显示屏残影测试方法研究与应用

朱 创

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

现代专业显示屏，以及个人使用的显示屏，经常会用于静态内容的显示，例如电视、智能手机、车载显示屏等。显示屏残影现象，多用英文Image Sticking、Image Retention、Residual Image，有时也指屏幕老化现象 （Burn-In）。残影是描述静态图像对之后图像显示的影响，可以是之前静态内容的迅速消失，也可以是暂时残留的老化图像。无论哪种情况下，这种残影现象的定量表征，对于研究、开发以及显示屏品质合规性评定都非常重要。

因此，有不少对残影 （Image Sticking或Sticking Image）严重程度进行评定的方法，这些方法需要重现残影现象以实现测试，同时不影响其它显示特性 （如响应时间、均匀性），还要具有很高的重复性和再现性。这些对残影测试都十分重要，因为残影测试都是非常耗时且许多情况下是不可逆的。

本文分析了显示行业常用的4种测量方法，验证了影响残影评价的主要因素。主要是重复性的验证，同时也验证了不同方法之间的差异。

1 最新的评测方法

目前，所有残影测试方法都是通过一系列的测量实现的，通常包括预热、老化和恢复3个阶段，如图1所示。

测试前应该通过点亮预热，使显示屏达到一个稳定的状态。有些测试方法，可以使用不同画面来回切换，来达到稳定状态。残影测试包含了一系列的测试，应确保显示屏处于稳定状态，并且在进入老化阶段之前，没有任何残影产生。注意，在预热结束之后，通常要马上对恢复图像进行测量，作为一项参考 （Reference） 测量，以便用于校正显示屏本身非均匀性对残影测试的影响。

老化阶段是最容易让显示屏产生残影图像的过程，并保持一定的时间。具体使用何种图像因方法而异，但通常使用黑白相间的图像。虽然大多数测试的老化图像使用灰阶图像，但也有研究使用彩色图像进行老化来评价残影现象，以研究不同类型子像素对残影的影响。

在老化阶段完成后，开始进入图像恢复阶段，相应地，测试图像从老化图像变为恢复图像。恢复图像本身叠加了残影现象。

通过比较恢复图像中相邻区块的亮度值可以量化残影严重程度。图像本身不均匀性通常使用老化前拍摄的恢复图像进行校正。因此，残影测试的每一个步骤，都应在恒定的环境条件下进行，以保证测试到的残影现象是在参考图像和恢复图像之间产生的。

通常，从老化图像切换到恢复图像后的即时残影值，或者切换后一段时间后的残影值，是最有参考价值的，数值以百分比表示。此外，残影消失过程可以用时间的函数来表示，也可以表示为恢复时间。在某些情况下，还可以分析图像残影的空间分布特性，即不同区域残影的表现。

1.1 Bauer残影测试方法

Bauer等人提出的残影测试方法，可以认为是一个经典的残影测试过程。通过比较相邻区域在恢复图像和参考图像（老化前获得的） 的亮度值，计算残影值。该方法建议在切换到恢复图像后100ms开始测量。老化图像是黑白棋盘格，恢复图像为50%灰度图，如图2所示。使用成像亮度计测量整个显示屏，将残影现象最严重方格的残影值，作为该显示屏的残影值。

图2 Bauer残影测试方法的步骤

1.2 ICDM/IDMS 10.4的方法

当前版本的ICDM中的方法与Bauer等人的方法非常相似。老化图像略有不同，非均匀性校正通过与老化之前采集到的亮度值进行比较确定。主要区别在于，该方法建议使用两个灰度为0%和100%的恢复图像，并且仅测量显示屏的特定位置点。它也是唯一一种在少数指定位置进行测量的方法，而不是用成像亮度计进行空间解析测量。此外，该方法要求在切换后“尽快”进行测量。ICDM方法的步骤测试模式如图3所示。

