顯示技術(shù)基礎(chǔ)3

顯示技術(shù)基礎(chǔ)辦公室：E-mail:liulin@——圖像質(zhì)量與顯示器性能

第二章陰極射線管及圖像質(zhì)量

1.圖像信息的產(chǎn)生與傳輸圖像中的像素電視圖像的基本參數(shù)顯示器的主要性能關(guān)于On/Off時(shí)間與GTG時(shí)間1.圖像信息的產(chǎn)生與傳輸圖像信息：表示圖像的信號(hào)是用與圖像空間位置（x,y,z）相應(yīng)的亮度或色彩變化分布函數(shù)f(x,y,z)所表示的光信號(hào)，或通過(guò)掃描等技術(shù)手段，由光信號(hào)轉(zhuǎn)換的隨時(shí)間變化的電壓函數(shù)f(t).前者稱為圖像，后者稱為圖像信號(hào)。圖像傳輸?shù)幕具^(guò)程：發(fā)送端把活動(dòng)景物的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)加工，處理，記錄、傳送，在接收端把電信號(hào)還原成圖像發(fā)送端：采用攝像管接收?qǐng)D像接收端：采用顯示器顯示（包括CRT和PFD等）電子圖像靜止圖像活動(dòng)圖像電視傳送的主要信息信號(hào)處理與傳輸通道電視圖像光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)簡(jiǎn)圖鏡頭攝像管景物圖像電信號(hào)顯像管圖像電信號(hào)重現(xiàn)圖像

攝像端光→電轉(zhuǎn)換顯像端電→光轉(zhuǎn)換RL2圖像中的像素像素：構(gòu)成圖像的最小面積單元，具有一定的亮度和色度屬性。CRT顯示屏上的圖像的像素?cái)?shù)為30～50萬(wàn)個(gè)，而高分辨的顯示器上的圖像的像素?cái)?shù)為100萬(wàn)個(gè)以上黑白圖像：每個(gè)像素是亮度不同的小點(diǎn)彩色圖像：每個(gè)像素由RGB三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成3電視圖像的基本參數(shù)1圖像清晰度圖像清晰度：指人主觀感覺(jué)到的圖像的細(xì)節(jié)的程度，分別用人眼在水平方向和垂直方向所能分辨的像素?cái)?shù)來(lái)定量描述，并相應(yīng)地稱為水平清晰度和垂直清晰度。如果人眼的最小分辨角為θ，在分辨能力最高的垂直視線角15度之內(nèi)所能分辨的像素?cái)?shù)為：Z=15/θ例如：當(dāng)θ為1分時(shí)分辨率為900線電視系統(tǒng)的分辨力：指電視系統(tǒng)本身分辨圖像的能力，它不受主觀因素的制約。一般來(lái)說(shuō)，掃描行數(shù)越多，電視系統(tǒng)的分辨率越高。垂直清晰度M主要取決于圖像有效行數(shù)Z，由于不是所有的行正好掃到圖像的分界線上，有效行數(shù)Z還要乘以凱爾系數(shù)K1，即M=Z×K1隔行掃描，還要乘隔行掃描系數(shù)：M=Z×K1×K2在同一電視系統(tǒng)中，水平分辨率和垂直分辨率相同時(shí)，圖像質(zhì)量最好。當(dāng)高寬比為A時(shí)，水平清晰度N為N=A×K1×K2×Z2電視系統(tǒng)的分辨力2006年4月，信息產(chǎn)業(yè)部公布了數(shù)字電視相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定液晶、等離子電視垂直清晰度和水平清晰度必須達(dá)到720線以上才算高清目前，42英寸等離子分辨率有4種，分別是852×480，1024×768，1024×1024，1024×1080對(duì)于垂直清晰度，基本上垂直方向有多少像素就可以認(rèn)為有多少線例如：852×480可以認(rèn)為垂直清晰度是480線對(duì)于水平清晰度還和圖像的高寬比有關(guān)，對(duì)于16：9的平板電視，其電視線數(shù)值為水平方向像素值/高寬比例如：852×480的水平清晰度是9×825/16=479線，注意此處479意味著其水平清晰度最高不能超過(guò)479線大多數(shù)情況下，電視信號(hào)源圖像的像素格式和電視機(jī)固有的像素格式不完全匹配。例如：我國(guó)HDTV的圖像像素格式為：1920×1080，而電視固有的像素格式多種多樣，包括：852×480，720×5761280×720，1024×1024，1366×768等，當(dāng)1920×1080的圖像加到其他像素格式的電視機(jī)上，就需要向上或者向下進(jìn)行變換，以達(dá)到和電視機(jī)的像素格式匹配。否則圖像會(huì)過(guò)度充滿或者未充滿屏幕。