液晶顯示器呈現動態畫面品質在色彩偏移分析之
視覺評量方法研究
陳瀚凱*管倖生**
* 國立雲林科技大學設計學研究所、明道大學數位設計學系
hankai@mdu.edu.tw
**國立雲林科技大學設計學研究所
ssguan@yuntech.edu.tw
摘要
近年來，液晶顯示器LCD的發展越來越具有國際競爭力，我國目前也致力於創新性技術的研發。由於LCD顯示器屬於新興產業，對於影像之品質評估模式仍屬於發展階段，尤其以往的評估方式較偏向機器量測的物理量數據，反而忽略人眼視覺評量的心理量機制，因此，如何建立一套標準化，並符合人眼與機器評量的影像品質評估模式，是一項非常重要的研究議題。本研究鑒於動態畫面品質評估模式
建立與應用之迫切性，導入動態畫面之視覺評估，並以色彩偏移（Color-shift）分析測試為主要架構，藉由高速攝影取像技術與心理之視覺評估影像參數同時進行驗證測試。研究目的：（1）驗證測試動態畫面之視覺評量的方法，並提出有關動態畫面品質之視覺評量模式及改良建議。（2）比對視覺評量與高速攝影取像兩者量測之結果，藉以驗證視覺評量方法的信度與效度。（3）提出一套呈現動態畫面品質影響觀者之視覺評量方法，作為國內產業或設計界應用之參考。
關鍵詞：動態影像、色彩偏移、視覺評估
論文引用：陳瀚凱、管倖生(2008)。液晶顯示器呈現動態畫面品質在色彩偏移分析之視覺評量方法研究。
設計學報，13(1)，51-70。
座右铭英语一、前言
近年來，液晶顯示器（Liquid crystal display, LCD）的發展越來越具有國際競爭力，目前我國也致力於創新性技術的研發。由於LCD是屬於新興產業，對於影像之品質評估模式仍屬於發展階段，尤其以往的評估方式較偏向機器量測的物理量數據，反而忽略人眼視覺評量的心理量機制，因此，如何建立一套標準化，並符合人眼與機器評量的影像品質評估模式，是一項非常重要的研究議題。尤其是普遍
呈現動態畫面的今天，設計師更應該對呈現相關動態畫面的媒介技術（例如：液晶螢幕、單槍投影、顯示器等），
也必須有同步的認知與瞭解，如此在數位設計的管理過程，例如：視訊設計、動畫設計、廣告設計或網頁設計等，才能有更好的設計品質呈現。事實上，影響動態畫面品質的因素非常多，包括：色彩偏移、解析度、對比度、畫面亮度、均勻度及反應時間等，且均牽涉到許多人因工程方面的問題，欲獲得較佳的影像品質，從驅動系統的設計、液晶面板的製作技術以及LCD整體光學架構等都必須密切配合。更重要的工作是，如何執行有關影響影像品質的視覺評估與量測，這也是鑑定顯示器品質好壞與否過程中非常重要的一環，畢竟液晶顯示器最終的目的是必須正確無誤地把所有動態影像內容傳遞到人眼知覺感官的途徑，因此，人眼能夠如何即時感知影像品質的好壞與否，似乎才是執行視覺評量的關鍵因素。本研究鑒於動態畫面品質評估模式的建立與應用之迫切性，以顯示器動態畫面之品質呈現評估，並以「色彩偏移」（Color-shift）分析測試為主要架構，藉由高速攝影取像技術與心理之視覺評估影像參數進行同時驗證測試。研究目的：（1）驗證測試動態畫面之視覺評量方法，並提出有關動態畫面品質之視覺評量模式及改良建議。（2）比對視覺評量與高速攝影取像兩者量測之結果，藉以驗證視覺評量方法的信度與效度。（3）提出一套動態畫面呈現品質影響觀者之視覺評量方法，作為國內產業或設計界應用之參考。
二、文獻探討
办护照多少钱2-1關於影像品質之視覺評量標準與方法
