子像素中減少1個b子像素，如PenTile矩陣[2]；以及1∶2∶1構成2個虛擬像素方案，如條狀RGBG子像素行排布(stripe-RGBG)[3]，以及菱形RGBG 子像素排布(Diamond-RGBG)[4]，相當于2個真紅綠藍像素中的子像素減少了1個r、1個b子像素，等等。

菱形RGBG子像素排布，(尋址行內)左右相鄰虛擬像素共享R、B子像素的虛擬像素技術在移動AMOLED中得到了廣泛應用，降低了制約性關鍵技術FMM技術的工藝難度，使得AMOLED的分辨率表現(xiàn)水平也能達到人眼的分辨能力水平。本文對低冗余虛擬像素的分析均以此為例進行。

2 虛擬像素相關問題分析

圖1 菱形RGBG虛擬像素構成示意圖Fig.1 Sub-pixel arrangement of diamond RGBG virtual pixel

圖1是菱形RGBG虛擬像素構成示意圖，顯示暗(黑)背景下亮(白)圖形“┐”。子像素排布最小重復單元由1個R、2個G、1個B子像素構成，可以認為包含RG、BG 2個(尋址)虛擬像素。需要著重說明的是，圖中及本文其他部分亮度中心位置是按重心法得到的[5]，由于人眼分辨閾值和混色效應的影響，在不能分辨像素邊界時，這一位置接近人眼感受的亮斑中心位置。也由于子像素形狀對所討論問題沒有實質影響，所以本文示意圖中子像素按簡單、布圖均衡原則采用了圓形等圖形。每個虛擬像素中的G子像素一一對應表現(xiàn)真紅綠藍像素的g信號，R、B子像素則需要采用子像素渲染(sub-pixel rendering，SPR)方法[6]，按同行左右相鄰虛擬像素共享算法表現(xiàn)相鄰2個真紅綠藍像素信號中r、b信號。典型的SPR驅動算法如下：

(1)

SPR算法表達式中R、G、B和r、g、b分別表示虛擬像素和真紅綠藍像素中子像素的灰階信號，等號左側下標表示R、G、B子像素所屬虛擬像素尋址坐標，右側下標表示輸入真紅綠藍信號設定像素尋址坐標。參數(shù)γ涉及到γ函數(shù)，該函數(shù)表示顯示亮度(L)與灰階信號的關系Lx=Cx·xγ(字母x代表r、g、b或R、G、B信號，下標x代表對應的子像素，Cx由子像素器件特性決定)，算法表達式中信號R、B與信號r、b的γ變換及逆變換復合關系，表示R、B信號分別由相鄰像素r、b信號對應的亮度整體效果決定[7]。

上述子像素構成及SPR算法可以維持相應真紅綠藍像素(亮度)分辨率表現(xiàn)水平，大多數(shù)情況下也有可接受的畫面表現(xiàn)效果。但R、B子像素的減少不可避免地會造成部分畫面信息損失，在某些情況下，還是可能造成一些可察覺的顯示缺陷?；谂c相應真紅綠藍像素顯示器表現(xiàn)效果對比，被提及較多的效果瑕疵是所謂“顆粒感”[8]等均勻性表現(xiàn)問題。下面嘗試分析其產(chǎn)生的原因。

包括真紅綠藍像素在內，同場并置基色(Field Apposition Color，F(xiàn)AC)子像素排布構成的像素，由于子像素可實現(xiàn)形狀和位置的限制，很難完全再現(xiàn)系統(tǒng)信號采樣所設定的情況，會存在空間失配(Spatial aliasing，也有譯作“走樣”)[9]問題。在此重點討論與虛擬像素子像素構成相關的空間失配對顯示效果的影響。在分辨率不充分等情況下，這些問題可能表現(xiàn)為可察覺的畫面表現(xiàn)效果瑕疵。

