基于FRC改善PDP画质的最优灰度组合

罗榕思，郭太良，林志贤

（福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002）

基于FRC改善PDP画质的最优灰度组合

罗榕思，郭太良，林志贤

（福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002）

PDP较LCD有更高的对比度、更快的响应速度，是一种能显示高画质图像的平板显示器。然而出于PDP的发光显示机理所限，在显示动态图像时会不同程度地产生动态假轮廓现象，严重影响了PDP图像显示质量。为了有效解决这个问题，提出一种新型评价动态假轮廓现象的方法，该方法采用帧频频率控制来减少动态假轮廓的出现，同时提出采用最优灰度组合方式的帧频频率控制新型算法，实验验证结果表明，采用该新型方法对比以往的方法能更有效地减少动态假轮廓现象。

等离子显示器；动态假轮廓；帧频频率控制；灰度组合

现今全球的平板显示器市场一直在稳步增长中，预计2015年该市场的规模将达到150亿美元，在这种形势下各个制造商致力于实现高质量图像、低功耗驱动和低成本制造技术的开发。虽然等离子显示器（PDP）拥有的市场份额比液晶显示器（LCD）少，但PDP在降低成本、改善图像和提高发光效率上取得越来越多的新突破，这使它具有很大的竞争力[1]。而采用子场技术实现灰度显示的彩色等离子显示器，在显示动态图像时会出现虚假轮廓[2]，称之为动态假轮廓（Dynam⁃ic False Contour，DFC），DFC是PDP图像质量中最严重的问题[3]，本文提出了一种利用帧频频率控制（Frame Rate Control，FRC）减少DFC的方法，并对该方法做进一步研究，最后对结果进行评估，更有效地减少动态假轮廓现象。

1 Q值评价FRC减少DFC

目前提出了许多方法来改善运动图像质量[4-8]，例如将拥有相关权重灰度等级的子场区分开并分散在该场内，虽然这种方法减少了DFC现象，但不适用于所有的图像显示。另一种减少DFC的方法是基于动态图像的运动检测来改变二进制代码，如图1所示，使用该方法虽然能减少DFC，然而灰度等级降低了[9-12]。因此在通过各个子场维持发光实现灰度显示的方式下，减少DFC的方法是在DFC和灰度表现力之间获取平衡，不能根本上消除DFC现象[13]。

1.1 DFC产生原因

由于人们在观看运动的物体时，观察者的视点会随着运动物体一起移动，由于人眼的视觉暂留效应，在图像明暗变化较明显的边缘地带会出现亮的或暗的虚影，即动态假轮廓现象。PDP是利用分子场显示的方法实现灰度显示，图2是该方法的显示机理。为了实现256级灰度显示，在8个子场中，每个子场的显示期按二进制的权重2n在时间轴上进行分割，这样就增加了出现显示动态图像干扰的可能性。图3所示是产生DFC的原因，例如当视点停留在0位置时，观看到的灰度等级为34，而当视点从左向右移动时，显示出来的灰度等级为0，正如图中线条所示静态与动态图像之间灰度等级的差异，出现了DFC现象。图4a是原始图像，图4b显示的是当图像移动时产生DFC现象[14]。

图1 用于显示动态图像的二进制代码

图2 子场方法

图3 静态图像与动态图像之间的灰度差异

图4 显示图像时的动态假轮廓现象

1.2 Q值评价

判断DFC现象是否减少需要有一个评价标准，本文提出一种基于人眼视觉效应，重在辨别静态图像与动态图像之间灰度等级差别的评价方法，帧频频率控制减少DFC的方法也是基于该评价方法提出的[15]。

由于人眼视觉系统具有积分效应，所以应选择两帧以上图像对DFC现象进行评价，而且人眼通常识别一幅图像的一个或多个像素，因此给出如公式（1）所示指标来评价DFC现象，即

通过软件仿真制造出一些模式，然后对其Q值进行评估，图5中（a）与（b）的值分别是0.6与0.3，在该两种模式下都出现了DFC现象，而（c）的值为0.01，该模式下图像显示效果较好，没有出现DFC现象，通过计算得出，产生DFC现象的阈值是0.2。由图中虚线部分对比可知，分布式图像的Q值比逐步式图像的Q值小很多。该评价方法显示，若将图像信息转换为分布模式，能有效地减少DFC现象，因此提出了FRC方法。

图5 评价结果关系图

1.3 FRC减少DFC方法

为了将逐步式图像转换为分布式图像，并且转换后图像的灰度值与原图像的灰度值相同，采用了FRC方法以满足上述条件。

FRC通常是用于液晶显示器的，它通过在不同帧之间控制开/关状态来产生多个灰度等级，为了实现不同的灰度等级，一个像素的状态在连续帧中被改变。

可以使用FRC来产生分布式的图像，图6对该方法进行了诠释，图中4个相邻的像素分别输入218， 219，220和221灰度值，在未采用FRC方法时可以看出，该图像信息是逐步形成的模式，通过FRC将一场图像信息分为若干帧，图6所示是将其分为两帧，该两帧图像在第9子场和第10子场是分布模式的，并且该两帧图像的灰度平均值与原图像的灰度值一致。由此可见，FRC方法不仅能将逐步式图像转换为分布式图像，还能保证转换前后灰度值的一致性。

