第38卷 第10期2004年10月 西 安 交 通 大 学 学 报JOURNA L OF XI′AN J IAOT ONG UNIVERSITYVol.38№10Oct.2004一种等离子体显示运动图像动态假轮廓评测新方法刘祖军,刘纯亮,梁志虎(西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室,710049,西安)摘要:针对交流等离子体显示器(AC PDP)运动图像动态假轮廓的产生机理,建立了基于子场划分的AC PDP 运动图像亮度感知模型,并在该模型的基础上提出了AC PDP运动图像动态假轮廓的评测方法.首先根据建立的AC PDP运动图像亮度感知模型及图像运动速度计算出相邻两场每个像素的子场积分向量,并以一场时间为积分时间,用动态积分法对两个子场的积分向量进行计算,得到运动图像动态假轮廓的评测结果.该方法不仅符合人眼视觉系统跟踪及积分效应,而且符合AC PDP子场驱动方法的特点.在不同运动速度和不同子场编码条件下,仿真结果与实际经验及已有的研究结果相符,能正确地反映出运动速度和子场编码对动态假轮廓的影响,可应用于子场编码方案的优化.关键词:交流等离子体显示器;运动图像;动态假轮廓;视觉系统;动态积分法中图分类号:T N873194;T N911173 文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2004)10-1076-04N ovel Method for Evaluating Dynamic F alse Contour of Motion Image inAlternating Current Plasma Display P anelLiu Zujun,Liu Chunliang,Liang Zhihu(K ey Laboratory of Physical E lectronics and Devices of the M inistry of Education,X i′an Jiaotong University,X i′an710049,China)Abstract:According to the generating mechanism of dynamic false contour in alternating current plasma display panels (AC PDP),a m otion image brightness perception m odel,which coincides with eye2tracing integration effect and sub field partition in AC PDP,was established,and a novel method for evaluating the dynamic false contour based on this m odel was proposed.In the evaluating method,tw o sub field integration vectors for each pixel in tw o adjacent fields were calcu2 lated according to the image m oving speed and the established m otion image brightness m odel.The tw o vectors were inte2 grated over one field time through dynamic integration to derive the dynamic false contours.The evaluation method coin2 cides with both of the eye2tracing integration effect and the characteristics of sub field driving method.The simulation re2 sults agree with those obtained by other methods for different image m oving speed and different sub field coding.This method can exactly describe the in fluence of the image m oving speed and sub field coding on the dynamic false contour, and can be applied to the optimization of the sub field coding in AC PDP.K eyw ords:alternating current plasma display panel;motion image;dynamic f alse contour;visual system;dynamic integration method 彩色交流等离子体显示器(AC PDP)采用寻址显示分离(ADS)的子场法来实现灰度显示,能够较好地显示静态图像,但在显示运动图像时会出现动态假轮廓(DFC)现象[1],严重影响运动图像显示质量.