随视角变化的液晶显示色彩管理

吴志男、黄琬姝、郑惟中／国立交通大学光电系显示科技研究所

依视角改变而产生的色偏现象，是液晶显示技术的主要缺点之一。随着视角增大，不仅色彩产生偏移，亮度和对比也会下降，影像质量因而更加劣化。本文将介绍色偏特性的量测与视角变化的人因考虑，并提出新的解决方法。利用同时调节背光和液晶面板穿透度的方式，来降低色偏的现象，除了可降低亮度与色彩饱和度随视角增大的损失，也可降低背光的功率消耗而延长电池的使用时间。

液晶面板是目前显示器之主流，不论是应用在数字相机、行动电话、个人数字助理、电玩等等可携式电器的小尺寸面板，甚至是大尺寸的液晶电视，宽广的视角都是一项重要的诉求。一般而言，液晶电视确实需要广视角技术以满足多人同时分享高质量画面，但另一方面，小尺寸面板如掌上型计算机，更需要广视角技术以适应使用者不断变化的视角。这些可置于手上的小尺寸显示器虽然可以随意调整位置而找到最佳的视角，但事实上有更重要的因素会决定掌上型显示器的方位。以数字相机的显示器屏幕为例，数字相机之所以能取代传统底片相机的主要原因之一，就是可以当场检视刚拍下来或即将拍出来的结果。屏幕中呈现的影像，可以协助摄影者决定快门的时机、构图的方法、曝光的调整，在拍下影像之后，一旦效果不如预期，可马上决定是否重拍以得到更好的影像、或是删除影像文件以节省内存空间、最后更可决定放大冲印的大小与数量、或透过网络传送给亲朋好友分享。由此可知，在影像撷取到再生的过程中，液晶显示器的影像质量确实扮演了关键的角色。在实际的拍摄过程中，相机的方位通常是由被摄物决定，而非拍摄者的视角所决定。比方说，在拍摄孩童时采用低角度，在近拍花朵时使用俯角度，在抢拍被影迷包围的明星时则会把相机高举过头。在不同的情况下，将液晶显示器调整到正视角并不容易也不实际，而偏视角所带来的色偏，就导致了拍摄者对影像的误判。为弥补液晶显示器的这项缺点，专业的数字相机会提供亮度分布图(histogram)，让拍摄者准确地检视影像质量。

过去几年中，广视角一直是液晶显示业界研发的重点，如各种不同Vertical Alignment (VA)技术的变型(文献2)。VA技术虽然改善了可接受视角的广度，然而代价是利用穿透率较低的滤光片来维持色彩饱和度，导致了消耗更高的功率与能源，并不是可携式屏幕的理想解决方案。

这些方法着眼于增加更多的可接受视角，因为面板在设计制造后便无法更动，亦无法针对使用者的人数与方位作动态调整。

另一种方法是让液晶显示器随着使用者的方位，自动校正辉度与色彩。这种方法需要一个摄影机去捕捉使用者的脸部影像，来计算使用者的视角。这种独立外挂式方法的优点是与面板设计无关，可应用在任何不同技术的面板上，甚至可以针对每个单独的面板作不同的校正，以补偿制程中所产生的差异。

以外挂感应器提供的信息来调节显示器的影像并非崭新的概念，在现今的电视产品中，已有多种低价款式利用感应器侦测环境光的强度，再依其调节背光的强度，而达到舒适与省电的效果。在可见的未来，此类可适应不同观赏环境的技术势必会扩展到其它方面的应用。以行动电话和掌上型计算机来说，目前的中价位机种已提供相机功能，甚至前后各有CCD摄影镜头。若能利用这些相机补捉使用者的行为，就能更有效率地管理系统运作，当使用者离开时，系统可以把不需要用到的模块如显示器、键盘和鼠标关闭以节省能源(文献5)。近年来此类利用人机接口与互动的研究来改善产品设计的趋势，已日渐受到重视。

液晶面板的视角特性
一般的产业运用上，液晶显示器的可接受视角(VA)是以辉度对比(luminance contrast ratio)来定义。

辉度对比定义成最大与最小辉度的比值(Lmax/Lmin)。这种方式只能表示可接受视角的广度，忽略了色偏现象，因此无法表达可接受视角内色彩质量劣化的趋势。例如，图二中是相同的显示器(Acer AL1913)从三个不同角度观看所呈现的结果。虽然三张影像都符合以上CR≧10的可接受视角的定义，然而实务上，大部份的使用者无法接受后二者的影像质量。视角(θ)与方位角(Φ)的定义在图一中。