圖2 真條狀紅綠藍像素構成示意圖Fig.2 Sub-pixel arrangement of real rgb pixel

圖2是最常見的真條狀紅綠藍像素構成示意圖，也顯示暗背景下亮圖形“┐”。各基色子像素的混色效應在產(chǎn)生所需像素色彩和亮度的同時還形成像素的亮度中心。按系統(tǒng)設定，像素r、g、b信號再現(xiàn)的子像素亮度中心位置都應位于像素表現(xiàn)區(qū)域中心。實際上，由于工藝等限制，子像素通常為簡單矩形(條狀)。當并置排布g子像素居中時，則r、b子像素位置橫向偏離了像素中心。像素表現(xiàn)白平衡時，g貢獻～65%亮度、r貢獻～30%，b僅貢獻～5%(具體比例與目標白平衡和基色色坐標相關)，混色后像素亮度中心大致落在g、r中心連線近g端1/3處，參見圖2中標注。像素表現(xiàn)白點亮度中心偏離了系統(tǒng)設定的像素中心位置，即亮度中心與設定的位置出現(xiàn)空間失配。對于真條狀紅綠藍像素，所有像素表現(xiàn)的白點均會出現(xiàn)相同的亮度中心偏離，表現(xiàn)畫面中的圖形、圖案通常沒有畸變，也不易出現(xiàn)由此引起的可察覺缺陷。

像素單基色表現(xiàn)的位置相對于像素亮度中心的偏離稱為色彩空間失配[10]，基色色彩空間失配對混色效果有不利影響。由于g子像素的亮度效應，g子像素表現(xiàn)位置接近像素亮度中心，g色彩的空間失配較小。但r、b子像素的表現(xiàn)位置距像素亮度中心距離相對較大，r、b基色表現(xiàn)空間失配較大。真條狀紅綠藍采用g子像素居中結構，就是為了盡量減小居于兩側的r、b基色子像素表現(xiàn)的空間失配，加上人眼對r、b基色的分辨能力相對較低，大多數(shù)情況下r、b基色的空間失配也不會對混色效果有明顯的影響。

在菱形RGBG虛擬像素中，由于R或B子像素數(shù)量是G子像素的一半，混色效應作用下共享R、B子像素會對相鄰虛擬像素由均勻排布G子像素主導的亮度中心位置分布產(chǎn)生調制，造成相鄰虛擬像素亮度中心不同方向的空間失配，影響亮度中心分布均勻性，參見圖1中亮度中心位置。視覺上，這種差異性空間失配相當于在像素表現(xiàn)均勻分布亮度信號時附加R、B分布周期的明暗漲落信號。雖然附加亮度分布強度較弱，不會影響虛擬像素的亮度分辨率表現(xiàn)能力，但可能產(chǎn)生亮度均勻性表現(xiàn)效果瑕疵。需要說明的是，所謂均勻是基于系統(tǒng)設定的像素空間周期性分布間距。因亮度中心空間失配產(chǎn)生的周期大于像素間距的周期性明暗信號，被認為可能和顯示內容干涉影響虛擬像素均勻性表現(xiàn)效果。

這里對虛擬像素亮度中心空間失配比較容易察覺的影響進行說明。參照圖1顯示圖形“┐”的橫向單像素白線部分(第j-1行)，混色效應下相鄰虛擬像素由G子像素主導的亮度中心會分別向不同方向的共享R子像素偏移，造成虛擬像素亮度中心兩兩遠離的鄰域(i-1，i列之間)偏暗，同時兩兩靠近的鄰域(i，i+1列之間)偏亮。在虛擬像素分辨率與人眼分辨能力水平接近條件下，橫向2倍虛擬像素間距周期的附加明、暗分布就容易產(chǎn)生可察覺的不均勻感了。二維均勻亮度表現(xiàn)區(qū)域，這種R、B子像素對G子像素主導的亮度中心調制同樣存在，也會形成大于像素分布周期的明暗分布。由于分布周期大于像素間距，容易產(chǎn)生視覺效果上的顆粒感。亮度中心空間失配更直接的影響是單線圖形或圖形邊緣畸變，參見圖1顯示圖形“┐”的豎線部分，出現(xiàn)了S型畸變，只是能察覺這種畸變的情況較少。

