240Hz無(wú)濾色片液晶顯示中色彩分裂現(xiàn)象的抑制

王 萍，張宇寧，酈光選，耿 迪

(東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 教育部信息顯示與可視化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

1 引 言

時(shí)序彩色(Field-Sequential-Color,FSC)顯示以高于人眼臨界融合頻率的高刷新率順序顯示多個(gè)子場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色融合，由于人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)和大于人類視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)間敏銳度的顯示幀頻，最終能將多個(gè)子場(chǎng)圖像在視覺(jué)系統(tǒng)中融合并重建，復(fù)現(xiàn)彩色圖像內(nèi)容[1]。時(shí)序彩色顯示技術(shù)應(yīng)用時(shí)間混色原理，不同于傳統(tǒng)的空間子像素混色顯示技術(shù)[2]。由于時(shí)序彩色顯示器沒(méi)有濾色片和子像素，其光透射率、發(fā)光效率和空間分辨率都高于空間子像素混色顯示器，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高發(fā)光效率和低功耗。

當(dāng)人眼與圖像間存在相對(duì)速度時(shí)(可由眼跳運(yùn)動(dòng)或平滑追蹤移動(dòng)物體引起)，會(huì)導(dǎo)致子場(chǎng)圖像無(wú)法在視網(wǎng)膜上完全重合，人眼將感知到圖像中出現(xiàn)彩虹般的條紋，尤其在圖像中物體邊緣處，這種現(xiàn)象稱為色彩分裂(Color Breakup,CBU)。色彩分裂現(xiàn)象會(huì)降低圖像質(zhì)量，影響觀察者對(duì)圖像的判斷甚至引起觀察者的不適，其是時(shí)序彩色顯示器在廣泛使用前必須克服的核心問(wèn)題。提高液晶顯示屏的刷新率能有效抑制色彩分裂，但要求刷新頻率高于600 Hz時(shí)人眼才能完全察覺(jué)不出色彩分裂[3]，但提高刷新率的方法對(duì)顯示器的硬件要求較高。近年來(lái)，在不同文獻(xiàn)中提出了一些不需要額外硬件要求的理論模型和算法，例如局域基色去飽和(Local-Primary-Desaturation,LPD)算法和RGBW算法等[3-6]都被證明了能有效抑制色彩分裂現(xiàn)象。

已有的局域基色去飽和算法一般應(yīng)用于3子場(chǎng)顯示，本文提出了一種四場(chǎng)局域基色去飽和算法(4-field Local-Primary-Desaturation,4-field LPD)，與三場(chǎng)局域基色去飽和算法(3-field Local-Primary-Desaturation,3-field LPD)相比增加了第4子場(chǎng)顯示。本文提出的新算法重點(diǎn)關(guān)注第四子場(chǎng)背光基色和液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)的確定、與前3個(gè)子場(chǎng)的聯(lián)系以及完整顯示的仿真過(guò)程。并將本文提出的算法應(yīng)用于時(shí)序顯示圖像，通過(guò)主觀評(píng)分實(shí)驗(yàn)，邀請(qǐng)被試對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的色彩分裂嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)分，以評(píng)價(jià)四場(chǎng)局域基色去飽和算法對(duì)時(shí)序顯示圖像色彩分裂的抑制效果。

2 算法與仿真

2.1 四場(chǎng)局域基色去飽和算法

圖1 四場(chǎng)局域基色去飽和算法背光基色選擇Fig.1 Backlight base color selection of 4-field Local-Primary-Desaturation

