殷玉喆，胡菊萍，項道才

（工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究所 計量與檢測中心，北京 100176）

責任編輯:孫 卓

0 引言

以液晶顯示、有機光電顯示（OLED）為代表的平板顯示器由于體積小、重量輕、清晰度高，已經(jīng)取代傳統(tǒng)顯像管而成為消費類電子主流顯示器。但液晶等平板顯示器由于物理機理或驅動電路設計等原因，顯示動態(tài)圖像時的清晰度與靜態(tài)圖像相比存在一定的惡化現(xiàn)象[1]。例如，液晶顯示器靜態(tài)分辨力可以達到1000線以上，但在顯示每場5像素的運動圖像時，通常動態(tài)清晰度不足700線。顯示器動態(tài)清晰度的降低會產(chǎn)生“拖尾”等運動偽像，嚴重影響主觀圖像質量。運動圖像清晰度測試早期與靜態(tài)圖像清晰度一樣采用主觀評價方法，但在實踐的過程中發(fā)現(xiàn)，主觀評價結果由于受到評價者個體因素影響而有比較大的不確定度，而且評價過程不夠快速方便。因此，國內外一直在研究可靠的客觀測試技術。近年來，多種評估平板顯示器運動圖像質量的技術被提出[2]，例如，國內牡丹視源提出的運動圖像拖尾響應時間測試法[3]，東南大學提出的“運動圖像響應時間”測試法，工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究所計量檢測中心提出的動態(tài)調制度及動態(tài)清晰度測試方法[4-5]，以及日韓等企業(yè)提出的追蹤相機、高速相機等測試方法。目前在該領域國內和國際的標準制訂時往往采用多種測試方法并存的策略。但無論采用何種測試方法，運動圖像清晰度測試序列的設計及實時播放都是基礎性技術。本文采用Matlab設計了主觀評價及客觀測試通用的動態(tài)清晰度測試序列，并通過優(yōu)化Canopus HD storm非線性編輯系統(tǒng)來實現(xiàn)了序列的實時播出，通過與泰克的VM5000以及TG700的比對試驗，分析了該視頻測試序列發(fā)生裝置的誤差。

1 動態(tài)清晰度測量序列的設計技術

清晰度的測試通常采用等間隔的黑白條紋作為測試信號[6]。按照目前的國家標準及電子行業(yè)標準，靜態(tài)清晰度的測試采用0～100%滿幅的10黑9白的測試條紋，而動態(tài)清晰度的測試采用5黑4白的測試條紋[7-8]。動態(tài)清晰度測試目前主要針對水平方向，測試時該條紋按照一定的運動速度“像素/場”在顯示器上運動。日本芝測設計的測試序列如圖1所示。

該測試序列在300～1000線間按照50線的間隔設置測試點，外加1080線。借鑒灰階響應時間的測試方法，芝測的序列將背景亮度及清晰度條紋中的“黑”和“白”條紋都做了3階處理，比0～100%滿幅調制的傳統(tǒng)的靜態(tài)清晰度測試條紋設計更加合理，最終的動態(tài)清晰度測試結果由以上9種情況的測試結果平均而得。本文設計的清晰度測試序列的目標及特點包括以下幾個方面:

1）主觀評價及客觀測試通用。即該序列可以同時應用于主觀評價與客觀測試，加入了追蹤相機或高速相機定標用的交叉十字。

2）靜態(tài)圖像清晰度及動態(tài)圖像清晰度測試通用。即靜態(tài)或不同運動速度的動態(tài)測試，采用的序列結構基本相同。

3）復合測試能力。測試序列的每一幀都包括水平清晰度、垂直清晰度、重顯率、單色場、灰度階梯、彩條、灰度小斜坡、多波群、灰度極限8階梯等常用測試信號，同時還有標注運動速度的標記。

