CN104122075A - 一种基于运动方块宽度的直接测量显示器运动模糊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于运动方块宽度的直接测量显示器运动模糊的方法，通过在显示器上显示运动的方块，并采用亮度计直接记录方块运动过程中对应区域的亮度变化，使用亮度阈值得到方块通过测量区域的时间，结合方块的运动速度可以计算出表征运动模糊的评价指标。相对于通常的仿真法，本发明的方法更接近主观评价结果，而且方法简单，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种显示器动态显示性能的测量和评价方法，本发明提出了一种直接测量显示器的动态运动模糊特性并进行评价方法，属于信息显示测量领域。
背景技术
液晶显示器(LCD)是一种被动发光的平板显示器，它主要由背光源、薄膜晶体管(TFT)阵列、液晶盒、彩色滤光片、偏光片等组成。背光源发光后，通过由TFT阵列控制的液晶层，经过另一个偏光片出射。液晶分子在外加电压的驱动下发生偏转，可以改变光的偏振方向，从而控制出射光的强度。由于LCD具有低工作电压、微功耗、体积轻薄、高分辨率等特点，LCD已成为目前主流的显示技术，在电视、运动显示、车载显示、监视器、家电等得到广泛的应用。
尽管LCD的静态显示特性优良，但是在其动态显示性能方面，由于其显示原理的限制，在显示动态图像的时候通常会产生图像的模糊。一般来说，显示器的动态显示性能，通常与其时间响应有关。显示器从当前画面切换到下一帧画面时，对应像素输出信号应该必须迅速响应并切换到下一帧数据，如果反应迟滞，那么在显示运动物体时就会出现图像的“拖尾”现象。LCD完成液晶分子的偏转需要的时间较长，所以其响应较慢。而且，由于LCD是电压保持型器件，像素点在一帧时间内亮度是不变的，因此图像边缘的模糊现象会变得更加严重。
人眼作为接收图像信号的载体，其视觉特性是形成运动模糊的另一个原因。当显示器通过一帧一帧地连续再现运动图像时，由于人眼平滑追随特性，视网膜上的成像随着眼球的运动而产生位置上的偏移；同时由于人眼视觉暂留特性，视网膜成像不会立刻消失而是保持一段时间，所以此时人眼观察到的最终结果是由这些不同位置的成像形成的模糊图像。如图1(a)所示，当LCD显示一个黑色方块在白色背景上运动的图像时，在一帧时间里，方块都是持续显示的，当下一帧到来之后，该方块跳至右边的某一位置显示，依次类推。因此，在保持型显示器上，信号在空间上(像素)和时间上(帧)都是离散的，但是由于人眼的时间分辨率低，人眼仅感知到这些离散信号在一段时间里的积分。因此，视网膜接收到的亮度是由不同位置像素点的亮度组成。而位置不同的像素点，其亮度也不同(特别是在灰度突变的边缘)，那么感知亮度就不相等，导致了运动物体的边缘会被感知为模糊的。
如何表征LCD的动态显示特性，特别是表征其运动模糊程度，是LCD显示特性测量的重要内容。为了方便比较不同显示器之间的动态显示性能，必须要有简单而可行的运动模糊测量方法。目前IDMS(International Display MeasurementStandard)标准中的LCD运动模糊测量方法有以下两种。
1)相机法
使用追逐相机和镜面相机或者借助高速相机的帧移位来模拟人眼的平滑追随。相机所记录的运动图像就相当于人眼所观察到的图像，把所记录图像的边缘模糊宽度(blurred edge width,BEW)作为评价运动模糊严重程度的指标。该方法原理简单，可以直接模拟人眼所看，但是机械或者光学装置复杂，不容易精确控制，同步触发困难。
2)模拟仿真法
以LCD的亮度响应为基础，利用数学方法来模拟人眼的平滑追随和视觉暂留特性，把亮度响应曲线(liquid crystal response curve,LCRC)经过帧宽运动窗口积分后变为运动图像响应曲线(motion picture response curve,MPRC)，并由此来计算评价指标边缘模糊时间(blurred edge time,BET)。该方法测量简单，仅需要知道LCD的亮度响应过程，就可以模拟计算出感知到的运动模糊图像，但是受限于显示器的图像处理技术，不能实现自适应处理，另外BET不能用于分析不同速度下的运动模糊。
