03 第三章-图像质量与显示器性能

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电子图像通常分为静止图像与活动图像电视传送的主要信息是活动图像，其基本过程是在发送端把活动景物的光信号转变成与它相对应的电信号，经过加工、处理、记录，并传送，在接收端再把电信号还原成原来景物的图像。发送端和接收端分别指什么？3.2．图像中像素任何一幅图像都可以看成由无数个十分微小的点集合而成的，即由肉眼分辨不出大小的像素点集合而成的。图像中的像素是构成图像的最小面积单元，具有一定的亮度和色度等属性。通常一幅CRT显示屏上的图像的像素数为30-50万个，而高分辨的显示器上的图像的像素数为100万个以上。对于黑白的图像，每个像素数点为黑白程度不同的小点，而彩色图像，每个像素数又由红、绿、蓝三个点组成（RGB子像素）。4K电视、1080P的电视分别含有多少个像素？在不同的图形显示方式下或计算机硬件间转移图像时，必须考虑像素的宽和高的比例，也称像素的宽高比。它与图像格式和方型像素显示有关。方型像素的概念最早是在计算机行业提出并实际应用的，目前计算机行业绝大多数显示标准都符合方型像素原则，例如：640X480、800X600、1024X768、1152X864、1280X960、1600X1200均符合4:3方型像素原则（计算机屏幕为4:3），只有1280X1024例外。方型像素有利于图形和图像的计算机处理。尤其是作各种特技处理，如图画旋转时，方型像素具有优越性，无须几何失真较正。16:9的1080P电视的像素是否为方形像素？无论CRT、LCD还是PDP显示屏，要想把模拟信号变成图像显示出来，都不是一个图像同时出现，而是一行一行地电-光转换。这种转换与图像形成过程是利用人眼的视觉暂留现象，以此使人感到是一幅图像。这种沿着行的地址进行横向移动扫描，称为水平扫描，又称行扫描。另外，把扫描线从上到下顺序一点点下移的动作，称作垂直扫描。目前的电视图像是隔行扫描的，每幅图像需要扫描两遍。第一遍先扫描奇数行（1、3、5----），第二遍扫描偶数行（2、4、6----）。这样通过扫描两遍才能把一幅图像的所有像素都选择出来，这样的一遍扫描称为一场，两场合为一帧。帧扫描频率为每秒25帧（PAL制）或30帧（NTSC制）。在我们常见的设备中，普通广播电视接收机、录像机、大部分摄像机、DVD、VCD等全都是隔行扫描。3.3图像的逐行扫描和隔行扫描逐行扫描是按照1、2、3、4、5-----的顺序进行扫描，只需要一遍扫描就可以完成一帧。由于1帧所含的扫描线数等于2场，所以当帧扫描频率与场扫描相同时，逐行扫描的信息量将是隔行扫描的两倍。现在个人计算机等大多采用逐行扫描。隔行扫描与逐行扫描原理的对比示意图，如下图所示：逐行扫描（a）隔行扫描（b）逐行扫描图像清晰度它是指人主观感觉到的图像的细节的程度。分别用人眼在水平或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，以“TV线”或“行数”为单位。清晰度既与人的主观因素（如视力等）有关，也与电视机、电视系统的分辨率有关。如果人眼最小分辨角为θ，在分辨能力最高的垂直视线角15°内所能分辨的线数应为：Z=15°/θ(3.1)当θ分别为1′、1.5′、2′时，Z对应的为900线、600线、450线。反过来，如果1000线的图像清晰度，那么人眼最小分辨角就只有0.9′3.5.电视图像的基本参数电视系统的分辨力它是指电视系统本身分辨图像的能力，它不受人的主观因素的影响。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还要乘一个凯尔系数K1，即：M=K1Z(3.2)对于逐行扫描上述关系是正确的。但对于隔行扫描，还要乘上一个隔行扫描系数K2，即：M=K1K2Z(3.3)在同一电视系统中，水平分辨率与垂直分辨率相同时，图像质量最好。当图像的宽高比为A时，则水平清晰度N为：N=AM=AK1K2Z(3.4)3.5.电视图像的基本参数1920X108016:9的电视的水平清晰度？视频信号带宽、场频与扫描行数图像信号又称视频信号。当要求图像的分辨率越高时，则亮度信号的频带越宽。根据人眼视觉系统的特性，图像信号的最大带宽可由下式计算：fmax=1/2AK1K2Z2fp(3.5)式中，A为图像宽高比，K1为凯尔系数，K2为隔行扫描系数，Z为扫描行数，fp为帧频。按我国电视标准计算，图像信号的最大带宽fmax约为5.1MHZ。实际上，我国视频传输通道的带宽规定为6MHZ。高清电视的传输带宽达到10MHz以上。3.5.电视图像的基本参数显示器性能的主要指标包括：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/重量等。3.6．显示器的主要性能画面尺寸显示格式的名称像素数宽高比宽高(宽:高)QVGAQuarterVQA3202404:3VGAVideoGraphicArray6404804:3SVGASuperVGA8006004:3XGAExtendedGraphicArray10247684:3FXGAWideXGA136676816:9SXGASuperXGA128010245:4SXGASuperXGA136610244:3SXGA+SXGAplus140010504:3UXGAUltraXGA160012004:3QXGAQuadXGA204815364:3DTV(720p)128072016:9DTV(1080i)1920108016:9表3.1显示格式与对应的相素数和宽高比显示容量分辨率是影响图像质量的一项重要指标。