电视图像运动响应特性的参数选择及其测量:如何测量液晶的时间响应特性

　　摘要：从活动图像运动响应的定义出发，分析种种运动伪像成因，提出描述运动伪像的5个实用参数，阐明选择其中亮拖尾时间和暗拖尾时间作为电视机指标参数的理由，并就它们一种低成本的实用测量方法做了介绍和说明。
　　关键词：运动响应特性；运动上升时间；运动下降时间；延迟时间差；亮拖尾时间；暗拖尾时间
　　中图分类号：TN141文献标识码：B
　　
　　The Parameter Selecting and Measuring for
　　 Motion Response of Moving Picture
　　
　　XU Kang-xing
　　（Beijing Peony Electronic Group Co.,Ltd.，Beijing 100083, China）
　　
　　Abstract:According as the definition of motion response for display picture, a number of motion artifacts were analyzed, 5 applied parameters which were used to describe these motion artifacts were suggested. The reason, which the bright smearing time and the black smearing time were proposed to be an indicator of TV moving picture quality, was explained. Finally a low-cost measurement method of the bright smearing time and the black smearing time was introduced.
　　Keywords:characteristic of motion response；motion rise time；motion fall time；diffefence of delay time；bright smearing time；black smearing time.
　　
　　引 言
　　
　　LCD、PDP等新型显示器件具有薄、大、轻等突出优点，在电视机上得到了广泛应用。然而，其图像变化的响应速度与CRT相比尚有一定差距，从而显示活动图像时出现了诸如拖尾等种种缺陷，迫切需要在整机指标中列入控制这些缺陷的指标。应标准工作组的要求，我们就如何定量描述和测量运动图像质量等问题做了一些尝试和探索，发现"响应时间"及"运动图像响应时间"的指标都不能确切和可靠地控制运动图像的质量，亮暗拖尾时间才是比较恰当的选择。本文介绍了我们做此工作的一些心得。
　　1"响应时间"不适用于活动图像的场合
　　
　　响应时间是计算机显示器的一项极有价值的参数，它有效地规范了静止图片切换时响应速度的快慢，并不经意地沿用到电视图像的场合。一开始我们也以为响应时间的大小可以衡量运动图像劣化（下称运动伪像）的程度，实践中发现它们之间并无确切的定量关系。此外，常常可见一些报道，称某型电视机的响应时间指标是如何地好，但拖尾现象依然明显。相反的例子是显像管电视机，如测量其响应时间，由于荧光粉的余辉效应，它也有一定长短的下降时间，图像上却看不出拖尾。响应时间的测量仅涉及被测像素自身亮度变化，可称为瞬变响应，而运动响应还与相邻像素的亮度及人眼的视觉特性相关，应予另行定义。
　　
　　2运动响应的定义
　　图1a示意在暗的背景上有一亮的静止物体AB，物体呈现清晰的边界，当它以速度v从左向右运动时，如果相对于激励信号，显示亮度的变化不能瞬间完成，看到的物体一般如图1b的CF所示。1b图上还以虚线框 AB 给出物体的实际位置（对应于亮激励信号所在位置）。AC间的那些像素，此刻虽已变为亮信号激励，但其亮度还未来得及上升到足以与暗背景相区分的程度，从 C开始可察觉物体的出现，C到D亮度逐渐上升，形成上升的模糊边缘。到D点，其亮度上升到了与物体亮度不能分别的程度。BE间的那些像素，此刻虽已变为暗信号激励，但其亮度还未来得及下降到足以与亮物体相区分的程度，E到F亮度逐渐下降，形成下降的模糊边缘。到F点，其亮度下降到了与背景亮度不能分别的程度，F是物体的察觉终点。