此外，虽然运动模糊在其他类型显示器上不明显，但却存在。可是，对于不同类型显示器的运动模糊测量至今仍没有一个统一评价参数，大部分评价指标都是针对某特定类型显示器。而仿真模拟法测量简单，但是不能在运动速度方面全面评价显示器的运动性能；相机法虽然能够分析不同速度下的运动模糊，可是其测量装置复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种采用运动方块宽度(motion block width,MBW)来评价显示器运动模糊度的方法。本方法使用了物体的相对运动来模拟人眼的感知，能够分析不同速度下的运动模糊情况，另外本方法没有使用相机作为光学测量仪器，避开了同步难的问题，简化了测量过程。
为了解决现有技术所存在的问题，本发明的一种直接测量显示器运动模糊的方法，其步骤如下：
a)将光测量仪器固定在被测显示器的正前方，测量区域始终对准被测显示器屏幕；
b)通过可编程信号发生器输出测试图形到被测显示器，所述测试图形与被测显示器的屏幕背景采用不同的灰阶；
c)测试图形在屏幕中按设定速度沿直线匀速移动，光测量仪器记录测量区域的亮度变化过程，得到亮度-时间曲线；
d)根据亮度阈值从亮度-时间曲线中获得测试图形通过测量区域的时间；
e)根据上述步骤获得的测试图形通过时间及其已设定的速度，获得测试图形在被测显示器中的运动宽度，从而得到被测显示器运动模糊的程度。
进一步地，所述测试图形的形状为矩形，其长度和宽度均大于光测量仪器的测量区域以完全覆盖测量区域。
进一步地，所述测试图形的运动速度是5～20像素/帧，间隔为1ppf。
进一步地，所述被测显示器的屏幕背景和被测图形两者的灰阶不相同且为0～255中的任一任意值。
进一步地，所述被测显示器的屏幕背景为0灰阶且被测图形为255灰阶时得到的是被测显示器的黑白动态运动模糊程度。
进一步地，当高灰度被测图形在低灰度屏幕背景下的运动时，其亮度阈值是10％；当低灰度被测图形在高灰度屏幕背景下的运动时，其亮度阈值是90％。
进一步地，所述用于记录亮度变化的光测量仪器包括亮度计，分光光谱仪或光度计。
进一步地，所述光测量仪固定在被测显示器的正前方，其测量区域为显示屏幕上的任意位置。
进一步地，所述光测量仪的测量区域为被测显示器屏幕的中心位置。本发明不是针对特定类型显示器而设计的，具有普遍适用性，因此能够应用于CRT，LCD，PDP，OLED，和FED显示器的运动模糊的测量上。
动态图像质量是指显示器在显示动态画面内容时所表现出来的动态清晰程度，是评价显示器优劣的一个重要指标。然而，目前标准运动模糊测量方法中，相机法和模拟仿真法是常用的方法，但是都存在一定的缺点。因此，本发明提出了一种基于运动方块宽度的运动模糊直接测量方法(简称运动方块法)。
基于运动方块宽度的运动模糊直接测量方法是记录运动方块通过亮度计测量区域时，测量区域内像素点的亮度变化过程，根据亮度阈值计算出通过时间，再结合方块运动速度计算出运动方块的宽度，减去方块的初始静止宽度，得到运动方块宽度变化值，并将其作为评价显示器动态显示性能的指标。
更详细地说，如图1所示，不同显示器在显示同一个运动图像的时候，人眼所感知到的运动物体宽度是不一致的。通过对比在视网膜成像坐标上感知到的方块宽度，可以看出，在方块初始宽度相同的情况下，感知到的方块宽度越大，运动模糊就越严重，图1(a)和(b)分别给出了保持型和脉冲型两种显示器显示的情况，方块初始宽度相同，但是由于显示器工作方式不同，所以它们各自在视网膜上的运动方块成像宽度也是不同的。与边缘模糊宽度不同，运动方块宽度指的是整个运动方块的宽度，如图2所示，是整个方块在运动过程中，其亮度高于(低于)10％(90％)亮度阈值的所有像素点所组成的宽度，其中10％和90％是人眼察觉不到亮度变化的阈值，图像亮度一旦越过亮度阈值，人眼就会察觉到图像亮度发生了明显的变化。而边缘模糊宽度却是亮度过渡带边缘10％～90％的宽度，如图3所示，另外，边缘模糊宽度是从运动图像响应曲线或者相机记录的运动图像上推导出来的，而运动方块宽度指的是运动方块通过测量区域所运动的相对距离。
对上述步骤中的具体细节进一步描述如下：