虛擬像素中，基色的空間失配也容易產(chǎn)生可察覺的影響。由于R、B子像素量比例小，使低冗余虛擬像素很難簡單地確保G子像素居中的排布結構，造成R、B基色空間失配增大，影響R、G、B間的混色效果。在均勻白圖形內部，除同一虛擬像素的R、G、B子像素基色間混色外，相鄰不同虛擬像素子像素間也會產(chǎn)生混色效應，可以彌補子像素基色空間失配對混色效應的不利影響。但如果遇到了圖1顯示圖形“┐”橫線部分(第j-1行)G子像素集中在下緣的情況，R、B子像素基色空間失配就會集中影響上下方向整體混色效果，產(chǎn)生易察覺的色彩分離，表現(xiàn)為橫向白線或白色圖形的下緣偏綠。

3 虛擬像素顯示不均勻及相關問題的應對

因基色子像素表現(xiàn)空間失配造成的虛擬像素亮度中心分布不均勻，以及色彩分離等現(xiàn)象通?？梢酝ㄟ^優(yōu)化SPR算法，對稱地共享更多的周邊R、B子像素改善[11]。但復雜算法容易使虛擬像素子像素涉及的范圍尺度大于像素間距，更容易與特定顯示內容干涉而影響顯示效果，因此應用并不普遍。本文提出采用新的子像素排布結構構成虛擬像素，并配套相應簡單SPR算法，可以較好地解決相關問題。

根據(jù)前文分析，低冗余虛擬像素顯示器亮度均勻性表現(xiàn)缺陷的主要原因，是由于大空間周期分布的R、B子像素對以像素間距周期均勻分布G子像素主導的虛擬像素亮度中心的調制。在G子像素均勻分布的情況下，R、B子像素大周期調制產(chǎn)生的非均勻性附加明暗分布很難避免。

考慮到視覺信息中，亮度分布信息占有絕大部分，以及人眼對亮度分布信息的敏感性，確保顯示器亮度分布成分信息的表現(xiàn)效果最為重要。因此我們提出采用非均勻G子像素排布的虛擬像素構成方案，經(jīng)R、B子像素亮度調制，實現(xiàn)虛擬像素亮度中心的均勻分布。這一方案雖然降低了G子像素亮度分布的均勻性，可能影響G單色或G成分為主畫面均勻性表現(xiàn)效果，但白平衡像素亮度中心分布的均勻性提高，整體效能是合理的。

圖3 GGRB虛擬像素構成示意圖Fig.3 Sub-pixel arrangement of GGRB virtual pixel

圖3是這種低冗余虛擬像素(簡稱GGRB虛擬像素)構成方案的示意圖，同樣顯示暗背景下亮圖形“┐”。與菱形RGBG類似，子像素布圖最小重復單元由1個R、2個G、1個B子像素構成，可以認為包含RG、BG 2個(尋址)虛擬像素。每個虛擬像素中的G子像素一一對應表現(xiàn)真紅綠藍像素的g信號，R、B子像素按同行左右相鄰虛擬像素共享算法表現(xiàn)相鄰2個真紅綠藍像素信號中r、b信號。不同的是，由于上下重疊的R、B子像素集中排布在G-G子像素對的外側，某個虛擬像素只能與外側的同一相鄰虛擬像素共享R、B子像素(傳統(tǒng)算法分別與左、右兩側的2個虛擬像素共享R、B子像素)。為虛擬像素子像素尋址均衡，圖3中上、下重疊排布的R、B子像素，居下的B子像素配屬在下一尋址行，SPR驅動算法如下：

(2)

在GGRB虛擬像素行內，G子像素分布是間距不均勻的成對排布，G-G子像素對內部G子像素橫向間距小于系統(tǒng)設定的像素間距，中間沒有共享R、B子像素；G-G子像素對之間G子像素間距大于像素間距，共享的R、B子像素上、下重疊排布于2個G-G子像素對之間。通過混色效應，同行內橫向不均勻排布G子像素主導的虛擬像素亮度中心，經(jīng)R、B子像素調制可實現(xiàn)亮度中心分布均勻性改善，參見圖3中標注的虛擬像素亮度中心位置。

對于邊緣色分離，GGRB虛擬像素構成中，R、B子像素上、下排布確保了G子像素縱向自然居中，各基色縱向色彩空間失配都比較小，對混色影響也較小，參見圖3顯示符號“┐”的橫線部分；同時，上、下相鄰的虛擬像素行采用關于G-G子像素對中軸與間界交錯排布，避免在表現(xiàn)縱向白圖形邊緣或單像素豎線時G(或R、B)子像素集中在白圖形邊緣或豎線一側，各虛擬像素基色空間失配的影響集中顯現(xiàn)。參見圖3顯示圖形“┐”的豎線部分，由于豎線中上下虛擬像素的基色空間失配互補，也不易察覺色分離。

