高动态范围LCD区域亮度控制伪像的评价方法

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摘 要:区域亮度控制 LCD 显示质量高,但无法使用常规性能评价体系测评伪像｡例如,当完全关闭背光源时,区域亮度控制显示器可以实现完美的黑阶,因此"对比度"的有效值将会变为无穷大｡本文引入了有效的､有意义的测评指标,来测试静态和动态晕环的伪像(halo artifact),并得到心理学实验的证明｡

关键词:区域亮度控制系统;高动态范围;点扩散函数

中图分类号:141.9文献标识码:B

Metrics for Local-Dimming Artifacts in High-Dynamic-Range lcd

Anders Ballestad1, Thomas Wan1, Hiroe Li1, and Helge Seetzen2

(1.Dolby Canada Corp., Vancouver, Canada; 2. Dolby Laboratories)

Abstract: Local-dimming LCDs exhibit qualities and artifacts that cannot be captured by common performance metrics. For example, a local-dimming display can obtain perfect black levels when the backlight is turned off completely, and the effective measurement of "contrast" will therefore return an infinite value. In this article, robust and meaningful metrics are introduced for the static-and motion-halo artifacts, and good agreement with psychophysical experiments is shown.

Keywords: Local-dimming system; high-dynamic range(HDR);point-spread function(PSF)

以发光二极管(LED)为背光源的液晶显示器(LCD)的不断发展,导致了区域亮度控制显示器的出现,现在它开始进入销售市场,号称具有对比度高､功耗低的特点,并且改善了图像质量｡先进的区域亮度控制系统(local-dimming system)也为真正的高动态范围(high-dynamic range, HDR)成像提供了更好的亮度性能｡随着这种向动态背光发展的趋势,需要采用适当的性能指标来评价这种设备的独特性能｡

原则上,任何显示器都具有其外部性能特点,例如峰值亮度､对比度､色域､空间分辨率等｡当然也可以测试区域亮度控制显示器的这些性能,但这些结构独特的显示器还具有一些独特性能｡例如,传统的帧顺序对比度测试法几乎无法应用于区域亮度显示器的测试,因为一个黑色全屏图像会阻止背光源的光出射,这样就产生了无穷大的"对比度"｡正像球形亮度控制能使帧顺序对比度变为无穷大一样,在 ANSI 测试平台测试时发现,区域亮度控制对区域对比度(local contrast)会产生相当神奇的作用｡但是,由于在背光调制器和阻光调制器(液晶屏)之间存在光腔光散射,区域对比度肯定不会像球对比度那样高,应当建立并理解二者的完整定义｡

区域亮度控制显示器独特的结构也导致了新的伪像出现,这是动态背光调制的结果｡传统评价体系中无法捕获这些潜在的伪像,但是如果设计中出现了漏洞,就必须考虑它们对显示器图像质量的影响了｡在本文中,由于缺乏这些伪像的评价体系,就像前文叙述过的一样,任何区域亮度控制结构都能实现非常高的对比度,因此除非通过目测,否则无法对不同的区域亮度控制产品进行比较｡与这些新伪像关系最相关的是:对其物理特性的描述与评价｡最初的客户研究结果是确定不同区域亮度控制设计中伪像的严重程度｡客户研究结果是很重要的,因为它提供了基于评价标准的物理知觉等级｡使用客户研究结果来验证该评价体系测试､观察伪像的灵敏性｡而加权指标用于评估指定显示器的知觉特性,也可以作为性能设计因素辅助设计新的显示器｡

1 区域亮度控制的结构

在介绍区域亮度控制显示特殊的伪像之前,一定要了解区域和静态背光源的结构设计差别｡对于传统背光 LCD,强度均匀的背光源照射着整个显示区域,通常来说各点的平均光强是一致的(整体亮度控制,global dimming)｡因此,实现最低黑阶的主要影响因素是 LCD 屏的消光能力｡在 LCD 屏后面,区域亮度控制显示器所用的可寻址发光元件采用阵列结构｡整个显示区域的每个光源都能在光强满功率输出和无信号输出之间进行调整｡图 1 为区域亮度控制样品的示意图｡

