摘要：針對(duì)閃爍測(cè)試方法前期的理論進(jìn)行了研究，機(jī)理研究表明，閃爍涉及照明學(xué)、生物學(xué)、電子電器學(xué)、醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，難以達(dá)到統(tǒng)一。隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提高，以機(jī)器感知來代替人體感知成為一種趨勢(shì)，如何將機(jī)器感知的閃爍與人眼感知的閃爍達(dá)到一致，是未來測(cè)試方向的重點(diǎn)，對(duì)駕駛安全有著實(shí)際的意義。

關(guān)鍵詞：閃爍；顯示屏；攝像頭；CMS

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-08-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.004

1 前言

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車成為一種多傳感器、多攝像頭、多模式下的人工智能管家，通過傳感器識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)換形成的圖像質(zhì)量對(duì)于汽車觀看和汽車計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用至關(guān)重要。目前市場(chǎng)的趨勢(shì)是以攝像頭搭載的多交互模式，因此攝像頭對(duì)于車輛感知和環(huán)境感知特別重要，但是迄今為止，汽車行業(yè)還沒有一致的方法來測(cè)量圖像質(zhì)量。尤其是智能座艙目前處于產(chǎn)品發(fā)展的初期，相關(guān)產(chǎn)品的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)沒有達(dá)成完全統(tǒng)一，且相對(duì)空白，由此開展相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)迫在眉睫。

本文主要針對(duì)閃爍測(cè)試方法前期的理論進(jìn)行研究。首先從閃爍的定義來闡述：閃爍是在數(shù)字成像過程中觀察到的偽影。閃爍本質(zhì)上是一個(gè)時(shí)間、空間采樣問題。LED閃爍可能會(huì)導(dǎo)致交通信號(hào)、速度標(biāo)志或安全信息識(shí)別錯(cuò)誤，還可能導(dǎo)致整體圖像亮度振蕩，涉及到極大的安全問題。如何有效表征閃爍，提高圖像識(shí)別質(zhì)量，用以提升汽車的功能安全，是個(gè)比較有意義的課題。

2 閃爍概述

閃爍定義為“由亮度或光譜分布隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激引起的視覺感覺不穩(wěn)定的印象”（前提是眼睛既沒有產(chǎn)生掃視，被照亮的物體也沒有在運(yùn)動(dòng)）［1］。在數(shù)字顯示技術(shù)中，閃爍現(xiàn)象可能由多種因素引起，包括但不限于屏幕刷新率不足、信號(hào)傳輸問題或圖像處理算法的缺陷。

在顯示系統(tǒng)中，圖像信號(hào)從源設(shè)備傳輸?shù)斤@示設(shè)備，經(jīng)過一系列的處理和轉(zhuǎn)換，最終呈現(xiàn)在屏幕上。在這個(gè)過程中，任何環(huán)節(jié)的故障或不足都可能導(dǎo)致閃爍現(xiàn)象。隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，閃爍現(xiàn)象已成為影響用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵因素之一。

屏幕顯示圖像的基本原理是通過控制像素的亮度和顏色來呈現(xiàn)圖像。當(dāng)像素的亮度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生快速變化時(shí)，人眼就可能感知到閃爍現(xiàn)象。這通常與屏幕的刷新率（即每秒更新圖像的次數(shù)）有關(guān)。

3 研究現(xiàn)狀

本文將CMS電子后視鏡整套系統(tǒng)作為一個(gè)簡(jiǎn)單分析標(biāo)準(zhǔn)的主體，CMS整個(gè)系統(tǒng)組件包括攝像頭、顯示屏、控制器和線束，其中攝像頭和顯示屏是直接影響圖像閃爍效果的重要組件。

