顯示屏殘影測(cè)試方法研究與應(yīng)用

朱 創(chuàng)

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

現(xiàn)代專(zhuān)業(yè)顯示屏，以及個(gè)人使用的顯示屏，經(jīng)常會(huì)用于靜態(tài)內(nèi)容的顯示，例如電視、智能手機(jī)、車(chē)載顯示屏等。顯示屏殘影現(xiàn)象，多用英文Image Sticking、Image Retention、Residual Image，有時(shí)也指屏幕老化現(xiàn)象 （Burn-In）。殘影是描述靜態(tài)圖像對(duì)之后圖像顯示的影響，可以是之前靜態(tài)內(nèi)容的迅速消失，也可以是暫時(shí)殘留的老化圖像。無(wú)論哪種情況下，這種殘影現(xiàn)象的定量表征，對(duì)于研究、開(kāi)發(fā)以及顯示屏品質(zhì)合規(guī)性評(píng)定都非常重要。

因此，有不少對(duì)殘影 （Image Sticking或Sticking Image）嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)定的方法，這些方法需要重現(xiàn)殘影現(xiàn)象以實(shí)現(xiàn)測(cè)試，同時(shí)不影響其它顯示特性 （如響應(yīng)時(shí)間、均勻性），還要具有很高的重復(fù)性和再現(xiàn)性。這些對(duì)殘影測(cè)試都十分重要，因?yàn)闅堄皽y(cè)試都是非常耗時(shí)且許多情況下是不可逆的。

本文分析了顯示行業(yè)常用的4種測(cè)量方法，驗(yàn)證了影響殘影評(píng)價(jià)的主要因素。主要是重復(fù)性的驗(yàn)證，同時(shí)也驗(yàn)證了不同方法之間的差異。

1 最新的評(píng)測(cè)方法

目前，所有殘影測(cè)試方法都是通過(guò)一系列的測(cè)量實(shí)現(xiàn)的，通常包括預(yù)熱、老化和恢復(fù)3個(gè)階段，如圖1所示。

測(cè)試前應(yīng)該通過(guò)點(diǎn)亮預(yù)熱，使顯示屏達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。有些測(cè)試方法，可以使用不同畫(huà)面來(lái)回切換，來(lái)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。殘影測(cè)試包含了一系列的測(cè)試，應(yīng)確保顯示屏處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且在進(jìn)入老化階段之前，沒(méi)有任何殘影產(chǎn)生。注意，在預(yù)熱結(jié)束之后，通常要馬上對(duì)恢復(fù)圖像進(jìn)行測(cè)量，作為一項(xiàng)參考 （Reference） 測(cè)量，以便用于校正顯示屏本身非均勻性對(duì)殘影測(cè)試的影響。

老化階段是最容易讓顯示屏產(chǎn)生殘影圖像的過(guò)程，并保持一定的時(shí)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(shù)測(cè)試的老化圖像使用灰階圖像，但也有研究使用彩色圖像進(jìn)行老化來(lái)評(píng)價(jià)殘影現(xiàn)象，以研究不同類(lèi)型子像素對(duì)殘影的影響。

在老化階段完成后，開(kāi)始進(jìn)入圖像恢復(fù)階段，相應(yīng)地，測(cè)試圖像從老化圖像變?yōu)榛謴?fù)圖像?；謴?fù)圖像本身疊加了殘影現(xiàn)象。

通過(guò)比較恢復(fù)圖像中相鄰區(qū)塊的亮度值可以量化殘影嚴(yán)重程度。圖像本身不均勻性通常使用老化前拍攝的恢復(fù)圖像進(jìn)行校正。因此，殘影測(cè)試的每一個(gè)步驟，都應(yīng)在恒定的環(huán)境條件下進(jìn)行，以保證測(cè)試到的殘影現(xiàn)象是在參考圖像和恢復(fù)圖像之間產(chǎn)生的。