本文采用Matlab作為編程平臺，通過A（i，j，k）三維數(shù)組來對目標幀的每一個像素進行設定，例如對于1920×1080/50 Hz高清視頻，i維對應1080行方向，j維對應1920列方向，k維對應RGB每個像素。計算設置好每個像素的RGB值之后，再通過imwrite（A，name，‘BMP’）函數(shù)來生成完整的一幀。其中，name是文件名，考慮到測試序列播出平臺的要求，可以將name設定為一個連續(xù)序列，BMP是無損壓縮幀圖像，保證測試序列從設計到播出的過程沒有任何壓縮損傷。

清晰度測試信號采用滿幅度調制的10黑9白正弦波，則沿該運動方向在待分析區(qū)域的第j個像素的亮度數(shù)值滿足

式中:W0是該方向物理分辨力；WL是該黑白條紋對應的電視線；測試條紋以v像素/場運動時，如果某場時位置j的像素的亮度是G（j），則下一場時，位置j+v處像素的亮度也是 G（j）。

75/0/100/0彩條信號需要將YPbPr的電平信號空間變換成RGB色度空間，變換公式為

多波群信號的每一個波包都采用滿幅度調制的正弦波，該波包的第j個像素為

式中:fi是第i個波包，f0是最大帶寬，對于1920×1080/50 Hz高清視頻，最大帶寬為37.125 MHz。

最終設計的一幀BMP圖像如圖2和圖3所示，整個序列由200幀類似圖像構成，持續(xù)時間為8 s。

每一幀BMP圖像的邊緣是從95%～100%的重顯率測試框以及必要的Logo，上部是單色場以及灰度小斜坡，左上是極限灰度8階梯，中部是從500～1080線的30線或40線間隔的水平及垂直清晰度測試條紋，以及定標用的交叉十字。考慮到靜態(tài)測試與動態(tài)測試的一致性，本文提出的測試序列均采用10黑9白滿幅度調制的設計方案。下部是75/0/100/0彩條、灰度10階梯以及多波群信號。其中多波群波包為1 MHz，5～30 MHz（間隔5 MHz）。

2 動態(tài)清晰度測量序列的實時播放技術

本文對非線性編輯系統(tǒng)進行了軟件設置上的優(yōu)化，實現(xiàn)了實時播放自主設計的測試序列功能。非線性編輯系統(tǒng)通常由硬件及軟件兩個部分構成，其中硬件部分采用PCIexpress接口與宿主PC進行數(shù)據(jù)交換，從宿主機中得到待播出的視頻序列的數(shù)據(jù)，然后形成視頻幀，最終通過特定的視頻輸出接口播放。軟件部分有視頻序列載入接口，可以輸入用戶定制的BMP格式的視頻幀序列，并在特定的時間線位置上播放。本文采用了Cano?pus公司的非線性編輯系統(tǒng)，其中硬件部分包括HD spark pro和HD storm，支持的接口包括YPbPr，SD/HD-SDI，HDMI，制式支持到 1080i/50 Hz/60 Hz。軟件部分是Edius5.0，支持逐行/隔行、奇場/偶場在前、緩存深度等設置。由于在無壓縮情況下，1080i/50 Hz的數(shù)據(jù)率達到了1.485 Gbit/s，超過了硬盤及接口的讀取速度，但如果進行有損壓縮又會損傷圖像質量，造成測試結果的誤差。Edius軟件提供Canopus無損壓縮模式，可以保證只壓縮圖像的冗余和重復部分，而不會對圖像質量造成任何損傷，特別適用于幀內和幀間存在大量冗余和重復數(shù)據(jù)的測試序列的壓縮。測試結果表明，無損壓縮后，Edi?us緩存利用率可以達到127/128，幾乎始終在最大緩存的狀態(tài)下工作，保證測試序列的實時播放。