通常有屏分辨率与图像分辨率之分，二者不可混淆。屏分辨率是指屏幕上所能呈现的图像像素的密度。以水平和垂直像素的多少来表示。显示器上的像素总数量是固定的。分辨率与画面尺寸及像素间距（或点距）有关。图像分辨率是指数字化图像的大小，是对信号和图像视频格式而言。也是以以水平和垂直像素的多少来表示。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电视线，SDTV水平、垂直方向上的清晰度（即分辨率）≧450电视线。HDTV的清晰度分别采用测试图进行测量。摄像机、数字相机普遍采用静态分辨率和动态分辨率的概念。它们都属于图像分辨率范畴。分辨率图3.4HDTV复合测试图图例分辨率亮度表示显示器的发光强度，单位cd/m2；对画面亮度的要求与环境光强有关，室内要求显示器画面亮度可以小些，室外应该大些。在显示器亮度测试中，表征屏亮度的参数指标有四种：峰值亮度、有用平均亮度、最大峰值亮度、最大平均亮度。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≧80%，CRT亮度均匀性≧50%。亮度对比度是用最大亮度和最小亮度之比来表示，分暗场对比度和亮场对比度。暗场对比度是在全黑环境下测得的，亮场对比度是在有一定环境光的条件下测得的。对比度值与测试方法有很大关系。在SJ/T11343-2006“数字电视液晶显示器通用规范”标准中，规定HDTV采用下图所示的黑白窗口信号（16:9）进行测量。该标准规定的LCDTV、PDP、CRT对比度值≧150：1对比度色域是指CIE1931年公布的人眼可见光谱从380nm到780nm的范围。色域表示显示颜色的范围和鲜明度，通常用CIE1976均匀色度坐标中显示显示器的R、G、B三角形大小来示表示。色域覆盖率定义为：在1976CIEu′v′色度图上，显示电视机或其它显示器的色域面积（即三基色R、G、B三角形的面积）占u′v′色度空间全部面积0.1952的百分数。该百分数值越大，说明重现还原的彩色越多，彩色越鲜艳。色域和色域覆盖率响应时间是指显示器各像素点在激励信号作用下，亮度由暗变亮和由亮变暗的全过程所需的时间，响应时间等于上升时间和下降时间之和。其中，图像亮度从10%上升到90%所需的时间为上升时间；图像亮度从90%下降到10%所需的时间为下降时间。如右图所示：响应时间视角一般用面向画面的上下左右的有效视场角度来表示。在国际电工委员会公布的文件中对视角作了规定，即在屏中心的亮度减小到最大亮度的1/3时（也可以是1/2或1/10时）的水平和垂直方向的视角。也就是说，首先测量屏中心点的亮度为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1/3L0时，得到的左视角和右视角的和，即为水平视角；同样的方法，在垂直方向测得上、下视角的和，即为垂直视角。在SJ/T11343-2006“数字电视液晶显示器通用规范”中规定：水平可视角≧120度，垂直可视角≧80度。视角功耗包括两种情况：①仅仅测定显示器件的功耗；②测定包括驱动电路等在内的模组功耗；一般用户往往用后者,因为它比较实用。反射式LCD的功耗很低，属μW/cm²量级。透射式LCD的功耗就基本上由背光源的功耗所决定，数值固定，跟显示的图像无关。功耗3.7.信息数字化与显示器分辨率印刷、照相典型分辨率视细胞~2um视角0.5分~80um/明视30cm眼睛的分辨能力320~3~9000/35mm~20~50~400/E(12cmx8cm)照相底片(ISO100)照相正片35014~701100/A4(14英寸)1305~200300/A3(20英寸)2008125340/A4美术印刷报纸FAX(G3)万像素/尺寸umDPI网点/mm像素容量节距分辨率3.8关于On/Of响应时间与GTG响应时间按照国际标准化组织（ISO）的定义，所谓上升、下降时间是指电光信号分别在稳定值的10%与90%之间的时间间隔。因为对于液晶分子来说，开启和断后都有滞留时间，而且是费时的，有时甚至可能超过ISO响应时间定义本身所占时间，所以省去这20%就可能美化了指标。如下图所示的某液晶显示器响应时间测试数据，按照ISO定义上沿时间为28.5-12=16.5ms。但我们观察整个像素从0%灰度到100%灰度转化的全部过程，实际用时超过了40ms，达到ISO定义所用时间的两倍多。在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，然而其灰度响应速度却可能超过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。GTG灰度响应时间的实现灰度响应时间的方程式如下所示:γ1：液晶材料的粘滞系数；d：液晶盒间隙；V：液晶盒驱动电压；Δε：液晶材料的介电系数。要缩小响应时间，需要从四个方面努力。1、减小液晶材料的粘滞系数；2、减小液晶盒厚3、增大液晶盒驱动电压；4、增大液晶材料的介电系数