3.1 顯示屏閃爍

顯示屏中的TFT-LCD為每一個(gè)像素制作了一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)精確控制每個(gè)像素點(diǎn)的顯示灰階，擁有比TN更加快的響應(yīng)速度以及更為豐富的色彩，畫面的刷新頻率也更快。在TFT-LCD中，主要通過給像素電極施加不同的電70dae6ed890c6ee2558856d20cf40f4565fb154f789d43c37c62874e85a98cfa壓與Common電極形成一個(gè)電場(chǎng)來控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到遮光與透光的目的。其根本原因是Cgs（gate對(duì)source的耦合電容）耦合導(dǎo)致漏電，正電壓亮度和負(fù)電壓亮度不同，對(duì)策是調(diào)節(jié)Vcom來補(bǔ)償，因制程原因?qū)е聼o法做到整面的金屬線刻蝕一致，Cgs整面其實(shí)是不均勻的，各個(gè)pixel（像素）亮度不均，因此Vcom的調(diào)節(jié)以中心點(diǎn)為主，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)會(huì)卡控中心點(diǎn)dB值。圖1表達(dá)了顯示屏閃爍形成的機(jī)理。

從生物學(xué)角度看閃爍，熒光粉被激發(fā)后會(huì)由亮到暗，稱為余暉（Afterglow），當(dāng)余暉的時(shí)間太短與下一次被激發(fā)時(shí)間不匹配時(shí)（余暉時(shí)間<人眼反應(yīng)時(shí)間），就會(huì)觀察到屏幕閃爍（太長(zhǎng)會(huì)造成影像殘留問題）。

人眼視覺暫留（Visual Staying Phenomenon），是指當(dāng)人眼所看到的影像消失后，人眼仍繼續(xù)保留其影像的圖像。一般來說，要使人眼產(chǎn)生連續(xù)動(dòng)作畫面的時(shí)間為16～24 Hz，但由于人眼對(duì)光線亮暗的感覺更敏感，因而實(shí)際上在30 Hz的更新畫面下人眼還是可以觀察到畫面亮度差異（閃爍），因此要獲得更佳的畫面品質(zhì)，其畫面更新頻率越高越好。

顯示屏行業(yè)內(nèi)通常用JEITA標(biāo)準(zhǔn)的Flicker值dB來表征。JEITA法利用FMA法的計(jì)算方式，閃爍度不依賴于頻率，它的值是根據(jù)亮度的AC構(gòu)成和DC構(gòu)成來計(jì)算的，但人眼對(duì)閃爍的感知與頻率有很大關(guān)系，人眼對(duì)低頻較為敏感，頻率在20 Hz時(shí)人眼對(duì)閃爍的感知能力開始逐漸降低，當(dāng)頻率超過60 Hz時(shí)，人眼幾乎感知不到閃爍了。JEITA法是通過傅里葉變換，將亮度值隨時(shí)間的變化轉(zhuǎn)化為隨頻率的變化，通過精確測(cè)量每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的能量值，乘以該頻率下的敏感系數(shù)，得到不同頻率下的閃爍值。閃爍值定義為各頻率構(gòu)成與頻率為0的能量值的比值，然后取10的對(duì)數(shù)，再乘以10，單位為dB［2］。圖2示出了顯示屏閃爍JEITA法測(cè)試圖形。

3.2 攝像頭的閃爍

目前，攝像頭采用的是CMOS（Complementary Metal-oxide Semiconductor，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器，傳感器Sensor在室內(nèi)日光燈下會(huì)產(chǎn)生Flicker現(xiàn)象，其根本原因是由于Sensor在光照條件下，不同像素點(diǎn)上的光能量不同所產(chǎn)生的，所接受的光能量不同也就是圖像的亮度不同，其對(duì)策是將曝光時(shí)間設(shè)置成1/100 s的整倍數(shù)。圖3示出了CMOS像素結(jié)構(gòu)及信號(hào)轉(zhuǎn)換圖。

CMOS圖像傳感器的閃爍現(xiàn)象通常是由電源的頻率干擾引起的。?

在電力供應(yīng)中，?交流電的頻率通常為50 Hz或60 Hz，?這會(huì)導(dǎo)致燈具以100 Hz或120 Hz的頻率波動(dòng)，?使得在同一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的亮度不一致。?當(dāng)CMOS傳感器進(jìn)行全局曝光時(shí)，?即使曝光時(shí)間相同，?由于外界亮度在周期性變化，?也會(huì)導(dǎo)致幀與幀的圖像亮度不一致，?從而造成視覺上的閃爍現(xiàn)象。?此外，?如果CMOS傳感器采用局部曝光方式，?同一圖像的不同行是分開曝光的，?這會(huì)導(dǎo)致明暗相間的橫條紋出現(xiàn)。?

