场序彩色显示中的色分离现象

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1、场序彩色显示中的色分离现象引言场序彩色显示是一种新型的彩色显示模式，相对于传统的 空间彩色技术，减少了彩色滤光片的使用，具有光源效率高、分 辨率 高和成本低等优点，可以应用于直视型显示、投影显示和头盔显示 等方面。但是在场序彩色显示中，如DLP显示和LCD显示，由于眼球 的转动，观看者通常会在显示目标的边缘感知到彩色的 分离，即色 分离现象( color breakup )。色分离现象又称作彩虹现象( rainbow effect )，是场序彩色显示中比较棘手的负面 问题，容易引起观看者 的视觉疲劳和精神紧张等症状 12，影响着场序彩色技术的商业 化前景。2色分离现象在场序彩色显示中，每一帧图

2、像分为红绿蓝三个 子场顺序扫描，如果人眼在某种情况下发生转动，在一帧内，按照时 间顺序扫描的同一点图像的RGB分量，会落在视网膜上不同的位 置，因此人眼就会感知到图像的彩色分离， 这就是色分离现象。如 图1所示，在眼球以水平方向转动时，白色目标的边缘就会出现 红、黄等分离的彩色。色分离现象与传统的空间混色型液晶显示中的运动模糊现 象， 都是显示图象经过显示器件和人的视觉系统的双重作用后， 在人眼视 网膜上所感知的图像扭曲现象。但是运动模糊是空间混色显示中液 晶的保持特性和响应时间所引起的，可用 人眼追踪综合效应来 解释模糊现象，即人眼视觉感知是对亮度的积分， 并且人眼会自行追 踪显示的运动目标

3、。而在场序彩色显示中，色分离现象是由场序显 示的机制所引起的，每一帧图像分为三个基色场按照时间顺序来显 示，导致同一幅图像的RGE分量存在时间差，当人眼球发生转动时， RGB分量在视网膜上的落点发生偏移，人眼就会感知到彩色的分离。彩色分离的界限比较明显，而在传统的空间彩色中，边缘处的模糊 是目标和背景间色度的渐变过程3 。根据眼球运动的方式，色分离现象可以分为动态色分离和 静态 色分离现象35。眼球运动主要包括快速跳动运动 （saccade ） 和平滑跟随运动（ smooth pursuit ）。动态色分离现象是指当明显 的混合色（或者白色）目标发生运动时，由于人 眼的平滑追踪的特 点，眼球追

4、随运动目标运动时产生的色分离现 象。由于动态色分离 的强度受到运动目标的运动速度、亮度、对 比度等显示因素影响， 动态色分离是可以被预知的。 静态色分离现象是指眼球发生突然的 快速跳动运动（saccade ）时，在人眼 中发生的色分离现象。眼球 突然的快速跳动一般由旋转头部、 眨眼等情况引起，没有固定规 律，因此静态色分离现象是无法预知 的。静态色分离在静态图像或 运动图像中都会发生，但据研究显示，多数人在观看场序彩色显示 时不会受到静态色分离的影响 12。3色分离现象的研究手段和影响因素1994年，Arend利用6人眼的视觉系统的亮度解析机制，预 测了在180Hz的场序彩色显示系统的色分离现

5、象的存在。此 后，色分 离现象逐渐得到了广泛的研究。对于色分离现象的研究主要通过三种手段：心理学实验 7 、 通过高速相机精确记录 5 和计算机模拟。 心理学实验主要 通过多 名实验人员的主观判断来评价色分离现象：改变显示条 件，并根据实 验人员对色分离现象的观测效果， 来研究色分离现 象。通常个体间 观测差异较大， 心理学实验只能得到关于色分离 现象定性的判断。 使用高速相机来记录，对相机的位置、移动速 度等进行调节， 以模 仿人眼观看场序彩色显示的方式。 相机记录 可以在短时间内得到具 体显示条件下的分析结果， 但是该方法无 法在视觉系统机制对色分 离现象的影响方面进行研究。 另外， 可