只有當(dāng)圖像或者信號(hào)源的像素格式與電視機(jī)固有的像素格式完全匹配時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)電視機(jī)與源圖像的完全匹配。3視頻信號(hào)帶寬、場(chǎng)頻和掃描行數(shù)當(dāng)要求圖像的分辨率越高時(shí)，亮度信號(hào)的頻帶越寬。圖像信號(hào)的最大帶寬可由下式表示：其中A為圖像高寬比，K1為凱爾系數(shù)，K2為隔行掃描系數(shù)，Z為掃描行數(shù)，fp為禎頻，按照我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，圖像的最大帶寬fmax約為5.1M,實(shí)際上我國(guó)的視頻傳輸通道的帶寬固定為6Mhz場(chǎng)頻：選擇場(chǎng)頻主要考慮畫面無(wú)閃爍、不受電源干擾、活動(dòng)圖像又連續(xù)感、占用帶寬盡量窄等因素我國(guó)線性系統(tǒng)采用50Hz，高于人眼臨界閃爍頻率，這既有利于克服畫面閃爍掃描行數(shù)：掃描行數(shù)的確定主要考慮圖像的清晰度與信號(hào)帶寬兩方面。當(dāng)行數(shù)增加時(shí)，圖像清晰度增加，但帶寬增加速度更快，而是頻帶寬的增加導(dǎo)致一定波段中可容納的視頻節(jié)目數(shù)量變少，還將導(dǎo)致電視設(shè)備的復(fù)雜化，增加投資成本。我國(guó)現(xiàn)行電視采取625線4顯示器的主要性能顯示器的主要性能包括：畫面尺寸、顯示容量（分辨率）、亮度、對(duì)比度、灰度、顯示色數(shù)、響應(yīng)速度、視角、功耗、體積/質(zhì)量等1.畫面尺寸一般用畫面對(duì)角線的長(zhǎng)度表示，單位為英寸或者厘米，常用對(duì)角線的英寸數(shù)作為型號(hào)表示顯示容量表示總像素?cái)?shù)，有時(shí)，總像素?cái)?shù)也可以用分辨率表示，分辨率可以用1mm內(nèi)的像素?cái)?shù)表示有屏分辨率和圖像分辨率之分屏分辨率：屏幕上所能呈現(xiàn)的圖像像素的密度，顯示器上的像素總數(shù)是固定，分辨率與畫面尺寸及像素間距有關(guān)，屏分辨率取決于顯示屏的結(jié)構(gòu)、類型、像素組成方式，是產(chǎn)品不變的量圖像分辨率：指數(shù)字化圖像的大小，是對(duì)信號(hào)和圖像視頻格式而言，也以水平和垂直像素的多少來(lái)表示。圖像分辨率是說(shuō)明圖像系統(tǒng)分解像素的能力，是由掃描行數(shù)、信號(hào)帶寬等因素決定。2.顯示容量中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部公布的SJ/T11343-2006，數(shù)字電視液晶顯示器通用規(guī)范中規(guī)定：HDTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）≥720線SDTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）≥450線3．亮度亮度表示顯示器的發(fā)光強(qiáng)度，用cd/m2（尼特）表示在測(cè)量電視機(jī)亮度時(shí)，因?yàn)閷?duì)電視機(jī)的調(diào)整狀態(tài)不同，表征屏亮度的參數(shù)指標(biāo)也不同，主要有４種：峰值亮度、平均亮度、最大峰值亮度和最大平均亮度對(duì)被動(dòng)發(fā)光型顯示器，通常有用平均亮度和有用峰值亮度是一樣的，最大平均亮度和最大峰值亮度是一樣的對(duì)主動(dòng)發(fā)光型器件，平均亮度與峰值亮度是不一樣的對(duì)于正常觀看節(jié)目而言，平均亮度才有實(shí)際意義對(duì)畫面亮度的要求與環(huán)境光強(qiáng)有關(guān)例如，電影院中，電影亮度只有30~45cd/m2就可以了，但在室內(nèi)看電視，要求顯示器的亮度要大于70cd/m2，而在室外觀看則要求亮度應(yīng)達(dá)到300cd/m2左右，所以高質(zhì)量的顯示器亮度的要求是300cd/m2左右中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部公布的SJ/T11343-2006，數(shù)字電視液晶顯示器通用規(guī)范中規(guī)定：平均亮度值≥350cd/m2CRT電視機(jī)平均亮度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值：≥60cd/m2PDP電視機(jī)平均亮度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值：≥60cd/m2我國(guó)新公布的標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了亮度均勻性標(biāo)準(zhǔn)LCD亮度均勻性≥75%PDP亮度均勻性≥75%CRT亮度均勻性≥75%4．