電泳式顯示器之視訊影像驅動設計

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(1)國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士論文. 指導教授：高文忠博士. 電泳式顯示器之視訊影像驅動設計 Signal Processing for Playing Videos on Electrophoretic Displays. 研究生：劉書呈撰. 中華民國 102 年 7 月.

(2) 電泳式顯示器之視訊影像驅動設計. 學生：劉書呈. 指導教授：高文忠教授. 國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士班摘. 要. 電泳式顯示器(EPD)擁有雙穩態、寬視角等特性，容易在任何光源下閱讀，因此非常適合應用於電子閱讀器(E-Readers)的顯示螢幕。目前電泳式顯示器顯示靜止圖像的方法已經有很好的研究結果，但是如何在電泳式顯示器播放視訊影像還是一個很大的挑戰，這是因為電泳式顯示器的反應速度比液晶顯示器低很多，至今，還沒有任何電子閱讀器可以流暢播放視訊影像。. 本論文設計一套影像處理軟體，用於最佳化 EPD 播放視訊影像，分析在連續 frames 之每個像素的變化，根據連續 frames 之間的每個像素之停滯時間的時間參數進行補償，最後再將影像驅動的資訊及記錄著驅動正負電壓的持續時間的資訊送入 EPD 系統內，該軟體可自動最佳化指定播放速率下的播放效果。此外我們設計了擾動波形，改善驅動視訊影像時所產生的擴散問題，並使用影像處理技術，使電泳式顯示器可播放較複雜的灰階影像。. 關鍵字：電泳式顯示器、電子紙、視訊影像. i.

(3) Signal Processing for Playing Videos on Electrophoretic Displays. Student: Shu-Cheng Liou. Advisor: Dr. Wen-Chung Kao. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Noraml University ABSTRACT. The electrophoretic display (EPD) has been popularly applied on electronic readers (E-Readers), but its response time is still a bottleneck such that none of commercial E-Readers can play videos on the EPD smoothly. In this paper, the detailed issues regarding the response time of the EPD are well addressed. An image processing tool based on the measured response speed under different image retention time has been proposed. Although the response time of the EPD is still lower than liquid crystal displays, the tool can automatically optimize the video quality under the specified data frame rate. In addition, we also design alternative approach which solves the problem of pixel diffusion by giving a pre-shaking the all unchanged pixel.. Keywords: Electrophoretic display (EPD)、E-paper、Video. ii.

(4) 誌. 謝. 誠摯感謝指導教授高文忠博士，就讀台灣師範大學應用電子科技學系研究所的兩年來，不僅教導許多專業知識，並指導我做人處事、如何解決問題以及研究與學習該有的態度，使我在這兩年來成長不少。. 感謝葉嘉安學長與黃湘婷學姊過去對我的幫忙與指導，也感謝張維德、黃紹綱、王泓淳、劉建輝、吳昇儒、鄞詩堯、陳星羽、柳英浩、邱大洲、廖重淯等實驗室成員，帶來充實與和樂的研究生活，以及互相學習的經驗與研究上的協助。. 此外也感謝 SiPix 公司成員的幫忙，特別感謝程孝龍先生、田沛霖先生、孫偉珉先生與洪集茂先生，感謝你們在百忙之中還給予幫忙與協助。. 最後，也感謝我的父母與家人在我學習期間給予鼓勵與支持，使我能專心完成學業，也感謝我的朋友們的陪伴，讓我可以抒發壓力的管道。. 劉書呈. 謹誌. 於國立台灣師範大學系統晶片實驗室 2013 年 7 月. iii.

(5) 目. 錄. 中文摘要 ......................................................................................................................... i 英文摘要 ........................................................................................................................ ii 誌. 謝 ....................................................................................................................... iii. 目. 錄 ....................................................................................................................... iv. 圖目錄 ...................................................................................................................... vii 第一章. 緒論 .................................................................................................................1. 1.1. 研究動機與背景 .........................................................................................1. 1.2. 相關研究概述 .............................................................................................4. 1.3. 本篇提出對電泳式顯示器之視訊影像驅動方法 .....................................5. 1.4. 本文架構 .....................................................................................................6. 第二章. 相關研究探討 .................................................................................................7. 2.1. 電泳式顯示器相關技術 .............................................................................7 2.1.1. 傳統型(垂直式)電泳式顯示器 ............................................................8. 2.1.2. 水平式(橫向式)電泳式顯示器 ..........................................................10. 2.1.3. Electrokinetic 電泳式顯示器 ............................................................. 11. 2.1.4. 液粉式電泳式顯示器 ........................................................................12. 2.2. 電泳式顯示器之反應特性 .......................................................................13. 2.3. 電泳式顯示器之驅動波形與系統相關之研究 .......................................17. 2.4. 影像處理相關研究 ...................................................................................22 2.4.1. 色彩空間 ............................................................................................22. 2.4.2. 半色調技術 ........................................................................................26. 第三章. 電泳式顯示器之光學反應相關特性研究 ...................................................29. 3.1. 粒子停留與驅動關係之實驗 ...................................................................30 3.1.1. 由白驅動至黑狀態(Toff)之停留時間對顯示的影響 .......................30 iv.

(6) 3.1.2. 由黑驅動至白狀態(Ton)之停留時間對顯示的影響 .......................32. 3.1.3. 實驗結果 ............................................................................................34. 3.2. 電泳式顯示器粒子與 TFT 電場驅動問題 .............................................35. 第四章. 驅動波形設計 ...............................................................................................39. 4.1. 參考停留時間之二階視訊影像驅動波形 ...............................................39. 4.2. 半色調視訊影像驅動波形 .......................................................................43 4.2.1. 實驗結果 ............................................................................................46. 4.3. 系統波形設計 ...........................................................................................47. 第五章. 影像處理軟體設計 .......................................................................................52. 5.1. 黑白二階視訊影像 ...................................................................................52. 5.2. 半色調視訊影像 .......................................................................................53. 5.3. 演算法輸出結果 .......................................................................................58. 第六章. 研究成果 .......................................................................................................61. 6.1. 實際系統架構 ...........................................................................................61. 6.2. 實際播放視訊影像的結果 .......................................................................62 6.2.1. 黑白二階視訊影像 ............................................................................62. 6.2.2. 半色調視訊影像 ................................................................................67. 第七章. 結論 ...............................................................................................................74. 參考. 文. 自學術. 獻 ...........................................................................................................76. 傳 .......................................................................................................................79 成. 就 ...........................................................................................................83. v.