通常，從老化圖像切換到恢復(fù)圖像后的即時(shí)殘影值，或者切換后一段時(shí)間后的殘影值，是最有參考價(jià)值的，數(shù)值以百分比表示。此外，殘影消失過(guò)程可以用時(shí)間的函數(shù)來(lái)表示，也可以表示為恢復(fù)時(shí)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(qū)域殘影的表現(xiàn)。

1.1 Bauer殘影測(cè)試方法

Bauer等人提出的殘影測(cè)試方法，可以認(rèn)為是一個(gè)經(jīng)典的殘影測(cè)試過(guò)程。通過(guò)比較相鄰區(qū)域在恢復(fù)圖像和參考圖像（老化前獲得的） 的亮度值，計(jì)算殘影值。該方法建議在切換到恢復(fù)圖像后100ms開(kāi)始測(cè)量。老化圖像是黑白棋盤(pán)格，恢復(fù)圖像為50%灰度圖，如圖2所示。使用成像亮度計(jì)測(cè)量整個(gè)顯示屏，將殘影現(xiàn)象最嚴(yán)重方格的殘影值，作為該顯示屏的殘影值。

圖2 Bauer殘影測(cè)試方法的步驟

1.2 ICDM/IDMS 10.4的方法

當(dāng)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(guò)與老化之前采集到的亮度值進(jìn)行比較確定。主要區(qū)別在于，該方法建議使用兩個(gè)灰度為0%和100%的恢復(fù)圖像，并且僅測(cè)量顯示屏的特定位置點(diǎn)。它也是唯一一種在少數(shù)指定位置進(jìn)行測(cè)量的方法，而不是用成像亮度計(jì)進(jìn)行空間解析測(cè)量。此外，該方法要求在切換后“盡快”進(jìn)行測(cè)量。ICDM方法的步驟測(cè)試模式如圖3所示。

1.3 Kim殘影測(cè)試方法

Kim等人提出的方法，可以看作是ICDM 測(cè)試方法的一種擴(kuò)展。其最明顯的變化是對(duì)不同基色的圖像分別進(jìn)行殘影測(cè)試。此外，他們還建議用25%的灰度圖像作為恢復(fù)圖像，避免在不同的恢復(fù)圖像之間切換。如圖4所示，老化畫(huà)面中包含4種基色和不同位置的灰階。與Bauer等人測(cè)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(píng)估，該區(qū)域用于阻止一些顯示屏的殘影優(yōu)化算法。

圖4 Kim方法的步驟

1.4 Lauer 殘影測(cè)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(lèi)似，該方法用50%灰階恢復(fù)圖像評(píng)估由0%和100%灰階引起的殘影現(xiàn)象。主要區(qū)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(fù)圖像的灰階，當(dāng)切換到恢復(fù)圖像時(shí)，此處灰階不發(fā)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(yù)熱步驟就并非必要。顯然，這種方法比前面提到的測(cè)試方法耗時(shí)短?；謴?fù)圖像包含了參考區(qū)域，也增強(qiáng)了測(cè)試的穩(wěn)定性，例如顯示屏本身的不穩(wěn)定性、測(cè)試條件本身的不穩(wěn)定性。圖5頂部圖像分別是老化畫(huà)面和實(shí)際測(cè)試的恢復(fù)畫(huà)面。獨(dú)特的非均勻性校正的概念如圖5底部所示的參考區(qū)域。

圖5 Lauer方法的步驟

2 殘影測(cè)量的影響因素

如表1所示，不同的殘影評(píng)估方法在細(xì)節(jié)部分存在差異。在本節(jié)中，我們將分析這些影響，包括液晶顯示屏的測(cè)量結(jié)果。我們選擇LCD，是因?yàn)長(zhǎng)CD的殘影可迅速消失，我們不僅可以測(cè)試重復(fù)性，而且可以評(píng)估測(cè)量進(jìn)程對(duì)殘影效應(yīng)的影響。所有測(cè)量均采用相同的成像亮度計(jì)LMK5-1。