影像評估之相關規範或技術，於鑑定LCD品質的過程中是一件相當重要的工作。人眼知覺LCD所顯示的影像及感受的視覺品質，便可以稱為影像品質。所以，一般考量影像品質的問題時，常會將人眼作為評估的標準。有關LCD影像品質的探討，楊克勤、馬光瑋、張永昇（1992）曾根據國內外文獻歸納，以視知覺的主觀判斷與視覺心理性作為評估基準，共分成下列五項因素，即：解析度（Resolution）、對比度（Contrast）、畫面亮度與均勻度（Luminance & luminance uniformity）、畫面的色彩品質（Color appearance）、畫面閃爍（Flicker）等。但本研究發現上述文獻，論述視覺評估之影響因素，大部分皆與LCD之視覺呈像技術等有其密切關係，反而，較缺乏人眼對視覺設計主觀心理判斷所產生的影響，針對視覺評估方法之實驗設計等則著墨不多。
本研究主要探討動態影像的「色彩偏移」（Color-shift）與色彩配對組合在視覺評量的差異關係。因此，有關色彩與視覺評估的研究方式，管倖生與童鼎鈞（2002）曾歸納出目前較常採用的六種評估方式：灰階比對法（Grey scale method）、成對比較法（Pair comparison method）、排序法（Ranking method）、比率法（Ratio method）、歸類法（Category method）、絕對閾法（Absolute threshold method）等。第一、「灰階法」，是要求受測者由實驗給予之無彩色灰階標準色樣尋找相類似的色差對。灰階中包含幾個色樣對，全是無彩色且所有樣本的材質皆為相同，此方法的優點在於允許不同時間、環境條件下，以相同灰階判斷下的視覺結果可相互作比較。第二、「成對
比較法」，主要是以比較實驗樣本是否有較標準樣本佳？兩者差異性？以及能否區別等。第三、「排序法」，乃根據個人主觀認知對影像樣本差異性進行排序。第四「比率法」，於影像評估中常採用，主要是以標準影像樣本之某一特徵當作基本單位，然後讓受測者判斷實驗影像樣本之某一特徵相對於基本單位的比率（倍數或分數關係）。第五、「歸類法」，主要以標準樣本與一群測試樣本同時呈現給受測者，受測者評估各樣本間之差異，並且根據差異距離之範疇分成六級：1.沒有差異、2.恰好達顯著差異、3.顯著差異、4.相當大的差異、5.大差異、6.非常大的差異。第六、「絕對閾法」，始評估時，呈現有無差異的影像樣本對給受測者，然後再把不同測試影像樣本予以配對，拿給受測者看，直到受測者可以發覺已達到可以區辨差異的狀況。
2-2動態畫面品質測試與視覺評估相關研究
Yamamoto、Aono與Tsumura（2000）曾評估AMLCD（Active-matrix liquid crystal display)呈現動態影像品質的研究，提出：「時間基礎影像積分測量系統」（Time-bad-image integration measurement system, TIM），模擬視覺感知的動態影像與移動的影像輪廓。上述研究認為；觀看連續動態的影像時，影像認知是經由人眼的生理機制而產生融合的效果，因此，當評估AMLCD呈現動態影像品質時，應將動態的影像，以時間點區分的方式，重新呈現「靜態的單一圖形」，藉以模擬人眼觀測動態影像時，影像於視網膜的呈像狀態。而TIM系統則有助於重新呈現動態影像以及影像輪廓，藉由TIM系統將動態影像「還原」為靜態影像，以利影像品質的評估。研究中並以影像邊緣的模糊寬
度（Blurred-edge-width, BEW）以及動態對比度（Dynamic contrast ratio, DCR）的方式，評估影像品質。此外，有關LCD製造技術對影像品質提昇的影響方面，Oda、Yuuki與Teragaki（2002）的研究，則提出兩項；其一為FFD（Feed forward Driving）技術；其二為SISB（Sequentially intermittent switched backlighting）。研究認為，人眼觀看動態影像，眼球會追蹤影像，所以影像在視網膜中得到的資訊應是「靜態的影像」。研究採用感光耦合元件攝影機（Charge-coupled device camera, CCD Camera）為擷取動態影像的主要工具，同時為了使CCD Camera擷取之影像，可模擬人眼觀看動態物件時物件於視網膜的呈像狀態。