對(duì)比度對(duì)比度（C）：最大亮度（Lmax）和最小亮度（Lmin）之比來(lái)表示C=Lmax/Lmin分為暗場(chǎng)對(duì)比和明場(chǎng)對(duì)比度，暗場(chǎng)對(duì)比度在全黑條件下測(cè)得，亮場(chǎng)對(duì)比度是在有一定環(huán)境光的條件下測(cè)定的顯示器的對(duì)比度是在亮度控制正常位置，在同一幅圖像中顯示圖像的最亮部分和最暗部分的亮度之比對(duì)比度越高，圖像的層次越多，清晰度越高數(shù)字電視液晶顯示器通用規(guī)范SJ/T11343-2006中規(guī)定：LCDTV對(duì)比度值≥150：1PDP，CRT的對(duì)比度值≥150：1通常情況下，好的圖像對(duì)比度至少要大于30：1灰度指圖像的黑白亮度之間的一系列過(guò)渡層次。

人眼能分辨的亮度層次為：結(jié)論：灰度與圖像對(duì)比度成正比，并受圖像最大對(duì)比度的限制。灰度級(jí)越多，圖像層次越分明，圖像越柔和。眼睛可分辨的最大灰度層次為100級(jí)5．灰度其中：δ是人眼對(duì)亮度差的分辨率，一般取0.02~0.05。若取0.05，則C=50時(shí)，n=78，C=100時(shí)，n=92。在彩色顯示時(shí)，灰度等級(jí)就表示各基色的等級(jí)?，F(xiàn)代顯示技術(shù)中，通常用2的整數(shù)次冪來(lái)劃分灰度級(jí)例如：將灰度分為256級(jí)，正好占據(jù)了八個(gè)bit的計(jì)算機(jī)空間。所以256級(jí)灰度又稱為8bit灰度級(jí)。在彩色顯示時(shí)，就是1670萬(wàn)全色一般來(lái)說(shuō)，字符顯示對(duì)灰度沒(méi)有要求，只要有一定的對(duì)比度即可。而圖形顯示器則不僅要求高的對(duì)比度，還要求盡可能多的灰度級(jí)6．色域和色域覆蓋色域：CIE1931年公布的人眼可見(jiàn)光譜色域表示顯示顏色的范圍和鮮明程度通常用CIE1976均勻色度坐標(biāo)中顯示器的RGB三角形大小來(lái)表示。在馬蹄形線框中，三角形越接近外側(cè)顏色的飽和度越高，越接近中心越靠近白色色域覆蓋：在1976CIEu′v′色度圖上，顯示電視機(jī)或者其他顯示器的色域面積（即三基色RGB三角形的面積）占u′v′色度空間全部面積0．1952的百分?jǐn)?shù)。該百分?jǐn)?shù)的值越大，說(shuō)明重現(xiàn)還原的彩色越多，彩色越鮮艷色域覆蓋率的計(jì)算：用色度計(jì)分別測(cè)量屏幕中心紅色的色度u′Rv′R，綠色的色坐標(biāo)u′Gv′G，藍(lán)色的色度u′Bv′B，計(jì)算RGB三角形的面積：色域覆蓋率用Cp表示，則用RGB三角形的面積SRGB除以0.1952，乘以100%，得按照規(guī)定，LCD、PDP、CRT電視機(jī)的色域覆蓋率V≥32%7.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間：顯示器各點(diǎn)像素在激勵(lì)信號(hào)作用下，亮度由暗變亮和由亮變暗的全過(guò)程所需要的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間等于上升時(shí)間加下降時(shí)間上升時(shí)間：圖像亮度從10%上升到90%所用的時(shí)間下降時(shí)間：圖像亮度從90%下降到10%所需要的時(shí)間注意：顯示器件一個(gè)像素的響應(yīng)速度與顯示圖面整體的響應(yīng)速度不一定一樣，一般使用比較實(shí)用的方法，即圖面整體響應(yīng)速度來(lái)表示電視圖像響應(yīng)時(shí)間要小于1/30s，一般主動(dòng)發(fā)光的顯示器響應(yīng)時(shí)間都可以小于0.1ms，而非主動(dòng)發(fā)光的LCD的響應(yīng)時(shí)間為10－500ms8．視角一般用面向畫面的上下左右的有效視場(chǎng)角度來(lái)表示國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)視角作了規(guī)定：在屏幕中心的亮度減小到最大亮度的1/3的時(shí)候的水平或垂直方向的視角測(cè)量方法：首先測(cè)量屏幕中心的亮度為L(zhǎng)0，然后水平移動(dòng)測(cè)量?jī)x器的位置，分別在中心點(diǎn)的左右水平方向測(cè)得亮度為L(zhǎng)0/3時(shí)，得到的左視角和右視角之和，為水平視角，垂直視角同理測(cè)量在SJ/T11343-2006中規(guī)定：水平可視角≥120度垂直可視角≥80度9．