電視圖像運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性的參數(shù)選擇及其測(cè)量

　　【編者按】 上期作者應(yīng)為江寧。本期內(nèi)容是 徐康興教授根據(jù)他的最新研究成果，提出了“運(yùn)動(dòng)響應(yīng)”的概念，有別于“響應(yīng)時(shí)間”和“運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間”等早期概念。在國(guó)際上也屬于最新成果。在這里我們“捷足先得”以饗讀者。

　　【摘  要】 從活動(dòng)圖像運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的定義出發(fā)，分析種種運(yùn)動(dòng)偽像成因，提出描述運(yùn)動(dòng)偽像的5個(gè)實(shí)用參數(shù)，闡明選擇其中亮拖尾時(shí)間和暗拖尾時(shí)間作為電視機(jī)指標(biāo)參數(shù)的理由，并就它們一種低成本的實(shí)用測(cè)量方法做了介紹和說(shuō)明。

　　【關(guān)鍵詞】 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性  運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間  運(yùn)動(dòng)下降時(shí)間  延遲時(shí)間差  亮拖尾時(shí)間  暗拖尾時(shí)間

一．引言
　　LCD、PDP等新型顯示器件具有薄、大、輕等突出優(yōu)點(diǎn)，在電視機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。然而，其圖像變化的響應(yīng)速度與CRT相比尚有一定差距，從而顯示活動(dòng)圖像時(shí)出現(xiàn)了諸如拖尾等種種缺陷，迫切需要在整機(jī)指標(biāo)中列入控制這些缺陷的指標(biāo)。應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)工作組的要求，我們就如何定量描述和測(cè)量運(yùn)動(dòng)圖像的質(zhì)量的問(wèn)題做了一些嘗試和探索，發(fā)現(xiàn)“響應(yīng)時(shí)間”及“運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間”的指標(biāo)都不能確切和可靠地控制控制運(yùn)動(dòng)圖像的質(zhì)量，亮暗拖尾時(shí)間才是比較恰當(dāng)?shù)倪x擇。本文介紹了我們做此工作的一些心得，不當(dāng)之處敬請(qǐng)指正。

二．“響應(yīng)時(shí)間”不適用于活動(dòng)圖像的場(chǎng)合
　　響應(yīng)時(shí)間是計(jì)算機(jī)顯示器的一項(xiàng)極有價(jià)值的參數(shù)，它有效地規(guī)范了靜止圖片切換時(shí)響應(yīng)速度的快慢，并不經(jīng)意地沿用到電視圖像的場(chǎng)合。一開(kāi)始我們也以為響應(yīng)時(shí)間的大小可以衡量運(yùn)動(dòng)圖像劣化（下稱運(yùn)動(dòng)偽像）的程度，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它們之間并無(wú)確切的定量關(guān)系。此外，常常可見(jiàn)一些報(bào)道，稱某型電視機(jī)的響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)是如何地好，但拖尾現(xiàn)象依然明顯。相反的例子是顯像管電視機(jī)，如測(cè)量其響應(yīng)時(shí)間，由于熒光粉的余輝效應(yīng)，它也有一定長(zhǎng)短的下降時(shí)間，圖像上卻看不出拖尾。響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量?jī)H涉及被測(cè)像素自身亮度變化，可稱為瞬變響應(yīng)，而運(yùn)動(dòng)響應(yīng)還與相鄰像素的亮度及人眼的視覺(jué)特性相關(guān)，應(yīng)予另行定義。

三．運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的定義
　　圖1a示意在暗的背景上有一亮的靜止物體AB，物體呈現(xiàn)清晰的邊界，當(dāng)它以速度v從左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)，顯示亮度的變化不能瞬間完成，看到的物體一般如圖1b的CF所示。1b圖上還以虛線框 AB 給出物體的實(shí)際位置（對(duì)應(yīng)于亮激勵(lì)信號(hào)所在位置）。AC間的那些像素，此刻雖已變?yōu)榱列盘?hào)激勵(lì)，但其亮度還未來(lái)得及上升到足以與暗背景相區(qū)分的程度，從 C開(kāi)始可察覺(jué)物體的出現(xiàn)，C到D亮度逐漸上升，形成上升的模糊邊緣。到D點(diǎn)，其亮度上升到了與物體亮度不能分別的程度。BE間的那些像素，此刻雖已變?yōu)榘敌盘?hào)激勵(lì)，但其亮度還未來(lái)得及下降到足以與亮物體相區(qū)分的程度，E到F亮度逐漸下降，形成下降的模糊邊緣。到F點(diǎn)，其亮度下降到了與背景亮度不能分別的程度，F(xiàn)是物體的察覺(jué)終點(diǎn)。