人们提出了各种不同的方法来减少动态假轮廓[2-5],其中包括一些从设计子场编码来减少动态假轮廓的方法[4,5].由于动态假轮廓现象无法直接使用检测设备检测,因此本文根据人眼视觉系统的跟收稿日期:2004-03-11. 作者简介:刘祖军(1976～),男,博士生;刘纯亮(联系人),男,教授,博士生导师. 基金项目:教育部科学技术重大资助项目(教技司[2002]77号).踪运动图像和积分特性[1,6]以及AC PDP 动态假轮廓的产生机理[1],提出了一种基于子场划分的运动图像亮度感知模型.同时,基于这一模型提出了一种AC PDP 动态假轮廓的评测方法,该方法根据图像运动速度,计算出一场时间内反应在人眼中按子场划分的子场积分向量,然后利用动态积分法进行动态假轮廓的量化计算,得到AC PDP 运动图像动态假轮廓的评测结果.1 动态假轮廓的产生机理AC PDP 采用寻址显示分离的子场驱动方法来实现多灰度级显示,一场图像被分成N 个子场进行显示,每个子场用于显示的时间与该子场的权值成正比.由于人眼具有沿正在发光和前一发光的方向平滑跟踪运动目标的自然倾向及对亮度感知的积分特性,因此显示运动图像时,会在视网膜上造成图像灰度级的紊乱,使运动图像恶化,这是产生动态假轮廓的主要原因[1].如图1所示,眼睛沿箭头方向跟踪目标,当位于128和127之间的灰度级时,所接受到的灰度很高,因此人眼视觉系统感受到亮条纹,出现假轮廓.假轮廓比周围像素亮称为正极性动态假轮廓,反之称为负极性动态假轮廓.图1 动态假轮廓形成的机理2 基于子场划分的AC PDP 运动图像亮度感知模型根据动态假轮廓产生的机理,人眼在观测动态图像时是对沿运动方向上所感知的亮度进行积分而得到实际的亮度感觉的[1,6].由于AC PDP 采用子场法实现灰度显示,因此,本文根据人眼对运动图像的跟踪呈积分效应,提出一种按子场划分的AC PDP 中运动图像亮度感知模型,如图2所示.图2中每一个小方块代表一个像素,假设图像图2 ACPDP 中运动图像亮度感知模型以速度v 做匀速直线运动,像素P 在一场时间内运动到像素P ′位置,则人眼沿v 的方向对所感知的亮度进行积分.将人眼在一场时间内沿v 方向的积分时间按实际子场的权值及排布进行划分,就形成一个人眼沿运动方向感知的子场排布,即图中的FS.FS 的每一个元素与子场编码相对应,每一个元素的值由在此子场时刻人眼停留的像素的子场是否发光决定.例如在第1子场SF1的时间内,人眼跟踪像素P 停留在P 点,而像素P 的第1子场是发光的,则FS 的第1个元素等于子场编码中第1个子场的权值,反之等于0.由FS 可得到一组与人眼积分效应及子场编码对应的向量,这里称之为子场积分向量.3 运动图像动态假轮廓的评测根据上述提出的运动图像亮度感知模型,计算出每个像素的子场积分向量.经过对每个像素的子场积分向量的处理,即可对AC PDP 显示运动图像时所产生的动态假轮廓进行评测.311 子场积分向量的计算已知N 个子场的权值及排布为S =[S 1,S 2,…,S N ](1)在每一子场中,只有维持期是用于发光的,各子场中维持时间长度的比值为子场权值的比值,相应的每一子场的维持时间长度记为T s =[T s ,1,T s ,2,…,T s ,N ](2)对于每一子场而言,准备期及寻址期的时间长度相同,将准备期及寻址期的时间长度记为T A .设一场图像的时间为T ,则有T =N T A +∑Nk =1T s,k(3) 对一幅输入的图像记为G ,则G (i ,j )代表第i 行第j 列的像素,每一像素都有与子场编码S 对应的用于显示的二进制子场编码C (i ,j )=[C 1,C 2,…,C N ],其中C 1到C N 都是二进制数,等于1时代表相应的子场发光,反之则不发光.7701 第10期 刘祖军,等:一种等离子体显示运动图像动态假轮廓评测新方法设图像运动速度为v,单位为像素/s,如果图像在一场时间内沿水平方向运动M个像素,沿垂直方向运动N个像素,则有v=v x x+v y y(4)v x=M/T;v y=N/T(5) 根据子场积分排步,可得到子场积分向量I′=[I1′,I2′,…,I N′](6) 在计算I′第k(k=1,2,…,N)个元素时,首先计算此元素对应的位移偏量,即经过k个子场时间后图像运动的位移Δxk =v x∑km=1T s,m+kT AΔyk =v y∑km=1T s,m+kT Ak=1,2,…,N(7)式中:Δx k、Δy k分别为水平方向和垂直方向的位移偏量,单位为像素数目,位移偏量的起点为一场图像开始时刻的位置.根据式(7)计算出子场积分向量每个元素对应的位移偏量,即可由式(8)得到子场积分向量每个元素的值.I k′=S k C(i+Δx k,j+Δy k)kk=1,2,…,N(8)按上述方法对一场图像的每个像素进行计算,即可得到每个像素的子场积分向量.312 第2积分向量计算一般在模拟人眼视觉系统中的积分的特性时,积分的时间长度为一场图像的时间长度[4,6,7],在对运动图像进行跟踪及积分时,在1场的积分时间内最多会跨越2场图像,因此需要第2个积分向量,即相邻一场图像的子场积分向量,第2场积分向量记为I″.根据人眼的跟踪及积分效应,在相邻一场图像中,人眼会延续上一场的运动方向进行跟踪积分.以图1为例,在第2场中图像已经运动到P′,则人眼会从P′位置开始进行跟踪,第2积分向量由运动速度决定.