　　根据以上描述，我们可以定义：AC为启动延迟长度；CD为上升模糊长度；BE为保持延迟长度；EF为下降模糊长度。
　　将以上各长度除以物体的运动速度v，就得到了具有时间量纲的参数，可分别称为：
　　运动启动时间Tmsu= AC/v;
　　运动上升时间Tmrice= CD/ v；
　　运动保持时间Tmkp= BE/ v；
　　运动下降时间Tmfall= EF/ v。
　　前缀"运动"及脚标"m"用来说明它们是运动响应的参数，以区别于瞬变响应的那些参数。
　　运动响应在国内外都倍受关注[1]，相关文献中提出的运动图像响应时间（MPRT），其定义与本文的运动上升时间和运动下降时间相当。
　　
　　3运动伪像和运动响应的实用参数
　　
　　上述四项运动响应的基本参数中，运动上升时间和运动下降时间在运动图像上直接表现为上升边缘模糊和下降边缘模糊。但在运动图像上找不出任何表现能与运动启动时间和运动保持时间单独联系起来，于是也不可能有与它们各自直接对应的运动伪像。然而，这并不意味着它们与运动伪像无关，它们经常参与引起运动伪像的"合唱"。
　　
　　例1边界位错
　　如图2a 所示，静止的物体是一黑白相间的竖杆，它的两边界上下对齐。当它在水平方向以速度v移动时，可能像图2b那样，两边界变得参差不齐。就激励信号而言，边界是上下对齐的，但显示的边界就不一定对齐了。比如显示的右边界，黑块要延迟保持时间后才出现，而白块延迟的是启动时间，如两个延迟时间不等（图2b对应于保持延迟时间大于启动延迟时间），就会呈现边界位错。为了直接描述边界位错的大小，需定义一个实用参数，比如"延迟时间差"（运动保持时间-运动启动时间）。显然，延迟时间差的值，可正可负，依场合而异。
　　
　　例2形状变化
　　看足球比赛的节目，飞行中的足球给人的感觉是个椭球，这是大家熟悉的现象，并被习惯地称作拖尾。借助于图1来说明如何定量描述此类运动伪像。AB可称为物体的实际长度，CF可称为在运动方向上的观察长度，拖尾的大小可用它们的差来表述，即拖尾长度=观察长度－实际长度=CF－AB=BE+EF－AC，由于这是亮物体在暗背景上的拖尾，称为亮拖尾，则亮拖尾长度=保持延迟长度+下降模糊长度－启动延迟长度。等式两边同除以速度，即得亮拖尾时间=运动保持时间+运动下降时间－运动启动时间=运动下降时间+延迟时间差。将图1中物体和背景的亮度相交换，可得暗拖尾时间=运动启动时间+运动上升时间－运动保持时间=运动上升时间－延迟时间差。可见拖尾这种运动伪像是3个基本参数组合作用的结果。由于表达式中存在负项，拖尾时间的取值也是可正可负，分别称作正拖尾和负拖尾。早期，运动上升下降时间远大于延迟时间差，拖尾总表现为正的，随运动上升下降时间性能的改进，出现负拖尾的场合会逐渐多起来。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　
　　例3间距变化
　　如图3所示，正的拖尾不仅使物体扩展，也会把两个物体间的距离拉近，而负拖尾将使物体收缩，却把间距推开。分析结果表明，间距变化恰好等于拖尾长度取反，因此间距变化可归属于拖尾类的运动伪像。
　　例4色彩间断和色彩位移
　　图4a示意的现象称作色彩间断（color breaking），静止时相挨的红蓝色块运动时分开了，即静止时的间距为0，运动时的间距为正，而间距的变化等于取反的拖尾长度，因此这个现象其实就是负拖尾的表现。可见色彩间断本质上是负的亮拖尾在彩色图像上表现的一个例子。
　　图4b示意的现象称作色彩位移（color shifting）。运动时两个色块相叠了，间距变成了负的，表明拖尾是正的，因此色彩位移本质上是正的亮拖尾在彩色图像上表现的一个例子。
　　
　　例5边缘色变
　　静止时无色的黑白图像运动时边缘挂色，这是由于三基色的运动响应特性不一致所造成的。这时需要按不同基色分别测量其运动响应特性，并找出它们的差别，无需为它另设新的运动响应实用参数。
　　表1归纳了种种运动伪像的表现与运动响应实用参数之间的关系。