(7) 表目錄. 表 4-1. Video 波形對照表 ..........................................................................................51. vi.

(8) 圖目錄. 圖 1-1. 電子紙相關產品圖 ...........................................................................................3. 圖 2-1. 傳統電泳式顯示器架構 ...................................................................................7. 圖 2-2. E-Ink 微膠囊電泳式顯示器架構 .....................................................................9. 圖 2-3. SiPix 微杯電泳式顯示器架構 .........................................................................9. 圖 2-4. E-Ink 電泳式顯示器實際顯示 .........................................................................9. 圖 2-5. 水平式(平面式)電泳式顯示器架構 ..............................................................10. 圖 2-6. 水平式(平面式)電泳式顯示器實際顯示 ...................................................... 11. 圖 2-7. Electrokinetic 電泳式顯示器架構 .................................................................12. 圖 2-8. Electrokinetic 電泳式顯示器實際顯示 .........................................................12. 圖 2-9. 液粉式電泳式顯示器架構 .............................................................................13. 圖 2-10. 液粉式電泳式顯示器實際顯示 ...................................................................13. 圖 2-11. 反應曲線 .......................................................................................................14. 圖 2-12. 溫度變化之反應曲線 ...................................................................................14. 圖 2-13. 電壓調變驅動之光學響應關係 ...................................................................16. 圖 2-14. 脈波寬度調變驅動之光學響應關係 ...........................................................16. 圖 2-15. TFT 電泳式顯示器像素架構 .......................................................................17. 圖 2-16. 雙極性驅動(Bipolar) ....................................................................................18. 圖 2-17. 雙極性驅動之特點 .......................................................................................18. 圖 2-18. 單極性驅動(Unipolar) ..................................................................................18. 圖 2-19. 驅動波形時間解析度 ...................................................................................19. 圖 2-20. 粒子活化波形 ...............................................................................................19. 圖 2-21. 驅動系統架構 ...............................................................................................21. 圖 2-22. 控制晶片運作流程 .......................................................................................21 vii.

(9) 圖 2-23. 電泳式顯示器顯示效果 ...............................................................................22. 圖 2-24. 錐狀細胞反應曲線 .......................................................................................23. 圖 2-25. 人眼感色實驗 ...............................................................................................24. 圖 2-26. CIE 1931 RGB 顏色匹配函數曲線 .............................................................24. 圖 2-27. CIE 1931 XYZ 顏色匹配函數曲線 .............................................................25. 圖 2-28. Color to gray .................................................................................................26. 圖 2-29. 誤差擴散之演算法 .......................................................................................27. 圖 2-30. 誤差擴散之結果(1) ......................................................................................28. 圖 2-31. 誤差擴散之結果(2) ......................................................................................28. 圖 3-1. 測試波形( Toff ) ..............................................................................................30. 圖 3-2. 驅動 0~15 個 Frame( Toff ) .............................................................................31. 圖 3-3. Toff 停留時間對顯示的反應曲線 .................................................................32. 圖 3-4. 測試波形( Ton ) ...............................................................................................33. 圖 3-5. 驅動 0~15 個 Frame( Ton )..............................................................................33. 圖 3-6. Ton 停留時間對顯示的反應曲線 ..................................................................34. 圖 3-7. Ton 與 Toff 驅動波形的時間 ..........................................................................35. 圖 3-8. 電泳式顯示器粒子與 TFT 電場驅動問題..................................................36. 圖 3-9. 顯示圖片時造成的擴散 .................................................................................36. 圖 3-10. 顯示圖片後馬上驅回黑 ...............................................................................37. 圖 3-11. 顯示圖片後馬上驅回黑的結果 ...................................................................37. 圖 3-12. 顯示圖片後馬上驅回白 ...............................................................................38. 圖 3-13. 顯示圖片後馬上驅回白的結果 ...................................................................38. 圖 4-1. Fk (i, j ) 參數定義............................................................................................40 viii.

(10) 圖 4-2. Dk (i, j ) 參數定義 ...........................................................................................41. 圖 4-3. Rk (i, j ) 參數定義 ...........................................................................................41. 圖 4-4. 提高 Frame rate 的方法..................................................................................42. 圖 4-5. 擾動波形 .........................................................................................................43. 圖 4-6. 經過擾動波形所顯示的結果 .........................................................................44. 圖 4-7. 16 灰階經過擾動波形的結果 ........................................................................44. 圖 4-8. 黑色停留像素之擾動波形 .............................................................................45. 圖 4-9. 白色停留像素之擾動波形 .............................................................................45. 圖 4-10. 由黑驅白的波形 ...........................................................................................46. 圖 4-11. 由白驅黑的波形 ...........................................................................................46. 圖 4-12. 顯示圖片後馬上驅回黑的結果(停留像素加上擾動) ................................47. 圖 4-13. 顯示圖片後馬上驅回白的結果(停留像素加上擾動) ................................47. 圖 4-14. 驅動波形規劃 ...............................................................................................48. 圖 4-15. 驅動波形結構 ...............................................................................................49. 圖 4-16. 16 灰階的驅動波形 ......................................................................................49. 圖 4-17. 驅動波形對照表 ...........................................................................................49. 圖 4-18. Timing Generator 掃描波形的演算法 .........................................................50. 圖 5-1. Fk (i, j ) 參數定義............................................................................................53. 圖 5-2. 演算法流程圖 .................................................................................................54. 圖 5-3. Color to gray ...................................................................................................54. 圖 5-4. Bilinear Interpolation ......................................................................................55. 圖 5-5. Bilinear Interpolation 結果 ............................................................................55. 圖 5-6. 誤差擴散之運算範例 .....................................................................................56. 圖 5-7. 誤差擴散之遮罩參數 .....................................................................................57. 圖 5-8. 誤差擴散的比較 .............................................................................................57 ix.

