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电子纸图像增强技术研究


电子纸图像增强技术研究
福州大学 杜世远,杨倩,林志贤,郭太良
(1.福州大学 光电显示技术研究所,福建 福州,350002; 2.福州大学 光电显示技术研究所,福建 福州,350002)?

林志贤 副教授
摘 要: 电泳技术电子纸在电子纸阅读器上几乎占有统治地位, 故本文针对现有的电泳技术电子纸显示屏灰度只有 16 个等级 的

问题,提出了基于人眼视觉系统特性的数字半色调图像处理技术,并采用 Burkes 滤波器的误差扩散算法配合“蛇形”扫 描方式,减少图像龟纹现象,在 16 灰度等级的电子纸屏幕上实现高灰度图像再现,输出图像的视觉效果与原始图像相似。 该方法显著改善电子纸的图像显示质量,对电子纸产业具有一定意义。 关键词:电泳技术;电子纸;数字半色调;误差扩散

Research of image enhancement technology for electronic paper
DU Shi-yuan, YANG Qian, LIN Zhi-xian, GUO Tailiang
(Photoelectronic Information Technology of Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)
Abstract: Electrophoresis technology based electronic paper has been in the dominant position in the electronic paper. In order to solve the problem that electrophoresis technology based electronic paper has only 16 gray-scales, we proposed halftone image processing technology. The halftone image processing technology is designed based on human visual characteristic. Besides, the error diffusion algorithm based on Burkes filter and specific scanning mode can reduce distortions. And high gray-scales image, which is similar to the original high grey-scales image, can be displayed in the 16 gray-scales electronic paper. This method can greatly improve the image display quality of the electronic paper. Therefore it has certain significance for electronic paper industry. Keyword: EPD; Electronic paper; Digital halftoning; Error diffusion

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基金项目:国家 863 计划重大专项(2008AA03A313) ;福建省自然科学基金项目(2010J01333) ;福建省自然科学基金资助 项目(2011J01347) ;福建省教育厅资助重点项目(JA09003);福建省教育厅科技项目(NO.JA11014) 作者简介:杜世远(1988-) 、男,福建泉州,研究生,硕士,主要研究信息显示技术和驱动电路设计。

1、 引言
自 1975 年 Nick Sheridon 第一个提出电子纸模型, 电子纸的研究已经经历了 30 多年。 目前, 电泳技术电 子纸在电子纸阅读器上几乎占有统治地位,它具有对 比度高、阅读舒适、超薄、超低功耗的特点,并且其 显示的视觉感官效果几乎和纸张一样。随着电子纸显 示技术越来越成熟,其可被用于代替常规显示设备、 手持设备显示, 例如: 电子书, 卡和电子报纸等[1] [2]。 IC 电泳技术电子纸也有一些关键的技术需要解决: 电子纸有一个不一致的阈值电压,导致电光效应曲线 的非线性和不可预测性 ,在低电压的 EPD 中,这个 问题更为严重(解决办法是:利用 PWM 方式来设计 驱动波形) ,利用 TFT 阵列作为电压开关,通过扫描 TFT 阵列并提供不同的电压可以实现 PWM 的驱动波 形。这就导致电子纸灰度更多的依赖于帧频,限制了 灰度等级。并且光响应曲线是非线性的且对温度的变 化非常敏感。没有解决这些问题的话,是不可能获得 高质量的电子纸显示效果的。 有两种方法可以提高电子纸显示灰度:提高电子 纸的帧扫描频率和使用图像半色调技术 。但是在主 动矩阵背板和相对应的驱动芯片上提高电子纸的帧扫 描频率非常困难。故本文主要讨论在相同的帧扫描频 率的基础上,利用自适应半色调技术,提高电子纸灰 度等级。
[3] [3]

滤波器,其为(k,l)处的误差扩散权值。

g(m,n) +

g*(m,n)

Q[.] W(k,l) +

b(m,n)

-

e(m,n)

图 1 误差扩散算法的原理框图 误差扩散的基本原理为以下几个公式表示: g*(m,n) = g(m,n) + ∑W(k,l)·e(m-k,n-l) b(m,n) = Q[g*(m,n)] = Q[g(m,n) + ∑W(k,l)·e(m-k,n-l)] e(m,n) = g*(m,n) - b(m,n) (4) (5) (3)

2.3 误差滤波器设计
本文采用 Burkes 滤波器, 其权值分布相当于一个 低通滤波器,符合人眼的视觉特性。相对于 Floyd-Steinberg 滤波器, 其边界和细节效果更为理想, 减少了色调中间出现的纹理结构。而相对于其他的滤 波器,Burkes 滤波器的处理速度更快,可以减少数据 处理时间,并获得较好的图像显示效果。

2、 基于误差扩散的半色调处理算法
2.1 半色调技术
半色调处理算法是基于人眼视觉特性和图像呈 色特性,利用数学、计算机等工具,在呈色设备上实 现图像的最优再现的一门技术。数字半色调是利用人 眼的低通特性,当在一定距离下观察时,人眼将图像 空间上接近的部分视为一个整体。利用此特性,人眼 观察到的半色调图像局部平均灰度近似于原始图像的 局部平均灰度值,从而整体上形成连续色调的效果[4]
[5]