6、以使用计算机工具对色分离 现象进行模拟 8 来研究色分离现 象，例如采用 Matlab 软件等， 该方法只是在理论层次对色分离 进行分析，与实际的效果有很大差 异。影响色分离现象的因素较多，主要包括客观的显示因素和 人的 视觉生理因素。客观的显示因素 810 主要包括刷新场频、 目标亮 度、对比度、目标大小以及观看距离等因素。刷新场频的 作用比较显 著，刷新频率越高，色分离出现的彩条宽度越窄，色 分离越不易被观 察到。 在特定的显示条件下， 当刷新频率达到某 个频率之后， 观 察者就会感觉不到色分离现象， 这个频率被称为 色分离现象的边界 频率。 目标亮度和对比度的提高可以使色分离 现象更容易

7、被观测 到， 其中对比度对色分离的影响较强。 观看目 标的大小也影响着色 分离的观察，目标越大，色分离现象越弱。人的视觉生理因素包括眼球速度和视觉系统机理11-12 。其中在平滑眼球追踪中，眼球速度受到外部显示目 标的 速度影响，基本上与目标速度相当，眼球速度越快，色分离 越容易被 观察到。色分离现象比较复杂，不仅仅是简单的彩色在视网膜上分 离的现象，还涉及到复杂的视觉系统特性。例如出现的视觉的急动 抑制11 （ saccadic suppression ） ,在人眼的突然快速运动 时，眼球快速扫描显示器，视网膜上得到大量的图像信息，对视觉 系统来讲速度太快而来不及完全处理， 图像在人眼中会发

8、生模糊， 出现对色分离现象的抑制和压缩作用， 称为视觉的急动抑制。另 外，Dan Eliav等人12在实验中发现：即使在较小的场频情况 下（其它显示条件相同），在五原色场序显示下的色分离现象出现的几 率要比三原色出现的小，出现这种现象的 原因目前还不清楚，Dan Eliav等人提出了几个猜测，将该现象归咎于人的视觉系统的特性， 例如关于视网膜中锥状细胞中的饱 和特性、混合色引起两种锥状细胞 反应等原因，但没有进行验证。目前还没有对色分离现象进行系统的建模，并且一部分涉 及视 觉系统机理的影响还不清楚，需要进一步的研究和探索。4色分离现象的评价方法评价色分离现象的强度主要有以下几 个方面：1）彩

9、色分离的宽度：彩色分离的宽度直接影响着色分离 的可见程度，是一个比较直观的评价。（2）分离彩色的亮度和色度以及相对于目标和背景的可分 辨 程度：这也是决定色分离强度的重要因素， 同样宽度的彩色分离， 如果分离彩色是混合色并且与目标或背景的色度和亮度相 近，可分辨 程度降低，这种色分离的强度就比较弱，反之则色分 离现象更强烈。（ 3）视觉系统对色分离现象的感知机制作用：视觉系统在 眼 球运动过程中发生的感知作用，如视觉的急动抑制等，对于感知色 分离现象具有影响，但是这个过程是视觉系统的特性所决定 的。目前，边界频率被用来评价具体实验条件下色分离现象的 强 度，主要是基于人对色分离现象的主观感受而

10、得到的， 是对色分离 现象的总体感觉评价。D.L.Post等人利用边界频率8对色分离现象的影响因素 进 行评价，并给出了相应的经验公式：R=36.3L0.05M1.06V1.69（其中R为出现色分离的显示边界频率，L为刺激物亮 度，M为亮度调制，V为刺激物在眼球上的移动速度）。从实用的角度来说，找到在具体观看条件下消除色分离现 象的 边界频率是十分有用的，对于设计场序彩色显示器具有重要 的意 义。目前，已经提出了多个不同实验条件下消除色分离现象 的边界 频率。 2007年， Ismo Miettinen 对比了以前的研究结果10 ， 并在各种极端的实验条件下， 推断色分离现象的边界频率， 得出

11、至 少需要1,200Hz才能完全消除色分离现象，该频率和D.L.Post等人 8由经验公式得到的关于边界频率的数值比较接 近。另外，Jongseo Lee*等人利用均匀色度L*u*v*空间来评价 色分离现象3 , L*u*v*空间使用ae来量化两种颜色间的差异，如图2所示，color A和color B是目标和背景的两种颜色在 L*u*v*空间中的坐标，在AB间连线，并从色分离彩色的坐标作 上述 连线的垂线，垂线长度 AE作为彩色分离值，并将分离出的多个彩色分离值进行累加，来描述色分离现象的程度。分离彩色点 的个数用来描述彩色分离的宽度。这种评价方法可以详细和精确的 描述色分离现象的程度，但缺

