显示精确视觉刺激的消费级液晶显示屏外文翻译资料

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显示精确视觉刺激的消费级液晶显示屏

摘要

几十年来，阴极射线管（CRT）一直被用于心理物理和心理生理学研究中呈现视觉刺激，因此，阴极射线管（CRT）曾是视觉研究中刺激呈现方式的黄金标准。最近，由于CRT在市场上越来越罕见，研究人员开始使用各种类型的液晶显示器（LCD）代替CRT。然而，在视觉研究中使用液晶显示器通常性价比不高，而且通常无法达到高刷新率的极致。本研究测量了消费级液晶显示器的时空特性，结果表明消费级液晶显示器能够满足视觉研究的所有技术要求。经过测试的LCD以类似CRT的闪光方式工作，在不同位置显示出完美的初始延迟一致性，但在第一帧内显示出较差的空间一致性以及所需亮度的缓慢性。在通过软件修正了这些缺点之后，备选显示器在时空分布的同质性上显示出与CRT相当或优于CRT的性能。所提出的解决方案可作为CRT在视觉研究中的替代方案。

关键词：视觉研究 显示 阴极射线管 液晶显示屏 消费级

阴极射线管（CRT）显示器一直是视觉研究中视觉刺激呈现的标准设备。然而，目前，由于市场需求的减少以及在视觉实验室很难找到CRT，导致应用CRT成了一个难题。相比之下，在当今的消费市场中随处可见的平板显示器主要是液晶显示器（LCD）。于CRT相比，液晶显示器有很多优点。例如，LCD更节能、更便携，几乎很少出现视觉闪烁的现象。然而，液晶显示器也有一些缺点：它们由于反应缓慢可能产生图像模糊，并且由于漏光也无法达到特定的黑色水平。然而，近年来LCD技术在迅速发展，在呈现视觉刺激方面已被证明是与CRT性能相当，甚至优于CRT。例如，在2011年，Wang和Nikolic对LCD显示器的时间特性进行了大量的测量和分析，结果表明该显示器适用于视觉研究应用。然而，为了与CRT显示器对比刷新率，他们在每个刺激帧后添加了一个黑色帧（即刷新率降低了一半）。有机发光二极管（OLED）是另一种新型呈现方式。由于OLED比LCD更薄、更轻，因此它能够显示深黑色水平，并且比LCD具有更高的对比度。在2013年，Ito、Ogawa和Sunaga对OLED显示器进行了大量的测量，该显示器可以达到最高60赫兹的刷新率，该最高60赫兹的刷新率源自日本东京索尼公司的索尼 PVM-2541显示器，并发现它是CRT显示器的高质量替代品。遗憾的是，目前，只有索尼 PVM和BVM系列拥有价格昂贵且罕见的OLED显示器。

由于CRT显示器长期以来在视觉研究领域占据主导地位，许多文献都致力于研究CRT的时间特性（Bach， Meigen， amp; Strasburger，1997； Brainard， Pelli， amp; Robson， 2002； Cowan， 1995；Sperling， 1971）。相比之下，直到最近才报道出液晶显示器的时间特性。根据文献报道，LCD 和CRT之间最重要的区别之一是液晶显示器连续显示图像（保持型），而CRT则以闪光型显示图像（脉冲型）。闪光显示器（即CRT）的缺点是闪光显示器的出现可能会影响电生理记录（Krolak-Salmon et al.，2003； Williams， Mechler， Gordon， Shapley， amp; Hawken，2004； Wollman amp; Palmer， 1995）。然而，与连续显示视器相比，闪光显示器也具备许多的优点。例如，刺激的亮度在闪光显示器的显示帧中保持相对恒定，而在连续显示器中，亮度随着初始帧的变化而逐渐变化。近几年来，鉴于视觉研究人员一直热衷与CRT显示器的研究，用LCD模拟闪光显示器可能是一种潜在的很有前景以及受欢迎的精确视觉呈现解决方案。模拟闪光显示器是在每帧后添加一个空白帧，以强制显示恢复为黑色，在2011年，Wang和Nikolic共同提出了一种名为“模拟CRT”的方法。然而，这种方法有一个明显的缺点：只能完成一半容量的刷新率。例如，如果LCD显示器的最大刷新率为120赫兹，在“模拟CRT”模式下，它只能以60赫兹呈现刺激。