首先设置方块的初始大小，方块的高度和宽度要大于测量区域的直径，这样可以保证运动方块更充分地利用测量区域内的像素点。其中测量区域至少包含500个像素。另外，如果物体的运动速度过快，人眼就很难捕捉。所以方块的运动速度设置为5～20ppf较为合适，速度间隔是1ppf(pixel per frame,ppf)。
用于记录亮度变化的光测量仪器(light‐measuring device,LMD)包括亮度计，或分光光谱仪，或光度计等。LMD固定在显示器的正前方，LMD测量区域可以落在显示屏幕上的任意位置，一般对准屏幕的中心。光测量仪器通常固定在距离屏幕三倍显示器高度的位置，其测量区域对准显示器的中心，另外也可以对准到屏幕其他位置。
测试图形中有两部分，一部分是方块(前景)，另一部分是背景。方块和背景的灰阶不相同，两者都可以在0～255灰阶之间任意选取。通常，方块设置为全白(255灰阶)，背景设置为全黑(0灰阶)，这时得到的是显示器的黑白动态运动模糊，如图2.1所示，MBW表现为亮度高于10％阈值的像素点。也可以将方块设置为全黑(0灰阶)，背景设置为全白(255灰阶)，如图2.2所示，MBW表现为亮度低于90％阈值的像素点。方块和背景也可以设置为其他灰阶，那么所测的运动方块宽度就是用于评价对应灰阶下的显示器动态显示性能。
当方块进入亮度计测量区域的时候，亮度计所记录的亮度从背景亮度逐渐变化为前景亮度，所测亮度会一直上升到方块完全进入整个测量区域，并保持一段时间(保持时间长短取决于方块宽度大小)；当方块开始离开测量区域的时候，亮度计从最大亮度开始下降，一直下降到方块完全离开测量区域的时候，此时亮度计的亮度为背景亮度。那么亮度计就是记录了测量区域所对应的像素点的亮度变化过程，而这个过程是由于方块的运动而引起的。因此，亮度计记录的是方块的运动过程。
根据亮度计所记录的亮度‐时间曲线和亮度阈值，就可以计算出方块通过测量区域的通过时间。通过时间以达到亮度阈值的时间对应点开始计算，直到再次越过亮度阈值结束。对于高灰度方块在低灰度背景下的运动，其亮度阈值是10％；对于低灰度方块在高灰度背景下的运动，其亮度阈值是90％。即：当方块灰阶高于背景灰阶，那么亮度阈值就是方块与背景亮度差的10％；当方块灰阶低于背景灰阶时，亮度阈值就是方块与背景亮度差的90％。
然后根据通过时间和所设置的方块运动速度，就可以计算出方块的运动宽度。
运动方块宽度＝通过时间×方块运动速度
计算出运动方块宽度以后，减去静止方块宽度就可以得到运动方块宽度变化，变化越大，表明方块的运动模糊越严重。
运动方块宽度变化＝运动方块宽度-静止方块宽度
可以把运动方块宽度变化单独作为评价指标，在相同速度下，运动方块宽度变化越大，表示运动模糊越严重。
另外，也可以把不同速度下的运动方块宽度变化进行回归分析，计算出一个综合评价指标，便于在不同显示器上进行综合比较。如图4所示，是三个显示器在不同速度下的运动方块宽度的理想示意图。运动速度越快，方块的运动宽度就越大，但是不同显示器所表现的动态特性不同。所以不同显示器在相同运动速度下，运动方块宽度是有差异的，方块宽度越大，运动模糊越严重。综合所有运动速度下的方块宽度，其斜率即为综合指标，称之为运动方块宽度变化‐运动速度比。斜率越小，代表运动模糊随着运动速度的增大，只发生轻微的变化，即该显示器的整体动态显示性能越好。采用上述方法，能够实现显示器动态显示性能的快速测量。
附图说明
图1示出了运动模糊产生的原因，其中斜线标记了人眼平滑追随轨迹；图1(a)保持型显示器的运动模糊，如LCD；图1(b)脉冲型显示器的运动模糊，如CRT。
图2.1a是高灰阶运动方块静止图像。
图2.1b是高灰阶运动方块运动图像。
图2.1c是高灰阶运动方块的运动模糊宽度示意图。
图2.2a是低阶运动方块静止图像。
图2.2b是低阶运动方块运动图像。
图2.2c是低灰阶运动方块的运动模糊宽度示意图。
图3是运动模糊的产生过程；其中图3a是静止图像示意图；图3b是运动图像示意图；图3c是边缘模糊宽度示意图。
图4是对运动方块法获得的结果进行回归分析的理想示意图。
图5是运动方块法测量示意图，图中双箭头线代表运动方块的宽度，其中，图
5(a)是静止方块测量示意图；图5(b)是运动方块测量示意图。
图6是不同运动速度下的运动模糊测量结果。
图7是9个不同显示器运动模糊的直接对比。
图8是三种运动模糊测量方法对应的9个显示器动态显示性能优劣排序。