3 比對試驗及誤差分析

本文通過將上述的基于自行設計的測試序列與非線性編輯平臺的視頻發(fā)生系統(tǒng)與泰克的視頻分析儀VM5000以及視頻信號發(fā)生器TG700進行比對試驗，測試接口為YPbPr。比對試驗系統(tǒng)如圖4所示。

比對試驗結果如下:

1）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的清晰度測試條紋波形。VM5000的測試結果顯示1080線的波包有比較明顯的拍頻現(xiàn)象，呈Sinc函數(shù)分布，在1000線及以下不受影響，如圖5所示。

2）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的多波群測試條紋波形。VM5000的測試結果顯示從1～30 MHz的各個測試頻點上，該系統(tǒng)都具有良好的頻率響應。調制波包的頻率響應為1%，3 dB帶寬達到了30 MHz。多波群波形如圖6所示。

3）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的灰度階梯測試條紋波形。VM5000的測試結果顯示灰度10階梯的線性最大誤差限為5.2%，黑場電平要略低于消隱電平。測試結果如表1和圖7所示。

表1 本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的灰度階梯電平測試結果

4）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的彩條波形。VM5000的測試結果顯示本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的彩條電平與標準值，以及TG700的輸出值有一定偏離，而且滿幅度電平要超過標準值700 mV大約10%，黑電平要低于消隱電平。但帶內平坦度和噪聲特性與TG700相比并無惡化，因此適當標定后，是可以作為標準彩條輸出的。彩條電平測試結果如表2所示，波形如圖8所示。

表2 本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的彩條電平測試結果

5）本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的噪聲特性。通過對灰度小斜坡的比對測量，可知本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為-50.6 dB，而TG700的噪聲系數(shù)為-52.4 dB，基本相當。

4 小結

本文采用Matlab設計了主觀客觀通用并可以產(chǎn)生各種運動速度的運動圖像清晰度測試序列，并采用非線性編輯平臺作為視頻播出平臺。通過無損壓縮和緩存技術，實現(xiàn)了1920×1080i/50 Hz序列的實時播放。通過與TG700及VM5000的比對試驗發(fā)現(xiàn)，本文的視頻發(fā)生系統(tǒng)的多波群頻率響應達到1%，3 dB帶寬達到了30 MHz，可以滿足1000線以內靜態(tài)及動態(tài)清晰度測試的需求。超過1000線時，清晰度測試條紋波形存在一定的Sinc變形，但仍可用于主觀評價。系統(tǒng)的彩條電平準確性與標準值有一定偏差，可能與非線性平臺的常用的亮度色度“美化”有關，但噪聲特性與TG700基本相當，只要適當校準，仍然可用于測試用的視頻信號發(fā)生器。

[1]宋文，李曉華，楊曉偉.平板顯示器中運動模糊的測量分析[J].真空科學與技術學報，2007，27（2）:105-108.

[2]殷玉喆，徐英瑩，高宏錦.平板電視圖像測量裝置及計量體系[J].電子測量，2007（8）:8-14.

[3]徐康興.運動圖像拖尾及拖尾時間的測量[J].電視技術，2005，29（1）:100-102.

[4]殷玉喆，胡鵬，孫齊峰，等.平板電視運動圖像清晰度的測量[J].電視技術，2007，31（5）:93-96.

[5]殷玉喆，胡菊萍，項道才.一種顯示設備運動圖像清晰度測試方法:中國，200910091377.1[P].2010-02-17.

[6]李桂苓，李秀敏，趙希.數(shù)字電視圖像清晰度[J].電視技術，2005，29（12）:80-83.

[7]數(shù)字電視接收設備測試方法標準工作組.SJ/T 11348—2006數(shù)字電視平板顯示器測量方法[S].北京:中國電子技術標準化研究所，2006.

[8]孫奇峰，張素兵，劉云.等離子數(shù)字電視動態(tài)圖像清晰度測量方法[EB/OL].[2010-11-16].http://www.pconline.com.cn/mall/guide/tech/0804/1276861.html.