图像质量与显示器性能.ppt

第三章图像质量与显示器性能,3.1图像信息的产生与传输,图像信息：表示图像的信号是用与图像空间位置（x,y,z）相应的亮度或色彩变化分布函数f(x,y,z)所表示的光信号，或通过扫描等技术手段，由光信号转换的随时间变化的电压函数f(t).前者称为图像，后者称为图像信号。,图像传输的基本过程：发送端把活动景物的光信号转变成电信号，经过加工，处理，记录、传送，在接收端把电信号还原成图像发送端：采用摄像管接收图像接收端：采用显示器显示（包括CRT和PFD等）,电子图像,静止图像,活动图像,电视传送的主要信息,信号处理与传输通道,电视图像光电转换系统简图,镜头摄像管,景物,图像电信号,显像管,图像电信号,重现图像,摄像端光电转换,显像端电光转换,RL,3.2图像中的像素,像素：构成图像的最小面积单元，具有一定的亮度和色度属性。CRT显示屏上的图像的像素数为3050万个，而高分辨的显示器上的图像的像素数为100万个以上黑白图像：每个像素是亮度不同的小点彩色图像：每个像素由RGB三个点构成,3.3图像中的逐行扫描和隔行扫描,对于显示器件，想要把模拟信号变成图像显示出来，都需要一行一行进行电光转换这种转换过程是利用人眼的视觉暂留现象，使得人感到是一幅图像。这种沿着行地址进行横向移动扫描称为水平扫描，又称为行扫描。把扫描线从上到下一点一点下移的动作称为垂直扫描。,目前的电视图像是隔行扫描的，每幅图像需要扫描两遍，第一遍先扫奇数行（1，2，3），第二遍扫描偶数行（2，4，6.）,通过扫描两遍才能把一幅图像的所有像素扫描出来。这样的一遍叫做一场，两场合为一帧帧扫描频率为25帧/s(PAL)制，或30帧/s(NTSC)制。,1隔行扫描,逐行扫描：是按照1，2，3，4的顺序进行扫描，只需要一遍扫描就可以完成一帧,所以当帧扫描频率和场扫描频率相同时，逐行扫描的信息量将是隔行扫描的2倍。个人计算机大多采用逐行扫描模拟电视基本采用隔行扫描,2逐行扫描,由于模拟电视每套电视节目的信道带宽只有68MHZ，这样的信道内传送逐行扫描图像，帧频只能达到25/30帧每秒。这样的图像会产生大面积闪烁。使用隔行扫描时，同样的带宽可以传送每秒50/60场的信号，尽管信息容量一样，但可以降低大面积闪烁隔行扫描的问题：会造成行间闪烁，垂直分辨率严重受损，只有水平分辨率的一半，在画面上造成梳齿现象和行抖动。,3.4逐行扫描还是有用的概念,数字电视逐行扫描和隔行扫描都可以使用数字电视标准中含有多种扫描方式：480i、480p、720p，1080i，其中，i是隔行扫描，p是逐行扫描由于其采样保持的性质，平板显示器必须使用逐行扫描显示器件工作在50/60Hz，像素的亮度在一帧内不会改变，不会产生闪烁问题,逐行扫描能够提供比较好的图像质量，但现在主要广播电视仍然是隔行扫描的，需要将收到的隔行扫信号转换成逐行扫描显示。转换方法：将奇数场信号和偶数场信号存入两个存储器合成一帧完整图像再逐行读出。信号形成方式有两种：1简单的重复方式在一场即1/50秒的时间内，按照存入的次序逐次逐行读出图像信号，读出的逐行信号未作任何处理，就把隔行扫描信号变成帧频50Hz的逐行扫描2利用差值算法生成逐行扫描图像信号,利用插值算法生成逐行扫描图像信号方法：首先用两个场存储器把奇、偶两场信号存储起来，取本场中垂直相邻的像素A、B以及在前一场的在时间上与该像素相邻的像素C，从这三个像素亮度中取中间值。,静态图像时像素C的值就是中值，运动图像时，本场相邻两个像素的相关性大，中值一般不是C值，这就实现了场内运动预测，可以避免出现水平运动图像的锯齿形失真。,正常人眼的临界闪烁频率是46Hz，并随着屏幕亮度的上升而上升我国彩电行业规定的场频为50Hz，当图像亮度高时，会产生大面积闪烁，可以提高场频或帧频来减小大面积闪烁，倍频扫描变换技术可减轻或消除大面积闪烁倍频扫描是利用大规模数字集成电路，先将模拟信号转变为数字视频信号，在扫描电路中使用存储器将每场数字信号存储一次，读取两次，因而由50场变成100场，可消除画面闪烁，但这种方法对运动画面的改善没有帮助,3.5电视图像的基本参数,1图像清晰度图像清晰度：指人主观感觉到的图像的细节的程度，分别用人眼在水平方向和垂直方向所能分辨的像素数来定量描述，并相应地称为水平清晰度和垂直清晰度。