8 4 2 4 8 4 2
图 2 Burkes 滤波器 图 2 中黑色的点位当前处理的像素点,将原灰度 转换为 16 级灰度后产生的误差分配到之后的相邻的 像素点上,离像素点的距离越近,则被分配的权值越 大。这样分配后产生的半色调图像将能量集中在低频 区域且量化分配主要在水平和垂直方向,更加符合人 眼的视觉低通特性和能量敏感度特性。



2.2 误差扩散算法
由于传统的半色调技术都是将灰度图像转换为 二值图像,很少有半色调技术用于电子纸来显示 16 级灰度图像的算法。本文提出了基于误差扩散的半色 调技术,图 3 为误差扩散算法的原理框图[6]。从框图 中可以看出 Q[.]和 W(k,l)为算法重要组成部分。Q[.] 为阈值选取方法,阈值一般取 0.5。W(k,l)为误差扩散

2.4 扫描像素路径
由于传统的扫描方式为从左到右、从上到下。这 样的扫描方式会导致经过误差扩散后的图像在亮区和 暗区之间产生龟纹现象。故本文采用“蛇形”扫描路 径,其扫描方式为奇数行从左到右扫描,偶数行从右 到左扫描。采用这样的扫描方式将大大减少了图像的 龟纹现象,提高了显示图像的整体效果,并且扫描方 式相对简单,容易实现。

3、 电子纸系统设计
电子纸系统硬件主要由三部分组成:数据存储, 数据处理以及控制显示部分。数据存储阶段,控制器 通过外围接口接收图文数据并存储在 flash 中; 数据处 理阶段, 控制器读取 flash 中数据, 通过基于误差扩散 的半色调技术将彩色图像数据处理为 16 级灰度图像 数据,并对处理后数据进行缓存;控制显示阶段,控 制器读取缓存数据并通过波形文件控制产生电子纸显 示所需的驱动波形,实现电子纸高灰度图像显示。电 子纸驱动采用驱动芯片 GD6201E,其兼容 EPSON 的 S1D13521,具有 16 个区域的局部擦写功能,减少电 子纸显示更新时间,从而减少电子纸闪烁现象。具体 系统结构框图 3 如图所示。 (b)
数据存储 Flash

(a)

(c)

数字半色 调处理

外围接口

Gate Driver

数据接口

控制器

数据缓存

EPD
Source Driver

图 4 灰度图像对比 (a)256 级灰度图像 (b)普通灰度转换后 16 级灰度图像 (c)误差扩散后 16 级灰度图像 图 4(b)(c)都是 16 级灰度图像, 显然图 4(c)的效果 明显好于图 4(b)。其根本在于利用误差扩散算法.使人 眼在观察图片时将相邻像素点集合整体的误差变小。

驱动波形

波形发生器

局部更新

图 3 电子纸系统结构框图 本文利用误差扩散的半色调技术将一幅连续色 调图像量化为一幅 16 级灰度的图像, 并且量化后图像 的视觉效果和原始图像相似。下面三张图,图 4(a)是 256 级灰度图,图 4(b)是简单的将 8bit 灰度数据的后 4bit 去掉, 转换成 4bit 的 16 级灰度图像。 4(c)是将 图 图 4(a)用误差扩散算法得到的 16 级灰度图像。 作者简介:

4、 结论
因为目前电子纸实现彩色化还有一定的难度,因此将 彩色图像转换为电子纸图像灰度显示的处理技术具有 很大的意义。 故本文采用基于误差扩散的半色调技术, 在 16 级灰度的电子纸上实现图像的高质量的视觉效 果。

杜世远(1988-) ,男,福建省泉州市,硕士研究生,主要研究信息显示技术和电子纸驱动电路设计。 杨倩(1988-) ,女,山西省太原市,硕士研究生,主要研究信息显示技术和 3D 显示系统。 林志贤(1975-) ,男,福建泉州市,博士,副教授,从事 FED 显示器、信息显示技术研究工作。 郭太良(1963-) ,男,研究员,博士生导师,从事 FED 显示器方面的研制工作。 参考文献: [1] 胡力刚, 许伟明. 电子纸阅读器的设计[J]. 计算机测量与控制, 2010(07). [2] 马捷, 朱克, 李庆诚. 有源矩阵电泳电子纸显示控制研究[J]. 现代显示, 2010(04). [3] Wen-Chung Kao, Jia-An Ye, Ming-I Chu. Image Quality Improvement for Electrophoretic Displays by Combining Contrast Enhancement and Halftoning Techniques. IEEE Consumer Electronics Society, 2009(17). [4] 叶玉芬. 数字半色调技术中的误差扩散算法研究[D]. 西安电子科技大学, 2006. [5] 方华. 图像半色调技术及水印的研究[D]. 浙江大学, 2006. [6] 叶玉芬, 郭宝龙, 马佳. 基于视觉差的误差扩散半色调算法[J]. 计算机工程, 2006,(16).


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