為了解決CMOS圖像傳感器閃爍的問題，?可以采取以下幾種方法：?

a.同步圖像采集：?通過同步圖像采集來解決閃爍問題，?即讓圖像傳感器的采集時(shí)機(jī)與電源頻率同步。?這可以通過使用外部觸發(fā)信號(hào)或同步信號(hào)源將圖像采集與電源同步實(shí)現(xiàn)。?通過這種方法，?圖像傳感器將在電源波形的特定相位進(jìn)行采集，?從而減少閃爍現(xiàn)象。?

b.修改曝光和增益設(shè)置：?如果閃爍是由于Sensor控制曝光的寄存器值突然改變引起的，?可以通過在ISP設(shè)置曝光增益時(shí)檢查當(dāng)前設(shè)置值是否與前一次的曝光設(shè)置值一致來減少I2C通信，?從而降低閃爍的可能性。?

c.調(diào)整I2C時(shí)鐘頻率：?如果閃爍問題是由于I2C時(shí)鐘頻率過高導(dǎo)致的Sensor在接受I2C數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，?可以通過降低SOC I2C頻率來減少出錯(cuò)的可能，?進(jìn)而解決閃爍問題。?

綜上所述，?CMOS圖像傳感器的閃爍現(xiàn)象主要是由于電源頻率干擾引起的，?通過同步圖像采集、?調(diào)整曝光和增益設(shè)置以及降低I2C時(shí)鐘頻率等方法可以有效解決這一問題。

國(guó)內(nèi)攝像頭現(xiàn)行QC/T 1128—2019標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)閃爍一項(xiàng)無標(biāo)準(zhǔn)表征方式。國(guó)外針對(duì)汽車用攝像頭研究發(fā)展如下：

IEEE 1789—2015工作組成立于2008年12月。在此之前，沒有討論過發(fā)光二極管（LED）照明中閃爍的影響。LED燈正在開發(fā)新技術(shù)，這些技術(shù)引入了高水平的閃爍。有時(shí)，在特殊情況下，一些燈會(huì)失效并引起閃爍，這可能會(huì)在一小部分患有光敏性癲癇的人群中引起癲癇發(fā)作。成立工作組便于將一個(gè)多元化的專家團(tuán)體聚集在一起討論閃爍的影響：來自醫(yī)學(xué)界、照明界、光生物學(xué)家、電氣工程師等成員。如果沒有團(tuán)體討論閃爍問題，LED照明的開發(fā)人員就不可能完全了解可能與其設(shè)計(jì)相關(guān)的任何健康影響。文檔詳細(xì)解釋了LED照明中閃爍，并提供推薦的做法，以幫助減輕光閃爍可能產(chǎn)生的不利生物影響。3～70 Hz這個(gè)頻率范圍特別值得關(guān)注，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致易患光敏性癲癇的人癲癇發(fā)作。對(duì)于大多數(shù)人來說，頻率低于60 Hz的閃爍是可見的。臨界閃爍融合頻率（CFF）通常發(fā)生在60～100 Hz的范圍內(nèi)不可見的閃爍，以高于CFF的發(fā)生率發(fā)生，即使個(gè)體通常不能報(bào)告對(duì)閃爍的有意識(shí)感知，也可能具有生理影響。

a.由于在3～70 Hz頻率范圍內(nèi)的閃爍而導(dǎo)致癲癇發(fā)作的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

