基于人因的液晶顯示動(dòng)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(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2. 蘇州科技大學(xué) 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(zhǎng)，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(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)顯示技術(shù)抗衡[1-3]。隨著市場(chǎng)不斷向前發(fā)展和人們生活水平的提升，人們對(duì)圖像顯示質(zhì)量的追求也隨之提高。由顯示器件顯示機(jī)制和人眼視覺特性共同作用形成的運(yùn)動(dòng)模糊，是影響顯示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量的一個(gè)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(yīng)是導(dǎo)致其動(dòng)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(yīng)速度卻非?？欤憫?yīng)時(shí)間在0.1 ms左右[5]。

本文所研究的動(dòng)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(yùn)動(dòng)模糊源于顯示系統(tǒng)慢響應(yīng)、保持型顯示特性、人眼平滑追蹤及視覺積分效應(yīng)共同作用導(dǎo)致的調(diào)制傳遞函數(shù)特性的降低，因此可以采用動(dòng)態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)(Dynamic Modulation Transfer Function, DMTF)來表達(dá)。DMTF是基于正弦圖像運(yùn)動(dòng)，通過亮度響應(yīng)序列在人眼視覺特性下的積分，計(jì)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(dòng)態(tài)圖像效果。

本文提出了液晶顯示動(dòng)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(yīng)速度、幀頻及背光占空比對(duì)動(dòng)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(dòng)態(tài)圖像感知模型。設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)模糊視覺感知實(shí)驗(yàn)以評(píng)價(jià)各參數(shù)下模擬圖像質(zhì)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到各參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)圖像運(yùn)動(dòng)模糊的影響趨勢(shì)，可為液晶顯示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量的提升提供數(shù)據(jù)支撐。

2 運(yùn)動(dòng)模糊產(chǎn)生的機(jī)理

人眼感知的顯示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊主要體現(xiàn)在：保持型顯示特性和慢響應(yīng)。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(yīng)曲線如圖1的實(shí)線部分所示。液晶的慢響應(yīng)指的是液晶的亮度響應(yīng)速度慢，無法瞬間響應(yīng)至目標(biāo)亮度，如圖1的虛線部分所示[9]。由于液晶慢響應(yīng)特性，在顯示運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，LCD通常表現(xiàn)出比OLED更嚴(yán)重的圖像模糊效果[10]。

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

人眼視覺特性導(dǎo)致感知圖像模糊，主要體現(xiàn)在人眼平滑追蹤運(yùn)動(dòng)和視覺積分效應(yīng)。人眼會(huì)對(duì)緩慢運(yùn)動(dòng)的觀察對(duì)象進(jìn)行自然的視覺平滑追蹤，結(jié)合人眼感光積分效應(yīng)，人眼在視網(wǎng)膜某位置感受的亮度是視線掃過的多個(gè)像素發(fā)光亮度積分的效果，最終表現(xiàn)出感知的運(yùn)動(dòng)模糊效果。對(duì)于OLED具有極快的響應(yīng)速度，可以將其視為理想化的瞬間響應(yīng)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(duì)應(yīng)較慢響應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量的方法，基于正弦圖像的運(yùn)動(dòng)調(diào)制度下降原理，建立了動(dòng)態(tài)圖像感知效果模型。

3.1 亮度響應(yīng)模擬

考慮液晶的慢響應(yīng)顯示特性，模擬LCD亮度響應(yīng)曲線依賴于液晶響應(yīng)曲線的表達(dá)。液晶響應(yīng)曲線由與時(shí)間相關(guān)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(dá)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(shí)間，在本文中作為影響液晶響應(yīng)時(shí)間(Liquid Crystal Response Time, LCRT)的變量。LCRT是指在驅(qū)動(dòng)電壓作用下，液晶單元由亮變暗和由暗變亮所需的時(shí)間，通常采用亮度從10%至90%和90%至10%變化所需的時(shí)間[13]。