色彩豐富的自然圖像中所有像素點(diǎn)的色坐標(biāo)幾乎全部覆蓋在sRGB色域范圍內(nèi)，4-field LPD將圖像適當(dāng)分區(qū)，基于每個(gè)分區(qū)的圖像內(nèi)容可知各分區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)色坐標(biāo)在色度圖上的分布情況，由此可確定新的小色域三角形。如圖1所示，圖像 “鸚鵡”中所有像素點(diǎn)色坐標(biāo)分布在CIE1931色度圖中RGB區(qū)域內(nèi)(黑色實(shí)線)，而部分“鸚鵡”圖像(黑色方框區(qū)域)像素點(diǎn)色坐標(biāo)分布在較小的新色域范圍內(nèi)(即P1P2P3虛線三角形)，其包含了該分區(qū)像素點(diǎn)的所有目標(biāo)顏色。將P1P2P3新色域三角形的頂點(diǎn)作為該分區(qū)前3個(gè)子場(chǎng)的背光基色，子場(chǎng)背光采用LED矩陣式背光。第四子場(chǎng)的背光基色P4的色坐標(biāo)和由該分區(qū)圖像中所有像素點(diǎn)色坐標(biāo)的加權(quán)平均值確定，即式(1)所示。以第n個(gè)分區(qū)為例，該分區(qū)共有m個(gè)像素點(diǎn)，表示第i個(gè)像素點(diǎn)的色坐標(biāo)。

(1)

每個(gè)分區(qū)的四場(chǎng)背光基色確定后，可得到如圖2(a)列所示的網(wǎng)格圖，每一小方格表示不同分區(qū)，具有不同的背光基色。通過(guò)高斯函數(shù)式(2)對(duì)分區(qū)背光進(jìn)行勻光處理。I為分區(qū)間有明顯網(wǎng)格邊緣的圖像，Iσ為無(wú)網(wǎng)格邊緣的背光輪廓圖像，圖2(b)列即為高斯模糊處理后消除網(wǎng)格效應(yīng)的背光輪廓。

(2)

單個(gè)分區(qū)的子場(chǎng)背光基色P1、P2、P3和P4對(duì)應(yīng)各自的三刺激值，設(shè)背光基色P1的三刺激值為(X1,Y1,Z1)，P2的三刺激值為(X2,Y2,Z2)，P3的三刺激值為(X3,Y3,Z3)，P4的三刺激值為(X4,Y4,Z4)。設(shè)目標(biāo)三刺激值為該分區(qū)圖像中某個(gè)像素點(diǎn)顏色(即最終需復(fù)現(xiàn)的目標(biāo)像素點(diǎn)顏色)的三刺激值。已知減小子場(chǎng)間色差能有效抑制色彩分裂現(xiàn)象[4]，從色度圖上可以看出第四場(chǎng)背光基色分別與前三場(chǎng)背光基色相差最小，所以本文提出將亮度和顏色信息在合理范圍內(nèi)盡可能多分布在第四場(chǎng)，即對(duì)第四場(chǎng)液晶透過(guò)率進(jìn)行條件約束。則該像素點(diǎn)的液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由式(3)決定，分別表示目標(biāo)像素點(diǎn)的四場(chǎng)液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)：

(3)

通過(guò)上述算法的計(jì)算公式可知真實(shí)的時(shí)序彩色顯示器工作過(guò)程大致如下：各個(gè)分區(qū)的四場(chǎng)背光基色通過(guò) LED矩陣式背光源[7-9]顯示，應(yīng)用勻光模組[7]處理后得到無(wú)網(wǎng)格效應(yīng)的背光輪廓，再將四場(chǎng)液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)賦給液晶模組，既可復(fù)現(xiàn)目標(biāo)彩色圖像并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。但目前市場(chǎng)上尚缺少無(wú)濾色片的液晶顯示器，所以本文是基于有濾色片顯示器進(jìn)行的算法仿真。仿真程序中，得到四場(chǎng)的背光信息(圖2(b)列)和液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)(圖2(c)列)后，還需計(jì)算出四場(chǎng)的子場(chǎng)圖像用于順序顯示。以第一場(chǎng)子場(chǎng)圖為例：假設(shè)第一子場(chǎng)中某個(gè)像素的液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)為T，該像素所在分區(qū)的第一場(chǎng)背光基色三刺激值為 ，可由式(4)得出該像素在第一子場(chǎng)圖中的三刺激值 ，同理也可得到其余像素點(diǎn)的顏色信息。最終得到四個(gè)子場(chǎng)的子場(chǎng)圖(圖2(d)列)，通過(guò)時(shí)間混色即可得到目標(biāo)圖像。

