240Hz無濾色片液晶顯示中色彩分裂現象的抑制

王 萍，張宇寧，酈光選，耿 迪

(東南大學 電子科學與工程學院 教育部信息顯示與可視化國際合作聯合實驗室，江蘇 南京 210096)

1 引 言

時序彩色(Field-Sequential-Color,FSC)顯示以高于人眼臨界融合頻率的高刷新率順序顯示多個子場來實現顏色融合，由于人眼的視覺殘留效應和大于人類視覺系統時間敏銳度的顯示幀頻，最終能將多個子場圖像在視覺系統中融合并重建，復現彩色圖像內容[1]。時序彩色顯示技術應用時間混色原理，不同于傳統的空間子像素混色顯示技術[2]。由于時序彩色顯示器沒有濾色片和子像素，其光透射率、發光效率和空間分辨率都高于空間子像素混色顯示器，可以實現高分辨率、高發光效率和低功耗。

當人眼與圖像間存在相對速度時(可由眼跳運動或平滑追蹤移動物體引起)，會導致子場圖像無法在視網膜上完全重合，人眼將感知到圖像中出現彩虹般的條紋，尤其在圖像中物體邊緣處，這種現象稱為色彩分裂(Color Breakup,CBU)。色彩分裂現象會降低圖像質量，影響觀察者對圖像的判斷甚至引起觀察者的不適，其是時序彩色顯示器在廣泛使用前必須克服的核心問題。提高液晶顯示屏的刷新率能有效抑制色彩分裂，但要求刷新頻率高于600 Hz時人眼才能完全察覺不出色彩分裂[3]，但提高刷新率的方法對顯示器的硬件要求較高。近年來，在不同文獻中提出了一些不需要額外硬件要求的理論模型和算法，例如局域基色去飽和(Local-Primary-Desaturation,LPD)算法和RGBW算法等[3-6]都被證明了能有效抑制色彩分裂現象。

已有的局域基色去飽和算法一般應用于3子場顯示，本文提出了一種四場局域基色去飽和算法(4-field Local-Primary-Desaturation,4-field LPD)，與三場局域基色去飽和算法(3-field Local-Primary-Desaturation,3-field LPD)相比增加了第4子場顯示。本文提出的新算法重點關注第四子場背光基色和液晶驅動信號的確定、與前3個子場的聯系以及完整顯示的仿真過程。并將本文提出的算法應用于時序顯示圖像，通過主觀評分實驗，邀請被試對實驗圖像的色彩分裂嚴重程度進行評分，以評價四場局域基色去飽和算法對時序顯示圖像色彩分裂的抑制效果。

2 算法與仿真

2.1 四場局域基色去飽和算法

圖1 四場局域基色去飽和算法背光基色選擇Fig.1 Backlight base color selection of 4-field Local-Primary-Desaturation

色彩豐富的自然圖像中所有像素點的色坐標幾乎全部覆蓋在sRGB色域范圍內，4-field LPD將圖像適當分區，基于每個分區的圖像內容可知各分區內像素點色坐標在色度圖上的分布情況，由此可確定新的小色域三角形。如圖1所示，圖像 “鸚鵡”中所有像素點色坐標分布在CIE1931色度圖中RGB區域內(黑色實線)，而部分“鸚鵡”圖像(黑色方框區域)像素點色坐標分布在較小的新色域范圍內(即P1P2P3虛線三角形)，其包含了該分區像素點的所有目標顏色。將P1P2P3新色域三角形的頂點作為該分區前3個子場的背光基色，子場背光采用LED矩陣式背光。第四子場的背光基色P4的色坐標和由該分區圖像中所有像素點色坐標的加權平均值確定，即式(1)所示。以第n個分區為例，該分區共有m個像素點，表示第i個像素點的色坐標。

(1)

每個分區的四場背光基色確定后，可得到如圖2(a)列所示的網格圖，每一小方格表示不同分區，具有不同的背光基色。通過高斯函數式(2)對分區背光進行勻光處理。I為分區間有明顯網格邊緣的圖像，Iσ為無網格邊緣的背光輪廓圖像，圖2(b)列即為高斯模糊處理后消除網格效應的背光輪廓。

(2)

單個分區的子場背光基色P1、P2、P3和P4對應各自的三刺激值，設背光基色P1的三刺激值為(X1,Y1,Z1)，P2的三刺激值為(X2,Y2,Z2)，P3的三刺激值為(X3,Y3,Z3)，P4的三刺激值為(X4,Y4,Z4)。設目標三刺激值為該分區圖像中某個像素點顏色(即最終需復現的目標像素點顏色)的三刺激值。已知減小子場間色差能有效抑制色彩分裂現象[4]，從色度圖上可以看出第四場背光基色分別與前三場背光基色相差最小，所以本文提出將亮度和顏色信息在合理范圍內盡可能多分布在第四場，即對第四場液晶透過率進行條件約束。則該像素點的液晶驅動信號可由式(3)決定，分別表示目標像素點的四場液晶驅動信號：

(3)

通過上述算法的計算公式可知真實的時序彩色顯示器工作過程大致如下：各個分區的四場背光基色通過 LED矩陣式背光源[7-9]顯示，應用勻光模組[7]處理后得到無網格效應的背光輪廓，再將四場液晶驅動信號賦給液晶模組，既可復現目標彩色圖像并實現動態調節。但目前市場上尚缺少無濾色片的液晶顯示器，所以本文是基于有濾色片顯示器進行的算法仿真。仿真程序中，得到四場的背光信息(圖2(b)列)和液晶驅動信號(圖2(c)列)后，還需計算出四場的子場圖像用于順序顯示。以第一場子場圖為例：假設第一子場中某個像素的液晶驅動信號為T，該像素所在分區的第一場背光基色三刺激值為 ，可由式(4)得出該像素在第一子場圖中的三刺激值 ，同理也可得到其余像素點的顏色信息。最終得到四個子場的子場圖(圖2(d)列)，通過時間混色即可得到目標圖像。

