高动态图像质量和低功耗液晶显示器的研究

摘要

平板显示技术凭借轻、薄等优点，已经逐步取代了传统的阴极射线管显示器(CRT)，尤其在家用电视领域。液晶显示(LCD)作为使用最广泛的平板显示技术，目前制约其进一步发展的主要因素是运动图像质量的下降，具体表现为运动边缘模糊、彩色失真等运动伪像。同时LCD由于被动发光方式，其工作功耗主要由背光源决定，这就造成了当显示画面平均灰度水平较低时不必要的功耗浪费。
　　 因此论文基于LCD的发光机制和人眼视觉特性，揭示了运动伪像产生的内在机理，提出了一种通用、系统地研究运动伪像的方法。该方法经过横向比对，已经取得了国际同行认可，并被写入了国际电工委员会(IEC)有关液晶显示器运动伪像测量标准当中。在此基础上，论文分析了多种LCD运动图像质量改进技术，提出相应的优化方案。并利用主观视觉感知实验，研究了运动图像质量的客观评价方法。另外论文还针对LCD的被动发光方式，研究了两种基于背光调节的LCD功耗控制方法。具体内容可以概括为以下七个方面：
　　 1.提出了一种通用、系统地研究LCD运动伪像的方法。论文通过特定的测量设备，记录LCD亮度响应曲线，并基于测量结果，采用数学方法模拟人眼感知到的实际效果，最终通过视觉感知实验进行验证。该方法反映了运动伪像形成的内在机制：人眼的视觉特性及显示器的显示模式，因此同样也适用于其它显示器件上运动图像质量的研究。
　　 2.建立了一套液晶亮度响应测量系统，可以精确记录输出亮度随时间变化过程。该测量系统由可编程视频信号发生器、光电转换模块和NI数据采集卡单元构成。上位机采用可视化软件LabVIEW开发，实现系统测试总体流程控制。考虑到可扩展性，该系统同时也满足其它平板显示器，如PDP的发光特性的测量要求。为论文后续LCD运动图像质量的相关研究提供了一个科学可靠的平台。
　　 3.基于通用仿真模型，针对不同运动伪像，设计了相应的快速算法。论文针对运动边缘/方块模糊，提出了简单、精确的“帧宽移动窗口积分法”。该方法也可以直接基于响应曲线，计算现行的运动模糊评价参数，如模糊边缘时间(BET)等。在此基础上，论文进一步提出了运动线条、光栅、正弦图案以及运动边缘彩色失真的快速模拟方法。并利用相应的视觉感知实验，检验了仿真结果的准确性。
　　 4.分析了多种运动图像质量改进技术，针对不足之处提出了相应优化方法。包括不完全过驱动技术出现的误差、背光扫描技术带来的运动双层边缘和轻微彩色失真现象，倍频技术和背光扫描技术下的静止图像大面积闪烁现象。同时提出了利用等离子体发光并实现扫描式结构，作为背光源，从而改进LCD的运动图像质量的方法。
　　 5.通过视觉感知实验，研究了运动图像质量的客观评价方法。对于运动边缘模糊的评价方法，论文同时考虑了一般情况下的平滑过渡边缘，及各种运动图像质量改进技术可能带来的不平滑现象。并首次提出了利用边缘对比度变化程度来量化边缘清晰程度的方法。针对运动细节损失，论文提出了线条扩散宽度，调制深度，归一化动态调制传递函数等客观评价参数。同时基于匀色空间理论和色差公式，讨论了运动边缘彩色失真的评价方法。
　　 6.建立了一套LCD背光调节和功耗测量系统。该系统由视频图像处理模块、背光源控制模块、远程控制功率计等单元构成。可以进行实时视频数据分析，背景光亮度调节；并可以很方便测量不同图像内容下的显示器功耗，为后续LCD功耗控制方法和平板电视测量标准研究提供了平台。
　　 7.研究了基于动态背光调节的LCD功耗控制方法，并讨论了平板电视功耗测量标准。提出了一种在LCD上产生PDP式的总体亮度控制方式的方法；并对另一种利用动态背光调节结合液晶透过率控制的方法进行了研究。另外针对平板电视功耗测量标准中的焦点：平均灰度等级和平均亮度因素，提出了实行“功耗和功效”双重标准的必要性，为平板电视功耗测量标准的制定提供了有效的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 三种常见显示技术

1.2 LCD运动伪像现象

1.3 运动伪像的测量方法

1.4 LCD运动图像质量的评价方法

1.5 LCD运动图像质量的改进方法

1.6 不同显示器的功耗比较

1.7 LCD功耗降低方法

1.8 论文的选题及主要工作

第二章 液晶亮度响应测量系统

2.1 系统构成

2.2 可编程视频信号发生器

2.3 光电转换装置

2.4 亮度数据采集

2.5 LabVIEW测量流程控制

2.6 系统性能和测量结果

2.7 本章小结

第三章 利用液晶响应曲线模拟运动伪像

3.1 运动模糊模拟方法

3.2 帧宽移动窗口积分法

3.3 运动边缘彩色失真模拟方法

3.4 运动细节图像的模拟方法

3.5 视觉感知实验

3.6 本章小结

第四章LCD至动图像质量改进方法的分析

4.1 过驱动技术

4.2 扫描背光技术

4.3 倍频技术

4.4 扫描式等离子背光源

4.5 本章小结

第五章LCD运动图像质量评价方法的研究

5.1 运动边缘模糊的评价方法

5.2 运动细节损失的评价方法

5.3 运动边缘彩色失真的评价方法

5.4 本章小结

第六章LCD背光调节和功耗测量系统

6.1系统构成

6.2 视频处理模块设计

6.3 背光控制模块

6.4 其它设备和软件

6.5 系统测量结果

6.6 本章小结

第七章LCD功耗控制方法和测量标准的研究

7.1 LCD功耗控制方法一

7.2 LCD功耗控制方法二

7.3 平板电视功耗测量标准

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

致谢

作者简介