功耗功耗分只測(cè)定顯示器件的情況和測(cè)定包括驅(qū)動(dòng)電路等在內(nèi)的模塊的情況。（一般采用后者）反射式LCD功耗很低，透射式LCD實(shí)用背光源，功耗就不低了。10．發(fā)光效率發(fā)光效率是發(fā)光型顯示器件所發(fā)出的光通量和所消耗的功率之比VFD發(fā)光效率約為10lm/W，LED隨其材料不同發(fā)光效率在1~4lm/W，OLED的發(fā)光效率為15lm/W，PDP的發(fā)光效率只有2.3lm/W發(fā)光效率決定了顯示器件工作時(shí)的功率消耗，這對(duì)便攜式顯示器件尤其重要。5關(guān)于On/Off時(shí)間與GTG時(shí)間對(duì)于LCD響應(yīng)時(shí)間，用戶常對(duì)廠家宣稱的過(guò)快數(shù)據(jù)感到困惑，因?yàn)樵诙x顯示屏響應(yīng)時(shí)間時(shí)，上升下降時(shí)間指信號(hào)分別在穩(wěn)定值的10%與90%之間的時(shí)間間隔。其余20%的時(shí)間被忽略了。對(duì)于液晶分子來(lái)說(shuō)，開啟和斷后都有滯留時(shí)間，有時(shí)甚至可能超過(guò)ISO響應(yīng)時(shí)間定義本身，所以省去這20%就可能美化了指標(biāo)由于液晶分子由黑到白和由白到黑的轉(zhuǎn)換速度并不是完全一致的，為了能夠盡量有意義的標(biāo)示出液晶面板的反應(yīng)速度，針對(duì)響應(yīng)時(shí)間的定義，基本以“黑→白→黑”全程響應(yīng)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，液晶分子轉(zhuǎn)換速度及扭轉(zhuǎn)角度由施加電壓的大小來(lái)決定。從全黑到全白液晶分子面臨最大的扭轉(zhuǎn)角度，需施以較大的電壓，此時(shí)液晶分子扭轉(zhuǎn)速度較快；而介于全黑、全白間的較小幅度灰階變化，需施加較小電壓來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確而精細(xì)的角度控制，因此液晶分子扭轉(zhuǎn)速度反而要慢一些。通常來(lái)講，液晶面板黑白間的響應(yīng)時(shí)間最快，而其它灰階之間也是構(gòu)成絕大多數(shù)不同色彩變化的響應(yīng)時(shí)間，要比黑白間的響應(yīng)時(shí)間慢得多。例如：某液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)按照ISO定義上沿時(shí)間為28.5-12=16.5ms但實(shí)際觀察整個(gè)像素從0%到100%灰度轉(zhuǎn)化的全部過(guò)程，用時(shí)40ms。ISO定義的嚴(yán)重的缺陷是：忽略了不同灰度切換的時(shí)間某液晶顯示器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間計(jì)算方式下，液晶顯示器雖然可擁有16ms,12ms或8ms的響應(yīng)時(shí)間，然而其灰度響應(yīng)時(shí)間卻可能超過(guò)40ms甚至60ms，所以以黑白黑為響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法全面表現(xiàn)LCD真實(shí)的反應(yīng)速度所以提出了灰度響應(yīng)時(shí)間（GrayToGrayGTG）概念傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與最大灰階響應(yīng)時(shí)間對(duì)比液晶分子的響應(yīng)時(shí)間方程式為：其中，為液晶材料的粘滯系數(shù)，d為液晶盒驅(qū)動(dòng)電壓，為液晶材料的介電系數(shù)。V為液晶盒驅(qū)動(dòng)電壓要縮小響應(yīng)時(shí)間，需要從以下4方面著手：1減小液晶材料的粘滯系數(shù)減小液晶盒厚度增大液晶盒驅(qū)動(dòng)電壓增大液晶材料的介電系數(shù)液晶材料的粘滯系數(shù)和介電系數(shù)都是直接與液晶材料本身的特性相關(guān)的，需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比找到合適材料增大液晶盒驅(qū)動(dòng)電壓可以提高響應(yīng)速度，但同時(shí)減小液晶壽命。所以需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試得出合適的驅(qū)動(dòng)電壓值GTG響應(yīng)