(11) 圖 5-9. 編碼 .................................................................................................................58. 圖 5-10. 參考 Retention Time 之演算法輸出結果 ....................................................59. 圖 5-11. 半色調輸出結果 ...........................................................................................60. 圖 6-1. 電子紙驅動系統實驗平台 .............................................................................61. 圖 6-2. 參考 Retention Time 演算法之輸出結果(5fps) ............................................63. 圖 6-3. 參考 Retention Time 演算法之輸出結果比較(5fps) ....................................63. 圖 6-4. 參考 Retention Time 演算法之輸出結果(10fps) ..........................................64. 圖 6-5. 參考 Retention Time 演算法之輸出結果比較(10fps) ..................................64. 圖 6-6. 其他參考 Retention Time 演算法之輸出結果(5fps) ....................................65. 圖 6-7. 其他參考 Retention Time 演算法之輸出結果(10fps) ..................................66. 圖 6-8. 半色調輸出結果(Floyd Steinberg).................................................................68. 圖 6-9. 半色調輸出結果(Stucki) ................................................................................69. 圖 6-10. 半色調輸出結果(Jarvis, Judice and Ninke) .................................................70. 圖 6-11. 半色調輸出結果之細節 ...............................................................................71. 圖 6-12. 其他半色調輸出結果 ...................................................................................72. 圖 6-13. 其他半色調輸出結果之細節 .......................................................................73. x.

(12) 第一章. 緒論. 研究動機與背景. 1.1. 在過去，資訊網路與科技產品的發展與技術較不純熟，取得資訊的管道較少，人們都藉由電視媒體、無線電台、報紙、信件、書本等方式取得資訊，在當時使用紙張來傳遞資訊的方式非常頻繁，紙張的用量大也代表樹木被大量的砍伐，造成地球生態的破壞。隨著時間的演進，科技的進步使得電子產品日新月異，同時資訊網路的發展也愈來愈成熟，如今在這個資訊爆炸的社會裡，大部分人們都使用電腦及無線手持電子產品來取得我們所想要的資訊，這些電子產品的顯示器從早期的 CRT 陰極射線管顯示器演變至現下最流行 LCD 液晶顯示器，透過電子傳播媒體，使得人們不再需要大量的紙張也能獲得資訊，但是目前的顯示器技術必須完全靠背光或自體發光技術來顯示影像或文字資訊，這些顯示器在強烈光線照射的光害影響下，影像對比度將變得非常低，使得人類眼睛難以辨識，使用背光或自體發光技術也較耗電且容易有可視角度的限制。為了改善此種情形，科學家與工程師提出一種新概念的顯示器，此種顯示器具有高對比度、高反射率、輕薄及低耗電等特點，此種顯示器稱為電子紙(Electronic Paper)。. 電子紙，簡稱 E-Paper。是一種新概念的顯示器，其特色在於可彎曲且輕薄，高對比度、低耗電量、寬廣的可視角度等。電子紙的概念是為了模仿影像在真實紙張上的顯現，不同於一般的顯示器，電子紙可以如同紙張一樣輕薄，其中電泳式技術的電子紙容易在任何光線下閱讀，且在不供電的情況下可保留住原先顯示的圖片和文字狀態。電子紙使用軟性背板製作驅動電路將可成為具有可彎曲特色的顯示面板，因此電子紙被視為發展新一代平面顯示器的重要技術。. 1.

(13) 為了實現電子紙的概念，至今已研究出多種技術，例如電泳式顯示器 (EPD)、液晶顯示器(LCD)與膽固醇液晶等，電子紙技術目前以 E Ink 公司的電子墨水為主流，不過其他具有潛力的新技術仍不斷的發展，並各有其優缺點，但是只有少數技術如電泳式顯示器具有雙穩態及低電壓特性。電子紙技術目前可以分為二大類，一是電泳式顯示(Electrophoretic Display)，包括 E Ink 的微膠囊電子墨水技術、SiPix 的微杯結構技術、Bridgestone 的電子粉流體技術，二是膽固醇液晶顯示，以富士通為代表。由於電泳式顯示器具有輕薄、可彎曲、寬可視角、低耗電與在任何光源下都可輕易閱讀的優點，且具備雙穩態的特性，不須供電也能維持畫面的顯示，其材料和封裝技術發展都較為成熟，尤其是視覺效果最接近紙張印刷，被認為是電子紙或是電子閱讀器(E-Reader)最適合的顯示器。. 目前市面上所使用到電子紙的商品，皆採用電泳式顯示做為顯示器技術，商品化種類多樣，因為其顯示特性與紙張非常類似，且目前書籍電子化的情況愈來愈普遍，因此以電子書閱讀器的應用最為廣泛，採用電泳式顯示器(EPD)的技術做為電子閱讀器之顯示器的公司如 Amazon、SONY 等。其他應用像是使用電泳式顯示器做為手機主畫面或手機子畫面的顯示器、可變換按鍵名稱的電子鍵盤、電子標籤、電子看板、電子錶等，其應用彈性大，未來普及度指日可待，圖 1-1 為電子紙相關產品圖[28]。. 電泳式顯示器是在微膠囊或微杯中，置入帶電粒子與帶有顏色的溶液，並在微膠囊或微杯的最上方與最下方放置電極，透過電極通電產生電壓差，帶電粒子被電場吸引往上或下移動，且溶液本身具有黏稠性，可在驅動停止後使帶電粒子維持目前所在的位置，顯示端透過外界反射光即可看見影像資訊，目前溶液與帶電粒子皆以黑白兩色為主。電泳式顯示器經過多年發展與研究，研發出許多相關新技術[1][2][3]，因光學響應曲線呈現非線性狀態[4][5][6]，使用主動式陣列背板(Active Matrix)，利用不同的電壓脈衝寬度，可使像素中的粒子呈現不同程度的移動與分布，來達到灰階影像的驅動[7][8]，且靜態影像殘影的抹 2.

(14) 除也有相應的解決方案。但是電泳式顯示器仍然面對著許多問題，非線性的光學響應導致高灰階數的驅動調整不易，以及光學響應切換的速度較慢導致不能流暢播放視訊影像、彩色化對比度過低、以及缺少臨界電壓不能使用被動式矩陣等，這些都是電泳式顯示器目前發展所遭遇到的問題。. 目前電泳式顯示器在顯示靜態灰階影像的研究與方法已經成熟[9][10]，在市面上量產的電子書閱讀器皆可顯示灰階影像，為了使粒子在移動後可以維持相同的位置，溶液必須為黏稠性，但也因為這個特點，使得電泳式顯示器的光學響應切換速度有限，無法流暢播放視訊影像，且光學響應曲線呈現非線性狀態，就算播放視訊影像，也無法保證驅動出來的灰階狀態，因此本論文將研究如何使電泳式顯示器能夠以較穩定的灰階狀態播放視訊影像。. 圖 1-1. 電子紙相關產品圖. 3.