发光元件的分布可以调整,对于使用 Dolby Vision 技术的显示器而言,最近商业化产品的发光元件数量在少于 100 个和超过 2,000 个之间[1](图 2)｡同样,由于 LED 具有良好的环境和控制特性,通常选择 LED 作为光源,发光元件的结构可以有很大差别｡拥有大量发光元件的区域亮度控制显示器倾向于每个元件使用一个 LED,而发光元件较少的通常在一个发光区内采用多个 LED｡每个元件配备单独的波片或者简单地在显示器光学腔内进行充分漫射,就可以在这种设计中将多个 LED 整合在一起了｡

发光元件的特殊设计显然与区域亮度控制显示器的图像质量无关｡当然,设计方案的选择会影响显示器其他方面,例如能效和设备厚度,但是只有元件发射光的空间和角度分布与图像质量有关｡因此区域亮度控制阵列可以采用两个发光元件的间距和元件发射光的点扩散函数(point-spread function, PSF)来描述,即使发光元件是包含了多重 LED 的"庞大"结构,PSF 的定义仍然适用,因为对于这样的排列,最简单的表示法仍然只是单个(虽然可能是复合的)PSF 在间隔中的定位,间隔是由矩阵中心到中心的间距确定的｡

可以使用不同的算法驱动发光阵列,但总的来说,元件的驱动值是由相应的区域图像数据得到的｡需要对 LCD 图像进行一些调整,以补偿发光元件在那些驱动条件下所产生的各种低分辨率光场｡补偿可以采取多种方式,对光场既可以进行非常普通的估算,也可以进行详细的数学预测｡与特殊选择的运算法则无关,更重要的是要认识到,对于发光阵列低分辨率的变化,LCD 补偿是区域亮度控制设计的关键部分｡无补偿或不完全补偿会显著增大区域亮度控制的特殊伪像,如下文所述｡

如上所述,只有当图像的每个区域都具有足够强背光的情况下,才能采用算法补偿｡这对高亮度大面积显示是个挑战,因为它要求均匀的背光亮度｡为了满足这种要求,相邻发光元件的 PSF 需要进行特殊重叠,以使两个发光元件之间不存在低亮度缝隙｡这种方案适用于高亮度大面积显示,但是对于高亮度小面积显示来说就有些复杂了｡当在黑背景中显示明亮的小物体时,所产生背光的尺寸可能超过目标图像本身,对比度有限的显示屏遮挡不住额外的光,结果在物体周围出现光云或晕环(halo)｡

当区域亮度控制显示器应用于 PC 机时,所遇到的难题之一是:无处不在的鼠标指示器｡滚动的电影片头(Scrolling movie credits)和微软 的"星域(star-field)"屏幕保护程序是另外一些常见的例子,同样会遇到这种伪像问题｡在黑背景下观看时,LCD 无法补偿明亮图像周围､有限对比度屏所泄漏的光;对于其他非零背景灰度级,可以在 LCD 上进行补偿以消除伪像｡

2 静态晕环

晕环是目标图像周围的多余光云｡如果它是中等长度,晕环就显而易见,也就是说它很小或很大时,就观察不到,后者使用的是平面背光源对比度减少显示器(flat-backlight reduced-contrast display),而不是区域亮度控制显示器｡PSF 较小时,晕环的严重程度可以用下式表示:

晕环度量值 = 总晕环亮度 / 总影像亮度 (1)

这个公式中没有包括光谱中的极端部分,背光源是平面的,如果需要估算 PSF 非常大的晕环,需要增加一个修正项;例如,(1-Am )n,A是所测晕环与无限大晕环(等同于平面背光源显示器)的光强比值,m 和 n 均为拟合参数｡但通常,对于所有合理大小的PSF,填充因子 A 相当小｡