4 新虛擬像素方案效果驗證

4.1 一種典型相關情況的傅里葉分析

空間頻率用以描述變量(信號)在空間維度上分布的周期性，圖像信號空間頻率高于或分布周期小于某個閾值時，人眼不能分辨亮度的變化[1]，即看起來“均勻”。顯示器相關設計時傾向于把像素間距設定在人眼分辨閾值以下，使人眼只能感受到多像素表現(xiàn)的圖像信號起伏而感受不到像素間亮度不連續(xù)的顆粒感。RGBG類虛擬像素因相鄰虛擬像素的差異，表現(xiàn)均勻亮度時亮度分布中除人眼不易察覺的虛擬像素間距周期的成分，還會包含易察覺、與顯示內容可能干涉的大于虛擬像素間距周期的成分即不均勻成分，兩種成分分別對應高、低空間頻率。傅里葉分析可以對比相關頻率成分比例尤其是低頻成分的比例，以此判斷均勻性表現(xiàn)效果。

我們對單像素亮(白)橫線在2種不同虛擬像素顯示器中的效果進行傅里葉分析。為便于計算假設子像素發(fā)光區(qū)都是邊長為1/3像素間距p的正方形，R、G、B子像素發(fā)光面積比為1∶2∶1。這一假設與圖1、圖3示意情況稍有差異，子像素形狀不同，R、B發(fā)光面積略小，但對分析結果無根本影響。由于B子像素亮度很低，還忽略B子像素亮度的影響。白平衡下，R、G子像素發(fā)光區(qū)域亮度近似相等。在構成兩個橫向相鄰虛擬像素的子像素橫向排布最小重復單元內，顯示單像素橫向亮線時，單元內(一維)亮度分布如圖4所示。

圖4 最小重復單元內R、G亮度一維分布Fig.4 1D luminance distribution of R&G within minimum replication of sub-pixel arrangement

其中p為(虛擬)像素間距，子像素橫向分布最小重復周期為2p。以2p為基本分布周期，對應空間分布頻率基頻ω0，把像素亮度分布在空間頻率域展開成傅里葉級數(shù)，得到虛擬像素顯示亮度分布對應的空間頻率成分相對亮度分布如圖5所示。

圖5 亮度一維分布傅里葉空間頻率成分Fig.5 Fourier Spatial frequency component of 1D luminance distribution

其中，0ω0空間頻率表示平均亮度，2ω0成分表示(虛擬)像素間距周期對應的亮度分布空間頻率，分辨率充分時，這個頻率及以上頻率的亮度分布信號人眼不易識別，不會對顯示內容造成影響。但當2ω0對應像素間距與人眼分辨能力接近時，1ω0頻率對應的橫向最小重復單元為周期的亮度分布信號則可能被人眼識別而與顯示內容干涉。例如，與顯示內容無關的周期性亮度分布信號成分在均勻畫面背景下容易產(chǎn)生顆粒感。如圖5所示，GGRB 1D亮度分布中1ω0成分遠小于菱形RGBG 1D，理論上均勻性表現(xiàn)較好。

4.2 兩種虛擬像素顯示效果對比

在此僅對比新舊虛擬像素亮度均勻性及相關色偏表現(xiàn)。我們采用視覺效果差異比較容易顯現(xiàn)的簡單圖形，包括橫、豎單像素白色直線，以及白色矩形的下緣等。

圖6是兩種構成的虛擬像素表現(xiàn)橫、豎單像素直線的實際效果放大照片。在觀察距離漸遠時，可以感到B子像素的位置感逐步減弱，肉眼感受到的B子像素信息逐步融入背景。進一步，混色效應使R子像素顏色區(qū)域邊界逐步模糊，同時還能一定程度上感受到R、G子像素亮度分布。菱形RGBG表現(xiàn)的橫線，G子像素橫向均勻分布，但由于橫向密度減半的R、B子像素的存在，尤其是R子像素亮度效應，容易感受到某一亮度背景上以R像素為(橫向)中心G-R-G簇2倍像素間距的明暗分布；對于GGRB虛擬像素，雖然兩兩一對的G-G子像素水平方向分布不均勻，但R、B子像素填補在G-G子像素對間，R子像素的亮度填補了G子像素對間的低亮度空間，在水平方向上形成相對均勻的亮度分布。