如果人眼的最小分辨角为，在分辨能力最高的垂直视线角15度之内所能分辨的像素数为：Z=15/例如：当为1分时分辨率为900线,电视系统的分辨力：指电视系统本身分辨图像的能力，它不受主观因素的制约。一般来说，扫描行数越多，电视系统的分辨率越高。垂直清晰度M主要取决于图像有效行数Z，由于不是所有的行正好扫到图像的分界线上，有效行数Z还要乘以凯尔系数K1，即M=ZK1隔行扫描，还要乘隔行扫描系数：M=ZK1K2在同一电视系统中，水平分辨率和垂直分辨率相同时，图像质量最好。当高宽比为A时，水平清晰度N为N=AK1K2Z,2电视系统的分辨力,2006年4月，信息产业部公布了数字电视相关行业标准，规定液晶、等离子电视垂直清晰度和水平清晰度必须达到720线以上才算高清目前，42英寸等离子分辨率有4种，分别是852480，1024768，10241024，10241080,对于垂直清晰度，基本上垂直方向有多少像素就可以认为有多少线例如：852480可以认为垂直清晰度是480线对于水平清晰度还和图像的高宽比有关，对于16：9的平板电视，其电视线数值为水平方向像素值/高宽比例如：852480的水平清晰度是9825/16=479线，注意此处479意味着其水平清晰度最高不能超过479线,大多数情况下，电视信号源图像的像素格式和电视机固有的像素格式不完全匹配。例如：我国HDTV的图像像素格式为：19201080，而电视固有的像素格式多种多样，包括：852480，7205761280720，10241024，1366768等，当19201080的图像加到其他像素格式的电视机上，就需要向上或者向下进行变换，以达到和电视机的像素格式匹配。否则图像会过度充满或者未充满屏幕。,只有当图像或者信号源的像素格式与电视机固有的像素格式完全匹配时，才能实现电视机与源图像的完全匹配。,3视频信号带宽、场频和扫描行数,当要求图像的分辨率越高时，亮度信号的频带越宽。图像信号的最大带宽可由下式表示：,其中A为图像高宽比，K1为凯尔系数，K2为隔行扫描系数，Z为扫描行数，fp为祯频，按照我国电视标准计算，图像的最大带宽fmax约为5.1M,实际上我国的视频传输通道的带宽固定为6Mhz,场频：选择场频主要考虑画面无闪烁、不受电源干扰、活动图像又连续感、占用带宽尽量窄等因素我国线性系统采用50Hz，高于人眼临界闪烁频率，这既有利于克服画面闪烁,扫描行数：扫描行数的确定主要考虑图像的清晰度与信号带宽两方面。当行数增加时，图像清晰度增加，但带宽增加速度更快，而是频带宽的增加导致一定波段中可容纳的视频节目数量变少，还将导致电视设备的复杂化，增加投资成本。我国现行电视采取625线,3.6显示器的主要性能,显示器的主要性能包括：画面尺寸、显示容量（分辨率）、亮度、对比度、灰度、显示色数、响应速度、视角、功耗、体积/质量等1.画面尺寸一般用画面对角线的长度表示，单位为英寸或者厘米，常用对角线的英寸数作为型号表示,显示容量表示总像素数，有时，总像素数也可以用分辨率表示，分辨率可以用1mm内的像素数表示有屏分辨率和图像分辨率之分屏分辨率：屏幕上所能呈现的图像像素的密度，显示器上的像素总数是固定，分辨率与画面尺寸及像素间距有关，屏分辨率取决于显示屏的结构、类型、像素组成方式，是产品不变的量图像分辨率：指数字化图像的大小，是对信号和图像视频格式而言，也以水平和垂直像素的多少来表示。图像分辨率是说明图像系统分解像素的能力，是由扫描行数、信号带宽等因素决定。,2.