(15) 1.2. 相關研究概述電子紙概念為像紙一樣輕薄、可彎曲性、低耗電、高對比度的顯示技術，. 以電泳式技術及膽固醇液晶[24]技術為主，其中電泳式顯示技術最有發展性，目前市面上幾乎所有的電子紙皆採用電泳式顯示技術，而 E-Ink 與 SiPix 則是目前全球電泳式顯示器的兩大主要供應商。E-Ink 公司採用的是微膠囊技術，微膠囊內放置黑白兩色的帶電粒子與帶有黏稠性之透明溶液，其中微膠囊的最上方與最下方配有電極，當在電極施加電壓時，粒子會根據電極的正負極性而往上與往下移動，進而在面板上顯示影像。另外 SiPix 公司則採用微杯技術，微杯製程具有可捲曲性和高對比度。. 電泳式顯示器之光學反應呈現非線性，造成驅動的困難度增加，但近年研究顯示，電泳式顯示器驅動系統架構被提出[10][19]，可利用波寬調變驅動技術，驅動出多灰階的影像效果，並且發展出去除殘影的方法，以及利用影像處理技術，例如半色調技術與其他影像增強技術，使得灰階顯示效果能提升至 256 階[20][21]，對比度因影像增強技術可加強許多，其中因溫度改變電泳材料的特性，也可藉由量測實驗，成功達到電泳式顯示器最佳顯示效果。. 4.

(16) 1.3. 本篇提出對電泳式顯示器之視訊影像驅動方法電泳式顯示器(EPD)擁有雙穩態、寬視角等特性，容易在任何光源下閱讀，. 因此非常適合應用於電子閱讀器(E-Readers)的顯示螢幕。目前電泳式顯示器顯示靜止圖像的方法已經有很好的研究結果[10][19]，但是如何在電泳式顯示器播放視訊影像還是一個很大的挑戰，這是因為電泳式顯示器的反應速度比液晶顯示器慢很多，至今，還沒有任何電子閱讀器可以流暢播放視訊影像。. 本論文提出兩種驅動方法，並設計影像處理軟體，用於最佳化電泳式顯示器播放視訊影像，驅動方法一可用於播放較簡單且重複性移動的黑白視訊影像，驅動方法二可播放較複雜的灰階視訊影像。. 驅動方法一，分析在連續 frames 之每個像素的變化，根據連續 frames 之間，每個像素之停留時間的時間參數進行補償，最後再將影像驅動的資訊及記錄著驅動正負電壓之持續時間的資訊經過編碼送入電泳式顯示器驅動系統內，該軟體可自動最佳化指定播放速率下的播放效果。根據此方法，計算像素粒子停留時間以調整其像素粒子的驅動時間，可流暢播放 10fps 的簡單二階黑白視訊影像，但用此方法播放較複雜的視訊影像其效果不佳，問題在於某一像素粒子被驅動時，產生擴散現象，以致相鄰不驅動之像素狀態不穩定，形成部分影像細節顯示錯誤，因此不能播放較複雜的視訊影像。. 驅動方法二，為了解決驅動方法一的擴散現象，本論文將所有停留之像素作擾動活化，去除停留時間對驅動的影響，再加以修正其像素灰階狀態，使鄰近被擴散影響的像素能夠回復至原本的灰階狀態，並以誤差擴散法處理視訊影像，利用 2 階灰階能模擬出 256 階灰階的影像，其中誤差擴散法使用 Jarvis, Judice and Ninke Dithering，由於此法所呈現的半色調影像顆粒較粗，可降低鄰近像素間狀態變化頻率，減少驅動像素擴散的影響，以顯示正確視訊影像，目前此方法可播放由二階模擬出較複雜的半色調視訊影像。. 5.

(17) 1.4. 本文架構在本論文中，第一章將介紹電子紙的相關背景與發展，並說明研究動機與. 相關文獻的概略介紹，最後會簡述本論文提出的方法。第二章將會介紹不同種類的電泳式顯示器架構及原理，接著探討電泳式顯示器之驅動方法與光學響應曲線的關係，根據其特性設計電泳式顯示器之驅動系統與驅動波形，最後將會敘述本研究所使用到的影像處理演算法。第三章將會對電泳式顯示器之光學反應做研究，量測停留時間與驅動時間的關係，另外分析影像擴散的問題，以及如何解決被擴散的像素回復其原來的狀態，第四章則說明系統波形與波形架構設計。第五章則是說明針對本論文之前所量測的光學反應所設計之演算法，做影像驅動上的修改及品質的提升。第六章則是展示研究成果。第七章說明結論。最後是參考文獻。. 6.

(18) 第二章相關研究探討. 2.1. 電泳式顯示器相關技術電泳式顯示器(Electro-Phoretic Display，EPD)，一般傳統型電泳式顯示器架. 構如圖 2-1 所示[11][12]，是一種反射式顯示器，其原理是透過帶有顏色之帶電粒子注入帶有顏色的濃稠性之溶液中，可由玻璃或塑膠將其封裝，最上層與最下層各有電極，由電極施加電場使溶液中的帶電粒子移動，移動後的粒子在溶液中停留呈現不同的位置分布，反射外來光線，可使像素有著不同的灰階狀態。電泳式顯示技術由於材料和封裝技術較成熟，良率高量產容易，且顯示效果最接近紙張，因此目前電子紙技術皆以電泳式顯示技術為主。目前為止投入過電泳技術開發的企業有 E-Ink 和 SiPix 、台達電、 Bridgestone 、 Philips 、 Samsung 與 LG 等廠商。. 入射光. 反射光. 透明電極. 黑色溶液. 圖 2-1. 基板. 白色粒子. 傳統電泳式顯示器架構. 理想粒子移動模型已可由數學公式描述，由 Stokes 方程式[13]來描述其方程式，粒子移動速度 v 為： v(t ) . qE(t ) .........................................................(2-1) 6. 其中 q 為粒子帶電量， E (t ) 為時間 t 之電場量， 為介質黏滯力，  為粒子半徑。 7.

