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LCD采样保持特性引起运动图像模糊的原理分析与仿真 　　摘 要 　　LCD由于众多优点，已经成为目前应用最广泛的平面显示设备，然而它固有的采样保持工作模式与人眼跟踪效应的综合效果决定了它在显示运动画面时仍然存在一个缺点：运动图像模糊。本文探讨分析了LCD采样保持工作特性导致运动模糊效应产生的原因，为LCD在显示运动图像时的去模糊研究，提供理论依据。 　　【关键词】采样保持 运动模糊 LCD 模型 　　1 引言 　　LCD（Liquid Crystal Display）由于其具有轻便、低功耗、高分辨率、等优点，已经被广泛应用于各种场合。随着其技术的发展，LCD存在的诸多如视角等问题已得到解决，然而由于LCD显示机理方面的原因，在显示运动图像时会出现边缘模糊现象，这就是LCD的运动图像模糊问题。导致LCD显示运动图像模糊的原因主要来源于两个方面：一是液晶材料的慢响应速度，二是其“采样-保持”工作特性和人眼的追踪运动的综合效果。较大尺寸的LCD将产生大的运动模糊现象，这是因为对于大尺寸的屏幕，人的眼睛更容易进入眼跟踪状态，直接导致了更多的空时积分，从而产生更多的运动模糊。 　　为此，人们提出了多种消除LCD运动图像模糊的方法，主要分为三大类：一类是以提高液晶像素的响应速度为出发点，这类方法有采用新式液晶材料、设计新的LCD像素结构、采用过驱动技术等；第二类是以降低LCD采样保持时间为出发点，这类方法主要有帧速率倍频技术、背光源闪烁技术、黑帧插入等技术；第三类是对显示图像进行预补偿的图像处理技术。但无论用什么方法来解决LCD运动图像模糊问题，都需对整个模糊过程的数学模型有所了解。 　　2 LCD运动图像模糊的建模 　　假设LCD显示器由理想的液晶材料构成，其响应时间为0，所有导致运动图像模糊的原因来自其采样-保持工作特性。 　　实际场景经过摄影机采样、显示器重构图像以及人眼接受图像信息的整个过程如图1所示。该过程由三部分组成：第一部分是摄影机对实际场景的采样过程，是实际场景， 是摄影机采样后的图像。第二部分是显示器对采样图像的重构过程，是重构后的图像。第三部分是人眼视觉系统，是人眼感知的图像。 　　是随时间空间变化的连续函数，其中是空间二维函数。摄影机对原始图像在时间和空间上进行采样。摄影机采样过程可描述为： 　　图2（b）表示LCD的传输函数的频幅响应。 　　根据式（4）可知，经过显示器重构以后的图像的频谱是采样图像频谱与LCD的传输函数点乘的结果，如图2（c）所示。由于人眼视觉系统具有低通滤波器的功能，显示器重构图像ld经过人眼视觉系统的低通滤波后，人眼感知的图像lp便还原了原始图像，如图2（d）所示。从原始图像后的频谱可看出，LCD在显示静止图像时，信息没有丢失，能够很好地还原图像。 　　2.2 显示运动图像 　　当显示运动图像时，实际场景经过摄影机采样、显示器重构图像以及人眼接受图像信息的整个过程与显示静止图像时稍有不同，如图3所示。 　　这在频域中引起了频谱的倾斜，如图4所示： 　　图4（a）表示静止的原始场景图像的频谱，图4（b）表示原始场景图像在移动时得到的倾斜频谱，图4（c）表示摄像机对移动的原始场景采样以后的频谱。 　　眼睛对运动图像的感知由人类视觉系统的另一个重要特征来刻画：眼睛追踪效应。在观看动态画面时，人眼会跟随屏幕上的运动物体，目的是为了在视网膜上产生一个静态图像，从而感知运动图像更多的细节。 　　运动图像观察者眼睛的视网膜中的图像与式（6）和式（7）有相反的关系，如式（8）和式（9）所示。 　　（10） 　　图5（a）是LCD传输函数的频幅响应。如前所述，经过显示器重构以后的图像的频谱 是采样图像频谱 与LCD的传输函数 点乘的结果，因此就得到重构图像的频谱如图5（b）所示。由于人眼对运动物体的跟踪运动，在人眼视网膜中形成的图像的频谱重新由倾斜变为垂直，由图5（c）所示。最后由于人眼的低通滤波效果，得到人眼感知的图像的频谱，如图5（d）所示。 　　显示器传输函数的时间效应结合人眼的跟踪效应，可以用一个空间滤波过程来刻画，如下式所示： 　　3 仿真及分析 　　在Matlab R2007b的环境下，对LCD运动图像模糊的sinc模型函数进行仿真。采用理想的条块匀速运动，速度是15像素/每帧，分别作以下三种运动：（a）水平向右运动；（b）向右上角45度运动；（c）水平向上运动。它们的仿真效果分别如图7（b）、（c）和（d）所示。 　　从仿真效果看， 模型对运动图像的模糊具有以下两个特点： 　　①模糊现象只发生在灰度变化的边缘处。 　　②模糊现象只发生在运动方向上。 　　这些结论与LCD运动图像模糊的模糊函数的频率响应分析结果一致。 　　4 结论