显示容量,中国信息产业部公布的SJ/T11343-2006，数字电视液晶显示器通用规范中规定：HDTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）720线SDTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）450线,3亮度,亮度表示显示器的发光强度，用cd/m2（尼特）表示在测量电视机亮度时，因为对电视机的调整状态不同，表征屏亮度的参数指标也不同，主要有种：峰值亮度、平均亮度、最大峰值亮度和最大平均亮度对被动发光型显示器，通常有用平均亮度和有用峰值亮度是一样的，最大平均亮度和最大峰值亮度是一样的对主动发光型器件，平均亮度与峰值亮度是不一样的对于正常观看节目而言，平均亮度才有实际意义,对画面亮度的要求与环境光强有关例如，电影院中，电影亮度只有3045cd/m2就可以了，但在室内看电视，要求显示器的亮度要大于70cd/m2，而在室外观看则要求亮度应达到300cd/m2左右，所以高质量的显示器亮度的要求是300cd/m2左右,中国信息产业部公布的SJ/T11343-2006，数字电视液晶显示器通用规范中规定：平均亮度值350cd/m2CRT电视机平均亮度标准规定值：60cd/m2PDP电视机平均亮度标准规定值：60cd/m2我国新公布的标准中还规定了亮度均匀性标准LCD亮度均匀性75%PDP亮度均匀性75%CRT亮度均匀性75%,4对比度,对比度（C）：最大亮度（Lmax）和最小亮度（Lmin）之比来表示C=Lmax/Lmin分为暗场对比和明场对比度，暗场对比度在全黑条件下测得，亮场对比度是在有一定环境光的条件下测定的显示器的对比度是在亮度控制正常位置，在同一幅图像中显示图像的最亮部分和最暗部分的亮度之比对比度越高，图像的层次越多，清晰度越高,数字电视液晶显示器通用规范SJ/T11343-2006中规定：,LCDTV对比度值150：1PDP，CRT的对比度值150：1通常情况下，好的图像对比度至少要大于30：1,灰度指图像的黑白亮度之间的一系列过渡层次。人眼能分辨的亮度层次为：,结论：灰度与图像对比度成正比，并受图像最大对比度的限制。灰度级越多，图像层次越分明，图像越柔和。眼睛可分辨的最大灰度层次为100级,5灰度,其中：是人眼对亮度差的分辨率，一般取0.020.05。若取0.05，则C=50时，n=78，C=100时，n=92。,在彩色显示时，灰度等级就表示各基色的等级。现代显示技术中，通常用2的整数次幂来划分灰度级例如：将灰度分为256级，正好占据了八个bit的计算机空间。所以256级灰度又称为8bit灰度级。在彩色显示时，就是1670万全色一般来说，字符显示对灰度没有要求，只要有一定的对比度即可。而图形显示器则不仅要求高的对比度，还要求尽可能多的灰度级,6色域和色域覆盖,色域：CIE1931年公布的人眼可见光谱色域表示显示颜色的范围和鲜明程度通常用CIE1976均匀色度坐标中显示器的RGB三角形大小来表示。在马蹄形线框中，三角形越接近外侧颜色的饱和度越高，越接近中心越靠近白色,色域覆盖：在1976CIEuv色度图上，显示电视机或者其他显示器的色域面积（即三基色RGB三角形的面积）占uv色度空间全部面积01952的百分数。该百分数的值越大，说明重现还原的彩色越多，彩色越鲜艳色域覆盖率的计算：用色度计分别测量屏幕中心红色的色度uRvR，绿色的色坐标uGvG，蓝色的色度uBvB，计算RGB三角形的面积：,色域覆盖率用Cp表示，则用RGB三角形的面积SRGB除以0.1952，乘以100%，得,按照规定，LCD、PDP、CRT电视机的色域覆盖率V32%,7.响应时间,响应时间：显示器各点像素在激励信号作用下，亮度由暗变亮和由亮变暗的全过程所需要的时间，响应时间等于上升时间加下降时间,上升时间：图像亮度从10%上升到90%所用的时间下降时间：图像亮度从90%下降到10%所需要的时间,注意：显示器件一个像素的响应速度与显示图面整体的响应速度不一定一样，一般使用比较实用的方法，即图面整体响应速度来表示电视图像响应时间要小于1/30s，一般主动发光的显示器响应时间都可以小于0.1ms，而非主动发光的LCD的响应时间为10500ms,8视角,一般用面向画面的上下左右的有效视场角度来表示国际电工委员会对视角作了规定：在屏幕中心的亮度减小到最大亮度的1/3的时候的水平或垂直方向的视角测量方法：首先测量屏幕中心的亮度为L0，然后水平移动测量仪器的位置，分别在中心点的左右水平方向测得亮度为L0/3时，得到的左视角和右视角之和，为水平视角，垂直视角同理测量在SJ/T11343-2006中规定：水平可视角120度垂直可视角80度,9功耗,功耗分只测定显示器件的情况和测定包括驱动电路等在内的模块的情况。