王 萍，張宇寧，酈光選，耿 迪

(東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 教育部信息顯示與可視化國際合作聯(lián)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(xiàn)顏色融合，由于人眼的視覺殘留效應(yīng)和大于人類視覺系統(tǒng)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(tǒng)中融合并重建，復(fù)現(xiàn)彩色圖像內(nèi)容[1]。時序彩色顯示技術(shù)應(yīng)用時間混色原理，不同于傳統(tǒng)的空間子像素混色顯示技術(shù)[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(fā)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(xiàn)高分辨率、高發(fā)光效率和低功耗。

當(dāng)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(dǎo)致子場圖像無法在視網(wǎng)膜上完全重合，人眼將感知到圖像中出現(xiàn)彩虹般的條紋，尤其在圖像中物體邊緣處，這種現(xiàn)象稱為色彩分裂(Color Breakup,CBU)。色彩分裂現(xiàn)象會降低圖像質(zhì)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(xiàn)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(xiàn)象。

已有的局域基色去飽和算法一般應(yīng)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(guān)注第四子場背光基色和液晶驅(qū)動信號的確定、與前3個子場的聯(lián)系以及完整顯示的仿真過程。并將本文提出的算法應(yīng)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(yán)重程度進(jìn)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(biāo)幾乎全部覆蓋在sRGB色域范圍內(nèi)，4-field LPD將圖像適當(dāng)分區(qū)，基于每個分區(qū)的圖像內(nèi)容可知各分區(qū)內(nèi)像素點色坐標(biāo)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(biāo)分布在CIE1931色度圖中RGB區(qū)域內(nèi)(黑色實線)，而部分“鸚鵡”圖像(黑色方框區(qū)域)像素點色坐標(biāo)分布在較小的新色域范圍內(nèi)(即P1P2P3虛線三角形)，其包含了該分區(qū)像素點的所有目標(biāo)顏色。將P1P2P3新色域三角形的頂點作為該分區(qū)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(biāo)和由該分區(qū)圖像中所有像素點色坐標(biāo)的加權(quán)平均值確定，即式(1)所示。以第n個分區(qū)為例，該分區(qū)共有m個像素點，表示第i個像素點的色坐標(biāo)。

(1)

每個分區(qū)的四場背光基色確定后，可得到如圖2(a)列所示的網(wǎng)格圖，每一小方格表示不同分區(qū)，具有不同的背光基色。通過高斯函數(shù)式(2)對分區(qū)背光進(jìn)行勻光處理。I為分區(qū)間有明顯網(wǎng)格邊緣的圖像，Iσ為無網(wǎng)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(wǎng)格效應(yīng)的背光輪廓。

(2)

單個分區(qū)的子場背光基色P1、P2、P3和P4對應(yīng)各自的三刺激值，設(shè)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(shè)目標(biāo)三刺激值為該分區(qū)圖像中某個像素點顏色(即最終需復(fù)現(xiàn)的目標(biāo)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(xiàn)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(nèi)盡可能多分布在第四場，即對第四場液晶透過率進(jìn)行條件約束。則該像素點的液晶驅(qū)動信號可由式(3)決定，分別表示目標(biāo)像素點的四場液晶驅(qū)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(qū)的四場背光基色通過 LED矩陣式背光源[7-9]顯示，應(yīng)用勻光模組[7]處理后得到無網(wǎng)格效應(yīng)的背光輪廓，再將四場液晶驅(qū)動信號賦給液晶模組，既可復(fù)現(xiàn)目標(biāo)彩色圖像并實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。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(jìn)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(qū)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(shè)第一子場中某個像素的液晶驅(qū)動信號為T，該像素所在分區(qū)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(biāo)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(jìn)行了模擬仿真實驗。實驗平臺主要包括FPGA開發(fā)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(xiàn)有的刷新率盡可能高的液晶顯示屏進(jìn)行實驗。使用FPGA控制4個子場圖順序顯示圖像內(nèi)容，平均每個子場圖的刷新率為60 Hz。應(yīng)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(qū)數(shù)設(shè)為1×1、16×9、32×18、48×27、64×36，選取6幅圖像進(jìn)行實驗(圖3)，目標(biāo)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(qū)域；圖3(b)和圖(c)總體顏色飽和度不高，對比度低，細(xì)節(jié)信息豐富；圖3(d)和(e)對比度高，低飽和色和高飽和色區(qū)域兼有，圖像內(nèi)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(biāo)圖像仿真圖與原圖色坐標(biāo)公差在±0.01以內(nèi)。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(jìn)行主觀實驗。一幅目標(biāo)圖像對應(yīng)5種分區(qū)數(shù)和兩種處理算法，所以實驗中共60幅目標(biāo)圖像需被試者評價。

