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時間與GTG時間1.圖像信息的產(chǎn)生與傳輸圖像信息：表示圖像的信號是用與圖像空間位置（x,y,z）相應的亮度或色彩變化分布函數(shù)f(x,y,z)所表示的光信號，或通過掃描等技術(shù)手段，由光信號轉(zhuǎn)換的隨時間變化的電壓函數(shù)f(t).前者稱為圖像，后者稱為圖像信號。圖像傳輸?shù)幕具^程：發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過加工，處理，記錄、傳送，在接收端把電信號還原成圖像發(fā)送端：采用攝像管接收圖像接收端：采用顯示器顯示（包括CRT和PFD等）電子圖像靜止圖像活動圖像電視傳送的主要信息信號處理與傳輸通道電視圖像光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)簡圖鏡頭攝像管景物圖像電信號顯像管圖像電信號重現(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數(shù)為30～50萬個，而高分辨的顯示器上的圖像的像素數(shù)為100萬個以上黑白圖像：每個像素是亮度不同的小點彩色圖像：每個像素由RGB三個點構(gòu)成3電視圖像的基本參數(shù)1圖像清晰度圖像清晰度：指人主觀感覺到的圖像的細節(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數(shù)來定量描述，并相應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)所能分辨的像素數(shù)為：Z=15/θ例如：當θ為1分時分辨率為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。一般來說，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，圖像質(zhì)量最好。當高寬比為A時，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)標準，規(guī)定液晶、等離子電視垂直清晰度和水平清晰度必須達到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對于垂直清晰度，基本上垂直方向有多少像素就可以認為有多少線例如：852×480可以認為垂直清晰度是480線對于水平清晰度還和圖像的高寬比有關(guān)，對于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479線大多數(shù)情況下，電視信號源圖像的像素格式和電視機固有的像素格式不完全匹配。例如：我國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1920×1080的圖像加到其他像素格式的電視機上，就需要向上或者向下進行變換，以達到和電視機的像素格式匹配。否則圖像會過度充滿或者未充滿屏幕。只有當圖像或者信號源的像素格式與電視機固有的像素格式完全匹配時，才能實現(xiàn)電視機與源圖像的完全匹配。3視頻信號帶寬、場頻和掃描行數(shù)當要求圖像的分辨率越高時，亮度信號的頻帶越寬。圖像信號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，按照我國電視標準計算，圖像的最大帶寬fmax約為5.1M,實際上我國的視頻傳輸通道的帶寬固定為6Mhz場頻：選擇場頻主要考慮畫面無閃爍、不受電源干擾、活動圖像又連續(xù)感、占用帶寬盡量窄等因素我國線性系統(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帶寬兩方面。當行數(shù)增加時，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致一定波段中可容納的視頻節(jié)目數(shù)量變少，還將導致電視設(shè)備的復雜化，增加投資成本。我國現(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、對比度、灰度、顯示色數(shù)、響應速度、視角、功耗、體積/質(zhì)量等1.畫面尺寸一般用畫面對角線的長度表示，單位為英寸或者厘米，常用對角線的英寸數(shù)作為型號表示顯示容量表示總像素數(shù)，有時，總像素數(shù)也可以用分辨率表示，分辨率可以用1mm內(nèi)的像素數(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，是對信號和圖像視頻格式而言，也以水平和垂直像素的多少來表示。圖像分辨率是說明圖像系統(tǒng)分解像素的能力，是由掃描行數(shù)、信號帶寬等因素決定。2.顯示容量中國信息產(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)光強度，用cd/m2（尼特）表示在測量電視機亮度時，因為對電視機的調(diào)整狀態(tài)不同，表征屏亮度的參數(shù)指標也不同，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被動發(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主動發(fā)光型器件，平均亮度與峰值亮度是不一樣的對于正常觀看節(jié)目而言，平均亮度才有實際意義對畫面亮度的要求與環(huán)境光強有關(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達到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電視機平均亮度標準規(guī)定值：≥60cd/m2PDP電視機平均亮度標準規(guī)定值：≥60cd/m2我國新公布的標準中還規(guī)定了亮度均勻性標準LCD亮度均勻性≥75%PDP亮度均勻性≥75%CRT亮度均勻性≥75%4．對比度對比度（C）：最大亮度（Lmax）和最小亮度（Lmin）之比來表示C=Lmax/Lmin分為暗場對比和明場對比度，暗場對比度在全黑條件下測得，亮場對比度是在有一定環(huán)境光的條件下測定的顯示器的對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對比度值≥150：1PDP，CRT的對比度值≥150：1通常情況下，好的圖像對比度至少要大于30：1灰度指圖像的黑白亮度之間的一系列過渡層次。