图一：视角与方位角的定义。


图二：液晶显示器的观察角度从0偕未W至30骨M60干氶A辉度与对比逐渐降低且色彩产生偏移。

在上方三张图中，每张图皆包含1152个取样量测值。如果用一般的辉度计来量测，将会是一项艰巨的任务。藉由锥光偏振测试仪(ConoScope，autronic-MELCHERS GmbH)的协助，半球内所有视角的亮度与色度值能在一分钟内被取得。因此我们可以对各种不同画面进行量测，而精确掌握该液晶显示器的视角特性。

在白画面时(中图)，最大辉度发生在0马丑A并随着视角增加而降低；然而在黑画面时(左图)，最小辉度发生在0马丑A并随着视角增加而增加。在对比图上，如果我们画一条CR=10的横线，则横线以上的区域定义了可接受的视角，即[-45陛A60财 。

图四中呈现出在黑白之间4个不同灰阶下，辉度与视角变化的关系。观察右行横切面曲线变化的趋势。原本在白画面中的钟型常态分配曲线，会随灰阶降低而变形。从等高线图中我们可以观察到，当灰阶降低时，最大辉度发生的视角会向右上偏移。图五中液晶面板功率消耗的测量结果。图六中背光的亮度对功率消耗的测量结果。

视角变化的人因研究
为了了解一般人使用显示器时视角变化的现象，我们进行了二项实验来探讨视角变化的程度。这二项实验分别针对固定式显示器的应用与可携式显示器的应用。实验目的在于说明，即使是固定式显示器，使用者都难以保持固定的视角，更遑论可携式显示器。

固定式应用
在这个实验中，我们记录使用者在操作桌上型计算机时，眼睛移动的轨迹，进而计算视角的变化行为。

首先，我们在使用者和一个19"液晶显示器间，以45马予騆m一块半反射半穿透的镜子。在同样的光学距离摆设一台摄影机，来记录使用者眼睛的位置。为了定位眼睛位置，我们在使用者后方安置了一个格状的背景当作参考坐标。接下来请使用者操作一个计算机游戏，同时进行拍摄。所记录的眼睛轨迹如图八。视角变化与时间的关系显示在图九。[!--empirenews.page--]

结果显示，视角的变异性近似于一个常态分布)。在此可得出三个结论，一是使用者视角很难维持在0马丑A二是视角在0马丰炙k相当高，亦即愈大的视角出现的机率愈小、三是视角变化的方向并没有一定的趋势，虽然左右变化的机率会略高于上下变化。

可携式应用
利用个人数字助理(HP iPaq 6530)作为实验平台，我们制作了一个简单的装置，来记录使用可携式系统时的视角变化情形。首先，在PDA上方架设一台网络摄影机，拍摄使用者的眼睛位置。在网络摄影机镜头前端，我们套上一个透明半球，上面画着半径不等的同心圆环，作为计算视角的参考坐标。计算视角的原理类似一个三维的量角器(参考图十)。实验结束后，分析所拍摄的影片并记录眼睛的位置，以计算视角的变化。

在实验中，我们请使用者以PDA进行二项功能操作，第一项操作是电话拨号。一开始使用者以右手持笔点选电话的应用程序进行拨号的动作。使用者眼球移动的轨迹在图十一。首先，当使用者拨号时，视角会集中在附近。电话拨通后，使用者拿起个人数字助理移动至耳旁，这个动作会让视角产生剧烈的变化。

第二项操作则是使用PDA拍照。使用者先以右手持笔点选照相模式，此时视角集中在(0陛A0?。接下来将PDA顺时针旋转90陛A看着显示的影像来调整拍摄的角度(-15陛A-12?。按下快门之后，使用者将PDA举至眼前来检视拍摄的结果(-5陛A-3?。

