吳志男、黃琬姝、鄭惟中／國立交通大學(xué)光電系顯示科技研究所

依視角改變而產(chǎn)生的色偏現(xiàn)象，是液晶顯示技術(shù)的主要缺點(diǎn)之一。隨著視角增大，不僅色彩產(chǎn)生偏移，亮度和對比也會下降，影像質(zhì)量因而更加劣化。本文將介紹色偏特性的量測與視角變化的人因考慮，并提出新的解決方法。利用同時調(diào)節(jié)背光和液晶面板穿透度的方式，來降低色偏的現(xiàn)象，除了可降低亮度與色彩飽和度隨視角增大的損失，也可降低背光的功率消耗而延長電池的使用時間。

液晶面板是目前顯示器之主流，不論是應(yīng)用在數(shù)字相機(jī)、行動電話、個人數(shù)字助理、電玩等等可攜式電器的小尺寸面板，甚至是大尺寸的液晶電視，寬廣的視角都是一項重要的訴求。一般而言，液晶電視確實需要廣視角技術(shù)以滿足多人同時分享高質(zhì)量畫面，但另一方面，小尺寸面板如掌上型計算機(jī)，更需要廣視角技術(shù)以適應(yīng)使用者不斷變化的視角。這些可置于手上的小尺寸顯示器雖然可以隨意調(diào)整位置而找到最佳的視角，但事實上有更重要的因素會決定掌上型顯示器的方位。以數(shù)字相機(jī)的顯示器屏幕為例，數(shù)字相機(jī)之所以能取代傳統(tǒng)底片相機(jī)的主要原因之一，就是可以當(dāng)場檢視剛拍下來或即將拍出來的結(jié)果。屏幕中呈現(xiàn)的影像，可以協(xié)助攝影者決定快門的時機(jī)、構(gòu)圖的方法、曝光的調(diào)整，在拍下影像之后，一旦效果不如預(yù)期，可馬上決定是否重拍以得到更好的影像、或是刪除影像文件以節(jié)省內(nèi)存空間、最后更可決定放大沖印的大小與數(shù)量、或透過網(wǎng)絡(luò)傳送給親朋好友分享。由此可知，在影像擷取到再生的過程中，液晶顯示器的影像質(zhì)量確實扮演了關(guān)鍵的角色。在實際的拍攝過程中，相機(jī)的方位通常是由被攝物決定，而非拍攝者的視角所決定。比方說，在拍攝孩童時采用低角度，在近拍花朵時使用俯角度，在搶拍被影迷包圍的明星時則會把相機(jī)高舉過頭。在不同的情況下，將液晶顯示器調(diào)整到正視角并不容易也不實際，而偏視角所帶來的色偏，就導(dǎo)致了拍攝者對影像的誤判。為彌補(bǔ)液晶顯示器的這項缺點(diǎn)，專業(yè)的數(shù)字相機(jī)會提供亮度分布圖(histogram)，讓拍攝者準(zhǔn)確地檢視影像質(zhì)量。

過去幾年中，廣視角一直是液晶顯示業(yè)界研發(fā)的重點(diǎn)，如各種不同Vertical Alignment (VA)技術(shù)的變型(文獻(xiàn)2)。VA技術(shù)雖然改善了可接受視角的廣度，然而代價是利用穿透率較低的濾光片來維持色彩飽和度，導(dǎo)致了消耗更高的功率與能源，并不是可攜式屏幕的理想解決方案。

這些方法著眼于增加更多的可接受視角，因為面板在設(shè)計制造后便無法更動，亦無法針對使用者的人數(shù)與方位作動態(tài)調(diào)整。

另一種方法是讓液晶顯示器隨著使用者的方位，自動校正輝度與色彩。這種方法需要一個攝影機(jī)去捕捉使用者的臉部影像，來計算使用者的視角。這種獨(dú)立外掛式方法的優(yōu)點(diǎn)是與面板設(shè)計無關(guān)，可應(yīng)用在任何不同技術(shù)的面板上，甚至可以針對每個單獨(dú)的面板作不同的校正，以補(bǔ)償制程中所產(chǎn)生的差異。

以外掛感應(yīng)器提供的信息來調(diào)節(jié)顯示器的影像并非嶄新的概念，在現(xiàn)今的電視產(chǎn)品中，已有多種低價款式利用感應(yīng)器偵測環(huán)境光的強(qiáng)度，再依其調(diào)節(jié)背光的強(qiáng)度，而達(dá)到舒適與省電的效果。在可見的未來，此類可適應(yīng)不同觀賞環(huán)境的技術(shù)勢必會擴(kuò)展到其它方面的應(yīng)用。以行動電話和掌上型計算機(jī)來說，目前的中價位機(jī)種已提供相機(jī)功能，甚至前后各有CCD攝影鏡頭。若能利用這些相機(jī)補(bǔ)捉使用者的行為，就能更有效率地管理系統(tǒng)運(yùn)作，當(dāng)使用者離開時，系統(tǒng)可以把不需要用到的模塊如顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)關(guān)閉以節(jié)省能源(文獻(xiàn)5)。近年來此類利用人機(jī)接口與互動的研究來改善產(chǎn)品設(shè)計的趨勢，已日漸受到重視。