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

圖4 實驗設(shè)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(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)視力，無色盲。正式實驗前每位受試者需進(jìn)行預(yù)實驗，實驗在標(biāo)準(zhǔn)暗室中(環(huán)境光<0.5lx)進(jìn)行。受試者與屏幕的距離為3倍圖像高度，實驗設(shè)置如圖4(a)所示。被試者對屏幕圖像進(jìn)行快速左右掃視并對目標(biāo)圖像的色彩分裂嚴(yán)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(xiàn)象，定義為1分；另一白塊圖由紅綠藍(lán)3個子場通過時間混色形成，色彩分裂嚴(yán)重，定義為5分。

4 實驗結(jié)果與分析

實驗得到了不同算法和不同分區(qū)情況下不同被試者對不同目標(biāo)圖像的評分。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，所得結(jié)果表明不同算法和不同分區(qū)數(shù)都對評分產(chǎn)生了顯著影響(圖5)。16名被試者對應(yīng)用四場算法處理后的目標(biāo)圖像評分結(jié)果如圖6所示。隨著分區(qū)數(shù)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(xiàn)象。對于四場局域基色去飽和算法，其分區(qū)數(shù)沒有上限，背光分區(qū)數(shù)越大，對圖像色彩分裂現(xiàn)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(chǎn)生顯著影響，兩種算法的評分對比如圖7所示。從實驗結(jié)果可以看出，四場算法所得總體評分均值和每種分區(qū)情況下評分均值都小于三場算法。若要達(dá)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(qū)數(shù)更少，四場算法的抑制效果優(yōu)于三場算法。

圖5 單因素方差分析結(jié)果。(a)不同算法；(b)不同分區(qū)數(shù)。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(biāo)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(qū)數(shù)增多，背光系統(tǒng)成本也將增加。實際應(yīng)用中無法對圖像進(jìn)行過多分區(qū)，在權(quán)衡背光系統(tǒng)成本與圖像畫質(zhì)的前提下，背光分區(qū)數(shù)為496時較為合理[6]。當(dāng)背光分區(qū)數(shù)為496時，不僅能有效抑制圖像色彩分裂現(xiàn)象，提升圖像畫質(zhì)，還能保證合理的背光系統(tǒng)成本，綜合效果最優(yōu)。顯然，在分區(qū)數(shù)為496時，應(yīng)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(xiàn)象效果顯著。

5 結(jié) 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(qū)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(shè)置5種分區(qū)數(shù)，并設(shè)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(xiàn)象的抑制效果，實驗結(jié)果表明不同算法和不同分區(qū)數(shù)都對評分產(chǎn)生了顯著影響。通過增加背光分區(qū)數(shù)可以有效抑制色彩分裂現(xiàn)象。四場局域基色去飽和算法抑制圖像色彩分裂的效果優(yōu)于三場局域基色去飽和算法。在權(quán)衡背光系統(tǒng)成本與圖像畫質(zhì)的前提下，實際圖像無法進(jìn)行過多分區(qū)，較為合理的分區(qū)數(shù)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。