(4)

圖2 四場局域基色去飽和算法仿真流程 Fig.2 Simulation process of 4-field Local-Primary-Desaturation

3 實驗方案

為了評估該算法抑制色彩分裂的效果，進行了模擬仿真實驗。實驗平臺主要包括FPGA開發板和BENQ XL2540 240 Hz液晶顯示器。由于提高液晶顯示屏的刷新率能有效抑制色彩分裂，所以使用現有的刷新率盡可能高的液晶顯示屏進行實驗。使用FPGA控制4個子場圖順序顯示圖像內容，平均每個子場圖的刷新率為60 Hz。應用局域基色去飽和算法處理時序顯示圖像并得到完整的仿真過程，將分區數設為1×1、16×9、32×18、48×27、64×36，選取6幅圖像進行實驗(圖3)，目標圖像分辨率為960×540，顯示在屏幕中央。圖3(a)具有高對比度和大面積的低飽和色區域；圖3(b)和圖(c)總體顏色飽和度不高，對比度低，細節信息豐富；圖3(d)和(e)對比度高，低飽和色和高飽和色區域兼有，圖像內容豐富；圖3(f)色彩飽和度高，顏色豐富。保證局域基色去飽和算法處理后的目標圖像仿真圖與原圖色坐標公差在±0.01以內。將6幅實驗圖像用四場和三場局域基色去飽和算法處理后，進行主觀實驗。一幅目標圖像對應5種分區數和兩種處理算法，所以實驗中共60幅目標圖像需被試者評價。

圖3 用于仿真實驗的6幅目標圖像Fig.3 Six target images for simulation experiment

圖4 實驗設置(a)及評分等級(b)Fig.4 Experiment setting (a)and rating (b)

16名被試者參與了本次實驗，包括6名女性，10名男性，年齡在22～26歲之間。所有被試者均具有正常視力或矯正后達到相應標準視力，無色盲。正式實驗前每位受試者需進行預實驗，實驗在標準暗室中(環境光<0.5lx)進行。受試者與屏幕的距離為3倍圖像高度，實驗設置如圖4(a)所示。被試者對屏幕圖像進行快速左右掃視并對目標圖像的色彩分裂嚴重程度做出評分[10]，評分范圍為1～5分，評分等級如圖4(b)所示。實驗開始前被試者先左右掃視兩幅白塊圖，如圖4(b)所示，一白塊圖由3個白色子場通過時間混色形成，無色彩分裂現象，定義為1分；另一白塊圖由紅綠藍3個子場通過時間混色形成，色彩分裂嚴重，定義為5分。

4 實驗結果與分析

實驗得到了不同算法和不同分區情況下不同被試者對不同目標圖像的評分。對所得數據進行單因素方差分析，所得結果表明不同算法和不同分區數都對評分產生了顯著影響(圖5)。16名被試者對應用四場算法處理后的目標圖像評分結果如圖6所示。隨著分區數的增加，被試者的主觀評分降低，即更不易察覺到色彩分裂現象。對于四場局域基色去飽和算法，其分區數沒有上限，背光分區數越大，對圖像色彩分裂現象的抑制作用越顯著。四場和三場局域基色去飽和算法對評分都產生顯著影響，兩種算法的評分對比如圖7所示。從實驗結果可以看出，四場算法所得總體評分均值和每種分區情況下評分均值都小于三場算法。若要達到相同評分，四場局域基色去飽和算法相比于三場算法所需分區數更少，四場算法的抑制效果優于三場算法。

圖5 單因素方差分析結果。(a)不同算法；(b)不同分區數。Fig.5 One-way ANOVA analysis results.(a)Different algorithms；(b)Different number of partitions.

圖6 四場局域基色去飽和算法的目標圖像CBU評分Fig.6 CBU score of target images for 4-field local-primary-desaturation

圖7 三場和四場局域基色去飽和算法的平均CBU評分Fig.7 Average CBU score for 3F-LPD and 4F-LPD

隨著背光分區數增多，背光系統成本也將增加。實際應用中無法對圖像進行過多分區，在權衡背光系統成本與圖像畫質的前提下，背光分區數為496時較為合理[6]。當背光分區數為496時，不僅能有效抑制圖像色彩分裂現象，提升圖像畫質，還能保證合理的背光系統成本，綜合效果最優。顯然，在分區數為496時，應用四場局域基色去飽和算法的各圖像色彩分裂評分都較低，抑制色彩分裂現象效果顯著。

5 結 論

本文基于240 Hz液晶顯示屏提出了四場局域基色去飽和算法，選取了重心點為第四場背光基色，并計算了4個子場的液晶驅動信號及仿真實驗所用子場圖，仿真了時序顯示圖像的完整過程。選取6幅圖像分別設置5種分區數，并設計了視覺感知實驗來評價四場和三場局域基色去飽和算法對時序顯示圖像色彩分裂現象的抑制效果，實驗結果表明不同算法和不同分區數都對評分產生了顯著影響。通過增加背光分區數可以有效抑制色彩分裂現象。四場局域基色去飽和算法抑制圖像色彩分裂的效果優于三場局域基色去飽和算法。在權衡背光系統成本與圖像畫質的前提下，實際圖像無法進行過多分區，較為合理的分區數為496，此時四場局域基色去飽和算法對圖像色彩分裂的抑制效果顯著。