设第2场运动速度为v2,根据v2的3种不同情况进行第2场积分向量的计算.(1)v2=v,即图像保持前一场运动速度不变,则I″=I′.(2)v2≠v,则按311节所述的方法重新进行计算,得到相邻一场图像的子场积分向量I″.(3)v2=0,即此时图像静止,第2子场积分向量I″等于每个像素的子场编码.313 动态假轮廓的量化计算得到相邻两场的积分向量后,可以应用一些针对子场编码进行动态假轮廓评测的方法[8,9]进行量化计算,得到以一场时间为积分时间的AC PDP运动图像的动态假轮廓评测结果.运动像素畸变距离方法(MPD)[8]和动态积分法[9]都是评测任意两个灰度之间的变化对动态假轮廓影响的方法由于动态积分法比MPD方法更充分考虑了动态假轮廓的积分特性,同时可反应出子场排列方式不同时对动态假轮廓的影响,而在MPD方法中当子场排列方式改变时MPD距离却没有改变,因此本文对2个子场积分向量按动态积分法的思想进行积分计算.先对子场编码进行积分,计算出反映到人眼中的灰度,再与实际显示的灰度进行比较,得到一个量化的动态假轮廓.应用该方法可以计算任意两灰度的子场编码之间的动态假轮廓,但该方法仅能评测任意两个灰度之间的变化对动态假轮廓的影响,没有计入图像运动速度对动态假轮廓的影响,而这正是本文所要解决的问题.图3是两个子场积分向量按动态积分法进行积分的过程.经过动态积分的计算后得到N个积分结果,称之为积分结果向量I R.将I′和I″组合成1个2N长度的向量II=[I′,I″](9)I R=[I R,1,I R,2,…,I R,N](10)式中I R,k=∑N+k-1m=kI m,k=1,2,…,N(11) 如果积分结果大于将要连续显示的灰度,将会出现亮条纹;如果小于将要显示的灰度,将会出现暗条纹,产生动态假轮廓.图3 子场积分向量的积分过程314 计算结果的映射对输入图像逐行逐像素按上述方法进行处理,即可得到在AC PDP上图像按一定速度运动后反应动态假轮廓的计算结果.按上述方法计算出每一个像素G(i,j)对应的积分结果向量,记为I R(i,j),将I R(i,j)的N个元8701西 安 交 通 大 学 学 报 第38卷 素映射到N幅图像中.设第k幅图像的第i行第j 列像素的灰度值为P k(i,j),则有P k(i+Δx k,j+Δy k)=I R,k(i,j)k=1,2,…,N(12) 4 仿真结果及分析用上述模型及方法对能显示256灰度等级图像的AC PDP在显示运动图像时的动态假轮廓现象进行评测.设场频为60H z,则T=1/60s.仿真中,设寻址一行的时间为115μs,一个子场的准备期为200μs.在仿真过程中,先给定子场编码,使输入图像(静止)按设定的运动速度运动,首先计算得到每个像素的子场积分向量,然后根据上述动态积分法思想计算N个映射输出图像的结果.采用256灰度级、分辨率为256×256的Lena图(分别以速度v1=(1/T)x、v2=(2/T)x+(1/T)y 和v3=(4/T)x+(2/T)y做匀速直线运动),当子场编码为S=[1,2,4,8,16,32,64,128]时,在3种速度下计算得到的第1幅映射输出结果如图4所示.从图4中可以看出,运动速度越大造成的动态假轮廓现象越严重,这与实际现象及现有关于运动速度对动态假轮廓影响的研究结果[7]是相符的.当子场编码分别为S1=[1,2,4,8,16,32,64, 128]、S2=[8,1,2,64,128,32,16,4]、S3=[1,2,4,7, 11,16,32,42,60,80]和S4=[48,48,1,2,4,8,16,32, 48,48]时,图4a所示图像以速度v2做匀速直线运动,在4种编码方式下计算得到的第1幅映射输出结果如图5所示.从图5的仿真结果可以看出不同子场编码方式对动态假轮廓的影响.在文献[4]中,从子场编码最优评估的角度得到了上述4组子场编码对动态假轮廓的影响,与本文中的仿真结果是吻合的,同时与文献[8]得到的子场编码对动态假轮廓的影响是一致的.增加子场数目可以减小动态假轮廓[4,8],采用双模方式的子场编码(图5d仿真所采用的子场编码)可以有效地减少动态假轮廓[4,8].比较图5中4种不同子场编码方案的仿真结果可以看出,子场编码方案S4具有最好的动态假轮廓改善效果[4].5 结 论本文根据造成动态假轮廓的主要原因———人眼视觉系统的跟踪和积分特性以及AC PDP的寻址显示分离的子场驱动方法的特点,提出了一种与之相 (a)静止图像v=0 (b)v=v1 (c)v=v2 (d)v=v3图4 不同运动速度下的动态假轮廓仿真结果 (a)S=S1 (b)S=S2(c)S=S3 (d)S=S4图5 不同子场编码下的动态假轮廓评测适应的AC PDP中按子场划分的运动图像的亮度感知模型,并在该模型的基础上提出了一种AC PDP 动态假轮廓评测方法.在不同运动速度及子场编码条件下应用该模型及方法对AC PDP动态假轮廓进行了仿真计算,计算结果能够充分反映出运动速度及子场编码对动态假轮廓的影响,且计算结果与实际经验及已有的相关研究结果是相符的,表明本文提出的AC PDP中按子场划分的运动图像的亮度感9701 第10期 刘祖军,等:一种等离子体显示运动图像动态假轮廓评测新方法知模型及动态假轮廓评测方法是合理、正确的,能够准确地反映AC PDP 显示运动图像时在人眼视觉系统中造成的动态假轮廓现象,可应用于子场编码方案的选择与优化.