液晶面板的視角特性
一般的產(chǎn)業(yè)運(yùn)用上，液晶顯示器的可接受視角(VA)是以輝度對比(luminance contrast ratio)來定義。

輝度對比定義成最大與最小輝度的比值(Lmax/Lmin)。這種方式只能表示可接受視角的廣度，忽略了色偏現(xiàn)象，因此無法表達(dá)可接受視角內(nèi)色彩質(zhì)量劣化的趨勢。例如，圖二中是相同的顯示器(Acer AL1913)從三個不同角度觀看所呈現(xiàn)的結(jié)果。雖然三張影像都符合以上CR≧10的可接受視角的定義，然而實務(wù)上，大部份的使用者無法接受后二者的影像質(zhì)量。視角(θ)與方位角(Φ)的定義在圖一中。

圖一：視角與方位角的定義。


圖二：液晶顯示器的觀察角度從0偕未W至30骨M60干氶A輝度與對比逐漸降低且色彩產(chǎn)生偏移。

在上方三張圖中，每張圖皆包含1152個取樣量測值。如果用一般的輝度計來量測，將會是一項艱巨的任務(wù)。藉由錐光偏振測試儀(ConoScope，autronic-MELCHERS GmbH)的協(xié)助，半球內(nèi)所有視角的亮度與色度值能在一分鐘內(nèi)被取得。因此我們可以對各種不同畫面進(jìn)行量測，而精確掌握該液晶顯示器的視角特性。

在白畫面時(中圖)，最大輝度發(fā)生在0馬丑A并隨著視角增加而降低；然而在黑畫面時(左圖)，最小輝度發(fā)生在0馬丑A并隨著視角增加而增加。在對比圖上，如果我們畫一條CR=10的橫線，則橫線以上的區(qū)域定義了可接受的視角，即[-45陛A60財 。

圖四中呈現(xiàn)出在黑白之間4個不同灰階下，輝度與視角變化的關(guān)系。觀察右行橫切面曲線變化的趨勢。原本在白畫面中的鐘型常態(tài)分配曲線，會隨灰階降低而變形。從等高線圖中我們可以觀察到，當(dāng)灰階降低時，最大輝度發(fā)生的視角會向右上偏移。圖五中液晶面板功率消耗的測量結(jié)果。圖六中背光的亮度對功率消耗的測量結(jié)果。

視角變化的人因研究
為了了解一般人使用顯示器時視角變化的現(xiàn)象，我們進(jìn)行了二項實驗來探討視角變化的程度。這二項實驗分別針對固定式顯示器的應(yīng)用與可攜式顯示器的應(yīng)用。實驗?zāi)康脑谟谡f明，即使是固定式顯示器，使用者都難以保持固定的視角，更遑論可攜式顯示器。

固定式應(yīng)用
在這個實驗中，我們記錄使用者在操作桌上型計算機(jī)時，眼睛移動的軌跡，進(jìn)而計算視角的變化行為。

首先，我們在使用者和一個19"液晶顯示器間，以45馬予騆m一塊半反射半穿透的鏡子。在同樣的光學(xué)距離擺設(shè)一臺攝影機(jī)，來記錄使用者眼睛的位置。為了定位眼睛位置，我們在使用者后方安置了一個格狀的背景當(dāng)作參考坐標(biāo)。接下來請使用者操作一個計算機(jī)游戲，同時進(jìn)行拍攝。所記錄的眼睛軌跡如圖八。視角變化與時間的關(guān)系顯示在圖九。[!--empirenews.page--]

結(jié)果顯示，視角的變異性近似于一個常態(tài)分布)。在此可得出三個結(jié)論，一是使用者視角很難維持在0馬丑A二是視角在0馬豐炙k相當(dāng)高，亦即愈大的視角出現(xiàn)的機(jī)率愈小、三是視角變化的方向并沒有一定的趨勢，雖然左右變化的機(jī)率會略高于上下變化。

可攜式應(yīng)用
利用個人數(shù)字助理(HP iPaq 6530)作為實驗平臺，我們制作了一個簡單的裝置，來記錄使用可攜式系統(tǒng)時的視角變化情形。首先，在PDA上方架設(shè)一臺網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)，拍攝使用者的眼睛位置。在網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)鏡頭前端，我們套上一個透明半球，上面畫著半徑不等的同心圓環(huán)，作為計算視角的參考坐標(biāo)。計算視角的原理類似一個三維的量角器(參考圖十)。實驗結(jié)束后，分析所拍攝的影片并記錄眼睛的位置，以計算視角的變化。

在實驗中，我們請使用者以PDA進(jìn)行二項功能操作，第一項操作是電話撥號。一開始使用者以右手持筆點(diǎn)選電話的應(yīng)用程序進(jìn)行撥號的動作。使用者眼球移動的軌跡在圖十一。首先，當(dāng)使用者撥號時，視角會集中在附近。電話撥通后，使用者拿起個人數(shù)字助理移動至耳旁，這個動作會讓視角產(chǎn)生劇烈的變化。