12、乏视觉系统的主观感受，需要心理学 实验的辅助。5减小色分离现象的方法为了提高场序彩色显示的质量，目前 国际上提出多种消除色分离现象的方法，主要包括：（1）、提高刷 新场频;（2）采用多基色彩色场及其它改变扫描驱动方式的方法; （3）运动补偿 法。提高场序显示的扫描频率后，帧周期变短，在每帧的时间 内在 视网膜上分离的彩色宽度变窄，当低于人眼识别的阀值时， 就不会观 察到色分离现象，因此提高刷新场频无疑是解决色分离问题的最直 接有效的办法。但是在液晶显示器件中，这种方法需要TFT和液 晶单元具有非常快的寻址和响应速度。 就液晶的响应时间而言，目 前仍然处于毫秒级别，其中最快的OCB夜晶的响应 时

13、间也仅为2ms 通常所用的液晶响应时间一般在8ms左右，限制了刷新场频的进一 步提高。提高刷新场频，驱动电路不易实现，高场频也会使电路功 耗迅速提高，因此，无法采用极大提高刷新场频的办法来消除色分 离现象。第二个方法是采用多基色彩色场及其它改变扫描驱动方式 的方 法1317,例如在RGB子场中插入黑场或白场、采用混合 色子场 （如青、黄等混合色场）、改变每帧彩色场扫描顺序或者 以上方法的 相互组合等。到目前为止,一部分具体的方案经过实验的验证, 可以减轻色分离现象。但是该方法只是通过改变扫描 驱动方式,使 出现的色分离彩条趋于混合色,接近于目标本身颜色,使人眼不易 观察到,而没有从场序彩色模式

14、的机理角度去消 除色分离现象,因 此该方法只能在一定程度上减小色分离的感 知,而无法从根本上消除 色分离现象。第三个方法就是运动补偿方法 1819,该方法不需要改变TFT和液晶响应时间，主要基于运动物体的速度矢量和眼球运动的特 性来补偿显示图像，使补偿后的显示RGB图像能够在人眼视网膜上很 好的重叠在一起，进而消除色分离现象。例如，Norio Koma提出了 一种具体的消除场序彩色液晶显示器中运动图像色 分离的补偿方法 24，该方法是基于人眼对运动图像平滑跟踪的 特性。首先扫描相邻帧RGB图像，得到RGB图像分量的最匹配运动模 块，并计算出各自的运动矢量VR VG VB,接下来根据人眼平滑跟踪

15、的 特性和各自的运动矢量对下一帧RGB运动图像位置分别进行补偿。当人的眼球对运动目标进行追踪时， 下一帧的 RGB图像在视网膜上重叠，因此可以消除色分离现象。但是在实际的 场序彩色视频显示中，大多数视频内容非常复杂，例如当同时存在 两个运动物体的情况下，很难考虑所有的运动方向，对于运动补偿 的方法提出了很高的要求， 并且运动补偿方法对于静态 色分离现象 没有效果。6 结 论 色分离现象是场序彩色显示器最为严重的负面效应，是 一 种复杂的涉及彩色显示模式和视觉系统机制的现象， 目前关于色 分离现象的研究已经取得了很大的进展， 但是涉及视觉系统在色 分 离现象中的影响还有待研究， 需要探索适合的模型来描述色分 离现 象。 在消除色分离现象的方法中， 采用多基色场和改变扫描 驱动方 式的方法受到其解决机理的限制， 只能在一定程度上减弱 色分离现 象，而无法完全消除。提高场频和运动补偿的方法，在 理论可以有效 的消除色分离现象， 但在应用中受到实际情况的制 约。因此目前尚 没有有效的方法来消除色分离现象， 需要在对其 机制和适合模型研 究的基础上， 综合各种解决方法的优点， 找到 合适的方法消除色分 离现象，以提高场序彩色显示的质量。