由于光上升曲線受施加電壓的影響十分復(fù)雜，這里假設(shè)上升曲線與衰減曲線對(duì)稱[14]。上升曲線TLC_rise(t)的具體表達(dá)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(yīng)速度的液晶響應(yīng)曲線(LCD_1和LCD_2)，同時(shí)OLED響應(yīng)曲線作為液晶的理想情況也可以進(jìn)行表示，如圖3所示。

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

3.2 動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量影響因素

為了研究液晶響應(yīng)速度對(duì)圖像感知效果的影響，液晶響應(yīng)曲線模擬中的τ0取值為2，8，16 ms，對(duì)應(yīng)LCRT分別為1.4，5.4，10.9 ms，3種響應(yīng)速度的液晶顯示分別命名為L(zhǎng)CD_1、LCD_2和LCD_3。理想化的OLED表征亮度響應(yīng)時(shí)間為零的顯示系統(tǒng)，τ0取值0 ms，對(duì)應(yīng)LCRT為0 ms[15]。

動(dòng)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(shí)際感知的運(yùn)動(dòng)圖像為同一運(yùn)動(dòng)速度，設(shè)置幀頻與以像素每幀(Pixel per frame, ppf)為單位的運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的以ppf為單位的運(yùn)動(dòng)速度分別為8，4，2，1 ppf。

背光調(diào)制技術(shù)也將影響動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)

DMTF是從信號(hào)系統(tǒng)角度分析運(yùn)動(dòng)圖像模糊，考慮了顯示系統(tǒng)對(duì)不同空間頻率的響應(yīng)特性。對(duì)于由顯示系統(tǒng)和視覺感知系統(tǒng)組成的一個(gè)動(dòng)態(tài)圖像信號(hào)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(yīng)序列，結(jié)合人眼平滑追蹤運(yùn)動(dòng)的亮度積分原理，可計(jì)算不同運(yùn)動(dòng)速度及空間頻率下信號(hào)系統(tǒng)的DMTF[16]。

圖5 運(yùn)動(dòng)速度為4 ppf時(shí)LCD亮度響應(yīng)序列Fig.5 Brightness response sequences of LCD at a velocity of 4 ppf

基于人眼平滑追蹤運(yùn)動(dòng)的亮度感知是順著觀察軸在1幀時(shí)間內(nèi)的亮度積分，其表達(dá)式B(x)

如式(3)所示。

(3)

基于正弦光柵成像方法，DMTF可對(duì)像與物之間的對(duì)比度關(guān)系進(jìn)行分析?？臻g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(duì)比度記為Ci(f)。當(dāng)圖像運(yùn)動(dòng)速度為V時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)模糊的產(chǎn)生，人眼可感知的圖像對(duì)比度下降至Cp(V,f)，則有：

(4)

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

圖6 不同運(yùn)動(dòng)速度下的DMTFFig.6 DMTF at different motion speeds

3.4 動(dòng)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(yùn)動(dòng)模糊模擬系統(tǒng)后的感知效果?？紤]DMTF曲線的頻域特性，動(dòng)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(yùn)動(dòng)為水平方向的運(yùn)動(dòng)，因此圖像在水平方向上逐行進(jìn)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(dòng)態(tài)圖像的感知效果。

圖7 動(dòng)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(yīng)速度、幀頻和背光占空比參數(shù)下的DMTF；(d)經(jīng)過運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究各因素對(duì)人眼感知?jiǎng)討B(tài)圖像質(zhì)量的影響效果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的視覺感知實(shí)驗(yàn)。受測(cè)者通過主觀實(shí)驗(yàn)對(duì)模型模擬出的動(dòng)態(tài)感知效果圖進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)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(fēng)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(duì)不同特征的圖像，人眼感知的運(yùn)動(dòng)模糊程度。除此之外，實(shí)驗(yàn)涉及的因素還包括：4種響應(yīng)速度的顯示系統(tǒng)、4種幀頻和4種背光占空比。

