电视图像运动响应特性的参数选择及其测量
【编者按】 上期作者应为江宁。本期内容是 徐康兴教授根据他的最新研究成果，提出了“运动响应”的概念，有别于“响应时间”和“运动图像响应时间”等早期概念。在国际上也属于最新成果。在这里我们“捷足先得”以飨读者。
【摘 要】 从活动图像运动响应的定义出发，分析种种运动伪像成因，提出描述运动伪像的5个实用参数，阐明选择其中亮拖尾时间和暗拖尾时间作为电视机指标参数的理由，并就它们一种低成本的实用测量方法做了介绍和说明。
【关键词】 运动响应特性 运动上升时间 运动下降时间 延迟时间差 亮拖尾时间 暗拖尾时间
一．引言
LCD、PDP等新型显示器件具有薄、大、轻等突出优点，在电视机上得到了广泛应用。然而，其图像变化的响应速度与CRT相比尚有一定差距，从而显示活动图像时出现了诸如拖尾等种种缺陷，迫切需要在整机指标中列入控制这些缺陷的指标。应标准工作组的要求，我们就如何定量描述和测量运动图像的质量的问题做了一些尝试和探索，发现“响应时间”及“运动图像响应时间”的指标都不能确切和可靠地控制控制运动图像的质量，亮暗拖尾时间才是比较恰当的选择。本文介绍了我们做此工作的一些心得，不当之处敬请指正。
二．“响应时间”不适用于活动图像的场合
响应时间是计算机显示器的一项极有价值的参数，它有效地规范了静止图片切换时响应速度的快慢，并不经意地沿用到电视图像的场合。一开始我们也以为响应时间的大小可以衡量运动图像劣化（下称运动伪像）的程度，实践中发现它们之间并无确切的定量关系。此外，常常可见一些报道，称某型电视机的响应时间指标是如何地好，但拖尾现象依然明显。相反的例子是显像管电视机，如测量其响应时间，由于荧光粉的余辉效应，它也有一定长短的下降时间，图像上却看不出拖尾。响应时间的测量仅涉及被测像素自身亮度变化，可称为瞬变响应，而运动响应还与相邻像素的亮度及人眼的视觉特性相关，应予另行定义。
三．运动响应的定义
图1a示意在暗的背景上有一亮的静止物体AB，物体呈现清晰的边界，当它以速度v从左向右运动时，如果相对于激励信号，显示亮度的变化不能瞬间完成，看到的物体一般如图1b的CF所示。1b图上还以虚线框 AB 给出物体的实际位置（对应于亮激励信号所在位置）。AC间的那些像素，此刻虽已变为亮信号激励，但其亮度还未来得及上升到足以与暗背景相区分的程度，从 C开始可察觉物体的出现，C到D亮度逐渐上升，形成上升的模糊边缘。到D点，其亮度上升到了与物体亮度不能分别的程度。BE间的那些像素，此刻虽已变为暗信号激励，但其亮度还未来得及下降到足以与亮物体相区分的程度，E到F亮度逐渐下降，形成下降的模糊边缘。到F点，其亮度下降到了与背景亮度不能分别的程度，F是物体的察觉终点。
根据以上描述，我们可以定义：AC为启动延迟长度；CD为上升模糊长度；BE为保持延迟长度；EF为下降模糊长度。
将以上各长度除以物体的运动速度，就得到了具有时间量纲的参数，可分别称为：
运动启动时间 Tmsu = AC/v; 运动上升时间 Tmrice = CD/ v；
运动保持时间 Tmkp = BE/ v； 运动下降时间 Tmfall = EF/ v。
前缀“运动”及脚标“m”用来说明它们是运动响应的参数，以区别于瞬变响应的那些参数。
运动响应在国内外都倍受关注[1]，相关文献中提出的运动图像响应时间（MPRT），其定义与本文的运动上升时间和运动下降时间相当。
四．运动伪像和运动响应的实用参数
上述四项运动响应的基本参数中，运动上升时间和运动下降时间在运动图像上直接表现为上升边缘模糊和下降边缘模糊。但在运动图像上找不出任何表现能与运动启动时间和运动保持时间单独联系起来，于是也不可能有与它们各自直接对应的运动伪像。然而，这并不意味着它们与运动伪像无关，它们经常参与引起运动伪像的“合唱”。