　　由表1看出，所列种种运动伪像，对应的实用参数有5个：运动上升时间；运动下降时间；延迟时间差；亮拖尾时间；暗拖尾时间。如果运动图像边缘挂色，意味着三基色的运动响应特性不同，应分别测量。
　　从上述5项实用参数的定义可知，5项中3项为独立参数，其余2项可由独立参数作适当运算获得，且任何一项都可选作独立参数组的成员。就测量而言，关心何种运动伪像应直接测量对应的参数，避免从其他参数经运算得到，以免误差积累。
　　针对运动伪像而言，运动保持时间和运动启动时间并非必要参数，各自可以不予关注，但是它们的差却是引起运动伪像的重要因素，在多种伪像中发挥作用。当然，在别的场合下，运动保持时间和运动启动时间会对其它性能产生影响，例如引起声音与图像同步性的改变等等。
　　
　　4电视图像运动响应特性指标参数的选择
　　
　　整机指标在于控制质量水平，显然无需列入运动响应特性的各项参数，我国现行的数字电视机标准中选择了亮拖尾时间和暗拖尾时间两项，理由如下：
　　第一，多种运动伪像都与拖尾时间直接相关，限制了拖尾时间就等于直接控制了多种运动伪像的大小；
　　第二，由于拖尾时间是组合型参数，对这两项做出了限额要求，也就间接地对其余三项的限额做了要求。例如，要求亮暗拖尾的绝对值不大于10 ms，根据各参数的定义和不等式的运算规则，不难推出，延迟时间差的绝对值不得大于10 ms，运动上升下降时间之和不得大于20 ms；
　　第三，至于MPRT，它仅对运动上升和下降时间两项提出要求，其余三项处于失控状态。选择它不仅不能全面控制运动伪像的程度，还会误导显示器件生产厂家只顾改进MPRT的性能，而忽略对延迟时间差的关注。
　　
　　5拖尾时间的测量方法
　　
　　对于同一参数，可以有操作简繁程度不同、结果精度不同、测量成本不同的多种方法，以适应不同场合的不同需求。本文仅介绍方法简单、成本低廉的一种，它已被我国数字电视机的相关标准采纳，详细内容请见SJ/T 11348-2006《数字电视平板显示器测量方法》[2]。该方法采用了结构基本相同的四个测试图形信号（见图5），其中黑底白块的图形信号为测量亮拖尾时间而设计，白底黑块的图形信号则用于暗拖尾时间的测量。亮暗拖尾时间测试信号各包含两个图形卡，一个用于正拖尾的场合，另一个用于负拖尾的场合。只要了解了正亮拖尾时间测试图形的原理和使用方法，其余三个也就不宣自明了。
　　图5是正亮拖尾时间测试信号静止时的图形，它是由处于较低亮度L背景上的30个具有相同较高亮度H的长方块组成；每3个长方块组成一个图形单元；每图形单元内的3个长方块上下等间隔排列，上、下两块左右对齐，中间一块与上下两块错开一定距离，不同单元错开的距离是不相同的。10个图形单元分成左右两组。这些图形以相同的恒定速度（每场移动d 个像素）沿水平方向移动，当它们移出边界时，会从相对的边界移入画面，如此循环不息。左组的图形单元中间一块的左边界与上下两块的右边界分开的间距依次为0.2d、0.4d、0.6d、0.8d和1.0d；右组的图形单元相应的间距依次分开1.2d、1.4d、1.6d、1.8d和2.0d。与图形单元相对应的系数：0.2、0.4、…、1.0和1.2、1.4、…、2.0标注在测试卡的左右两侧。测试者注视画面上那些移动的图形单元，如待测显示器拖尾时间是正值的话，各图形单元的中间亮块与上下亮块相互靠近，原间距小的那些图形单元，甚至相互交错，找到处于交错到分开临界的图形单元，其对应的系数乘场周期即为测得的亮拖尾时间。如各图形单元不是相互靠近而是相互分开，那么拖尾时间是负值，需改用负拖尾测试卡测量，方能得到测量结果。负拖尾测试卡与正拖尾测试卡基本相同，仅有的差别是以交错的间距替代分开的间距。
　　该测量方法最突出的优点是简单、直接，由于测量中仅需要一台能发送测试信号的信号源，测量成本极其低廉。经统计检验，测量精度约2ms，与人眼的分辨能力相当，并能满足产品检验和质量控制的实际需要。
　　在定标过程中和公布后，该测量方法也受到一些质疑，主要有两条。