2.1 延遲時(shí)間

從測(cè)量的角度來(lái)看，與時(shí)間有關(guān)且最關(guān)鍵的測(cè)量是第1次測(cè)量。這包括兩個(gè)與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)。第1是延遲時(shí)間tstart，即切換到恢復(fù)圖像與實(shí)際開(kāi)始測(cè)量之間的時(shí)間間隔。第2是積分時(shí)間也叫曝光時(shí)間。

如果延遲時(shí)間應(yīng)“盡快” （ASAP），則必須仔細(xì)檢查如何將該延遲時(shí)間降至最小。此時(shí)，被測(cè)樣品 （DUT） 和成像亮度計(jì)之間的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程變得很重要。

在最簡(jiǎn)單的測(cè)試設(shè)置中，一般計(jì)算機(jī)可控制被測(cè)樣品（DUT） 和成像亮度計(jì)。首先，計(jì)算機(jī)將測(cè)試圖像發(fā)送到顯示屏，然后，立即開(kāi)始進(jìn)行亮度圖像采集，這個(gè)過(guò)程中，沒(méi)有進(jìn)行具體的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。為了測(cè)試缺少時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程對(duì)殘留圖像評(píng)估的影響，我們根據(jù)Bauer方法進(jìn)行了殘影測(cè)量。測(cè)量過(guò)程都僅用了幾秒鐘的老化時(shí)間，同時(shí)我們只評(píng)估最初始的被測(cè)試殘影圖像。我們?cè)趦膳_(tái)不同的電腦上測(cè)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(duì)每個(gè)裝置進(jìn)行15次評(píng)估。表2總結(jié)了每種方式測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 不同殘影測(cè)試方法特點(diǎn)對(duì)比

表2 在無(wú)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)時(shí)盡快測(cè)量

首先，可以看出，每種方式的重復(fù)性都很差。有時(shí)測(cè)量在切換完成之前就開(kāi)始了，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤判。中位數(shù)的比較可以對(duì)不同操作條件之間的重復(fù)性進(jìn)行分析。有時(shí)由于測(cè)量開(kāi)始得太早而產(chǎn)生的誤差與實(shí)際殘影值在同一數(shù)量級(jí)，這是無(wú)法被檢測(cè)到的。因此，對(duì)于ASAP測(cè)量，必須考慮時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。

進(jìn)行“盡快”測(cè)量的一個(gè)解決方案是采用一個(gè)光敏元件作為外部觸發(fā)器。如圖6所示，光敏元件在檢測(cè)到顯示屏上圖像的切換后立即啟動(dòng)圖像采集。這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的測(cè)試時(shí)間起點(diǎn)。

圖6 帶有觸發(fā)器時(shí)間對(duì)準(zhǔn)測(cè)試裝置

通常，必須選擇延遲時(shí)間tstart，以保證是在圖像切換完成后才開(kāi)始測(cè)量。在無(wú)法進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的情況下，應(yīng)該根據(jù)信號(hào)輸入情況、系統(tǒng)控制裝置等進(jìn)行保守估計(jì)。在最差的情況下，可能只有幾百毫秒。在由外部觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的情況下，tstart由最差像素響應(yīng)時(shí)間確定，該響應(yīng)時(shí)間要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，可充分提高結(jié)果的有效性。

理論上，tstart取決于顯示屏殘影圖像的恢復(fù)速度。假設(shè)殘影圖像隨時(shí)間的恢復(fù)情況可以用指數(shù)關(guān)系來(lái)近似表示：

式中：SI0——圖像殘留的初始級(jí)別 （tstart=0s）；t——時(shí)間；τ——描述恢復(fù)速度的時(shí)間常數(shù)，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(duì)偏差為5%。如果測(cè)量在1s后開(kāi)始，而不是0.1s，則誤差為10%。假設(shè)恢復(fù)行為通常未知，且該近視擬合方法不起作用，一般情況下，對(duì)于高精度測(cè)量，tstart應(yīng)盡可能小且準(zhǔn)確。

2.2 積分時(shí)間

光學(xué)測(cè)量裝置的積分或曝光時(shí)間也會(huì)影響結(jié)果。較短的積分時(shí)間通常會(huì)得到更精確的殘影值。但是，對(duì)于25%或50%灰階圖像的典型亮度，曝光時(shí)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(shí)間與恢復(fù)速度相關(guān)。