实验结果显示，想要将手中的PDA维持在固定的视角下，几乎是不可能的。

自动背光调节之文献回顾
液晶显示屏幕包括二个主要部分: 液晶面板与背光模块(参照图十三)。液晶面板上的每个子画素可以视为一个压控的光阀。开启的光阀代表一个明亮的子画素，关闭的光阀代表一个黑暗的子画素。换句话说，在穿透式液晶显示器中，我们藉由阻挡背光来达到所需要的亮度。因此，我们不仅浪费了这些被阻档的光，同时也浪费了产生这些光所需要的能量。

自动背光调节是现今降低穿透式显示器功率消耗最有效的方法。简单来说，自动背光调节的概念，就是调暗背光来降低功率消耗，同时调高面板穿透率来维持亮度(文献6、7、8)。

为补偿调暗背光所造成的影像失真，面板穿透率需要适当的调节。文献6提出了还原原始辉度的作法。

其中bw是背光强度，α是背光调节比例(如80%表示背光调暗二成)。依照此式，当背光调暗到80%，面板透射率必须乘以1/0.8。但是，当t/α大于1时，原始的亮度已达到饱和无法恢复，而导致影像失真。此算法虽可还原暗部的辉度，但亮部容易因饱和而失真。

由于以上还原辉度的作法在很多影像中常不可行，我们必须寻找其它的途径。其中一种方法便是还原原始的对比。文献8提出以增加对比的方式来补偿亮度的损失。

其中bw是背光强度，α是背光调节比例，c是我们所定义的对比，L是原始辉度，L*是调节后的辉度，gl和gu是我们要找的最佳解。我们的目标是当显示器被从任一个角度观看时，都能够保存一样的亮度。当观察视角度偏离0马亢氶A亮度可能会增加也可能会减低。如果亮度增加时，我们便可以调暗背光以节省功率消耗。如果亮度减低时，我们就必须调亮背光以恢复原来的亮度。整个问题可视为一个最佳化的问题来求解。我们的目标函数是，在指定的视角与满足FC条件下，使功率消耗P最小的bL ,gl和gu。

讨论
我们以Visual Basic开发了一个软件工具，来仿真液晶显示器在不同视角下的视觉效果。我们只要输入指定的影像和指定的视角(θ，Φ)，屏幕就会呈现出预测的视觉效果。本程序以先前锥光偏振测试仪的量测结果，配合查表和插值法，来预测亮度衰减和颜色偏移量，实时将被仿真的指定影像呈现在显示器上。此处，我们需要一个CRT或其它不受视角影响的屏幕，来呈现仿真的结果。图十四表示仿真的视觉效果。

由锥光偏振测试仪量测结果加上等式1、2，我们可以预测功率消耗。图十四显示，当视角从0剪雂?0陉?5干氶A影像最大辉度从250.6cd/m2分别减少到194.83 cd/m2 及127.03 cd/m2。在没有运用背光调节时，若要保持原始的辉度，背光强度需要增加到128%和197%。由此可见，自动背光调节能够有效的降低功率消耗。

结语
我们提议侦测使用者的视角，并利用文中所提出的调节背光和液晶面板穿透的算法，来保持不同视角方向下的影像质量并结省功率消耗。我们亦开发了软件为仿真因视角变化的辉度与色彩偏移。未来我们将研究将相似的方法，应用于其它显示器相关的问题上。CSOT

参考文献
1. P. Yeh and C. Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Inc., 1999.
2. A. Takeda et al., ? super-high image quality multi-domain vertical alignment LCD by new rubbing-less technology,?Society for Information Display Digest, 1998, pp. 1077-1080.
3. G. Marcu et al., ?olor correction in TFTLCD Displays for compensation of color dependency with the viewing angle,?SID 02 Digest, pp. 713-715.
4. B. Li et al., ?daptive display color correction based on real-time viewing angle estimation,?SID 04 Digest, pp. 330-333.
5. V. G. Moshnyaga and E. Morikawa, ?CD display energy reduction by user monitoring,?International Conference on Computer Design, 2005, pp. 94-97.
6. N. Chang et al., ?LS: Dynamic backlight luminance scaling of liquid crystal display,?IEEE Tran. VLSI, Vol. 12, No. 8, Aug. 2004, pp. 837-846.
7. A. Iranli et al., ?EBS: Histogram equalization for backlight scaling,?Proc. of Design Automation and Test in Europe, Mar. 2005, pp. 346-351.
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