(4)

圖2 四場(chǎng)局域基色去飽和算法仿真流程 Fig.2 Simulation process of 4-field Local-Primary-Desaturation

3 實(shí)驗(yàn)方案

為了評(píng)估該算法抑制色彩分裂的效果，進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括FPGA開發(fā)板和BENQ XL2540 240 Hz液晶顯示器。由于提高液晶顯示屏的刷新率能有效抑制色彩分裂，所以使用現(xiàn)有的刷新率盡可能高的液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用FPGA控制4個(gè)子場(chǎng)圖順序顯示圖像內(nèi)容，平均每個(gè)子場(chǎng)圖的刷新率為60 Hz。應(yīng)用局域基色去飽和算法處理時(shí)序顯示圖像并得到完整的仿真過(guò)程，將分區(qū)數(shù)設(shè)為1×1、16×9、32×18、48×27、64×36，選取6幅圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(圖3)，目標(biāo)圖像分辨率為960×540，顯示在屏幕中央。圖3(a)具有高對(duì)比度和大面積的低飽和色區(qū)域；圖3(b)和圖(c)總體顏色飽和度不高，對(duì)比度低，細(xì)節(jié)信息豐富；圖3(d)和(e)對(duì)比度高，低飽和色和高飽和色區(qū)域兼有，圖像內(nèi)容豐富；圖3(f)色彩飽和度高，顏色豐富。保證局域基色去飽和算法處理后的目標(biāo)圖像仿真圖與原圖色坐標(biāo)公差在±0.01以內(nèi)。將6幅實(shí)驗(yàn)圖像用四場(chǎng)和三場(chǎng)局域基色去飽和算法處理后，進(jìn)行主觀實(shí)驗(yàn)。一幅目標(biāo)圖像對(duì)應(yīng)5種分區(qū)數(shù)和兩種處理算法，所以實(shí)驗(yàn)中共60幅目標(biāo)圖像需被試者評(píng)價(jià)。

圖3 用于仿真實(shí)驗(yàn)的6幅目標(biāo)圖像Fig.3 Six target images for simulation experiment

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置(a)及評(píng)分等級(jí)(b)Fig.4 Experiment setting (a)and rating (b)

16名被試者參與了本次實(shí)驗(yàn)，包括6名女性，10名男性，年齡在22～26歲之間。所有被試者均具有正常視力或矯正后達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)視力，無(wú)色盲。正式實(shí)驗(yàn)前每位受試者需進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)暗室中(環(huán)境光<0.5lx)進(jìn)行。受試者與屏幕的距離為3倍圖像高度，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖4(a)所示。被試者對(duì)屏幕圖像進(jìn)行快速左右掃視并對(duì)目標(biāo)圖像的色彩分裂嚴(yán)重程度做出評(píng)分[10]，評(píng)分范圍為1～5分，評(píng)分等級(jí)如圖4(b)所示。實(shí)驗(yàn)開始前被試者先左右掃視兩幅白塊圖，如圖4(b)所示，一白塊圖由3個(gè)白色子場(chǎng)通過(guò)時(shí)間混色形成，無(wú)色彩分裂現(xiàn)象，定義為1分；另一白塊圖由紅綠藍(lán)3個(gè)子場(chǎng)通過(guò)時(shí)間混色形成，色彩分裂嚴(yán)重，定義為5分。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)得到了不同算法和不同分區(qū)情況下不同被試者對(duì)不同目標(biāo)圖像的評(píng)分。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，所得結(jié)果表明不同算法和不同分區(qū)數(shù)都對(duì)評(píng)分產(chǎn)生了顯著影響(圖5)。16名被試者對(duì)應(yīng)用四場(chǎng)算法處理后的目標(biāo)圖像評(píng)分結(jié)果如圖6所示。隨著分區(qū)數(shù)的增加，被試者的主觀評(píng)分降低，即更不易察覺(jué)到色彩分裂現(xiàn)象。對(duì)于四場(chǎng)局域基色去飽和算法，其分區(qū)數(shù)沒(méi)有上限，背光分區(qū)數(shù)越大，對(duì)圖像色彩分裂現(xiàn)象的抑制作用越顯著。四場(chǎng)和三場(chǎng)局域基色去飽和算法對(duì)評(píng)分都產(chǎn)生顯著影響，兩種算法的評(píng)分對(duì)比如圖7所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，四場(chǎng)算法所得總體評(píng)分均值和每種分區(qū)情況下評(píng)分均值都小于三場(chǎng)算法。若要達(dá)到相同評(píng)分，四場(chǎng)局域基色去飽和算法相比于三場(chǎng)算法所需分區(qū)數(shù)更少，四場(chǎng)算法的抑制效果優(yōu)于三場(chǎng)算法。