b.在低于165 Hz頻率下，由于不可見的閃爍，可能對(duì)人類的生物影響。

c.“可見”閃爍和“不可見”閃爍之間的區(qū)別以及與人類生物效應(yīng)的任何關(guān)系。

國(guó)外IEEE P2020中閃爍被定義為圖像或者視頻流中像素?cái)?shù)字值的閃爍或調(diào)制，即使從該點(diǎn)反射或發(fā)出的光對(duì)人類觀察者來說似乎是恒定的。該文檔的重點(diǎn)是相機(jī)捕獲的圖像或圖像序列中的閃爍，而不是對(duì)光源本身的調(diào)制。從根本上講，閃爍是一個(gè)時(shí)間采樣問題，LED 燈可能以不同的占空比每秒脈沖數(shù)百次，以調(diào)整其表觀亮度。在這些頻率下，光線對(duì)人類觀察者來說似乎是恒定的，因?yàn)槿搜塾行У爻洚?dāng)了時(shí)間低通濾波器。然而，對(duì)光源進(jìn)行成像的相機(jī)可能會(huì)在與這些波動(dòng)相同的時(shí)間尺度上暴露其傳感器，使其更容易記錄光源本身的變化。在明亮的照明條件下尤其如此，例如全日光或迎面而來的車輛的前照燈。

P2020針對(duì)汽車用攝像頭提出一類概念：LED Flicker［3］，針對(duì)圖像顯示中光源的閃爍，主要包括兩種應(yīng)用，一種是針對(duì)在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)直接成像的閃爍光源的閃爍或調(diào)制，示例包括閃爍的前照燈、交通燈或道路標(biāo)志；一種是針對(duì)由閃爍光源照亮的圖像區(qū)域的閃爍或調(diào)制，例如，PWM驅(qū)動(dòng)燈照亮的路面可能會(huì)閃爍或調(diào)制。

圖4顯示了一個(gè)說明性的例子。在第N幀中，相機(jī)的曝光時(shí)間與PWM驅(qū)動(dòng)的LED交通信號(hào)燈的脈沖時(shí)間重合。因此，在第N幀中，相機(jī)會(huì)捕捉到紅色交通信號(hào)燈。然而，在第N+1幀中，相機(jī)的曝光時(shí)間和LED脈沖不重合。在這種情況下，紅色信號(hào)燈將不會(huì)被捕捉到。在多個(gè)視頻幀的過程中，交通信號(hào)燈將會(huì)出現(xiàn)閃爍，而這恰恰取決于相機(jī)在連續(xù)幀中的曝光時(shí)間是否與LED光脈沖重合。

3.3 CMS（電子后視鏡）閃爍

電子后視鏡作為一個(gè)典型的車載顯示器件，是攝像頭、顯示器、控制單元組成的一套系統(tǒng)，直接面向駕駛員，對(duì)人機(jī)交互評(píng)價(jià)意義深遠(yuǎn)，其閃爍的機(jī)理更值得探討，以下是其標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展軌跡：

1936年，Crawford［4］發(fā)表論文研究靜態(tài)和可變條件下瞳孔大小對(duì)外界光刺激的依賴性，這項(xiàng)調(diào)查是對(duì)外部光刺激變化導(dǎo)致的視覺靈敏度隨時(shí)間變化中研究的一部分。整個(gè)眼睛靈敏度的局部變化是由于瞳孔大小的變化而產(chǎn)生的，這個(gè)瞳孔大小因素可以方便地單獨(dú)考慮，然后與眼睛視網(wǎng)膜內(nèi)在靈敏度的變化相結(jié)合，這是用固定瞳孔大?。ㄈ斯ね祝y(cè)量的。對(duì)瞳孔大小因素的研究自然分為兩部分：首先必須知道受試者視野中任何靜態(tài)條件的瞳孔大小是多少，即任何主要條件刺激的瞳孔大小；然后確定外部光刺激變化后瞳孔大小隨時(shí)間的變化。這里研究的案例是從高刺激到零刺激的變化，還考慮了變化對(duì)初始刺激水平的依賴性。瞳孔大小受一般視野的亮度、大小和眩光源的影響，包括它們的強(qiáng)度和相對(duì)于注視方向的位置。實(shí)驗(yàn)環(huán)境選取的是暗室，選用的是白色均勻照明的屏幕，亮度依次遞減。

1987年，F(xiàn)arrell［5］在預(yù)測(cè)視頻顯示終端的閃爍閾值一文中描述了一種分析方法，用于預(yù)測(cè)視頻顯示終端是否會(huì)在屏幕熒光持久性、刷新頻率和其他環(huán)境因素（如環(huán)境光水平、觀看者與顯示器之間的距離等）下出現(xiàn)閃爍。從該方法中可以預(yù)測(cè)最大屏幕亮度和最小刷新頻率，這將為理論標(biāo)準(zhǔn)觀察者生成無閃爍顯示。這些預(yù)測(cè)在各種刷新頻率、屏幕亮度、屏幕熒光粉和個(gè)人用戶中進(jìn)行了測(cè)試。