(19) 粒子移動距離 D 可定義為： D  v(t )   …………………………………(2-2). 其中  是驅動信號的週期。光學響應時間取決於驅動電壓的大小及週期長短。. 理想的粒子移動模型雖然已經很明確的被定義出來，但實際上由於各種因素影響，例如同時注入的粒子大小不相同、移動時粒子間的碰撞與飄移、環境溫度的不同使介質黏滯力變化等，導致實際的結果與理想上有著極大的差異，因此若要使灰階驅動保持準確及穩定有一定的困難度存在。. 2.1.1 傳統型(垂直式)電泳式顯示器目前傳統型(垂直式)電泳式顯示器的封裝技術有兩種，一種為 E-Ink 的 Microcapsule 微膠囊技術[17][28]，如圖 2-2 所示，另一種為 SiPix 的 Microcup 微杯技術[27][29]，如圖 2-3 所示。E-Ink 微膠囊技術中，微膠囊裡注入無色溶液與帶電粒子，其中帶電粒子分別為黑與白兩色，利用電極改變電場使兩種顏色的帶電粒子移動，交互顯示，此技術最大優勢在於微膠囊內兩種粒子同時移動，因此反應速度相較其他單一粒子快些，其彩色化可配置彩色濾光片或有色之帶電粒子。至於 SiPix 的 Microcup 微杯技術，在微杯中注入有色溶液與白色或其他顏色的粒子，其彩色化方式擁有較多選擇，利用電極改變電場使帶電粒子在微杯內上下移動，此技術最大優勢在於耐壓耐撞與可捲性。目前真正已量產的技術為 E-Ink 的雙粒子微膠囊技術，市面上 90%的電子紙產品皆使用 E-Ink 的電泳式顯示器，且粒子垂直式的移動對於灰階顯示效果的控制較容易，但由於現階段彩色化技術遭遇瓶頸，加裝彩色濾光片造成對比度及亮度過低，效果不佳使得彩色電子紙的產品應用較少。圖 2-4 為實際顯示效果[17]。. 8.

(20) 入射光. 反射光. 微膠囊. 白色粒子透明電極. 透明溶液黑色粒子基板. 圖 2-2. E-Ink 微膠囊電泳式顯示器架構. 入射光. 反射光. 透明電極. 黑色溶液. 白色粒子. 基板. 圖 2-3. SiPix 微杯電泳式顯示器架構. 圖 2-4. E-Ink 電泳式顯示器實際顯示. 9. 微杯.

(21) 2.1.2 水平式(橫向式)電泳式顯示器 E-Ink 與 SiPix 的技術是利用電場變化將黑或白的帶電粒子往上或往下垂直移動，藉由帶電粒子的分布反射外來光來顯示影像資訊。橫向式電泳(in-plane electrophoretic)則是利用電場變化將有色的帶電粒子在像素區域平面橫向移動，如圖 2-5 所示，電極不施加電壓時，帶電粒子維持在原本各自的位置上，透過電極施加不同電壓使得帶電粒子被電極吸引聚集，此時帶電粒子在平面上呈現不同程度的分布，並在最下層設置一個白色反射物用來反射外來光線，外來光線穿過充滿透明溶液的像素區域，反射帶電粒子在像素區域內不同分布所呈現的亮度，藉此可以顯示出灰階影像，也可使用背光增加其對比度，由 Philips 及 Canon 為主要研發。圖 2-6 為實際顯示效果[30]。. 入射光. 反射光. 透明電極. 透明溶液. 圖 2-5. 彩色粒子. 基板. 白底反射. 水平式(平面式)電泳式顯示器架構. 10.

(22) 圖 2-6. 2.1.3. 水平式(平面式)電泳式顯示器實際顯示. Electrokinetic 電泳式顯示器. Electrokinetic 電泳式顯示器，如圖 2-7 所示，其技術混合垂直式與水平式移動的電泳技術，在像素裡設計數個微凹槽(micro-pits)，每個微凹槽周圍可規畫數個電極，若電極不施加任何電壓，此時帶電粒子在溶液中呈現均勻分布，相同於橫向式電泳式顯示器概念，透過電極施加不同電壓使得帶電粒子被電極吸引聚集，但粒子移動的方向不只是水平或垂直式移動，可能是不規則式的往微凹槽移動，並填入微凹槽，此時帶電粒子在平面上呈現不同程度的分布，外來光線可直接穿過充滿透明溶液的像素區域，並在最下層設置一個白色反射物用來反射外來光線，或是使用背光來達到顯示畫面的效果，此技術是由 HP 所研發。圖 2-8 為實際顯示效果[31]。. 11.

(23) 入射光. 反射光. 透明電極透明溶液. 圖 2-7. 圖 2-8. 基板. 彩色粒子. 白底反射. Electrokinetic 電泳式顯示器架構. Electrokinetic 電泳式顯示器實際顯示. 2.1.4 液粉式電泳式顯示器液粉流體式 QR-LPD (Quick Response-Liquid Powder Display) [24] ，由 Bridgestone 所研發，如圖 2-9 所示，使用黑白雙色帶有電性的電子液態粉末 (electronic liquid powder)的材料[25]，將這些粉體封裝於微盒(Micro Box)結構中，此結構類似 Sipix 的微杯結構，差異在於 QR-LPD 的介質為氣體，而電泳式顯示器的介質則是液體，因此 QR-LPD 的反應速度高於電泳式顯示器許多，且驅 12.

(24) 動特性具有明顯閥值，因此可使用被動矩陣架構來驅動。但 QR-LPD 所需的驅動電壓非常高，經過改善後還是需要近 40V~70V 的高電壓，若要使用主動式矩陣架構驅動則需要耐高壓的 TFT，不如電泳式顯示器省電。圖 2-10 為實際顯示效果[14]。. 入射光. 反射光. 透明電極. 氣體. 圖 2-9. 圖 2-10. 2.2. 黑白粉末. 基板. 液粉式電泳式顯示器架構. 液粉式電泳式顯示器實際顯示. 電泳式顯示器之反應特性電泳式顯示器利用具有黏稠性溶液做為介質，在電極施加電壓產生電場使. 粒子移動，粒子在移動後利用介質的黏滯力來維持粒子目前的位置，因此可以在不加電壓的情況下維持像素粒子目前的狀態，形成所謂的雙穩態特性，光學反應曲線如圖 2-11 所示[15]。此特性不同於液晶顯示器與其他類型的顯示器，這 13.