具体实施方式
为了更清楚地说明基于运动方块宽度的显示器运动模糊直接测量方法，以下结合附图对本发明做进一步的描述。
图5是运动方块法的测量示意图，采用亮度计直接记录测量区域的亮度变化，间接反映运动方块的宽度。亮度计固定在显示器的正前方，测量区域始终对准显示器的中心，运动的仅仅是白色方块(从左到右循环匀速运动)。
通过亮度计记录显示器中心区域像素点的亮度变化过程，可以得到白色方块扫过显示器中心所需时间t。那么，白色运动方块的宽度MBW以及运动方块宽度变化值ΔMBW就可以通过式(1)求出：
ΔMBW＝MBW-w0(1)
＝t×v-w0
其中，v是方块的运动速度(单位：像素/帧)。t是通过时间(单位：秒)。w0是静止方块宽度。
运动方块法是直接测量运动方块扫过显示器中心的时间，进而结合运动速度算出方块宽度来表征运动模糊，这是一种快速而简便的测量方法。
实施例1
本实施例采用本发明的方法测量了某型号的LCD在不同的运动速度下的运动方块宽度变化值。其结果如图6所示。
实验中，亮度计的型号为PR‐680L，其采样频率是20kHz，测量角是1°。视频信号通过视频信号发生器VG‐870B输出，图像分辨率是1024×768，刷新率是60Hz，静止方块的宽度是512pixels。方块运动速度从5ppf至20ppf之间变化，间隔为1ppf，共16个运动速度。
通过亮度计记录显示器中心区域像素点的亮度变化过程，当方块进入亮度计测量区域的时候，亮度计所记录的亮度从背景亮度逐渐变化为前景亮度，所测亮度会一直上升到方块完全进入整个测量区域，并保持一段时间；当方块开始离开测量区域的时候，亮度计从最大亮度开始下降，一直下降到方块完全离开测量区域的时候，此时亮度计的亮度为背景亮度。根据亮度阈值10％就可以判断白色方块刚刚进入测量区域，使得测量亮度开始大于10％；直到方块刚好离开测量区域，使得测量亮度小于10％，这段时间就是白色方块扫过显示器中心所需时间t。那么，运动方块宽度变化可以通过下式求出：
ΔMBW＝t×v-w0
其中，v是方块的运动速度(单位：像素/帧)。t是通过时间(单位：秒)。w0是静止方块宽度。
分别在16个运动速度下测量了运动方块宽度，方块运动速度从5ppf至20ppf之间变化，间隔为1ppf，共16个运动速度。图6给出了测量得到的不同运动速度下运动方块宽度的结果。可以看到，当方块运动速度为6ppf时，运动方块宽度增加了10个像素。当方块运动速度增加至9ppf时，运动方块宽度增加了11个像素。方块宽度的增加表现为模糊程度越严重。最理想的情况是运动方块宽度变化值始终为0，即运动方块宽度始终等于静止方块宽度。
同时，对不同运动速度下运动方块宽度做线性回归，可以得到运动方块宽度变化‐运动速度比，如图6所示，对于该显示器，该比值为0.53。该参数可以用来综合评价显示器的运动模糊特性。对于不同的显示器，该比值的大小就能够用于评价不同显示器之间的动态显示性能，比值越大，变现为运动模糊越严重，
实施例2
本实施例采用本发明的方法测量了9个不同的显示器的运动方块宽度，其中6个为LCD显示器，1个为CRT显示器，2个为PDP显示器。分别在16个运动速度下测量了运动方块宽度，并据此分析评价9个显示器的运动模糊程度。
实验中，亮度计的型号为PR‐680L，其采样频率是20kHz，测量角是1°。视频信号通过视频信号发生器VG‐870B输出，图像分辨率是1024×768，刷新率是60Hz，静止方块的宽度是512pixels。方块运动速度从5ppf至20ppf之间变化，间隔为1ppf，共16个运动速度。
测试示意图如图5(b)所示，亮度计直接测量显示器中心区域的亮度变化过程。图7是运动方块法的实际测量结果。图7是测量得到各显示器的ΔMBW与运动速度的线性拟合直线，其斜率即为运动方块宽度变化‐运动速度比，斜率越小，显示器的动态显示性能越好。CRT‐01的比值最小，说明CRT的运动模糊最少，其运动显示特性最佳；LCD‐03的比值最大，在所测显示器里，LCD‐03的运动模糊最严重。
图7中不同LCD的结果的线性拟合直线有交叉点，这说明运动速度也是影响运动模糊的重要原因。例如：LCD‐03在运动速度小于11ppf时，其动态特性优于LCD‐04，可是在运动速度大于11ppf时，LCD‐04的动态特性反而更好。