晕环形状也很重要,因为它的中心就是目标图像,但是晕环伪像的严重程度通常与公式(1)描述的一致｡为了进行这种计算,使用发光图像照相机(luminance-imaging camera)拍摄一个全屏显示的图像,例如使用 Lumetrix 400A 图像光度计系统(imaging photometer system)[2]进行拍摄｡晕环测试图片显示的是一个小圆圈,这是可能产生了晕环的一个具有代表性的小特征｡由于测评的目的是量化伪像的严重程度,对于所显示的内容和背光,生成运算法则,这些都不需要进行特殊说明｡按照前述实验条件,从 37 in显示器上拍摄的发光图像如图 3(a) 所示,该显示器具有 1,080 个像素､1,380 个间距约 19 mm 的独立 LED 发光元件,图 3(b) 为横截面图,二者均按对数坐标进行绘制｡

对照相机拍摄的亮度图像进行调整,以构造真正的物理显示晕环｡为了实现这一目的,在 LCD 屏透过率为最大､低和最低的情况下拍摄了同一测试图像的三种亮度图像,三者的背光强度均相同｡通过分析三幅照片之间的差别,可以将照相机散射效应分离出来,得到真实的显示晕环,还可以确定晕环和测试图像的边界｡真实晕环(蓝线)和测试图像(绿线)均如图 3(b) 所示,测试图像的散射是显而易见的｡

3 动态晕环

虽然出现了不期望的晕环,但由于观众对光幕照明(veiling luminance)的习惯或者由于眼内散射的作用,大部分晕环被遮掩住了[4]｡这就为背光源所需背光元件的数量设置了一个上限,它可以根据已知的光幕照明模型很容易地计算出来[5,6]｡例如,如果半高宽(full-width half maximum, FWHM)为 1in的晕环正好能够被光幕照明所掩盖,那么每平方英寸显示面积就需要大约一个发光元件｡

但是,如果晕环明显可见,即晕环大到不能被光幕照明所掩盖,那么它尺寸或形状随时间的变化就会被看出来｡此外,如果测试图像移动了一小段距离,但是晕环原地不动(因为它与发光元件的静态位置有关),那么图像和晕环的相对质心也将发生变化｡这就产生了晕环随测试图像的平稳移动而"走动"或"摇摆"的错觉｡

下文介绍的是这种动态晕环伪像的测试方法｡在黑色背景中显示一个白点,白点半径为 22 个像素｡光度计位于距离显示器中心 2 米远的一个固定位置上,传输围着显示器中心旋转､运动半径为 300 像素的白点图像｡(光度计设置为f/5.6､焦距长度 12.5 mm,这使得光度计孔径约为 2.2 mm｡)在同样的 37 in区域亮度控制显示器上进行如前所述的测试,测试结果如图 4 所示｡当半径为 22 个像素的点沿着较大半径(300 个像素的圆)绕着显示器中心顺时针运动时,测试结果图表明了晕环大小｡结果发现平均晕环度量值(mean halo metric)为 0.0050,标准偏差为 0.0007｡这种特殊显示器的 PSF 的 FWHM/2 为 33 个 LCD 像素｡

动态晕环度量值是晕环度量值与平均标准偏差的比率｡因此,可以简单地通过计算一系列连续的静止图像的静态晕环度量值,测试动态晕环的伪像｡如上例所示,动态晕环测评的百分变化率为 0.0007/ 0.0050×100 = 14%｡

这两种测试方法均提供了测量晕环伪像的数值方法｡它们可以很方便地使用常规设备进行测试,对于小测量误差相对不敏感｡最后,评价一下这些伪像对感知质量的影响｡

4 用户对静态晕环和动态晕环伪像的研究

由于区域亮度控制显示器在市场中所占份额仍然很小,因此可以使用一种灵活的模拟器来筹划发光元件产品在市场中的预期范围｡这个模拟系统包括一台高亮度投影仪,其图像传递到后面的一个常规 40 in 1,080 p 1000:1 对比度的液晶面板上,刷新频率均为 60 Hz｡如果这两个空间调制器的图像同步,投影图像可以用于模拟区域亮度控制显示的光场[3]｡