　　第一，测量条件中仅要求在最黑最白的极端变化下测量，是否需要像测量液晶显示器响应时间那样在多个不同亮度对的变化下测量？我们注意到液晶显示器的这一特殊性能，在不同亮度对的条件下，与响应时间一样，拖尾时间会有所不同。同时我们也注意到，最长的响应时间往往在亮度差别小的条件下产生，此时或许拖尾时间也会长些，然而，整机的这项指标关注点在于运动图像劣化程度，看不清的拖尾即使稍长一点也远不如稍短一点却十分明显的拖尾那样敏感，因此作为第一版出现运动响应参数的标准，未将不同亮度对列入测量条件。如果执行中发现不能实际控制液晶显示器运动图像的质量，改版时可加严测试条件，增加亮度对的设置。据了解，现标准执行一年多来，还未见测试数据与实际效果不相吻合的反映。
　　第二，认为该方法是"半人工测量"，不同的个体测试同一对象，所得的结果会不尽相同，从而对结果的可信度提出质疑。此现象确实存在，对于运动伪像之类主观性质的"参量"，个体之间的差异必定存在。因此，从严格意义上讲，测量结果应以足够数量样本的统计平均值或称"平均眼"的测量结果来表示。每一次测量都作规范的统计分析，实际上是做不到的。标准起草小组组织了几个单位做了一定规模的一致性验证试验，结果表明统计分布的标准偏差小于1.8ms ,因此有理由相信，对于一个训练有素的测试员，其测量结果（特别是多于一次的读数和做了简单平均的结果）与"平均眼"的测量结果之间的差别有望小于±1ms，在此精度的水平上，测试员的简单测量可替代"平均眼"的测量。对于电视机的应用场合，更小的拖尾时间差别，运动图像显示质量的变化实际上察觉不出来。因此作为产品检验和质量控制，这样的精度已能满足实际需求。现今，电视机生产已步入微利的行列，不再可能支撑超需要的质量成本，因此该测量方法被纳入数字电视的相关标准是自然而合理的选择。许多意见特别是来自境外的意见强调应采用"全仪器"的方法测量MPRT。如前所述，MPRT仅仅对应于边缘模糊的运动伪像，对其余许多运动伪像并无约束，不能全面控制运动图像的质量，不适合选作指标参数。所谓"全仪器"的方法实际上是将虚拟的"平均眼"物化，用一台精心设计的仪器来替代，这一设备至少在涉及的范围内应具有"平均眼"相同的特性，测得与"平均眼"相同的结果，从而能方便地得到重复性好、精度高的结果。无疑，这是大家共同的愿望和追求。有些场合下确实离不开高精度的测量。比如，显示屏质量的改进，不能指望某种措施一步就得到明显的提高，总是积累了许多细微的进步后才表现出明显的改进。每次细微的进步需要高精度的测量来肯定和引导，此时"半人工测量"就难以胜任了。我们期盼"全仪器"法尽快成熟起来，成熟的标志之一，应该是通过了"平均眼"的校准。
　　
　　6小结
　　
　　（1）根据运动响应的定义，描述显示图像运动响应特性的基本参数有4个，它们是：运动启动时间、运动上升时间、运动保持时间和运动下降时间；
　　（2）就定量描述种种运动伪像而言，运动响应特性的实用参数归纳为5个，它们是：运动上升时间、运动下降时间、延迟时间差、亮拖尾时间和暗拖尾时间：运动保持时间和运动启动时间总是以它们的差（即延迟时间差）来影响运动伪像；
　　（3）由于亮拖尾时间和暗拖尾时间的指标不仅能约束与其直接相关的许多运动伪像，对其余运动伪像也具有间接的约束力，因此被数字电视机相关标准选为指标限额参数。希望国内外其它标准中也能作同样选择，如果另选运动上升时间、运动下降时间两项（即MPRT）的话，则必须追加一项延迟时间差；
　　（4）本文介绍的亮暗拖尾时间测量方法简单、直接、方便、廉价，精度与人眼分辨能力相匹配，满足规模生产中产品检验和质量控制的实际需求。"全仪器"的测量结果重复性好精度高，期盼它日臻成熟，以满足不同的需求。
　　
　　参考文献
　　[1]T. Yamamoto, Y. Aono, and M. Tsumura, "Guiding Principles for High Quality Motion Picture in AMLCDs Applicable to TV Monitors " [C], SID "02 Digest of Technical Paper, 2000 P456.
　　[2]SJ/T 11348-2006《数字电视平板显示器测量方法》[S].省略。
　　
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文