圖8 動(dòng)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(shí)驗(yàn)中受測(cè)者需要主觀評(píng)價(jià)的圖像共有192幅，測(cè)試圖像隨機(jī)呈現(xiàn)在顯示屏上，受測(cè)者進(jìn)行無時(shí)間限制的圖像觀察后對(duì)動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分。受測(cè)者端坐在距離顯示屏3倍圖像高度的距離處[18]，正對(duì)顯示屏中央位置觀察圖像(圖9)。

圖9 視覺感知實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.9 Visual perception experiment settings

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用5分制[19]：5分為極佳，4分為不錯(cuò)，3分為一般，2分為較差，1分為糟糕。實(shí)驗(yàn)共邀請(qǐng)26名受測(cè)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(cè)的視力均正常或矯正至正常水平。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠，正式實(shí)驗(yàn)前通過練習(xí)實(shí)驗(yàn)對(duì)受測(cè)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法的訓(xùn)練。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后，使用SPSS軟件(IBM SPSS Statistics 23.0)進(jìn)行分析。方差分析(ANOVA)(表1)結(jié)果表明，圖像類型、響應(yīng)速度、幀頻和背光占空比對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像質(zhì)量均有顯著的影響(p<0.01)，響應(yīng)速度和幀頻的交叉作用對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yàn)值。

表1 各變量因素對(duì)運(yùn)動(dòng)模糊程度評(píng)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(duì)動(dòng)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(duì)清晰。而Scenery是遠(yuǎn)景的自然風(fēng)景圖像，其細(xì)節(jié)相對(duì)更豐富，微小的模糊都會(huì)讓整體動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量感知大大下降。因此整體評(píng)分中，Scenery評(píng)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(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)模糊，背光占空比的降低對(duì)削弱運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模糊評(píng)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(yīng)特性可顯著降低LCD運(yùn)動(dòng)模糊效果，液晶顯示響應(yīng)速度的提高可有效抑制運(yùn)動(dòng)模糊，如圖11(a)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LCD_1與OLED不相上下，實(shí)際因液晶顯示響應(yīng)速度造成可感知的動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量下降對(duì)應(yīng)的LCRT閾值在1.4～5.4 ms區(qū)間內(nèi)，具體閾值有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

幀頻對(duì)動(dòng)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(dòng)態(tài)圖像感知質(zhì)量先上升后下降，這實(shí)際上是幀頻與響應(yīng)速度對(duì)動(dòng)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(yīng)速度較快時(shí)(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(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量越好；在響應(yīng)速度較慢時(shí)(LCD_2和LCD_3)，液晶需要更多的時(shí)間完成響應(yīng)，過高的幀頻使得液晶還未完成響應(yīng)便進(jìn)入下一幀響應(yīng)過程，從而加劇了運(yùn)動(dòng)模糊的效果。極端情況下直接反轉(zhuǎn)，形成幀頻越高動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量越差的效果。

圖11 響應(yīng)速度和幀頻對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)模糊評(píng)分平均值。(a)不同響應(yīng)速度；(b)不同幀頻；(c)不同響應(yīng)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(duì)于液晶顯示系統(tǒng)，保持型的顯示特性和慢響應(yīng)是導(dǎo)致其動(dòng)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(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量提升方法，建立了液晶顯示動(dòng)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(yīng)速度、幀頻及背光占空比情況下的動(dòng)態(tài)圖像感知效果。研究通過視覺感知實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)并統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，背光占空比調(diào)制可有效提升動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量；顯示器件響應(yīng)速度的快慢與動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系，LCD的響應(yīng)速度達(dá)到一定程度后可忽略慢響應(yīng)對(duì)人眼感知?jiǎng)討B(tài)圖像效果的影響，從而使LCD與OLED相媲美；幀頻與響應(yīng)速度對(duì)動(dòng)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(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量的提升途徑提供理論參考。