基于人因的液晶显示动态图像质量研究

宋 玉， 夏振平,2*， 胡伏原,2， 程 成,2

(1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；2. 苏州科技大学 苏州智慧城市研究院，江苏 苏州 215009)

1 引 言

近年来，基于信息需求的爆发式增长，信息显示技术发展迅猛。其中，液晶显示(Liquid Crystal Display, LCD)技术更是努力克服自身短板，从而更好地与有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)显示技术抗衡[1-3]。随着市场不断向前发展和人们生活水平的提升，人们对图像显示质量的追求也随之提高。由显示器件显示机制和人眼视觉特性共同作用形成的运动模糊，是影响显示系统动态图像质量的一个重要因素。就显示器自身特性而言，LCD的保持型显示特性和慢响应是导致其动态图像质量低下的主要原因[4]；而OLED同样具有保持型的显示特性，但其响应速度却非常快，响应时间在0.1 ms左右[5]。

本文所研究的动态图像质量的影响因素决定了表征图像感知效果的函数选择。显示系统的运动模糊源于显示系统慢响应、保持型显示特性、人眼平滑追踪及视觉积分效应共同作用导致的调制传递函数特性的降低，因此可以采用动态调制传递函数(Dynamic Modulation Transfer Function, DMTF)来表达。DMTF是基于正弦图像运动，通过亮度响应序列在人眼视觉特性下的积分，计算出频率域的调制度[6]。DMTF可以用来模拟人眼感知到的动态图像效果。

本文提出了液晶显示动态图像感知效果模拟模型的建立方法以研究不同类型的显示图像受到显示器的不同响应速度、帧频及背光占空比对动态图像显示质量的影响。该模拟模型的核心是基于显示系统自身特性与人眼视觉特性，建立动态图像感知模型。设计了运动模糊视觉感知实验以评价各参数下模拟图像质量，对实验数据进行分析得到各参数对动态图像运动模糊的影响趋势，可为液晶显示系统动态图像质量的提升提供数据支撑。

2 运动模糊产生的机理

人眼感知的显示系统运动模糊形成原因分为两类：显示系统自身特性和人眼视觉特性[7]。其中，显示系统自身特性导致运动模糊主要体现在：保持型显示特性和慢响应。保持型显示特性是LCD和OLED所共有的特性，显示器呈现的图像将在约1/f秒的帧周期内持续，即为保持型显示特性[8]。OLED显示的保持型响应曲线如图1的实线部分所示。液晶的慢响应指的是液晶的亮度响应速度慢，无法瞬间响应至目标亮度，如图1的虚线部分所示[9]。由于液晶慢响应特性，在显示运动图像时，LCD通常表现出比OLED更严重的图像模糊效果[10]。

图1 OLED和LCD亮度响应曲线Fig.1 Brightness response curves of OLED and LCD

人眼视觉特性导致感知图像模糊，主要体现在人眼平滑追踪运动和视觉积分效应。人眼会对缓慢运动的观察对象进行自然的视觉平滑追踪，结合人眼感光积分效应，人眼在视网膜某位置感受的亮度是视线扫过的多个像素发光亮度积分的效果，最终表现出感知的运动模糊效果。对于OLED具有极快的响应速度，可以将其视为理想化的瞬间响应状态。保持型显示的OLED人眼感知到的图像边缘模糊效果如图2(a)所示。对应较慢响应的保持型LCD显示器，人眼感知到的图像边缘模糊效果如图2(b)所示[11]。

图2 显示系统自身特性和人眼视觉特性共同作用下的运动模糊效果。(a)OLED显示系统；(b)LCD显示系统。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 动态图像感知效果模型构建

为了更深入地研究提高显示系统动态图像质量的方法，基于正弦图像的运动调制度下降原理，建立了动态图像感知效果模型。

3.1 亮度响应模拟

考虑液晶的慢响应显示特性，模拟LCD亮度响应曲线依赖于液晶响应曲线的表达。液晶响应曲线由与时间相关的光衰减曲线TLC_decay(t)和光上升曲线TLC_rise(t)[12]组成。其中，衰减曲线TLC_decay(t)的具体表达如式(1)所示。

(1)

其中：δ0为相位延迟变化，τ0为液晶控制器重新定向时间，在本文中作为影响液晶响应时间(Liquid Crystal Response Time, LCRT)的变量。LCRT是指在驱动电压作用下，液晶单元由亮变暗和由暗变亮所需的时间，通常采用亮度从10%至90%和90%至10%变化所需的时间[13]。