本文测试了一款消费级液晶显示器——华硕PG278Q（台湾台北华硕有限公司），它配备了超低运动模糊技术（ULMB——美国圣克拉拉市英伟达公司），并发现其性能与CRT相当甚至优于CRT。更重要的是，它可以达到144赫兹的刷新率，而且成本比索尼PVM和BVM系列低得多。

仪器和测量

我们测试了一台CRT显示器和两台LCD显示器的时间和空间亮度特性。CRT显示器（P1230，Dell Inc，TX美国，简称CRT）在10年的使用后，依然保持了良好的工作状态。第一个LCD显示器（华硕PG278Q）在两种不同的模式下进行了测试:一种是ULMB模式，这是我们的候选模式，这里称为“LCD1-ULMB”，另一种是超频（OD）模式，我们称之为“LCD1-OD”。第二个LCD显示器是华硕VG278，在标准模式（LCD2）进行测试。所有测试的显示器都由NVIDIA GeForce GTX 960显卡驱动。

显示器的配置和基本亮度特性如表1所示。LCD1，LCD2和CRT的对比度分别设置为50%，80%，100%。LCD1和CRT的亮度设置为90%，LCD2的亮度设置为100%。CRT分辨率设置为1024times;768像素，LCD设置为原本的分辨率，LCD1为2560times;1.440，LCD2为1920times;1.080。所有显示器的刷新率为120赫兹。LCD和CRT分别使用用户模式和默认颜色温度模式。这些设置在整个测试过程中保持不变。

亮度有两种测量方法。首先，将一个开关时间低于1 us的光电二极管（BPW21R，Vishay Intertechnology，Inc. 中国上海）被放置在显示器不同区域的中心，以测量它们的时间和空间特征。电压与亮度变化成正比，以10khz的采样率，通过电生理（EEG）记录系统（Synamps II， Compumedics NeuroScan， Charlotte， USA）放大并记录，并用于表征每个显示器的亮度特性。第二种方法是使用ColorCal MKII光度计（Cambridge Research Systems Ltd.， Cambridge， UK）测量亮度对像素位置和视角的依赖关系。

所有的测量都是在一个黑暗的房间里，在显示器打开至少60分钟后进行的，将热量产生的影响最小化（Klein， Zlatkova， Lauritzen， amp; Pierscionek， 2013）。本研究经苏州大学教育学院学术委员会批准。所有分析数据的Matlab代码都可以在https://github.com/yangzhangpsy/monitorTestForPsy上找到。

刺激和过程

为了测量亮度的空间均匀性，每个显示器的显示区域被均匀地分成9个矩形区域（以3times;3的网格形式出现）。九个区域的中心按随机顺序使用Matlab与Psychtoolbox依次测量。用两种不同类型的图像进行了三组实验。第一个系列测试了亮度与像素位置和时间的关系。这个测试是用一个实心的白色椭圆来拟合显示器的每个矩形区域的内部显示，并使用放置在椭圆中心的光电二极管对每个区域进行测量。每个地点都进行了50次试验，每一次都由一个黑色显示（100毫秒）和ar图像（33.3毫秒）组成。当图像出现在屏幕上时，光电二极管通过并联端口将触发器发送到脑电图放大器。

除了位置相关，第二个测试系列还解决了亮度对方向的依赖关系。采用全对比度光栅，以每周期两个像素的空间频率填充整个显示器。光栅的条纹分别是垂直的，水平的，或以45度角向右。用光度计测量了光栅在9个位置上每一个凹槽处的亮度10次。每次测量时光栅都保持在显示器上，直到亮度读数稳定为止。