1.3 Kim残影测试方法

Kim等人提出的方法，可以看作是ICDM 测试方法的一种扩展。其最明显的变化是对不同基色的图像分别进行残影测试。此外，他们还建议用25%的灰度图像作为恢复图像，避免在不同的恢复图像之间切换。如图4所示，老化画面中包含4种基色和不同位置的灰阶。与Bauer等人测试方法相比，空间残影信息替换为不同子像素的残影信息。此外，如图4所示的Dynamic fields，并未参与评估，该区域用于阻止一些显示屏的残影优化算法。

图4 Kim方法的步骤

1.4 Lauer 残影测试方法

Lauer等人提出了一种3阶老化的方法。与Bauer等人的方法类似，该方法用50%灰阶恢复图像评估由0%和100%灰阶引起的残影现象。主要区别在于非均匀性校正。该方法采用特殊的老化图像，该图像包括恢复图像的灰阶，当切换到恢复图像时，此处灰阶不发生变化，并用作局部参考值以修正不均匀性。这意味着不需要在老化之前采集参考图像，因此预热步骤就并非必要。显然，这种方法比前面提到的测试方法耗时短。恢复图像包含了参考区域，也增强了测试的稳定性，例如显示屏本身的不稳定性、测试条件本身的不稳定性。图5顶部图像分别是老化画面和实际测试的恢复画面。独特的非均匀性校正的概念如图5底部所示的参考区域。

图5 Lauer方法的步骤

2 残影测量的影响因素

如表1所示，不同的残影评估方法在细节部分存在差异。在本节中，我们将分析这些影响，包括液晶显示屏的测量结果。我们选择LCD，是因为LCD的残影可迅速消失，我们不仅可以测试重复性，而且可以评估测量进程对残影效应的影响。所有测量均采用相同的成像亮度计LMK5-1。

2.1 延迟时间

从测量的角度来看，与时间有关且最关键的测量是第1次测量。这包括两个与时间相关的参数。第1是延迟时间tstart，即切换到恢复图像与实际开始测量之间的时间间隔。第2是积分时间也叫曝光时间。

如果延迟时间应“尽快” （ASAP），则必须仔细检查如何将该延迟时间降至最小。此时，被测样品 （DUT） 和成像亮度计之间的时间对准过程变得很重要。

在最简单的测试设置中，一般计算机可控制被测样品（DUT） 和成像亮度计。首先，计算机将测试图像发送到显示屏，然后，立即开始进行亮度图像采集，这个过程中，没有进行具体的时间对准。为了测试缺少时间对准过程对残留图像评估的影响，我们根据Bauer方法进行了残影测量。测量过程都仅用了几秒钟的老化时间，同时我们只评估最初始的被测试残影图像。我们在两台不同的电脑上测试了同一显示屏，并使用了不同的接口，如HDMI、VGA和USB-to-VGA适配器。对每个装置进行15次评估。表2总结了每种方式测试的统计结果。

表1 不同残影测试方法特点对比

表2 在无时间对准时尽快测量

首先，可以看出，每种方式的重复性都很差。有时测量在切换完成之前就开始了，这会导致严重的误判。中位数的比较可以对不同操作条件之间的重复性进行分析。有时由于测量开始得太早而产生的误差与实际残影值在同一数量级，这是无法被检测到的。因此，对于ASAP测量，必须考虑时间对准过程。

进行“尽快”测量的一个解决方案是采用一个光敏元件作为外部触发器。如图6所示，光敏元件在检测到显示屏上图像的切换后立即启动图像采集。这样就很好地实现了时间对准过程，得到一个比较准确的测试时间起点。

图6 带有触发器时间对准测试装置

通常，必须选择延迟时间tstart，以保证是在图像切换完成后才开始测量。在无法进行时间对准过程的情况下，应该根据信号输入情况、系统控制装置等进行保守估计。在最差的情况下，可能只有几百毫秒。在由外部触发器进行时间对准过程的情况下，tstart由最差像素响应时间确定，该响应时间要小一个数量级，可充分提高结果的有效性。