圖5 單因素方差分析結(jié)果。(a)不同算法；(b)不同分區(qū)數(shù)。Fig.5 One-way ANOVA analysis results.(a)Different algorithms；(b)Different number of partitions.

圖6 四場(chǎng)局域基色去飽和算法的目標(biāo)圖像CBU評(píng)分Fig.6 CBU score of target images for 4-field local-primary-desaturation

圖7 三場(chǎng)和四場(chǎng)局域基色去飽和算法的平均CBU評(píng)分Fig.7 Average CBU score for 3F-LPD and 4F-LPD

隨著背光分區(qū)數(shù)增多，背光系統(tǒng)成本也將增加。實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法對(duì)圖像進(jìn)行過(guò)多分區(qū)，在權(quán)衡背光系統(tǒng)成本與圖像畫質(zhì)的前提下，背光分區(qū)數(shù)為496時(shí)較為合理[6]。當(dāng)背光分區(qū)數(shù)為496時(shí)，不僅能有效抑制圖像色彩分裂現(xiàn)象，提升圖像畫質(zhì)，還能保證合理的背光系統(tǒng)成本，綜合效果最優(yōu)。顯然，在分區(qū)數(shù)為496時(shí)，應(yīng)用四場(chǎng)局域基色去飽和算法的各圖像色彩分裂評(píng)分都較低，抑制色彩分裂現(xiàn)象效果顯著。

5 結(jié) 論

本文基于240 Hz液晶顯示屏提出了四場(chǎng)局域基色去飽和算法，選取了重心點(diǎn)為第四場(chǎng)背光基色，并計(jì)算了4個(gè)子場(chǎng)的液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)及仿真實(shí)驗(yàn)所用子場(chǎng)圖，仿真了時(shí)序顯示圖像的完整過(guò)程。選取6幅圖像分別設(shè)置5種分區(qū)數(shù)，并設(shè)計(jì)了視覺(jué)感知實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)四場(chǎng)和三場(chǎng)局域基色去飽和算法對(duì)時(shí)序顯示圖像色彩分裂現(xiàn)象的抑制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同算法和不同分區(qū)數(shù)都對(duì)評(píng)分產(chǎn)生了顯著影響。通過(guò)增加背光分區(qū)數(shù)可以有效抑制色彩分裂現(xiàn)象。四場(chǎng)局域基色去飽和算法抑制圖像色彩分裂的效果優(yōu)于三場(chǎng)局域基色去飽和算法。在權(quán)衡背光系統(tǒng)成本與圖像畫質(zhì)的前提下，實(shí)際圖像無(wú)法進(jìn)行過(guò)多分區(qū)，較為合理的分區(qū)數(shù)為496，此時(shí)四場(chǎng)局域基色去飽和算法對(duì)圖像色彩分裂的抑制效果顯著。