在CRT和LCD1-ULMB（候选显示器）的第三个测试中，我们确定了亮度与观察角度的关系。光度计沿水平子午线以-45°、-30°、- 15°、15°、30°、45°等7个观测角度，在距屏幕中心28.5 cm处测量屏幕中心亮度。每个视角的亮度测量5次，在0°时归一化到每个监视器的最大亮度。

表1显示器配置和基本亮度特性

亮度报告为十个测量值的平均值plusmn;标准差。

数据分析

为了了解显示器的空间和时间特性，在每个位置用光电二极管测量每一次试验的亮度值，计算出两个参数——第一帧的初始延迟和相对最大亮度（RML1st）。由于亮度是用脑电图系统以10 kHz的数字化速度记录的，透射电镜的分辨率为0.1 ms，为了计算初始延迟，刺激出现时间的检测点为亮度第一次到达或超过最大亮度的40%（设定一个限制，连续八个区间应小于最大潜能的44%）。然后计算初始延迟为刺激触发和刺激开始之间的间隔。

RML1st的定义为第一帧的最大亮度相对于第二帧和第三帧的最大亮度的百分比。不同显示器的最大亮度定义不同，因为图像在LCD1-OD和LCD2上连续显示，而在CRT和LCD1-ULMB上以flash格式显示。由于其不断显示监视器（LCD1-OD和LCD2），第一帧的最大亮度被定义为第8.2毫秒的平均亮度（对应于120-Hz刷新率下一个单帧的持续时间），而接下来的两帧的最大亮度被定义为从8.3到24.9 ms的平均亮度。CRT的最大亮度被定义为峰值附近的平均亮度（0.1到0.6 ms， 8.4到8.9 ms， 16.8到17.3ms分别为第一、第二、第三帧）。对于LCD1-ULMB，最大亮度定义为前三帧图像在波峰附近的平均亮度（分别为0到1.6 ms， 8.3到9.9 ms， 16.7到18.3 ms）。

结果

时间特性

各监测仪的时间特性如图1所示。首先比较了LCD1-ULMB （候选显示器）与CRT的时间特性。在ULMB模式下，监视器以flash样式显示图像，类似于CRT，但不会降低刷新率。LCD1-ULMB和CRT的时间特性不同之处在于，在LCD1-ULMB快速下降之前，其亮度在峰值附近维持了很短的时间，而在CRT达到峰值后亮度立即下降。LCD1-ULMB和CRT的亮度上升时间分别为1.16 ms和1.08 ms；LCD1-ULMB的亮度下降时间为0.94 ms， CRT为2.25 ms。在LCD1-ULMB中，上升相和下降相之间有一个1.1 ms的平稳期。虽然CRT的亮度上升较快，但下降速度慢于LCD1-ULMB。在同一显示器上，另一种显示模式（LCD1-OD）的表现与传统LCD （LCD2）更为相似，亮度缓慢上升，并在下降之前保持一段时间的稳定，再次相对缓慢。上升时间方面，LCD1-OD和LCD2分别为9.11 ms和9.6 ms，下降时间分别为2.73 ms和2.53 ms。总之，LCD1-ULMB在时间特性上与CRT相似。然而，值得注意的是，LCD1-ULMB不同于CRT，它有一个稳定期。

然后对RML1st进行分析，以评估显示器达到最大亮度的速度。结果表明，CRT在此测试中表现优异（图2）。在120hz时，CRT在第一帧达到了最大亮度的96.8%（9个位置的平均值）。RML1st的值在屏幕的九个位置上是相近的。对于LCD1-ULMB，RML1st在前三个位置的值达到98.6%，但在中间位置下降了（93.7%），尤其是在底部位置的值下降了（79.5%）。对于LCD1-OD和LCD2，亮度在第一帧中呈上升趋势，并在第二帧和第三帧中保持不变，在LCD2中RML1st值为88.3%，与位置无关，在LCD1-OD中RML1st值略高于90%（最高为90.1%，最低和中间值为91.6%）

另一个重要的时间特性是不同位置的初始延迟差异。一般来说，CRT的初始延迟最短，而LCD2的

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资料编号：[680]

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