由于光上升曲线受施加电压的影响十分复杂，这里假设上升曲线与衰减曲线对称[14]。上升曲线TLC_rise(t)的具体表达如式(2)所示。

(2)

根据式(1)与式(2)，可以模拟出具有不同响应速度的液晶响应曲线(LCD_1和LCD_2)，同时OLED响应曲线作为液晶的理想情况也可以进行表示，如图3所示。

图3 具有不同响应速度显示系统的亮度响应曲线Fig.3 Brightness response curves of the display system with different response speeds

3.2 动态图像质量影响因素

为了研究液晶响应速度对图像感知效果的影响，液晶响应曲线模拟中的τ0取值为2，8，16 ms，对应LCRT分别为1.4，5.4，10.9 ms，3种响应速度的液晶显示分别命名为LCD_1、LCD_2和LCD_3。理想化的OLED表征亮度响应时间为零的显示系统，τ0取值0 ms，对应LCRT为0 ms[15]。

动态图像质量的另一影响因素是显示系统的帧频(Frame rate)，为保证不同显示系统中人眼实际感知的运动图像为同一运动速度，设置帧频与以像素每帧(Pixel per frame, ppf)为单位的运动速度的乘积为相同值。考虑帧频取值分别为60，120，240，480 Hz，则对应的以ppf为单位的运动速度分别为8，4，2，1 ppf。

背光调制技术也将影响动态图像感知效果，背光调制原理如图4所示，图中背光占空比为A/Tf。模拟模型中选择的背光占空比参数为25%、50%、75%和100%。

图4 背光调制技术Fig.4 Backlight modulation technology

3.3 动态调制传递函数

DMTF是从信号系统角度分析运动图像模糊，考虑了显示系统对不同空间频率的响应特性。对于由显示系统和视觉感知系统组成的一个动态图像信号感知系统，可用DMTF的概念来表征其系统特性。根据显示系统正弦图像的亮度响应序列，结合人眼平滑追踪运动的亮度积分原理，可计算不同运动速度及空间频率下信号系统的DMTF[16]。

图5 运动速度为4 ppf时LCD亮度响应序列Fig.5 Brightness response sequences of LCD at a velocity of 4 ppf

基于人眼平滑追踪运动的亮度感知是顺着观察轴在1帧时间内的亮度积分，其表达式B(x)

如式(3)所示。

(3)

基于正弦光栅成像方法，DMTF可对像与物之间的对比度关系进行分析。空间频率为f的正弦图像，其单位表示为周期每像素(Cycle per pixel, cpp)，其对比度记为Ci(f)。当图像运动速度为V时，由于运动模糊的产生，人眼可感知的图像对比度下降至Cp(V,f)，则有：

(4)

根据各个显示系统上正弦图像的亮度响应序列，由式(3)的人眼平滑追踪运动的亮度积分原理与式(4)fDMTF的定义，可以计算出不同运动速度、不同空间频率下各显示系统的fDMTF值。图6是不同运动速度下DMTF的对比[17]。

图6 不同运动速度下的DMTFFig.6 DMTF at different motion speeds

3.4 动态图像感知模拟

DMTF表征了各因素参数下显示系统特征及人眼视觉系统的特性，因此可用于表征原始图像经过运动模糊模拟系统后的感知效果。考虑DMTF曲线的频域特性，动态图像感知效果的模拟过程如图7所示。所模拟的图像运动为水平方向的运动，因此图像在水平方向上逐行进行傅里叶变换，得到的频率域特征再与特定的DMTF相乘，最终通过傅里叶逆变换得到动态图像的感知效果。

图7 动态图像感知效果的模拟过程。(a)原始图像；(b)原始图像水平方向上像素(红色虚线处)经过FFT变换得到频域特征；(c)特定显示器响应速度、帧频和背光占空比参数下的DMTF；(d)经过运动模糊处理后的频域特征；(e)人眼感知效果图。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 视觉感知实验

4.1 实验设计

为了研究各因素对人眼感知动态图像质量的影响效果，设计了相应的视觉感知实验。受测者通过主观实验对模型模拟出的动态感知效果图进行评价。实验挑选了3幅不同类型的图像：高鉴别度的人物图像Lena、特征为自然风景的Scenery和由钢琴键和字符构成主体特征的Character(图8)，研究对不同特征的图像，人眼感知的运动模糊程度。除此之外，实验涉及的因素还包括：4种响应速度的显示系统、4种帧频和4种背光占空比。

图8 动态图像感知效果模拟。(a)OLED，帧频为480 Hz，背光占空比为25%；(b)LCD_3，帧频为60 Hz，背光占空比为25%；(c)LCD_3，帧频为60 Hz，背光占空比为100%；(d)LCD_3，帧频为480 Hz，背光占空比为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%.

