電視圖像運動響應特性的參數選擇及其測量

　　【編者按】 上期作者應為江寧。本期內容是 徐康興教授根據他的最新研究成果，提出了“運動響應”的概念，有別于“響應時間”和“運動圖像響應時間”等早期概念。在國際上也屬于最新成果。在這里我們“捷足先得”以饗讀者。

　　【摘  要】 從活動圖像運動響應的定義出發，分析種種運動偽像成因，提出描述運動偽像的5個實用參數，闡明選擇其中亮拖尾時間和暗拖尾時間作為電視機指標參數的理由，并就它們一種低成本的實用測量方法做了介紹和說明。

　　【關鍵詞】 運動響應特性  運動上升時間  運動下降時間  延遲時間差  亮拖尾時間  暗拖尾時間

一．引言
　　LCD、PDP等新型顯示器件具有薄、大、輕等突出優點，在電視機上得到了廣泛應用。然而，其圖像變化的響應速度與CRT相比尚有一定差距，從而顯示活動圖像時出現了諸如拖尾等種種缺陷，迫切需要在整機指標中列入控制這些缺陷的指標。應標準工作組的要求，我們就如何定量描述和測量運動圖像的質量的問題做了一些嘗試和探索，發現“響應時間”及“運動圖像響應時間”的指標都不能確切和可靠地控制控制運動圖像的質量，亮暗拖尾時間才是比較恰當的選擇。本文介紹了我們做此工作的一些心得，不當之處敬請指正。

二．“響應時間”不適用于活動圖像的場合
　　響應時間是計算機顯示器的一項極有價值的參數，它有效地規范了靜止圖片切換時響應速度的快慢，并不經意地沿用到電視圖像的場合。一開始我們也以為響應時間的大小可以衡量運動圖像劣化（下稱運動偽像）的程度，實踐中發現它們之間并無確切的定量關系。此外，常常可見一些報道，稱某型電視機的響應時間指標是如何地好，但拖尾現象依然明顯。相反的例子是顯像管電視機，如測量其響應時間，由于熒光粉的余輝效應，它也有一定長短的下降時間，圖像上卻看不出拖尾。響應時間的測量僅涉及被測像素自身亮度變化，可稱為瞬變響應，而運動響應還與相鄰像素的亮度及人眼的視覺特性相關，應予另行定義。

三．運動響應的定義
　　圖1a示意在暗的背景上有一亮的靜止物體AB，物體呈現清晰的邊界，當它以速度v從左向右運動時，如果相對于激勵信號，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 給出物體的實際位置（對應于亮激勵信號所在位置）。AC間的那些像素，此刻雖已變為亮信號激勵，但其亮度還未來得及上升到足以與暗背景相區分的程度，從 C開始可察覺物體的出現，C到D亮度逐漸上升，形成上升的模糊邊緣。到D點，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，此刻雖已變為暗信號激勵，但其亮度還未來得及下降到足以與亮物體相區分的程度，E到F亮度逐漸下降，形成下降的模糊邊緣。到F點，其亮度下降到了與背景亮度不能分別的程度，F是物體的察覺終點。

　　根據以上描述，我們可以定義：AC為啟動延遲長度；CD為上升模糊長度；BE為保持延遲長度；EF為下降模糊長度。

　　將以上各長度除以物體的運動速度，就得到了具有時間量綱的參數，可分別稱為：

　　運動啟動時間   Tmsu  = AC/v;         運動上升時間    Tmrice  = CD/ v；

　　運動保持時間   Tmkp  = BE/ v；       運動下降時間    Tmfall  = EF/ v。

　　前綴“運動”及腳標“m”用來說明它們是運動響應的參數，以區別于瞬變響應的那些參數。

　　運動響應在國內外都倍受關注[1]，相關文獻中提出的運動圖像響應時間（MPRT），其定義與本文的運動上升時間和運動下降時間相當。

四．運動偽像和運動響應的實用參數
　　上述四項運動響應的基本參數中，運動上升時間和運動下降時間在運動圖像上直接表現為上升邊緣模糊和下降邊緣模糊。但在運動圖像上找不出任何表現能與運動啟動時間和運動保持時間單獨聯系起來，于是也不可能有與它們各自直接對應的運動偽像。然而，這并不意味著它們與運動偽像無關，它們經常參與引起運動偽像的“合唱”。