（一般采用后者）反射式LCD功耗很低，透射式LCD实用背光源，功耗就不低了。,10发光效率,发光效率是发光型显示器件所发出的光通量和所消耗的功率之比VFD发光效率约为10lm/W，LED随其材料不同发光效率在14lm/W，OLED的发光效率为15lm/W，PDP的发光效率只有2.3lm/W发光效率决定了显示器件工作时的功率消耗，这对便携式显示器件尤其重要。,3.7关于On/Off时间与GTG时间,对于LCD响应时间，用户常对厂家宣称的过快数据感到困惑，因为在定义显示屏响应时间时，上升下降时间指信号分别在稳定值的10%与90%之间的时间间隔。其余20%的时间被忽略了。对于液晶分子来说，开启和断后都有滞留时间，有时甚至可能超过ISO响应时间定义本身，所以省去这20%就可能美化了指标,由于液晶分子由黑到白和由白到黑的转换速度并不是完全一致的，为了能够尽量有意义的标示出液晶面板的反应速度，针对响应时间的定义，基本以“黑白黑”全程响应时间为标准。事实上，液晶分子转换速度及扭转角度由施加电压的大小来决定。从全黑到全白液晶分子面临最大的扭转角度，需施以较大的电压，此时液晶分子扭转速度较快；而介于全黑、全白间的较小幅度灰阶变化，需施加较小电压来进行准确而精细的角度控制，因此液晶分子扭转速度反而要慢一些。通常来讲，液晶面板黑白间的响应时间最快，而其它灰阶之间也是构成绝大多数不同色彩变化的响应时间，要比黑白间的响应时间慢得多。,例如：某液晶显示器的响应时间测试数据按照ISO定义上沿时间为28.5-12=16.5ms但实际观察整个像素从0%到100%灰度转化的全部过程，用时40ms。ISO定义的严重的缺陷是：忽略了不同灰度切换的时间,某液晶显示器响应时间测试,传统响应时间计算方式下，液晶显示器虽然可拥有16ms,12ms或8ms的响应时间，然而其灰度响应时间却可能超过40ms甚至60ms，所以以黑白黑为响应时间标准无法全面表现LCD真实的反应速度所以提出了灰度响应时间（GrayToGrayGTG）概念,传统响应时间与最大灰阶响应时间对比,液晶分子的响应时间方程式为：,其中，为液晶材料的粘滞系数，d为液晶盒驱动电压，为液晶材料的介电系数。V为液晶盒驱动电压,要缩小响应时间，需要从以下4方面着手：1减小液晶材料的粘滞系数减小液晶盒厚度增大液晶盒驱动电压增大液晶材料的介电系数,液晶材料的粘滞系数和介电系数都是直接与液晶材料本身的特性相关的，需要反复实验测试对比找到合适材料增大液晶盒驱动电压可以提高响应速度，但同时减小液晶寿命。所以需要反复实验和测试得出合适的驱动电压值GTG响应时间的实现与过驱动技术分不开过驱动技术是2001年下半年由NEC为液晶电视开发的FFD技术基础上发展起来的。,注意：,过驱动技术的原理：当施加电压开启液晶屏某个像素时，假设在1V电压激励下液晶分子从白转黑的转换过程用时20ms。可将激励电压加倍获取更快的响应时间。比如2V电压所得10ms的响应时间。通过在增加灰度转换的上下沿的电压，可以减少灰度转换过程所需的时间。,现在不少公司都采用过驱动技术，以先进的集成电路的精准操控，让液晶分子转动更快，大大缩短了灰度响应时间，该可以使其平均GTG达到4ms。在一定程度上改善了图像质量,未使用过驱动与使用过驱动技术波形比较,OverDrive液晶驱动加速技术原理就是建立在增大液晶单元盒驱动电压的基础上的，但它会不会缩短液晶显示器的寿命，因为在液晶本身最大的翻转电压处在“黑白黑”阶段，而所有灰阶部分的翻转电压全部都小于“黑白黑”的部分，OverDrive技术的前提就是只对灰阶部分的翻转电压进行提升，提升的最大值也不会超过“黑白黑”部分的最大电压，而对于“黑白黑”部分OverDrive并没有进行调整，所以OverDrive的电压调节是完全在安全范围之内的，寿命不会受到任何影响。也就是说大部分灰阶响应时间液晶显示器的“黑白黑”响应时间依然是8ms，而使用OverDrive技术的灰阶（GTG）响应时间基本都在4ms以下,未完待续,