变刷新率显示器中周期性与非周期性显示闪烁的时域分析

《Journal of the Society for Information Display》：Time-Domain Analysis for Periodic and Aperiodic Display Flicker in Variable Refresh Rate Displays

可变刷新率（VRR）显示器在低刷新率和动态刷新率切换时可能引发用户感知的flicker问题。本研究提出基于时间域分析的脉冲响应函数（IRF）模型，结合亮度与尺寸效应，构建了统一flicker指数。通过对比传统频率域方法（如JEITA、FMA），实验表明IRF方法能更准确预测用户对静态flicker（Exp1）和动态刷新率切换引发的VRR flicker（Exp3）的感知差异，尤其在考虑亮度变化（β=0.759）和尺寸效应（R2=0.704）时表现更优。

　　随着显示技术的不断进步，可变刷新率（VRR）技术逐渐成为主流，为用户提供了更灵活的刷新率选择，不仅能够支持高于60Hz的高刷新率（HRR），还能适应低于60Hz的低刷新率（LRR）。这一技术的应用在提升视觉体验的同时，也带来了新的挑战，尤其是与闪烁相关的感知问题。传统上，闪烁被认为是周期性光强度变化引起的感知现象，然而VRR技术的引入导致了非周期性的亮度波动，这使得用户在低刷新率或刷新率切换时容易感受到闪烁，进而影响视觉舒适度和用户体验。为了解决这一问题，研究人员提出了一种整合的闪烁指数，以更全面地预测静态和VRR相关的闪烁体验。

VRR技术的广泛应用使得闪烁问题变得更为复杂。在低刷新率情况下，显示器可能无法维持足够的亮度稳定，从而导致静态闪烁。而在动态刷新率切换时，由于不同刷新率之间亮度变化的不一致性，会出现瞬时的亮度波动，即VRR闪烁。这两种闪烁虽然在物理成因上有所区别，但用户往往将它们视为相似的视觉异常。因此，开发一种能够同时反映这两种情况的综合闪烁指数具有重要意义。现有的传统闪烁指数主要依赖于频率域分析，如快速傅里叶变换（FFT），这种方法在处理周期性变化时表现良好，但在面对非周期性变化时存在局限性。频率域分析无法准确捕捉亮度波动的时间点，从而导致对闪烁感知的误判。

为了解决这一问题，研究引入了时域分析方法，特别是通过脉冲响应函数（IRF）来解释和预测闪烁现象。IRF能够保留亮度变化的起始时间信息，从而更好地反映人类视觉系统（HVS）对非周期性刺激的响应。此外，由于亮度和尺寸是影响闪烁感知的重要因素，研究进一步将这些因素整合到IRF模型中。为此，研究者采用了转换后的TCSF（Temporal Contrast Sensitivity Function）曲线，这些曲线能够准确表达亮度和尺寸对闪烁体验的影响。通过将TCSF曲线转换为IRF曲线，研究成功构建了一个新的综合闪烁指数，能够在静态和VRR条件下准确预测用户对闪烁的感知。

为了验证这一综合闪烁指数的有效性，研究设计了三组主观实验：静态闪烁的亮度效应实验（Exp1）、静态闪烁的尺寸效应实验（Exp2）以及VRR闪烁的刷新率切换速度效应实验（Exp3）。在Exp1中，参与者在不同亮度水平下评估了闪烁感知，结果显示，亮度越高，感知到的闪烁越强。通过将TCSF模型与IRF结合，研究发现新的指数能够更准确地反映亮度变化对闪烁感知的影响。在Exp2中，研究探讨了尺寸对闪烁体验的影响，结果表明，随着视觉角度的增大，闪烁感知也随之增强。同样，使用IRF模型能够更好地捕捉尺寸变化对闪烁的影响，而传统的频率域方法则无法有效反映这一现象。

在Exp3中，研究模拟了VRR刷新率切换的场景，参与者在不同切换速度下评估了闪烁感知。结果显示，切换速度越快，用户对闪烁的感知越强，这与之前的研究结果一致。同时，研究发现，不同的TCSF模型在预测闪烁时表现各异，表明选择合适的TCSF模型对于提高闪烁指数的准确性至关重要。通过将亮度和尺寸的影响纳入IRF模型，研究提出了一种更全面的闪烁预测方法，能够有效应对VRR技术带来的各种闪烁问题。

此外，研究还探讨了IRF模型在解释闪烁感知中的优势。由于IRF能够保留时间信息，它不仅能够捕捉亮度变化的起始时间，还能描述人类视觉系统对时间序列刺激的响应特性。这种方法特别适用于VRR场景，其中亮度变化是不可预测的，而频率域方法则难以准确反映这种变化。同时，研究强调了亮度和尺寸在影响闪烁感知中的重要性，并指出当前的闪烁指数未能充分考虑这些因素，从而限制了其在实际应用中的有效性。

综上所述，这项研究提出了一种基于时域分析的综合闪烁指数，通过引入IRF模型并结合TCSF曲线，成功地整合了亮度和尺寸的影响，从而更准确地预测用户在静态和VRR环境下的闪烁体验。实验结果表明，该方法在多种情况下均表现出较高的预测准确性，为未来的显示技术发展提供了新的理论依据和实践指导。同时，研究也指出，为了进一步提高预测能力，需要在更广泛的显示条件下进行更精确的实验，以验证不同TCSF模型对亮度和尺寸的解释能力。通过这种方法，用户可以更直观地了解显示设备在不同工作模式下的闪烁情况，从而更好地选择和使用显示器。