参考文献:[1] Y amaguchi T ,Masuda T ,K ohgami A ,et al.Degradation ofm oving 2image quality in PDPs :dynamic false contour [J ].Journal of SI D ,1996,4(4):263-270.[2] Y amaguchi T ,Mikoshiba S.An improvement of PDP picturequality by a m odified 2binary 2coded scheme with a 3D scatter 2ing of m otional artifacts [J ].IEICE T rans E lectron ,1997,80(8):1079-1085.[3] Lee H S ,K im C H.A look 2up table based on error diffusionalg orithm for dynamic false contour reduction of plasma dis 2play panel [J ].Journal of In formation Display ,2001,2(2):32-38.[4] Park S H ,K im C W.An optimum selection of sub field pat 2tern for plasma displays based on genetic alg orithm [J ].IE 2ICE T rans E lectron ,2001,84(11):1659-1666.[5] 梁 宁,郭滨刚,刘纯亮,等.消除彩色PDP 运动图像动态假轮廓的延伸编码及优化[J ].西安交通大学学报,2002,36(2):190-193.[6] K urita T ,Saito A.A characteristic of the temporal integratorin the eye 2tracing integration m odel of the visual system on the perception of displayed m oving images [A ].The Ninth International Display W orkshops Symposium ,Hiroshima ,Japan ,2002.[7] K awahara I ,Wani K.S imulation of m otion picture distur 2bance for AC PDP m odeling virtual pixel on retina [J ].IE 2ICE T rans E lectron ,1998,81(11):1733-1739.[8] K im J W ,K im Y D ,K ang S H ,et al.A new measure ofm otion picture distortion and its applications to picture quality improvement on AC PDP [J ].IEEE T rans on C onsumer De 2vice ,2002,48(2):275-283.[9] 石铁岭,梁志虎,魏 巍,等.彩色PDP 运动图像动态假轮廓的评测方法———动态积分法[J ].真空科学与技术,2003,23(3):156-160.(编辑 刘 杨)(上接第1067页)图6 直角坐标系中漂移运动的计算结果4 结 论在极坐标系中,Newton 2Lorentz 方程的分量方程变得复杂,需要用迭代法求解隐式中心差分方程.本文在每个时间步长内对带电粒子所在位置附近区域采用直角坐标系近似,得到了一种显式的推进算法.该算法采用Boris 半加速-旋转-半加速方法推进粒子速度,并用几何方法直接推进粒子位置,避免了隐式算法带来的容许误差,提高了计算效率.数值结果表明,算法是正确可行的,计算速度比容许误差为10-3时的隐式算法提高了约1倍.该方法可用于轴向均匀等离子体器件和高功率微波器件的215维粒子模拟,并可方便地推广到3维球坐标系和相对论的情况.参考文献:[1]Birdsall C K,Fuss D.Clouds 2in 2clouds ,clouds 2in 2cells physics for many 2body plasma simulation [J ].Journal of C omputational Physics ,1969,3(4):494-511.[2] Birdsall C K,Langdon A B.Plasma physics via computersimulation [M].New Y ork :McG raw 2Hill ,1985.[3] Humphries S.Principles of charged particle acceleration[M].New Y ork :John Wiley ,1986.[4] 唐天同,刘纯亮.电子束与离子束物理[M].西安:西安交通大学出版社,2001.(编辑 刘 杨)0801西 安 交 通 大 学 学 报 第38卷 。