(25) 些顯示器在施加電壓時可改變像素狀態，但最終還是會回復到其初始的狀態，必須不斷快速驅動才能使人眼感覺像素資訊維持在同樣狀態的錯覺。電泳式顯示器的雙穩態特性雖然在不改變畫面資訊時可完全不耗電，但也產生了很多問題，尤其在光學響應上為非線性特性，使驅動增加了困難度，也容易形成殘影，且電泳式顯示器內的介質也因為溫度的變化產生黏滯力的不同[18]，造成光學響應時間上的變化，如圖 2-12 所示[15]。. 圖 2-11. 圖 2-12. 反應曲線. 溫度變化之反應曲線. 14.

(26) 近年來許多學者針對上述的問題與驅動的最佳化進行研究，也有了許多成果。驅動方法的設計，由於粒子在溶液中移動的狀況複雜且容易受許多因素影響，無法單靠理想的模型模擬，因此為了能更穩定的控制驅動的結果，多種驅動實驗方法被提出，主要可分為兩種驅動方式，分別為電壓調變驅動與脈波寬度調變驅動。. 電壓調變驅動如圖 2-13 所示[16]，光學響應以光學反射率做為指標，R1 為起始反射率，R2 為下個狀態的反射率，Z 軸為電壓值，電壓調變驅動指的是給予固定不變的驅動時間，測試各種電壓值對於粒子的反應，進而觀察光學響應曲線，從圖中可發現在低電壓時粒子緩慢的移動，但在較高電壓快速的移動，因此在圖中呈現大幅度的彎曲，可推測電泳材料有著不明顯的電壓閥值，電壓調變驅動的光學響應曲線呈現非線性狀態，這對灰階的驅動不易，也容易造成殘影。. 脈波寬度調變驅動如圖 2-14 所示[16]，R1 為起始反射率，R2 為下個狀態的反射率，Z 軸為脈波寬度，脈波寬度調變驅動指的是給予固定不變的驅動電壓，這邊使用雙極性驅動方式，共用端固定在 0V，電極則施加固定的正電壓或負電壓，測試各種脈波寬度對於粒子的反應，從圖中可發現其光學響應曲線變得較平滑線性，因此脈波寬度調變驅動似乎是較好的驅動方式。. 從圖 2-13 的電壓調變驅動之光學響應關係圖可看出，電泳材料有著不明顯的電壓閥值，使用被動式矩陣背板驅動將造成相鄰像素受干擾而產生影像資訊不穩定，因此電泳式顯示器採用主動式矩陣(Active Matrix)背板，主動式矩陣搭配薄膜電晶體(Thin film transistor，簡稱 TFT)做為電路開關，可實現高速驅動及高解析度等優點，架構如圖 2-15 所示[13]，當 Scan line 給予的電壓訊號使電晶體開啟時，Data line 的電壓資訊進入電泳式顯示器與電容，儲存電容( C st )維持其電壓可在驅動其他像素線時不受干擾，雖主動式矩陣背板成本較高，相較於被動式矩陣背板驅動電泳式顯示器，搭配主動式矩陣背板驅動仍是較穩定的方法。 15.

(27) 圖 2-13. 圖 2-14. 電壓調變驅動之光學響應關係. 脈波寬度調變驅動之光學響應關係. 16.

(28) Data Line. TFT Scan Line. Cst. EPD. Vcom. 圖 2-15. 2.3. TFT 電泳式顯示器像素架構. 電泳式顯示器之驅動波形與系統相關之研究近年來已經有相關文獻探討電泳式顯示器搭配主動式矩陣背板驅動多灰階. 的影像[10][19]，採用的驅動方法為脈波寬度調變，脈波寬度調變大致上可分為雙極性驅動 (Bipolar)[17] 及單極性驅動 (Unipolar) 兩種方法。雙極性驅動如圖 2-16，共用端 Common 電極固定在 0V，而像素電極固定施加+15V 或-15V 讓帶電粒子往上或下移動，利用脈波寬度調變讓粒子移動至不同的位置進而顯示灰階，雙極性驅動可在同一時間施加正負不同極性的電壓在各個像素的電極，使各個像素的粒子同時往上或下驅動，如圖 2-17。單極性驅動如圖 2-18，共用端 Common 電極並非固定在 0V，而是隨著 Source 電壓切換且與 Source 電壓極性相反，此用意是為了提高電極與 Common 點之壓差，使粒子移動速度更快，且電源供應系統與雙極性驅動相同，但電壓差卻可倍增。. 17.

(29) 亮度. +15V. 0V Source Voltage: Vcom Voltage:. -15V. 圖 2-16. 雙極性驅動(Bipolar). +15V 像素1： 0V 0V 像素2：. Source Voltage: -15V. Vcom Voltage: t. 圖 2-17. 雙極性驅動之特點. 亮度. +15V. 0V Source Voltage: Vcom Voltage:. -15V. 圖 2-18. 單極性驅動(Unipolar). 電泳式顯示器搭配主動式矩陣背板，每個像素都搭配一個電晶體開關，以高速切換電壓控制背板上的電晶體開關，若要驅動整張影像所有的像素，所有像素的電晶體開關將會被循序掃描開啟，因此在設計驅動波形上，驅動波形的 18.

(30) 解析度為掃描整張影像所需的時間，也就是驅動一個 frame 的時間。為了使像素驅動至指定灰階，利用電壓值的切換與持續驅動多少個 frame，即可設計出相應灰階的驅動波形，如圖 2-19 所示。然因電泳式顯示器的光學響應為非線性，因此灰階到灰階的轉換驅動波形都必須獨立設計，但有文獻表示[10]，若粒子沒有經過活化，灰階驅動的效果將變得不穩定，因此提出粒子活化的波形設計，如圖 2-20 所示[19]。. +15V. 0V Source Voltage: Vcom Voltage:. -15V Frame Number. :. 0. 1. 2. 3. 4. 圖 2-19. 6. 5. 7. 8. 9. 驅動波形時間解析度. 圖 2-20. 粒子活化波形. 由於電泳式顯示器之對比度還不夠高，因此在灰階的顯示有限，近年已有文獻提出可驅動 16 灰階的系統設計[19]，系統架構如圖 2-21 所示[9][10]，因為電泳式顯示器特性，若要顯示下一張影像，必須參考前一張與後一張影像每個像 19.