可以使用两种方法研究晕环伪像的严重程度｡使用比例尺法(ratio-scaling)表征普通用户对静态晕环伪像的反应,晕环尺寸在无晕环到平面背光之间的范围内｡在第二套实验方案中,采用持续刺激法(method of constant stimuli)检测两种静态和动态晕环伪像的阈值｡实验进行时,参与者坐在黑暗的房间内､距离显示系统 3 m 远的地方｡14 名参与者完成了用户研究(平均年龄 31 岁,其中有 9 名女性)｡为了最大程度地减小光幕照明的影响,点的大小调整为半径为 10 个像素,因此后续结果无法直接与前面的实验结果进行对比｡为了满足具有 1,380 个发光元件的 HDR 显示器 PSF 的测试的需要,采用了常规形状的模拟背光源｡PSF 的横向范围发生了变化｡静态晕环的用户反应结果如图 5 所示｡结果发现,在该实验条件下,静态晕环伪像的阈值为:PSF 是 20 ± 9 像素(FWHM/2),在图 5 中使用黑色垂直线表示相应的 A 参数｡

我们还在图 5 中绘制了公式(1)的示意图,虚线为公式(1)的计算结果,实线为增加大晕环修正项 (1-A)2后的公式(1)的结果｡静态晕环伪像阈值确定为 20 ± 9 LCD 像素 (FWHM/2)｡Dolby Vision 是一种亮度高 (1,500 cd/m2以上) ､LED 密度高的显示器设计,杜比对比度是更为传统的(高达 650 cd/m2)中等 LED 密度的设计｡无论在大晕环(实线)或者无大晕环(虚线)的情况下,修正项均为 (1-A)2,其中常数"2"是拟合得出的｡拟合中也包含了光幕照明的影响,由于平板背光对等式(1)分子和分母的影响,增加了一个 0.6 % 的常数｡对所有合理大小的晕环,大晕环不必进行修正,仅用公式(1)进行描述就足够了｡

在研究动态晕环的用户调查中,图 4 所示的测量数据是通过一个小点围绕着大圆圈运动进行模拟的,而且在前进过程中可以调整晕环尺寸｡所用晕环的平均大小为 45 个像素(FWHM/2)｡研究发现,动态晕环振动幅度越大,越容易被看见,阈值确定为 2.7 ± 0.8 个像素｡这意味着:如果动态晕环的大小超过 6% (振幅除以晕环的平均尺寸),用户将会观察到伪像｡在这个实验中,晕环尺寸按照 2 Hz 的频率进行振动｡对于较高频率,即移动得更快,将会出现一种新的变化,由于无法取样,所以看不到伪像｡

5 结 论

本文概述了区域亮度控制显示器静态和动态晕环伪像的定性检测方法和评价标准的开发｡心理实验验证了预期的结果,此外,两种伪像在给定测试条件下都可以检测出阈值｡从实质上讲,静态和动态晕环伪像与区域亮度控制显示器的结构有关｡对特殊伪像进行灵敏的测试,可以帮助设计者优化产品质量,避免不良性能,因为即使最小的晕环也可能会产生摆动效应,或者反过来说,如果晕环尺寸保持为一个大的常数,就看不到伪像｡

参考文献

[1]Dolby Laboratories, Inc.; .

[2]Lumetrix Corp.; .

[3]H. Seetzen, L. A. Whitehead, and G. Ward, "A High Dynamic Range Display Using Low and High Resolution Modulators," SID Symposium Digest 34 (2003).

[4]M. Trentacoste, "Photometric Image Processing for High Dynamic Range Displays," M.Sc. thesis, University of British Columbia, Canada (2006).

[5]G. Spencer, P. Shirley, K. Zimmerman, and D. P. Greenberg, "Physically Based Glare Effects for Digital Images," Computer Graphics 29, 325-334 (1995).

[6]CIE (International Commission on Illumination), "CIE Collection on Glare, 2002."

作者简介:Anders Ballestad,杜比加拿大公司高级研究工程师,E-mail:;Thomas Wan, 杜比加拿大公司高级研究工程师;Hiroe Li,杜比加拿大公司研究工程师;Helge Seetzen,杜比实验室高动态范围技术主任｡

(北京科技大学 石琳

译自《Information Display》01/09)