　　根據(jù)以上描述，我們可以定義：AC為啟動(dòng)延遲長(zhǎng)度；CD為上升模糊長(zhǎng)度；BE為保持延遲長(zhǎng)度；EF為下降模糊長(zhǎng)度。

　　將以上各長(zhǎng)度除以物體的運(yùn)動(dòng)速度，就得到了具有時(shí)間量綱的參數(shù)，可分別稱為：

　　運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間   Tmsu  = AC/v;         運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間    Tmrice  = CD/ v；

　　運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間   Tmkp  = BE/ v；       運(yùn)動(dòng)下降時(shí)間    Tmfall  = EF/ v。

　　前綴“運(yùn)動(dòng)”及腳標(biāo)“m”用來(lái)說(shuō)明它們是運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的參數(shù)，以區(qū)別于瞬變響應(yīng)的那些參數(shù)。

　　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在國(guó)內(nèi)外都倍受關(guān)注[1]，相關(guān)文獻(xiàn)中提出的運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間（MPRT），其定義與本文的運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間和運(yùn)動(dòng)下降時(shí)間相當(dāng)。

四．運(yùn)動(dòng)偽像和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的實(shí)用參數(shù)
　　上述四項(xiàng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的基本參數(shù)中，運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間和運(yùn)動(dòng)下降時(shí)間在運(yùn)動(dòng)圖像上直接表現(xiàn)為上升邊緣模糊和下降邊緣模糊。但在運(yùn)動(dòng)圖像上找不出任何表現(xiàn)能與運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間單獨(dú)聯(lián)系起來(lái)，于是也不可能有與它們各自直接對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)偽像。然而，這并不意味著它們與運(yùn)動(dòng)偽像無(wú)關(guān)，它們經(jīng)常參與引起運(yùn)動(dòng)偽像的“合唱”。

　　例1 邊界位錯(cuò)
　　如圖2a 所示，靜止的物體是一黑白相間的豎桿，它的兩邊界上下對(duì)齊。當(dāng)它在水平方向以速度v移動(dòng)時(shí)，可能像圖2b那樣，兩邊界變得參差不齊。就激勵(lì)信號(hào)而言，邊界是上下對(duì)齊的，但顯示的邊界就不一定對(duì)齊了。比如顯示的右邊界，黑塊要延遲保持時(shí)間后才出現(xiàn)，而白塊延遲的是啟動(dòng)時(shí)間，如兩個(gè)延遲時(shí)間不等（圖2b對(duì)應(yīng)于保持延遲時(shí)間大于啟動(dòng)延遲時(shí)間），就會(huì)呈現(xiàn)邊界位錯(cuò)。為了直接描述邊界位錯(cuò)的大小，需定義一個(gè)實(shí)用參數(shù)，比如“延遲時(shí)間差”（運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間─運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間）。顯然，延遲時(shí)間差的值，可正可負(fù)，依場(chǎng)合而異。