(31) 素的灰階狀態，作為影像清除波形的參考依據，因此系統設計可放置兩張影像的 Image Buffer，將前一張與下一張影像分別存入 Image Buffer 中，驅動下一張影像時，系統會同時讀取 Image Buffer 兩個影像之相同座標像素的灰階值，並將灰階值資訊送至波形對照表查表，即可根據前一張影像的資訊清除並驅動至下一張影像之狀態。電泳式顯示器控制晶片架構，外部系統硬體可分為 FPGA 控制晶片、MCU 微控制晶片、SRAM、Flash、Memory Card 以及電泳式顯示器， FPGA 控制晶片架構主要可分為控制模組(Control Unit)、儲存介面模組(Storage Interface) 、 Flash 控制模組 (Flash Controller) 、 SRAM 控制模組 (SRAM Controller) 、波形對照表模組 (Waveform LUTs) 、時序控制模組 (Timing Generator)。. 控制晶片運作流程如圖 2-22 所示，首先 MCU 會控制 Memory Card 將圖片讀出，圖片資料以每個像素 8 bits(1 byte)格式傳送，FPGA 由 Storage Interface 模組負責接資料，並暫存在 SRAM Controller 模組中的 Buffer，當 SRAM Controller 模組的 Buffer 滿了之後，把 Buffer 的資料寫入 SRAM 中。當整張的影像資料全部寫入 SRAM 後，準備要顯示圖片，控制模組啟動 SRAM Controller 將影像資料從 SRAM 讀出，並讀取 Flash 裡的驅動波形，驅動波形與影像像素資料在 Waveform LUTs 模組進行比對，將比對結果輸出驅動資料給 Timing Generator 進行面板驅動的掃描動作，因此當讀取完整張影像資料時，面板的影像隨即也顯示完成。. 至於電泳式顯示器之驅動品質的改善也有相關文獻研究，包括利用影像處理技術將低灰階的影像模擬出多階灰階顯示[15]，以及因應溫度變化對驅動做校正[18]。影像處理改善灰階顯示大多使用 Dithering 或是 Halftoning 的方法，類似印刷技術，利用低灰階數能模擬出更多灰階的效果，目前顯示效果已可達到近似 256 灰階，如圖 2-23 所示[10]。. 20.

(32) 圖 2-21. 圖 2-22. 驅動系統架構. 控制晶片運作流程. 21.

(33) 圖 2-23. 2.4. 電泳式顯示器顯示效果. 影像處理相關研究. 2.4.1 色彩空間為了要定義出人眼所感測到的色彩，必須藉由大量實驗與數據才能將其進行數學化，在 1920 年代，W. David Wright(Wright 1928)和 John Guild(Guild 1931) 進行了一系列人類視覺實驗，提出了 CIE XYZ 色彩空間的基礎。在色彩感測中，CIE 1931 XYZ 色彩空間為最先採用數學模型定義的色彩空間，由國際照明委員會(CIE)於 1931 年創立。. 人眼有三種感色的錐狀細胞，分別能感測短(S)、中(M)、長(L)三種波長光，但這三種感測的錐狀細胞並非只感測極小範圍波長的光，而是有一定範圍的波長分布，分布圖如圖 2-24 所示[22]，當肉眼接收到來自外界不同波長的光，經過三個錐狀細胞之反應曲線做積分後混色，人就可感知到顏色。. 22.

(34) 圖 2-24. 錐狀細胞反應曲線. Wright 和 Guild 的實驗方式如圖 2-25 所示[22]，在螢幕的一半投射目標顏色，另一半則是投射可調整的測試顏色，可調整的顏色由三原色混合，觀察者可藉由調整三原色的強度直到測試顏色與目標顏色相同。不同的觀察者與不同的三原色，經過不斷的實驗，可歸納出標準的 CIE 1931 RGB 空間三原色函數，其顏色匹配函數 r ( ) 、 g ( ) 、 b ( ) ，這三個函數的波長為 700 nm(紅色)、546.1 nm(綠色)和 435.8 nm(藍色)的三原色，顏色匹配函數的曲線如圖 2-26[22]所示，式子如下所示： . R   I ( )r ( )d 0. . G   I ( ) g ( )d …………………………..(2-3) 0. . B   I ( )b ( )d 0. 由於顏色匹配函數曲線有負值，不方便計算，因此定義了新的色彩空間 CIE XYZ，新色彩空間 XYZ 將以三個新的顏色匹配函數來定義，分別為 x ( ) 、 y ( ) 、 z ( ) ，曲線如圖 2-27 所示[22]，式子如下所示： 780. X   I ( ) x ( )d 380. Y   I ( ) y ( )d ……………………………(2-4) 780. 380. 780. Z   I ( ) z ( )d 380. 23.

(35) 其中 Y 代表肉眼所感受到的亮度值，另外可由 XYZ 定義出色度，式子如下： X X  Y  Z ………………………………(2-5) Y y X Y  Z. x. 於是可定義出 CIE 1931 xyY 的色度座標，Y 代表亮度值，因此 x 與 y 代表兩種不同波長的光。. 圖 2-25. 圖 2-26. 人眼感色實驗. CIE 1931 RGB 顏色匹配函數曲線. 24.

(36) 圖 2-27. CIE 1931 XYZ 顏色匹配函數曲線. 由於目前電泳式顯示器只能顯示黑白灰階影像，需要將所有輸入的彩色影像轉為灰階影像才可顯示，所以彩色與灰階之間的轉換必須準確才不會喪失任何影像細節，由於 CIE XYZ 色彩空間定義了人眼視覺感色標準，可從色彩空間定義的標準公式(2-7)、(2-8)來做彩色轉灰階，可保證灰階影像的正確性，其中公式(2-7)R、G、B 為 CIE RGB，公式(2-8)R、G、B 為非線性 sRGB，圖 2-28 為彩色影像轉為灰階影像的結果。.  X  2.7689 1.7517 1.1302   R  Y    1 4.5907 0.0601  G  ………………….…..(2-7)     Z   0 0.0565 5.5943   B   X  0.412453 0.35758 0.180423  Rs  Y    0.212671 0.71516 0.072169 Gs …………………..(2-8)       Z  0.019334 0.119193 0.950227  Bs . 25.