理论上，tstart取决于显示屏残影图像的恢复速度。假设残影图像随时间的恢复情况可以用指数关系来近似表示：

式中：SI0——图像残留的初始级别 （tstart=0s）；t——时间；τ——描述恢复速度的时间常数，τ值越低，tstart的影响越大。在τ=8s的情况下，tstart=0.1s和tstart=0.5s的残影图像值之间的相对偏差为5%。如果测量在1s后开始，而不是0.1s，则误差为10%。假设恢复行为通常未知，且该近视拟合方法不起作用，一般情况下，对于高精度测量，tstart应尽可能小且准确。

2.2 积分时间

光学测量装置的积分或曝光时间也会影响结果。较短的积分时间通常会得到更精确的残影值。但是，对于25%或50%灰阶图像的典型亮度，曝光时间仅为几毫秒，因此可以忽略此影响。在低亮度情况下积分时间与恢复速度相关。

此外，显示屏本身的调制频率限制了曝光时间的最小值。如果曝光时间长而引起过曝现象，可以安装中性密度滤光片，以降低成像亮度计的灵敏度，从而保证测试过程中不出现过曝。

2.3 恢复和老化图像

恢复图像的灰阶水平是评估不同测量方法之间偏差的另一个比对因素。通常恢复图像的灰阶等级对最终残影结果有极其重要的影响。

在这个测试中，我们假设残影导致的亮度LSI（t）可以采用如下模型进行分析，即乘法因子 （1+SI （t）） 和没有残影图像的参考亮度L0的乘积，表示如下：

式中：LSI——亮度；t——时间；L0——没有残影图像的参考亮度；SI（t）——图像残留随时间的级别。这与用来描述OLED瞬时残影的乘法因子是一致的。该模型也同样适用于LCD显示屏，因为残影可以解释为液晶的双折射变化现象，这种变化引起了偏振态的改变，从而改变了第二偏振片的吸收，这也是一个乘法项。

为了测试恢复灰阶等级的影响，我们使用如图7a所示的垂直灰度渐变图像为恢复图像和参考图像。利用成像亮度计的空间分辨率，我们分别测试了参考图像和恢复图像。老化图像仍然是采用棋盘格。

残影图像乘法因子是恢复图像和参考图像的相除减1。如图7b所示，残影图像显示出很强的灰阶相关性。当恢复灰阶在＜4%和＞66%时，残影现象轻微 （残影值接近于0%）。但在灰阶为42%时，残影现象严重，残影值为2.7%。但0%和100%灰阶的恢复图像都不能发现最严重残影情形，该结论同样适用于不同的显示技术。

图7 灰阶相关性

除了恢复图像灰阶外，我们还测试了老化图像灰阶水平的影响。通过类似的渐变图像实验，对于本次测试用的显示屏而言，发现0%/100%的棋盘格画面并不能展现最严重的老化情形。

图8 不同老化和恢复灰阶参数比较

图8显示了标准灰阶测试和自定义灰阶测试的比较。图8a残影图像由0%/100%的灰阶老化和50%的恢复灰阶形成。图8b残影图像由50%/100%的灰阶老化和42%的恢复灰阶形成。标准灰阶测试的残影值约为3.5% （相邻区域中为2.5%和-1%），而自定义灰阶测试的残影值约为5.4%（+/-2.7%）。相对值增加了35%。另外，特别注意，恢复时间随灰阶的不同而不同。

3 结论

上述介绍的几种常用残影评价方法，它们有着各自的优缺点。根据对比，发现恢复图像的灰阶等级和老化图像的灰阶等级对结果的影响最大。此外在“尽快”测量的情况下（即在切换到恢复画面和测量开始之间要求极短延迟的情况下），需要进行时间对准过程。另外由于残影的测试是非常耗时的，因此，我们建议在实际测试之前，必须对所选择的方法、装置以及所使用的测量设备的精度进行评估。一般来说，使用成像亮度计是唯一选择，既可在空间上评估残影现象，还可对残影现象进行可视化展示。

根据以上对比分析，最后我们采用3阶残影图片进行老化过程，然后切换成50%灰阶恢复图片，利用成像亮度计进行快速5点对位后，在切换后1min开始第1次测量，然后连续测量5次，时间间隔都是1min，最后得出残影图片和数据，这样就可以综合上述几种方法的优点，这样得到的残影值也最有意义，也有利于提高优化显示屏品质。