因此，研發轉動攝影機的裝置（Camera-rotating device），以轉動角度配合物件移動的速度，獲取近似視網膜呈像的靜態畫面，研究稱之為追蹤攝影系統（Pursuit camera system）。然而，本研究發現，Oda等人的研究只追蹤所謂的橫向水平移動狀態，卻缺乏縱向遠近移動的量測比對。通常要真實察覺目標物的移動，其原則要符合下列兩種要素：第一為縱向的遠近移動，當物體由遠而近的移動，則物體尺寸呈現由小而大的變化，如速度愈快，則變化的頻率就愈快。第二是橫向的左右移動，無論是往左或往右邊方向，視知覺所觀測的方向與實際物體的移動方向相反，離視網膜愈近者，移動速度較快，反之，離視網膜較遠者，則移動速度較慢。因此，如果要使動態影像的評估趨於真實性，則與物體在視網膜的呈像，諸如：方向、重疊、大小、頻率等刺激，有密切關聯。
Kurita與Saito（2002）在研究中採用「眼球追蹤整合模式」（Eye-tracing integration model）時間頻
率特性，對於觀看動態影像的影響研究，則是採用主觀評量的方式，針對AMLCD呈現影像頻率作評估。研究認為，人眼感知的動態模糊效果與視網膜階段的視覺訊息處理模式有關，且可將此種模式視覺假想為AMLCD，因為「定位運算」（Hold-type）而產生的動態模糊現象。該實驗利用人眼主觀判斷之「視覺比對」方式，請受測者於AMLCD調整影像的振幅，以瞭解動態振幅圖形移動後，視覺感知的振幅變化現象，並於不同的環境光源條件下進行實驗。研究發現，視覺處理模式的動態影像整合準確度，會因外在環境光源的增加而有降低的趨勢。Nakamura、Okuda、Someya與Yamakawa（2002）則以無色彩CCD Camera擷取影像，並以「高點雜訊比」（Peak-signal to noi ratio, PSNR）的分析方式，評估LCD顯示動態影像的品質，而研究中發現此種影像品質的評估方式，可以延伸運用於自然型態的影像品質評估。上述研究，雖提出屬於人類視覺心理之視覺比對方式，但主觀性的判斷卻會因受測者的外在環境因素而有變項差異。相對的，則提出純機械式的CCD Camera擷取影像，雖摒除了視知覺心理性與嗜好性的干擾，且其量測值也較精密，但缺點是LCD螢幕品質最終還是必須考慮使用者觀點，人眼的視覺評量還是有其必要性。因此，如果適當改良並結合這兩項研究方法的優缺點，或許可以使動態畫面品質評估更有意義。
綜觀上述相關研究都有一些共通點：各研究雖因不同目的，採用不同的螢幕測量或評估的方式，但研究中皆採用高速攝影影像擷取設備，以取得精確的影像參數。而研究樣本部分，對於如何評估自然真實之視訊影片與數位動態影像則未見深入探討。此外，有關結合動態畫面品質測試模組之視覺評價與高
速攝影影像量測系統結果之比對的研究量測，其相關研究文獻也極缺乏。因此，本計畫考量目前相關研究仍具持續發展之空間以及尚未標準化評估影像品質方式，希望藉由實驗的過程與分析，提出測試LCD 動態畫面品質的方法及品質判斷的準則，以及動態畫面品質高速攝影影像測試系統驗證測試及改良。
2-3動態畫面的色彩偏移（Color-shift）
520个我爱你以LCD呈像技術而言，動態畫面會造成模糊邊緣（Motion blur edge），進而產生色彩偏移（Color-shift）現象，這其實與LCD的液晶材料反應時間（Low respon speed）有密切關聯。「反應時間」是指一個液晶晶元（Liquid crystal cell）從發光到不發光，再回到發光的狀態所需要的時間。簡單的說，就是一個像素由黑到白再轉黑，所需的時間（Tr+Tf）。反應時間以毫秒（ms, milliconds）為單位。而造成反應時間差異的因素主要有二，第一為液晶的黏度；第二則為驅動液晶旋轉的電壓。