第二項操作則是使用PDA拍照。使用者先以右手持筆點(diǎn)選照相模式，此時視角集中在(0陛A0?。接下來將PDA順時針旋轉(zhuǎn)90陛A看著顯示的影像來調(diào)整拍攝的角度(-15陛A-12?。按下快門之后，使用者將PDA舉至眼前來檢視拍攝的結(jié)果(-5陛A-3?。

實驗結(jié)果顯示，想要將手中的PDA維持在固定的視角下，幾乎是不可能的。

自動背光調(diào)節(jié)之文獻(xiàn)回顧
液晶顯示屏幕包括二個主要部分: 液晶面板與背光模塊(參照圖十三)。液晶面板上的每個子畫素可以視為一個壓控的光閥。開啟的光閥代表一個明亮的子畫素，關(guān)閉的光閥代表一個黑暗的子畫素。換句話說，在穿透式液晶顯示器中，我們藉由阻擋背光來達(dá)到所需要的亮度。因此，我們不僅浪費(fèi)了這些被阻檔的光，同時也浪費(fèi)了產(chǎn)生這些光所需要的能量。

自動背光調(diào)節(jié)是現(xiàn)今降低穿透式顯示器功率消耗最有效的方法。簡單來說，自動背光調(diào)節(jié)的概念，就是調(diào)暗背光來降低功率消耗，同時調(diào)高面板穿透率來維持亮度(文獻(xiàn)6、7、8)。

為補(bǔ)償調(diào)暗背光所造成的影像失真，面板穿透率需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。文獻(xiàn)6提出了還原原始輝度的作法。

其中bw是背光強(qiáng)度，α是背光調(diào)節(jié)比例(如80%表示背光調(diào)暗二成)。依照此式，當(dāng)背光調(diào)暗到80%，面板透射率必須乘以1/0.8。但是，當(dāng)t/α大于1時，原始的亮度已達(dá)到飽和無法恢復(fù)，而導(dǎo)致影像失真。此算法雖可還原暗部的輝度，但亮部容易因飽和而失真。

由于以上還原輝度的作法在很多影像中常不可行，我們必須尋找其它的途徑。其中一種方法便是還原原始的對比。文獻(xiàn)8提出以增加對比的方式來補(bǔ)償亮度的損失。

其中bw是背光強(qiáng)度，α是背光調(diào)節(jié)比例，c是我們所定義的對比，L是原始輝度，L*是調(diào)節(jié)后的輝度，gl和gu是我們要找的最佳解。我們的目標(biāo)是當(dāng)顯示器被從任一個角度觀看時，都能夠保存一樣的亮度。當(dāng)觀察視角度偏離0馬亢氶A亮度可能會增加也可能會減低。如果亮度增加時，我們便可以調(diào)暗背光以節(jié)省功率消耗。如果亮度減低時，我們就必須調(diào)亮背光以恢復(fù)原來的亮度。整個問題可視為一個最佳化的問題來求解。我們的目標(biāo)函數(shù)是，在指定的視角與滿足FC條件下，使功率消耗P最小的bL ,gl和gu。

討論
我們以Visual Basic開發(fā)了一個軟件工具，來仿真液晶顯示器在不同視角下的視覺效果。我們只要輸入指定的影像和指定的視角(θ，Φ)，屏幕就會呈現(xiàn)出預(yù)測的視覺效果。本程序以先前錐光偏振測試儀的量測結(jié)果，配合查表和插值法，來預(yù)測亮度衰減和顏色偏移量，實時將被仿真的指定影像呈現(xiàn)在顯示器上。此處，我們需要一個CRT或其它不受視角影響的屏幕，來呈現(xiàn)仿真的結(jié)果。圖十四表示仿真的視覺效果。

由錐光偏振測試儀量測結(jié)果加上等式1、2，我們可以預(yù)測功率消耗。圖十四顯示，當(dāng)視角從0剪雂?0陘?5干氶A影像最大輝度從250.6cd/m2分別減少到194.83 cd/m2 及127.03 cd/m2。在沒有運(yùn)用背光調(diào)節(jié)時，若要保持原始的輝度，背光強(qiáng)度需要增加到128%和197%。由此可見，自動背光調(diào)節(jié)能夠有效的降低功率消耗。

結(jié)語
我們提議偵測使用者的視角，并利用文中所提出的調(diào)節(jié)背光和液晶面板穿透的算法，來保持不同視角方向下的影像質(zhì)量并結(jié)省功率消耗。我們亦開發(fā)了軟件為仿真因視角變化的輝度與色彩偏移。未來我們將研究將相似的方法，應(yīng)用于其它顯示器相關(guān)的問題上。CSOT

參考文獻(xiàn)
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.
8. W-C. Cheng and M. Pedram, ?ower minimization in a backlit TFT-LCD display by concurrent brightness and contrast scaling,?Proc. of Design Automation and Test in Europe, Feb. 2004, pp. 252-259.