兩種虛擬像素表現(xiàn)單像素豎線時，菱形RGBG顯示的豎線上下相鄰虛擬像素中，G子像素上下對齊，R子像素分別在G子像素的左右兩側，造成亮度中心左右擺動，遠觀豎線有輕微扭曲感；相比之下，GGRB顯示的豎線中，虛擬像素G、R并不位于軸線上，而是分布在軸線左右兩側，使亮度中心盡量接近軸線，因此遠觀感受到的白豎線相對直而平滑。

圖6 GGRB和菱形RGBG虛擬像素表現(xiàn)橫向和豎向直線效果對比Fig.6 Comparison of horizontal and vertical lines displayed in GGRB and diamond RGBG virtual pixel display

圖7是兩種構成的虛擬像素表現(xiàn)的白色單像素水平和豎直平行線組小倍率的照片。相對于大倍率照片，小倍率照片中菱形RGBG表現(xiàn)的橫向平行線組的顆粒感，以及豎向平行線組的扭曲感更容易被察覺。正如上述舉例，可察覺的表現(xiàn)效果瑕疵主要出現(xiàn)在一定(分辨率)條件下的特定情況，對大多數(shù)顯示情況，這類瑕疵對顯示效果的影響并不明顯。

圖7 GGRB和菱形RGBG虛擬像素表現(xiàn)橫向和豎向平行線組效果對比Fig.7 Comparison of horizontal & vertical parallel lines displayed in GGRB and diamond RGBG virtual pixel display

圖8是兩種構成虛擬像素表現(xiàn)的白色矩形的下緣?？梢钥吹?，菱形RGBG虛擬像素表現(xiàn)的矩形下緣G子像素集中在下(外)側。與內部G子像素被R、B子像素包圍不同，下緣的G子像素僅在上方存在R、B子像素，同水平及下方無R、B子像素，因此混色效果與內部有所差異。由于下方R、B子像素的缺失，比較容易感受到下緣偏綠；與之相對，GGRB虛擬像素下緣的G子像素在垂直方向上居于R、B子像素之間，G子像素相關混色條件與效果與內部相似，沒有明顯的下緣偏綠現(xiàn)象。

圖8 GGRB和菱形RGBG虛擬像素表現(xiàn)白色矩形下緣效果對比Fig.8 Comparison of white rectangle’s bottom edge displayed in GGRB & diamond RGBG virtual pixel display

類似地，菱形RGBG虛擬像素表現(xiàn)的白色矩形上緣還可能被察覺微弱的偏紫，以及GGRB虛擬像素表現(xiàn)的白色矩形上緣更弱的偏紅、下緣偏藍。但由于紅、藍基色視覺敏感性的差異，這類色偏的影響遠弱于邊緣偏綠。另外，兩種虛擬像素表現(xiàn)的白色矩形的左、右兩側邊緣沒有明顯缺陷。

5 結 論

低冗余虛擬像素顯示器中，G子像素分布密度同像素密度，R、B子像素數(shù)量少、分布密度低。由于像素的亮度中心主要由G子像素位置主導確定，虛擬像素構成中也通常傾向于采用均勻分布的G子像素排布方案。在R、B子像素混色效應的亮度調制下，G子像素均勻分布的虛擬像素顯示器像素亮度中心分布會附加大周期的明暗分布信號。這種不均勻的明暗分布可能造成畫面均勻性表現(xiàn)效果與真紅綠藍像素表現(xiàn)效果出現(xiàn)差異。

基于降低G單基色均勻性表現(xiàn)效果，確保亮度信號均勻性表現(xiàn)效果的思想，本文提出了采用不均勻的G子像素排布，通過R、B混色效應的亮度調制，實現(xiàn)虛擬像素亮度中心的均勻分布的方案。經(jīng)初步傅里葉級數(shù)分析和視覺對比評估，這種虛擬像素顯示器在亮度信號均勻性表現(xiàn)效果等方面的改善符合預期。