此外，顯示屏本身的調(diào)制頻率限制了曝光時(shí)間的最小值。如果曝光時(shí)間長(zhǎng)而引起過(guò)曝現(xiàn)象，可以安裝中性密度濾光片，以降低成像亮度計(jì)的靈敏度，從而保證測(cè)試過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)曝。

2.3 恢復(fù)和老化圖像

恢復(fù)圖像的灰階水平是評(píng)估不同測(cè)量方法之間偏差的另一個(gè)比對(duì)因素。通?；謴?fù)圖像的灰階等級(jí)對(duì)最終殘影結(jié)果有極其重要的影響。

在這個(gè)測(cè)試中，我們假設(shè)殘影導(dǎo)致的亮度LSI（t）可以采用如下模型進(jìn)行分析，即乘法因子 （1+SI （t）） 和沒(méi)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(shí)間；L0——沒(méi)有殘影圖像的參考亮度；SI（t）——圖像殘留隨時(shí)間的級(jí)別。這與用來(lái)描述OLED瞬時(shí)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?yàn)闅堄翱梢越忉尀橐壕У碾p折射變化現(xiàn)象，這種變化引起了偏振態(tài)的改變，從而改變了第二偏振片的吸收，這也是一個(gè)乘法項(xiàng)。

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

殘影圖像乘法因子是恢復(fù)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(qiáng)的灰階相關(guān)性。當(dāng)恢復(fù)灰階在＜4%和＞66%時(shí)，殘影現(xiàn)象輕微 （殘影值接近于0%）。但在灰階為42%時(shí)，殘影現(xiàn)象嚴(yán)重，殘影值為2.7%。但0%和100%灰階的恢復(fù)圖像都不能發(fā)現(xiàn)最嚴(yán)重殘影情形，該結(jié)論同樣適用于不同的顯示技術(shù)。

圖7 灰階相關(guān)性

除了恢復(fù)圖像灰階外，我們還測(cè)試了老化圖像灰階水平的影響。通過(guò)類(lèi)似的漸變圖像實(shí)驗(yàn)，對(duì)于本次測(cè)試用的顯示屏而言，發(fā)現(xiàn)0%/100%的棋盤(pán)格畫(huà)面并不能展現(xiàn)最嚴(yán)重的老化情形。

圖8 不同老化和恢復(fù)灰階參數(shù)比較

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

3 結(jié)論

上述介紹的幾種常用殘影評(píng)價(jià)方法，它們有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)圖像的灰階等級(jí)和老化圖像的灰階等級(jí)對(duì)結(jié)果的影響最大。此外在“盡快”測(cè)量的情況下（即在切換到恢復(fù)畫(huà)面和測(cè)量開(kāi)始之間要求極短延遲的情況下），需要進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。另外由于殘影的測(cè)試是非常耗時(shí)的，因此，我們建議在實(shí)際測(cè)試之前，必須對(duì)所選擇的方法、裝置以及所使用的測(cè)量設(shè)備的精度進(jìn)行評(píng)估。一般來(lái)說(shuō)，使用成像亮度計(jì)是唯一選擇，既可在空間上評(píng)估殘影現(xiàn)象，還可對(duì)殘影現(xiàn)象進(jìn)行可視化展示。

根據(jù)以上對(duì)比分析，最后我們采用3階殘影圖片進(jìn)行老化過(guò)程，然后切換成50%灰階恢復(fù)圖片，利用成像亮度計(jì)進(jìn)行快速5點(diǎn)對(duì)位后，在切換后1min開(kāi)始第1次測(cè)量，然后連續(xù)測(cè)量5次，時(shí)間間隔都是1min，最后得出殘影圖片和數(shù)據(jù)，這樣就可以綜合上述幾種方法的優(yōu)點(diǎn)，這樣得到的殘影值也最有意義，也有利于提高優(yōu)化顯示屏品質(zhì)。