图6 FRC方法减少DFC现象

2 最优灰度组合

根据FRC减少DFC的原理，帧与帧之间的灰度组合方式并不唯一。为了更好地减少DFC现象，选取最优的灰度组合方式是有必要的。由于在FRC方法中，应具备以下两个条件：

1）帧与帧之间满足N帧图像灰度值之和是原图像灰度值N倍的关系；

2）在当前帧相邻像素之间各个子场的开关状态应尽可能满足分布式图像效果。

如果具备上述两种条件，那么得出的灰度组合方式便是最优组合。

由条件一得出公式（2），其中，A向量表示子场的权值，Xi向量表示第i帧灰度值的二进制码，N表示将原始图像分为N帧，L表示原始图像的灰度值，以图6中像素 0为例，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

为满足第2个条件，由图5可以看出，同一子场相邻像素之间应尽量避免同取暗值，因此首先设Xi向量与Yi向量为相邻像素灰度值的二进制表示，T为Xi与Yi取或之后的向量值，再将T向量中各个元素相加，得值P。采用穷举法，对各个Xi向量和Yi向量进行计算，当P取最大值时，那么就可以满足第2个条件，即式（3）和式（4）

式中：M为子场数；ti为T向量中第i个元素值。为得到P的最大值，应从满足式（2）的向量中提取出满足条件2的向量，如此计算量是十分庞大的，由于DFC现象只在运动图像中出现，对于显示静态图像效果还是十分良好的，因此为了降低计算量，可先将一幅图像中运动的部分提取出来，以减少计算量。

3 结果与分析

通过Q值评价，对上述组合方法进行验证。以图6为例，对原始图像中像素0位置进行Q值计算，所得结果为0.06，而图6中FRC变换后图像的Q值为0.03，而采用第二部分所述的灰度组合方法后，灰度组合方式如图6下部虚线所示，计算其Q值，结果降低为0.02。对于一个像素而言虽然变化不是很大，但根据式（1）所示，该评价式为求和公式，窗口的大小与帧数对其具有一定的影响，误差在计算过程中也将扩大，因此选取最佳灰度组合方式是十分有必要的。

根据PDP基于FRC的CLEAR驱动方式与子场编码方法，建立一定的运动图像感知模型，对图像进行模拟，在人眼积分效应的基础上，通过MATLAB软件计算图像中每个像素在人眼视网膜上感知到的亮度，然后对每个像素的亮度值进行重新计算处理，最后得出新的灰度等级，合成仿真图像并得出对应的Q值。

如果在高速运动的图像下，采用此方法依然能降低DFC现象的出现，便能实现高画质图像显示，因此选取图像的移动速度为每帧10个像素。仿真过程中，若Q值大于0.4，图像出现明显的DFC现象，在Q值逐渐下降过程中，DFC现象随着Q值的降低而减轻，当Q降低为0.2以下时，几乎看不出DFC现象，由此可见，Q值可以正确地评价DFC现象的严重程度。

仿真结果如图7所示，图7a为未采用FRC方法的图像仿真结果，该图的Q值为0.5，DFC现象明显，图7b虽采用FRC方法，但未使用最优灰度组合，此时的Q值为0.18，未有明显DFC现象，图7c为采用最优灰度组合的FRC方法处理后的图像，该图Q值较图7b降低了0.03，由图可见，图7c的画质比图7b更为清晰细腻，图中方框处所示部分图像过度更加平滑，所以采用最佳灰度组合的FRC方法具有一定的实践意义。

图7 仿真结果（截图）

4 结论

本文采用了Q值评价的方法，对DFC现象的严重程度进行评估，基于该方法提出了使用FRC方法来减少DFC现象，对FRC方法做进一步研究，提出一种计算方法，从而得到帧与帧之间最佳灰度组合方式，计算结果表明，最佳灰度组合方式能更好发挥出FRC方法的优势，达到最大程度减少DFC现象的目的。

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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

罗榕思（1988—），女，硕士生，主研信息显示技术、驱动电路；

�� 盈

2013-10-12

【本文献信息】罗榕思，郭太良，林志贤.基于FRC改善PDP画质的最优灰度组合[J].电视技术，2014，38（8）.

国家“863”重大专项（2012AA03A301；2013AA030601）；国家自然科学基金项目（61101169；61106053）；福建省自然科学基金项目（2011J01347）

郭太良（1963—），研究员，博士生导师，主要从事FED显示器驱动电路；

林志贤（1975—），教授，主研信息显示技术、FED显示器驱动电路。