液晶的黏度是液晶材料的基本要求，黏度越低則顯示的反應時間便會縮短。而電壓量的部分則是指驅動液晶旋轉時所需要的電壓量，一般而言，螢幕反應時間是指，顯示器的一個液晶元件從黑色變成白色，再加上由白轉成黑的時間加總（周秀光，1999）。然而，事實上，液晶螢幕由黑色轉成白色的電壓量是最高的，此時液晶的旋轉速度也最快，若是螢幕呈現不同色彩，則所需的電壓也就不相同。例如，由黑色轉換成白色，電晶體的電壓是由0增加至1伏特，當電壓達到最高時，液晶變化達到最快速的移動。但若由中性灰色轉換至白色時，僅需要一半的電壓，此電壓值對液晶的刺激度較低，因此，
移動的速度也較慢。因此，當不同前的景色與背景色間之配對組合，就會影響不同的驅動液晶旋轉電壓量之高低，造成LCD呈現動態影像時出現模糊邊緣，進而產生動態色彩偏移的狀況（楊克勤、馬光瑋、張永昇，1992）。
以視知覺而言，動態色偏其實是受到「視覺正負殘像」與「色彩同化效果」（Color assimilation effect）雙重影響的結果。所謂的正殘像（Positive afterimage）乃視知覺對一連串類似形象刺激所感覺到的動態效果，屬於一種視知覺的持續紀錄現象；會自動記憶先前光覺刺激，所遺留下的刺激持續時間通常不超過一秒鐘。當受測者觀察移動的前景色邊緣時，視知覺會因「感覺持續」（Persistency period）紀錄現象，自動記憶先前的顏色光覺刺激，而與背景色相互混色。同時，有關負殘像的影響，則是在移除光刺激一秒後還是會持續出現，連續的色刺激產生色適應而造成感受性的失衡疲勞，因此補色殘像便會出現，藉以彌補感受性失衡的影響，因此，經由「視覺正負殘像」的雙重影響，就會產生色彩偏移與干擾畫面品質的效果。「色彩同化效果」，則是指前景色底紋密度會影響背景色，例如以黑色為背景的動態紅色矩形，其動態邊緣閃爍晃動的狀態會產生所謂的條紋密度，此時若注意觀察模糊邊緣，會看到帶有黑色的紅色邊緣，這是就色同化效果所產生的影響（山中俊夫，2003/黃書倩譯，2003）。
三、研究方法與步驟
3-1 關於實驗設計
3-1.1 兩大評量部分
實驗可分為「高速攝影影像取樣」與「視覺評量」兩項，同時，驗證不同影像播放硬體對於影像色偏現象之影響，高速攝影取樣評估部分由TTLA(中華民國台灣薄膜電晶體液晶顯示器產業協會)執行（參圖：1.a），本研究則負責視覺評估部分（參圖1.b）。
(a)(b)
圖1：實驗可分為：(a)「高速攝影影像取樣」與(b)「視覺評量」
3-1.2 受測者
採用15位通過視覺色彩辨識檢測(Farnsworth-munll 100-hue test)考驗者為主要受測者，每人進行兩次視覺評價，總共30人次。
3-1.3 實驗者
實驗人員位於受測者電腦旁邊，除了架設受測者端電腦硬體外，主要工作是為了紀錄受測者端電腦所呈現的數據，以及相關實驗與操作說明。
3-1.4 實驗之LCD螢幕機型
本研究選用三台不同反應時間的LCD作驗證測試。相關規格如下表所示：
表1：關於三台LCD之機型規格表
液晶顯示器品牌反應時間螢幕尺寸最高解析度平均亮度平均對比度
View Sonic VP171s 16ms 17吋TFT 1280╳1024 300 cd/m2 600:1
View Sonic VA-720 25ms 17吋TFT 1280╳1024 300 cd/m2 600:1
IBM SLIMAGE-821 40ms 17吋TFT 1280╳1024 300 cd/m2 600:1
散的成语3-1.5 受測者端電腦
以「桌上型電腦主機」作為播放圖形範本。受測者操作電腦進行實驗，實驗程式與圖形樣本之呈現都在該電腦上執行，電腦硬體為：P4 2.6Ghz、1.0GRAM，操作系統為Windows-XP。
3-1.6 環境光源