　　例2 形狀變化
　　看足球比賽的節(jié)目，飛行中的足球感覺(jué)是個(gè)橢球，這是大家熟悉的經(jīng)驗(yàn)，并被習(xí)慣地稱作拖尾。借助于圖1來(lái)說(shuō)明如何定量描述此類運(yùn)動(dòng)偽像。AB可稱為物體的實(shí)際長(zhǎng)度，CF可稱為在運(yùn)動(dòng)方向上的觀察長(zhǎng)度，拖尾的大小可用它們的差來(lái)表述，即拖尾長(zhǎng)度=觀察長(zhǎng)度─實(shí)際長(zhǎng)度=CF─AB=BE+EF─AC，由于這是亮物體在暗背景上的拖尾，稱為亮拖尾，則亮拖尾長(zhǎng)度=保持延遲長(zhǎng)度+下降模糊長(zhǎng)度─啟動(dòng)延遲長(zhǎng)度。等式兩邊同除以速度，即得亮拖尾時(shí)間=運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間+運(yùn)動(dòng)下降時(shí)間─運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間=運(yùn)動(dòng)下降時(shí)間+延遲時(shí)間差。將圖1中物體和背景的亮度相交換，類似的分析可得暗拖尾時(shí)間=運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間+運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間─運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間=運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間─延遲時(shí)間差。可見(jiàn)拖尾這種運(yùn)動(dòng)偽像是3個(gè)基本參數(shù)組合作用的結(jié)果。由于表達(dá)式中存在負(fù)項(xiàng)，拖尾時(shí)間的取值也是可正可負(fù)，分別稱作正拖尾和負(fù)拖尾。早期，運(yùn)動(dòng)上升下降時(shí)間遠(yuǎn)大于延遲時(shí)間差，拖尾總表現(xiàn)為正的，隨運(yùn)動(dòng)上升下降時(shí)間性能的改進(jìn)，出現(xiàn)負(fù)拖尾的場(chǎng)合會(huì)逐漸多起來(lái)。

　　例3 間距變化
　　如圖3所示，正的拖尾不僅使物體擴(kuò)展，也會(huì)把兩個(gè)物體間的距離拉近，而負(fù)拖尾將使物體收縮，卻把間距推開(kāi)。分析結(jié)果表明，間距變化恰好等于拖尾長(zhǎng)度取反，因此間距變化可歸屬于拖尾類的運(yùn)動(dòng)偽像。

　　例4 色彩間斷和色彩位移
　　圖4a示意的現(xiàn)象稱作色彩間斷（Color Breaking），靜止時(shí)相挨的紅藍(lán)色塊運(yùn)動(dòng)時(shí)分開(kāi)了，即靜止時(shí)間距為0，運(yùn)動(dòng)時(shí)間距為正，而間距的變化等于取反的拖尾長(zhǎng)度，因此這個(gè)現(xiàn)象其實(shí)就是負(fù)拖尾的表現(xiàn)。可見(jiàn)色彩間斷本質(zhì)上是負(fù)的亮拖尾在彩色圖像上表現(xiàn)的一個(gè)例子。

　　圖4b示意的現(xiàn)象稱作色彩位移（Color Shifting）。運(yùn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)色塊相疊了，間距變成了負(fù)的，表明拖尾是正的，因此色彩位移本質(zhì)上是正的亮拖尾在彩色圖像上表現(xiàn)的一個(gè)例子。

　　例5邊緣色變
　　靜止時(shí)無(wú)色的黑白圖像運(yùn)動(dòng)時(shí)邊緣掛色，這是由于三基色的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性不一致所造成。這時(shí)需要按不同基色分別測(cè)量其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，并找出它們的差別，無(wú)需為它另設(shè)新的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)實(shí)用參數(shù)。

　　下表歸納了種種運(yùn)動(dòng)偽像的表現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)實(shí)用參數(shù)之間的關(guān)系。

　　從上述5項(xiàng)實(shí)用參數(shù)的定義可知，5項(xiàng)中3項(xiàng)為獨(dú)立參數(shù)，其余2項(xiàng)可由獨(dú)立參數(shù)作適當(dāng)運(yùn)算而得，且任何一項(xiàng)都可選作獨(dú)立參數(shù)組的成員。就測(cè)量而言，關(guān)心何種運(yùn)動(dòng)偽像應(yīng)直接測(cè)量對(duì)應(yīng)的參數(shù)，避免從別的參數(shù)經(jīng)運(yùn)算而得，以免誤差積累。

　　針對(duì)運(yùn)動(dòng)偽像而言，運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間和運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間并非必要參數(shù)，各自可以不予關(guān)注，但是它們的差卻是引起運(yùn)動(dòng)偽像的重要因素，在多種偽像中發(fā)揮作用。當(dāng)然，在別的場(chǎng)合下，運(yùn)動(dòng)保持時(shí)間和運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間會(huì)對(duì)其它性能產(chǎn)生影響，例如引起聲音與圖像同步性的改變等等。

五．電視圖像運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性指標(biāo)參數(shù)的選擇
　　整機(jī)指標(biāo)在于控制質(zhì)量水平，顯然無(wú)需列入運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性的各項(xiàng)參數(shù)，我國(guó)