例1 边界位错
如图2a 所示，静止的物体是一黑白相间的竖杆，它的两边界上下对齐。当它在水平方向以速度v移动时，可能像图2b那样，两边界变得参差不齐。就激励信号而言，边界是上下对齐的，但显示的边界就不一定对齐了。比如显示的右边界，黑块要延迟保持时间后才出现，而白块延迟的是启动时间，如两个延迟时间不等（图2b对应于保持延迟时间大于启动延迟时间），就会呈现边界位错。为了直接描述边界位错的大小，需定义一个实用参数，比如“延迟时间差”（运动保持时间─运动启动时间）。显然，延迟时间差的值，可正可负，依场合而异。
例2 形状变化
看足球比赛的节目，飞行中的足球感觉是个椭球，这是大家熟悉的经验，并被习惯地称作拖尾。借助于图1来说明如何定量描述此类运动伪像。AB可称为物体的实际长度，CF可称为在运动方向上的观察长度，拖尾的大小可用它们的差来表述，即拖尾长度=观察长度─实际长度=CF─AB=BE+EF─AC，由于这是亮物体在暗背景上的拖尾，称为亮拖尾，则亮拖尾长度=保持延迟长度+下降模糊长度─启动延迟长度。等式两边同除以速度，即得亮拖尾时间=运动保持时间+运动下降时间─运动启动时间=运动下降时间+延迟时间差。将图1中物体和背景的亮度相交换，类似的分析可得暗拖尾时间=运动启动时间+运动上升时间─运动保持时间=运动上升时间─延迟时间差。可见拖尾这种运动伪像是3个基本参数组合作用的结果。由于表达式中存在负项，拖尾时间的取值也是可正可负，分别称作正拖尾和负拖尾。早期，运动上升下降时间远大于延迟时间差，拖尾总表现为正的，随运动上升下降时间性能的改进，出现负拖尾的场合会逐渐多起来。
例3 间距变化
如图3所示，正的拖尾不仅使物体扩展，也会把两个物体间的距离拉近，而负拖尾将使物体收缩，却把间距推开。分析结果表明，间距变化恰好等于拖尾长度取反，因此间距变化可归属于拖尾类的运动伪像。
例4 色彩间断和色彩位移
图4a示意的现象称作色彩间断（Color Breaking），静止时相挨的红蓝色块运动时分开了，即静止时间距为0，运动时间距为正，而间距的变化等于取反的拖尾长度，因此这个现象其实就是负拖尾的表现。可见色彩间断本质上是负的亮拖尾在彩色图像上表现的一个例子。
图4b示意的现象称作色彩位移（Color Shifting）。运动时两个色块相叠了，间距变成了负的，表明拖尾是正的，因此色彩位移本质上是正的亮拖尾在彩色图像上表现的一个例子。
例5边缘色变
静止时无色的黑白图像运动时边缘挂色，这是由于三基色的运动响应特性不一致所造成。这时需要按不同基色分别测量其运动响应特性，并找出它们的差别，无需为它另设新的运动响应实用参数。
下表归纳了种种运动伪像的表现与运动响应实用参数之间的关系。
由上表看出，所列种种运动伪像，对应的实用参数有5个，它们是运动上升时间、运动下降时间、延迟时间差、亮拖尾时间和暗拖尾时间，如果运动图像边缘挂色，意味着三基色的运动响应特性相互不同，应分别测量。
从上述5项实用参数的定义可知，5项中3项为独立参数，其余2项可由独立参数作适当运算而得，且任何一项都可选作独立参数组的成员。就测量而言，关心何种运动伪像应直接测量对应的参数，避免从别的参数经运算而得，以免误差积累。
针对运动伪像而言，运动保持时间和运动启动时间并非必要参数，各自可以不予关注，但是它们的差却是引起运动伪像的重要因素，在多种伪像中发挥作用。当然，在别的场合下，运动保持时间和运动启动时间会对其它性能产生影响，例如引起声音与图像同步性的改变等等。
五．电视图像运动响应特性指标参数的选择
整机指标在于控制质量水平，显然无需列入运动响应特性的各项参数，我国