240Hz无滤色片液晶显示中色彩分裂现象的抑制

王 萍，张宇宁，郦光选，耿 迪

(东南大学 电子科学与工程学院 教育部信息显示与可视化国际合作联合实验室，江苏 南京 210096)

1 引 言

时序彩色(Field-Sequential-Color,FSC)显示以高于人眼临界融合频率的高刷新率顺序显示多个子场来实现颜色融合，由于人眼的视觉残留效应和大于人类视觉系统时间敏锐度的显示帧频，最终能将多个子场图像在视觉系统中融合并重建，复现彩色图像内容[1]。时序彩色显示技术应用时间混色原理，不同于传统的空间子像素混色显示技术[2]。由于时序彩色显示器没有滤色片和子像素，其光透射率、发光效率和空间分辨率都高于空间子像素混色显示器，可以实现高分辨率、高发光效率和低功耗。

当人眼与图像间存在相对速度时(可由眼跳运动或平滑追踪移动物体引起)，会导致子场图像无法在视网膜上完全重合，人眼将感知到图像中出现彩虹般的条纹，尤其在图像中物体边缘处，这种现象称为色彩分裂(Color Breakup,CBU)。色彩分裂现象会降低图像质量，影响观察者对图像的判断甚至引起观察者的不适，其是时序彩色显示器在广泛使用前必须克服的核心问题。提高液晶显示屏的刷新率能有效抑制色彩分裂，但要求刷新频率高于600 Hz时人眼才能完全察觉不出色彩分裂[3]，但提高刷新率的方法对显示器的硬件要求较高。近年来，在不同文献中提出了一些不需要额外硬件要求的理论模型和算法，例如局域基色去饱和(Local-Primary-Desaturation,LPD)算法和RGBW算法等[3-6]都被证明了能有效抑制色彩分裂现象。

已有的局域基色去饱和算法一般应用于3子场显示，本文提出了一种四场局域基色去饱和算法(4-field Local-Primary-Desaturation,4-field LPD)，与三场局域基色去饱和算法(3-field Local-Primary-Desaturation,3-field LPD)相比增加了第4子场显示。本文提出的新算法重点关注第四子场背光基色和液晶驱动信号的确定、与前3个子场的联系以及完整显示的仿真过程。并将本文提出的算法应用于时序显示图像，通过主观评分实验，邀请被试对实验图像的色彩分裂严重程度进行评分，以评价四场局域基色去饱和算法对时序显示图像色彩分裂的抑制效果。

2 算法与仿真

2.1 四场局域基色去饱和算法

图1 四场局域基色去饱和算法背光基色选择Fig.1 Backlight base color selection of 4-field Local-Primary-Desaturation

色彩丰富的自然图像中所有像素点的色坐标几乎全部覆盖在sRGB色域范围内，4-field LPD将图像适当分区，基于每个分区的图像内容可知各分区内像素点色坐标在色度图上的分布情况，由此可确定新的小色域三角形。如图1所示，图像 “鹦鹉”中所有像素点色坐标分布在CIE1931色度图中RGB区域内(黑色实线)，而部分“鹦鹉”图像(黑色方框区域)像素点色坐标分布在较小的新色域范围内(即P1P2P3虚线三角形)，其包含了该分区像素点的所有目标颜色。将P1P2P3新色域三角形的顶点作为该分区前3个子场的背光基色，子场背光采用LED矩阵式背光。第四子场的背光基色P4的色坐标和由该分区图像中所有像素点色坐标的加权平均值确定，即式(1)所示。以第n个分区为例，该分区共有m个像素点，表示第i个像素点的色坐标。

(1)

每个分区的四场背光基色确定后，可得到如图2(a)列所示的网格图，每一小方格表示不同分区，具有不同的背光基色。通过高斯函数式(2)对分区背光进行匀光处理。I为分区间有明显网格边缘的图像，Iσ为无网格边缘的背光轮廓图像，图2(b)列即为高斯模糊处理后消除网格效应的背光轮廓。

(2)

单个分区的子场背光基色P1、P2、P3和P4对应各自的三刺激值，设背光基色P1的三刺激值为(X1,Y1,Z1)，P2的三刺激值为(X2,Y2,Z2)，P3的三刺激值为(X3,Y3,Z3)，P4的三刺激值为(X4,Y4,Z4)。设目标三刺激值为该分区图像中某个像素点颜色(即最终需复现的目标像素点颜色)的三刺激值。已知减小子场间色差能有效抑制色彩分裂现象[4]，从色度图上可以看出第四场背光基色分别与前三场背光基色相差最小，所以本文提出将亮度和颜色信息在合理范围内尽可能多分布在第四场，即对第四场液晶透过率进行条件约束。则该像素点的液晶驱动信号可由式(3)决定，分别表示目标像素点的四场液晶驱动信号：

(3)

通过上述算法的计算公式可知真实的时序彩色显示器工作过程大致如下：各个分区的四场背光基色通过 LED矩阵式背光源[7-9]显示，应用匀光模组[7]处理后得到无网格效应的背光轮廓，再将四场液晶驱动信号赋给液晶模组，既可复现目标彩色图像并实现动态调节。但目前市场上尚缺少无滤色片的液晶显示器，所以本文是基于有滤色片显示器进行的算法仿真。仿真程序中，得到四场的背光信息(图2(b)列)和液晶驱动信号(图2(c)列)后，还需计算出四场的子场图像用于顺序显示。以第一场子场图为例：假设第一子场中某个像素的液晶驱动信号为T，该像素所在分区的第一场背光基色三刺激值为 ，可由式(4)得出该像素在第一子场图中的三刺激值 ，同理也可得到其余像素点的颜色信息。最终得到四个子场的子场图(图2(d)列)，通过时间混色即可得到目标图像。