　　例1 邊界位錯
　　如圖2a 所示，靜止的物體是一黑白相間的豎桿，它的兩邊界上下對齊。當它在水平方向以速度v移動時，可能像圖2b那樣，兩邊界變得參差不齊。就激勵信號而言，邊界是上下對齊的，但顯示的邊界就不一定對齊了。比如顯示的右邊界，黑塊要延遲保持時間后才出現，而白塊延遲的是啟動時間，如兩個延遲時間不等（圖2b對應于保持延遲時間大于啟動延遲時間），就會呈現邊界位錯。為了直接描述邊界位錯的大小，需定義一個實用參數，比如“延遲時間差”（運動保持時間─運動啟動時間）。顯然，延遲時間差的值，可正可負，依場合而異。

　　例2 形狀變化
　　看足球比賽的節目，飛行中的足球感覺是個橢球，這是大家熟悉的經驗，并被習慣地稱作拖尾。借助于圖1來說明如何定量描述此類運動偽像。AB可稱為物體的實際長度，CF可稱為在運動方向上的觀察長度，拖尾的大小可用它們的差來表述，即拖尾長度=觀察長度─實際長度=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，則亮拖尾長度=保持延遲長度+下降模糊長度─啟動延遲長度。等式兩邊同除以速度，即得亮拖尾時間=運動保持時間+運動下降時間─運動啟動時間=運動下降時間+延遲時間差。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間=運動啟動時間+運動上升時間─運動保持時間=運動上升時間─延遲時間差。可見拖尾這種運動偽像是3個基本參數組合作用的結果。由于表達式中存在負項，拖尾時間的取值也是可正可負，分別稱作正拖尾和負拖尾。早期，運動上升下降時間遠大于延遲時間差，拖尾總表現為正的，隨運動上升下降時間性能的改進，出現負拖尾的場合會逐漸多起來。

　　例3 間距變化
　　如圖3所示，正的拖尾不僅使物體擴展，也會把兩個物體間的距離拉近，而負拖尾將使物體收縮，卻把間距推開。分析結果表明，間距變化恰好等于拖尾長度取反，因此間距變化可歸屬于拖尾類的運動偽像。

　　例4 色彩間斷和色彩位移
　　圖4a示意的現象稱作色彩間斷（Color Breaking），靜止時相挨的紅藍色塊運動時分開了，即靜止時間距為0，運動時間距為正，而間距的變化等于取反的拖尾長度，因此這個現象其實就是負拖尾的表現。可見色彩間斷本質上是負的亮拖尾在彩色圖像上表現的一個例子。

　　圖4b示意的現象稱作色彩位移（Color Shifting）。運動時兩個色塊相疊了，間距變成了負的，表明拖尾是正的，因此色彩位移本質上是正的亮拖尾在彩色圖像上表現的一個例子。

　　例5邊緣色變
　　靜止時無色的黑白圖像運動時邊緣掛色，這是由于三基色的運動響應特性不一致所造成。這時需要按不同基色分別測量其運動響應特性，并找出它們的差別，無需為它另設新的運動響應實用參數。

　　下表歸納了種種運動偽像的表現與運動響應實用參數之間的關系。

　　從上述5項實用參數的定義可知，5項中3項為獨立參數，其余2項可由獨立參數作適當運算而得，且任何一項都可選作獨立參數組的成員。就測量而言，關心何種運動偽像應直接測量對應的參數，避免從別的參數經運算而得，以免誤差積累。

　　針對運動偽像而言，運動保持時間和運動啟動時間并非必要參數，各自可以不予關注，但是它們的差卻是引起運動偽像的重要因素，在多種偽像中發揮作用。當然，在別的場合下，運動保持時間和運動啟動時間會對其它性能產生影響，例如引起聲音與圖像同步性的改變等等。

五．電視圖像運動響應特性指標參數的選擇
　　整機指標在于控制質量水平，顯然無需列入運動響應特性的各項參數，我國