另外，在没有运动模糊的理想情况下，不同速度下的ΔMBW应该都是一样的，即斜率为0。而测量结果得到CRT‐01是负的斜率，这主要是由于显示器的扫描效应引起的。由于扫描效应，方块运动不是连续的，而是跳变的。运动速度越大，方块跳动间隔也越大，导致亮度计的测量区域缺少了整个运动方块的一部分(通常发生在头部刚刚进入测量区域或者是尾部刚刚离开测量区域的时候)。这种情况对于所有显示器都是一致的，所以不影响总体的评价。
为了验证运动方块法的可行性以及准确性，我们将运动方块法的结果与其它二种测量方法(模拟仿真法和主观评价法)进行了比较。主观评价法测量中采用8个受试者对显示器的方块运动模糊程度进行评分。各种方法的结果对比如图8所示。其中仿真模拟法对应的评价参数是BET，主观评价法是评分，运动方块法是ΔMBW，它们之间的单位是不一样的，为了方便直接比较，使用了z‐scores分别对三个结果进行标准化。
z-score＝(x-mean(x))/std(x)
可以看出，在测量液晶显示器运动模糊的时候，模拟仿真法和运动方块法的测量结果与主观感知实验结果呈现高相关，但是，当模拟仿真法应用到非液晶显示器上，其测量结果就不理想，此时，运动方块法的测量结果更加贴近主观评价结果。相比模拟仿真法仅适用于液晶显示器，运动方块法的适用面更广，其测量也更为直接、简便。
Claims (10)
1.一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征在于包括如下步骤：
a)将光测量仪器固定在被测显示器的正前方，测量区域始终对准被测显示器屏幕；
b)通过可编程信号发生器输出测试图形到被测显示器，所述测试图形与被测显示器的屏幕背景采用不同的灰阶；
c)测试图形在屏幕中按设定速度沿直线匀速移动，光测量仪器记录测量区域的亮度变化过程，得到亮度-时间曲线；
d)根据亮度阈值从亮度-时间曲线中获得测试图形通过测量区域的时间；
e)根据上述步骤获得的测试图形通过时间及其已设定的速度，获得测试图形在被测显示器中的运动宽度，从而得到被测显示器运动模糊的程度。
2.如权利要求1所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述测试图形的形状为矩形，其长度和宽度均大于光测量仪器的测量区域以完全覆盖测量区域。
3.如权利要求1或2所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述测试图形的运动速度是5～20像素/帧，间隔为1像素/帧。
4.如权利要求1所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述被测显示器的屏幕背景和被测图形两者的灰阶不相同且为0～255中的任一任意值。
5.如权利要求4所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述被测显示器的屏幕背景为0灰阶且被测图形为255灰阶时得到的是被测显示器的黑白动态运动模糊程度。
6.如权利要求4所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：当高灰度被测图形在低灰度屏幕背景下的运动时，其亮度阈值是10％；当低灰度被测图形在高灰度屏幕背景下的运动时，其亮度阈值是90％。
7.如权利要求1所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述用于记录亮度变化的光测量仪器包括亮度计，分光光谱仪或光度计。
8.如权利要求1或7所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述光测量仪固定在被测显示器的正前方，其测量区域为显示屏幕上的任意位置。
9.如权利要求8所述的一种直接测量显示器运动模糊方法，其特征是：所述光测量仪的测量区域为被测显示器屏幕的中心位置。
10.如权利要求1所述的一种直接测量显示器运动模糊方法在CRT，LCD，PDP，OLED，和FED显示器的运动模糊测量上的应用。
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