(4)

图2 四场局域基色去饱和算法仿真流程 Fig.2 Simulation process of 4-field Local-Primary-Desaturation

3 实验方案

为了评估该算法抑制色彩分裂的效果，进行了模拟仿真实验。实验平台主要包括FPGA开发板和BENQ XL2540 240 Hz液晶显示器。由于提高液晶显示屏的刷新率能有效抑制色彩分裂，所以使用现有的刷新率尽可能高的液晶显示屏进行实验。使用FPGA控制4个子场图顺序显示图像内容，平均每个子场图的刷新率为60 Hz。应用局域基色去饱和算法处理时序显示图像并得到完整的仿真过程，将分区数设为1×1、16×9、32×18、48×27、64×36，选取6幅图像进行实验(图3)，目标图像分辨率为960×540，显示在屏幕中央。图3(a)具有高对比度和大面积的低饱和色区域；图3(b)和图(c)总体颜色饱和度不高，对比度低，细节信息丰富；图3(d)和(e)对比度高，低饱和色和高饱和色区域兼有，图像内容丰富；图3(f)色彩饱和度高，颜色丰富。保证局域基色去饱和算法处理后的目标图像仿真图与原图色坐标公差在±0.01以内。将6幅实验图像用四场和三场局域基色去饱和算法处理后，进行主观实验。一幅目标图像对应5种分区数和两种处理算法，所以实验中共60幅目标图像需被试者评价。

图3 用于仿真实验的6幅目标图像Fig.3 Six target images for simulation experiment

图4 实验设置(a)及评分等级(b)Fig.4 Experiment setting (a)and rating (b)

16名被试者参与了本次实验，包括6名女性，10名男性，年龄在22～26岁之间。所有被试者均具有正常视力或矫正后达到相应标准视力，无色盲。正式实验前每位受试者需进行预实验，实验在标准暗室中(环境光<0.5lx)进行。受试者与屏幕的距离为3倍图像高度，实验设置如图4(a)所示。被试者对屏幕图像进行快速左右扫视并对目标图像的色彩分裂严重程度做出评分[10]，评分范围为1～5分，评分等级如图4(b)所示。实验开始前被试者先左右扫视两幅白块图，如图4(b)所示，一白块图由3个白色子场通过时间混色形成，无色彩分裂现象，定义为1分；另一白块图由红绿蓝3个子场通过时间混色形成，色彩分裂严重，定义为5分。

4 实验结果与分析

实验得到了不同算法和不同分区情况下不同被试者对不同目标图像的评分。对所得数据进行单因素方差分析，所得结果表明不同算法和不同分区数都对评分产生了显著影响(图5)。16名被试者对应用四场算法处理后的目标图像评分结果如图6所示。随着分区数的增加，被试者的主观评分降低，即更不易察觉到色彩分裂现象。对于四场局域基色去饱和算法，其分区数没有上限，背光分区数越大，对图像色彩分裂现象的抑制作用越显著。四场和三场局域基色去饱和算法对评分都产生显著影响，两种算法的评分对比如图7所示。从实验结果可以看出，四场算法所得总体评分均值和每种分区情况下评分均值都小于三场算法。若要达到相同评分，四场局域基色去饱和算法相比于三场算法所需分区数更少，四场算法的抑制效果优于三场算法。

图5 单因素方差分析结果。(a)不同算法；(b)不同分区数。Fig.5 One-way ANOVA analysis results.(a)Different algorithms；(b)Different number of partitions.

图6 四场局域基色去饱和算法的目标图像CBU评分Fig.6 CBU score of target images for 4-field local-primary-desaturation

图7 三场和四场局域基色去饱和算法的平均CBU评分Fig.7 Average CBU score for 3F-LPD and 4F-LPD

随着背光分区数增多，背光系统成本也将增加。实际应用中无法对图像进行过多分区，在权衡背光系统成本与图像画质的前提下，背光分区数为496时较为合理[6]。当背光分区数为496时，不仅能有效抑制图像色彩分裂现象，提升图像画质，还能保证合理的背光系统成本，综合效果最优。显然，在分区数为496时，应用四场局域基色去饱和算法的各图像色彩分裂评分都较低，抑制色彩分裂现象效果显著。

5 结 论

本文基于240 Hz液晶显示屏提出了四场局域基色去饱和算法，选取了重心点为第四场背光基色，并计算了4个子场的液晶驱动信号及仿真实验所用子场图，仿真了时序显示图像的完整过程。选取6幅图像分别设置5种分区数，并设计了视觉感知实验来评价四场和三场局域基色去饱和算法对时序显示图像色彩分裂现象的抑制效果，实验结果表明不同算法和不同分区数都对评分产生了显著影响。通过增加背光分区数可以有效抑制色彩分裂现象。四场局域基色去饱和算法抑制图像色彩分裂的效果优于三场局域基色去饱和算法。在权衡背光系统成本与图像画质的前提下，实际图像无法进行过多分区，较为合理的分区数为496，此时四场局域基色去饱和算法对图像色彩分裂的抑制效果显著。