实验中受测者需要主观评价的图像共有192幅，测试图像随机呈现在显示屏上，受测者进行无时间限制的图像观察后对动态图像质量进行评分。受测者端坐在距离显示屏3倍图像高度的距离处[18]，正对显示屏中央位置观察图像(图9)。

图9 视觉感知实验设置Fig.9 Visual perception experiment settings

评分标准采用5分制[19]：5分为极佳，4分为不错，3分为一般，2分为较差，1分为糟糕。实验共邀请26名受测者参与，包含13名女性，年龄在19至25岁之间，平均年龄22岁。所有受测的视力均正常或矫正至正常水平。为了使实验数据更可靠，正式实验前通过练习实验对受测者进行实验方法的训练。

4.2 实验结果分析

实验数据经过整理后，使用SPSS软件(IBM SPSS Statistics 23.0)进行分析。方差分析(ANOVA)(表1)结果表明，图像类型、响应速度、帧频和背光占空比对运动图像质量均有显著的影响(p<0.01)，响应速度和帧频的交叉作用对运动模糊也有显著的影响(p<0.01)。表1中，df是自由度，F是组方差值，sig.是显著性检验值。

表1 各变量因素对运动模糊程度评分的ANOVA分析结果Tab.1 Results of ANOVA analysis for different factors on motion blur

图像类型对动态图像感知质量有显著性影响。Lena是轮廓清晰的人物图像，Character是黑白分明背景下的字符图像，这两者整体轮廓相对清晰。而Scenery是远景的自然风景图像，其细节相对更丰富，微小的模糊都会让整体动态图像质量感知大大下降。因此整体评分中，Scenery评分显著偏低，如图10(a)所示。背光调制技术可削弱显示器的保持型特性导致的运动模糊，背光占空比的降低对削弱运动模糊程度具有明确的正向作用，如图10(b)所示。

图10 图像类型与背光占空比对应的运动模糊评分平均值。(a)不同图像特征；(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响应特性可显著降低LCD运动模糊效果，液晶显示响应速度的提高可有效抑制运动模糊，如图11(a)所示。实验结果表明，LCD_1与OLED不相上下，实际因液晶显示响应速度造成可感知的动态图像质量下降对应的LCRT阈值在1.4～5.4 ms区间内，具体阈值有待进一步实验进行验证。

帧频对动态图像感知质量的影响如图11(b)所示。整体而言，随着帧频的提高，动态图像感知质量先上升后下降，这实际上是帧频与响应速度对动态图像质量产生交叉影响的体现。如图11(c)所示，在响应速度较快时(OLED和LCD_1)，帧频的提高直接削弱了保持型显示特性，从而体现出帧频越高动态图像质量越好；在响应速度较慢时(LCD_2和LCD_3)，液晶需要更多的时间完成响应，过高的帧频使得液晶还未完成响应便进入下一帧响应过程，从而加剧了运动模糊的效果。极端情况下直接反转，形成帧频越高动态图像质量越差的效果。

图11 响应速度和帧频对应运动模糊评分平均值。(a)不同响应速度；(b)不同帧频；(c)不同响应速度与帧频交叉。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 结 论

对于液晶显示系统，保持型的显示特性和慢响应是导致其动态图像质量低下的主要原因。为了研究液晶显示系统的动态图像质量提升方法，建立了液晶显示动态图像感知效果的模拟模型。该模型可以模拟不同类型的显示图像在不同液晶响应速度、帧频及背光占空比情况下的动态图像感知效果。研究通过视觉感知实验对模拟图像进行评价并统计分析实验结果。实验结果表明，背光占空比调制可有效提升动态图像质量；显示器件响应速度的快慢与动态图像质量呈正相关关系，LCD的响应速度达到一定程度后可忽略慢响应对人眼感知动态图像效果的影响，从而使LCD与OLED相媲美；帧频与响应速度对动态图像质量产生交叉影响。研究结果可为液晶显示系统动态图像质量的提升途径提供理论参考。