人眼能分辨的亮度層次為：結(jié)論：灰度與圖像對比度成正比，并受圖像最大對比度的限制。灰度級越多，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5．灰度其中：δ是人眼對亮度差的分辨率，一般取0.02~0.05。若取0.05，則C=50時，n=78，C=100時，n=92。在彩色顯示時，灰度等級就表示各基色的等級?，F(xiàn)代顯示技術(shù)中，通常用2的整數(shù)次冪來劃分灰度級例如：將灰度分為256級，正好占據(jù)了八個bit的計算機空間。所以256級灰度又稱為8bit灰度級。在彩色顯示時，就是1670萬全色一般來說，字符顯示對灰度沒有要求，只要有一定的對比度即可。而圖形顯示器則不僅要求高的對比度，還要求盡可能多的灰度級6．色域和色域覆蓋色域：CIE1931年公布的人眼可見光譜色域表示顯示顏色的范圍和鮮明程度通常用CIE1976均勻色度坐標中顯示器的RGB三角形大小來表示。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的百分數(shù)。該百分數(shù)的值越大，說明重現(xiàn)還原的彩色越多，彩色越鮮艷色域覆蓋率的計算：用色度計分別測量屏幕中心紅色的色度u′Rv′R，綠色的色坐標u′Gv′G，藍色的色度u′Bv′B，計算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電視機的色域覆蓋率V≥32%7.響應時間響應時間：顯示器各點像素在激勵信號作用下，亮度由暗變亮和由亮變暗的全過程所需要的時間，響應時間等于上升時間加下降時間上升時間：圖像亮度從10%上升到90%所用的時間下降時間：圖像亮度從90%下降到10%所需要的時間注意：顯示器件一個像素的響應速度與顯示圖面整體的響應速度不一定一樣，一般使用比較實用的方法，即圖面整體響應速度來表示電視圖像響應時間要小于1/30s，一般主動發(fā)光的顯示器響應時間都可以小于0.1ms，而非主動發(fā)光的LCD的響應時間為10－500ms8．視角一般用面向畫面的上下左右的有效視場角度來表示國際電工委員會對視角作了規(guī)定：在屏幕中心的亮度減小到最大亮度的1/3的時候的水平或垂直方向的視角測量方法：首先測量屏幕中心的亮度為L0，然后水平移動測量儀器的位置，分別在中心點的左右水平方向測得亮度為L0/3時，得到的左視角和右視角之和，為水平視角，垂直視角同理測量在SJ/T11343-2006中規(guī)定：水平可視角≥120度垂直可視角≥80度9．功耗功耗分只測定顯示器件的情況和測定包括驅(qū)動電路等在內(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的功率消耗，這對便攜式顯示器件尤其重要。5關(guān)于On/Off時間與GTG時間對于LCD響應時間，用戶常對廠家宣稱的過快數(shù)據(jù)感到困惑，因為在定義顯示屏響應時間時，上升下降時間指信號分別在穩(wěn)定值的10%與90%之間的時間間隔。其余20%的時間被忽略了。對于液晶分子來說，開啟和斷后都有滯留時間，有時甚至可能超過ISO響應時間定義本身，所以省去這20%就可能美化了指標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示出液晶面板的反應速度，針對響應時間的定義，基本以“黑→白→黑”全程響應時間為標準。事實上，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，需施加較小電壓來進行準確而精細的角度控制，因此液晶分子扭轉(zhuǎn)速度反而要慢一些。通常來講，液晶面板黑白間的響應時間最快，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時間，要比黑白間的響應時間慢得多。例如：某液晶顯示器的響應時間測試數(shù)據(jù)按照ISO定義上沿時間為28.5-12=16.5ms但實際觀察整個像素從0%到100%灰度轉(zhuǎn)化的全部過程，用時40ms。ISO定義的嚴重的缺陷是：忽略了不同灰度切換的時間某液晶顯示器響應時間測試傳統(tǒng)響應時間計算方式下，液晶顯示器雖然可擁有16ms,12ms或8ms的響應時間，然而其灰度響應時間卻可能超過40ms甚至60ms，所以以黑白黑為響應時間標準無法全面表現(xiàn)LCD真實的反應速度所以提出了灰度響應時間（GrayToGrayGTG）概念傳統(tǒng)響應時間與最大灰階響應時間對比液晶分子的響應時間方程式為：其中，為液晶材料的粘滯系數(shù)，d為液晶盒驅(qū)動電壓，為液晶材料的介電系數(shù)。V為液晶盒驅(qū)動電壓要縮小響應時間，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，需要反復實驗測試對比找到合適材料增大液晶盒驅(qū)動電壓可以提高響應速度，但同時減小液晶壽命。所以需要反復實驗和測試得出合適的驅(qū)動電壓值GTG響應