該方法可用于顯示器的設(shè)計(jì)階段，以選擇將導(dǎo)致無閃爍顯示器的顯示參數(shù)。該方法是基于人們對(duì)時(shí)間變化的光的敏感程度的模型，所提出的屏幕閃爍預(yù)測(cè)方法基于時(shí)變屏幕亮度的傅里葉分解。由于VDT的基本時(shí)間頻率等于刷新頻率，因此簡(jiǎn)化了時(shí)變屏幕亮度的傅里葉分析。如果知道描述時(shí)間調(diào)制屏幕亮度的傅里葉級(jí)數(shù)中基頻的絕對(duì)振幅，那么就可以預(yù)測(cè)屏幕是否會(huì)出現(xiàn)閃爍。預(yù)測(cè)屏幕閃爍的實(shí)驗(yàn)方法是計(jì)算23～39歲之間20個(gè)觀測(cè)者的絕對(duì)振幅問題時(shí)，使用閃爍閾值分布來估計(jì)90%用戶群體時(shí)間變化的基頻的閃爍閾值。將預(yù)測(cè)屏幕閃爍的方法歸結(jié)為計(jì)算瞬時(shí)變化的屏幕亮度基本頻率絕對(duì)幅值。

在選擇閃爍度量的顯示條件和觀察者時(shí)，必須牢記兩個(gè)重要事實(shí)：首先，閃爍值隨年齡的變化而變化，年輕人對(duì)閃爍更敏感；其次，閃爍閾值隨顯示器尺寸的不同而變化，顯示器越大，則人們對(duì)閃爍越敏感。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織肯定了Farrell［6］的研究，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)地闡述了測(cè)量閃爍的方法和計(jì)算公式，描述了兩種用于預(yù)測(cè)VDT是否會(huì)對(duì)一定比例的用戶出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象的分析方法。一種是理論計(jì)算方法，一種是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，后期會(huì)統(tǒng)一一種方法。

GB 15084—2022［7］中有關(guān)閃爍的測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法理論來源于ISO 16505，目前用實(shí)際人眼觀察能量Eobs表征判定要求，要求120 Hz頻率以內(nèi)的各種頻率下的觀察能量Eobs，然后將其與人眼能察覺到的閃爍能量（預(yù)測(cè)的閃爍能量閾值Epred）相比較，需滿足Eobs<Epred。

4 結(jié)語

從各個(gè)部分的閃爍標(biāo)準(zhǔn)研究來看：

a.顯示屏的閃爍是基于Cgs耦合導(dǎo)致漏電，本身工藝制成不均導(dǎo)致的。

b.攝像頭的閃爍是基于相機(jī)捕獲的圖像或圖像序列中的閃爍，是一個(gè)時(shí)間采樣問題，與相機(jī)和外界的頻率匹配相關(guān)，受到電源的頻率干擾及受外界光照環(huán)境影響。

c.CMS的閃爍是基于人們對(duì)時(shí)間變化的光的敏感程度建立的模型，與屏幕熒光持久性、刷新頻率和其他環(huán)境因素（如環(huán)境光水平、觀看者與顯示器之間的距離等）相關(guān)。

結(jié)合以上標(biāo)準(zhǔn)和論文研究可以發(fā)現(xiàn)，閃爍的機(jī)理涵蓋照明學(xué)、生物學(xué)、電子電器學(xué)、醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的研究，比較難達(dá)到統(tǒng)一。隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提高，以機(jī)器感知來代替人體感知成為一種趨勢(shì)，如何將機(jī)器感知的閃爍與人眼感知的達(dá)到一致，是未來的測(cè)試方向的重點(diǎn)，對(duì)駕駛安全有著實(shí)際的意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

畢曉婷，女，1990年生，工程師，研究方向?yàn)橹悄茏摴怆婎I(lǐng)域。