根據Kurita 與 Saito（2002）研究發現，視覺處理模式的動態影像整合準確度，會因外在環境光源的增加而有降低的趨勢。因此，本實驗於正式測試時是在完全密閉的暗室進行實驗，所有的環境光源予以消除，只保留螢幕光源以增加驗證的準確度。
3-2 實驗方法評估
本研究嘗試透過專家會議，針對下列三項之視覺評量方法，分別為：「等階法」、「比較法」以及「絕對閾法」等作優缺點之效益評估。有關參與「專家會議」的專家共有三位；第一位專家，專長於色彩影像科學研究，以及使用性工學的視覺評量方法研究，設計資歷10年以上。第二位專家，專長於視覺信息與認知心理學的研究，同時為大學專任教師，設計資歷8年以上。第三位專家，專業背景為視覺傳達設計師，設計實務經驗豐富，設計資歷8年以上。
為達到本實驗的目的，專家會議之評估流程有三個步驟：（一)先由本研究提出相關的視覺評量方法，分別為：「等階法」、「比較法」以及「絕對閾法」等。（二)在專家會議中詳細講解與說明三種視覺
評量的設計過程，以及互相比較後之效益評估。（三) 最後，由三位專家討論、並選出彼此都能達成共識
的視覺評量方法。相關視覺評量之效益評估重點，如下所列：
3-2.1 關於等階法 (Scale method)評估
1.主要提供受測者在標準色樣中尋找類似的色差對，並允許在不同時間、環境條件下，以相同的
階度判斷的視覺結果。本研究嘗試以不同影像軟體的漸層工具，製作「7階色彩漸層階度」的
視覺評量視窗，希望從過程中找出較適切的評量方法，為後續實驗的基準。
2.有利點：（1）可更精簡實驗樣本的數量，只需製作52組即可。（2）以「色彩同化效果」基
礎，找出前景色至背景色的漸層變化過程即可。（3）提供受測者在每一組標準色樣尋找類似
的色差對。（4）允許在不同時間、環境條件下，以每一組配色對的相同漸層階度，判斷其視
覺結果。（5）可同時比較3台反應時間與機器量測所呈現的結果。
3.問題點：（1）如何正確找出每一組配色對的漸層色階與製作方式？（2）其漸層色階值轉換成
Lab値的公式換算方法？（3）漸層色階由物理量轉換成心理量間所產生的問題。
4.Illustrator軟體之漸層製作評估：以兩色間的色差為距離長度，再依指定階數的多寡，平均分
配漸層的數量。（1）本實驗採取7階漸層，以7階平均分配漸層色差的距離。（2）優點，可
精確的指定階數。（3）缺點，則是無法即時把RGB數值轉換成Lab數值（參圖2.a、圖2.b）。
(a) (b)
圖2：關於Illustrator繪圖軟體之漸層製作評估：(a)使用漸變（Blend）指令；(b)指定共7個階數早安什么意思
5.Photoshop軟體之漸層製作評估：依據漸層色間的色彩變化百分比計算漸層階數。漸層階數=256
灰度階*色彩變化的百分比。而色彩百分比也是以兩色間的最大色差為平均長度，再依256色
階分配漸層的數量，通常一個pixel會平均分配一個色階。（1）因本實驗以7階漸層作為標準，因此，必須以7*7pixel定為平均分配漸層色差的長寬距離(通常第1階稍緩，第7階較急遽)。
学校体育（2）設定前景色至背景色，選擇線性漸層工具。（3）以最接近像素法擴大影像解析度，到
70*70pixel 。（4）以顏色滴管選取各色階的Lab數值，最後製作7階漸層色票（參圖3.a、圖
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3.b）。
(a) (b)
圖3：關於Photoshop繪圖軟體之漸層製作評估：(a)使用漸變（Gradient）指令；(b)指定共7個階數
3-2.2 關於比較法(Comparison method)評估
1.藉由每組色彩配對所轉換的機器量測數據，使其成為視覺上可觀察驗證的色票，並配合人眼評
qq域名邮箱量的實驗視窗作相互比對。
2.有利點：以機器量測數據為主，可視為縮減實驗樣本的依據。同時也可在視覺評量上加以比對