(37) Color Image. Gray Image. 圖 2-28. Color to gray. 2.4.2 半色調技術半色調(Halftoning)技術，是指用較少顏色或單色之色調，藉由人眼高速抖動的特性，產生錯覺可製造出影像灰階的效果，方法是使用黑色網點的大小或頻率的改變，來模擬灰階的變化。一般傳統半色調技術可分為下列幾種：調幅 (Amplitude Modulation) 、調頻 (Frequency Modulation) 、混合式 (Hybrid Modulation)。調幅(AM)的特色在於使用的網點中點與點之間的距離(頻率)固定，調整網點本身的大小，來表現深淺的變化。調頻(FM)特色為網點大小固定，但調整點與點之間的距離(調整頻率)，來表現深淺的變化[23]。混合式則是在影像較深與較淺灰階區域使用調頻方式，中間灰階採用調幅方式，可得到較好的顯示效果。. 上述傳統半色調技術中，容易產生週期性紋路，導致影像細節流失許多，因此發展出誤差擴散法(Error Diffusion)，誤差擴散法也是半色調技術之一，其特點在於將量化後的誤差擴散至鄰近的像素點，利用像素間高頻率變化使人可感受到較好的灰階效果，一般顯示器的解析度都是固定數量且大小相同，所以頻率調變的半色調技術非常適合用於顯示器上。. 26.

(38) 常用的誤差擴散法大至上可分為三種，個別為 Floyd-Steinberg dithering、 Jarvis, Judice, and Ninke dithering、Stucki dithering。三種各有其特色，其中 Floyd-Steinberg dithering 是最早被提出的誤差擴散法，也是最常用的方法，此方法只將量化誤差擴散至相鄰的像素點，因此影像變化頻率為最高，顆粒最細。 Jarvis, Judice, and Ninke dithering 特色在於將量化誤差擴散至更遠的像素點，使得影像顆粒較粗。Stucki dithering 則是與 Jarvis, Judice, and Ninke dithering 類似，差別在於參數上的不同，影像顆粒介於 Floyd-Steinberg dithering 與 Jarvis, Judice, and Ninke dithering 之間。. 誤差擴散之演算法如圖 2-29 所示。首先目前像素值 g(x,y)進入演算法時，將其量化，量化後此像素值將變成新像素值 b(x,y)，此時新像素值 b(x,y)與舊像素值 g(x,y)計算誤差值，會得到 e(x,y)誤差，這時候將誤差乘上遮罩的參數，加至相對應遮罩位置的像素，這些相對應遮罩位置的像素將會變成新的像素值 m(x,y)，重複此動作將每個像素進行運算，最後可得到誤差擴散的結果，圖 2-31 與圖 2-32 為量化二階之效果。. g(x,y). +. m(x,y). +. -. H. 圖 2-29. b(x,y). Q +. +. e(x,y). 誤差擴散之演算法. 27.

(39) Gray Image. Floyd Steinberg. Stucki. Jarvis, Judice and Ninke 圖 2-30. 誤差擴散之結果(1). 圖 2-31. 誤差擴散之結果(2). 28.

(40) 第三章. 電泳式顯示器之光學反應相關特性研究. 根據文獻，雖然電泳式顯示器粒子移動模型可由數學公式定義出來，但其光學響應可能因為環境溫度、濕度、或因太陽照射而產生不同的響應變化，也可能因為粒子經過驅動活化後而使光學響應產生不同的結果，由於實際情況變數過多，無法以模型模擬完整情況，因此需要針對各種情況下可能產生的問題加以實驗。. 近年有文獻發表，電泳式顯示器根據不同的溫度下，產生不同的光學響應，針對不同溫度下的光學響應補償，使其灰階顯示效果能維持在最佳化，此文獻顯示出溫度對於電泳式顯示器的特性有非常大的影響，因此實驗各種可能的情況對於電泳式顯示器響應的變化是非常重要，目前電泳式顯示器若要播放視訊影像，其存在多種問題，尤其反應時間過慢影響最大，無法流暢播放視訊影像。. 電泳式顯示器的光學反應，電極未施加電壓時，粒子會維持目前所在位置的狀態，並不會回復到原始狀態，若在播放視訊影片時，某些像素有可能維持停留在同一狀態，這時候像素粒子停留時間也對驅動的光學響應有所影響。此情況在顯示靜態圖片時不會出現，因顯示靜態圖片之前有著對粒子活化的波形，使所有像素粒子皆處於未停留的活化狀態，不會有停留時間的問題。為了處理此問題，在 3.1 節，本論文做了一套實驗，量測在不同停留時間下對驅動的光學響應之影響，控制驅動的灰階狀態，使其可播放簡易的視訊影像。. 此外，在驅動視訊影像時，像素狀態的變化同時可能會由白狀態驅動至黑狀態，或黑狀態驅動至白狀態，但驅動時因微杯可能比電極面積大，微杯內的粒子有可能被其他電極干擾，產生擴散現象，在 3.2 節，為了處理這個現象，本論文設計另一種驅動波形，如 4.2 節所示，去除 3.1 節像素粒子停留時間的影響，使播放視訊中的像素能夠正確顯示像素的灰階狀態，最佳化播放視訊影像的效果。 29.

(41) 3.1. 粒子停留與驅動關係之實驗電泳式顯示器在播放視訊影像時，面板中必定有停留不驅動的像素點，若. 要驅動這些停留一段時間的像素點時，需判斷其驅動時間是否要做修正。驅動波形的時間參數設計是基於不同停留時間下的光學反應分析，一開始將電泳式顯示器清除驅至黑色狀態或白色狀態，接著將其重置驅至白色狀態或黑色狀態，停留在此狀態若干時間後，再驅至各種不同的灰階，以量測不同停留時間下，驅至相應灰階的時間，進而計算出驅動補償之時間參數。. 3.1.1 由白驅動至黑狀態(Toff)之停留時間對顯示的影響將一張影像經過清除、重置、顯示後，停留在白的狀態，其中停留時間單位為 ms，停留在該狀態一段時間後，再做驅動，並觀察停留時間對影像的顯示有何影響，如圖 3-1 所示。. 圖 3-1. 測試波形( Toff ). 圖 3-2 為顯示測試圖片，藍色數字為在全白的狀態下，對該區域驅動黑的次數。其中停留時間測試的間隔以倍數增加(例如：100ms、200ms、400ms…)，經過這樣的測試便能得到不同的停留時間對影像顯示的影響。. 30.

(42) 圖 3-2. 驅動 0~15 個 Frame( Toff ). 將電泳式顯示器上顯示的結果用測量儀器 eye-one 掃描下來，並將數據整理後，便可得到一條在不同停留時間下，驅動次數對電泳式顯示器顯示狀態的反應曲線。其中每一條曲線為不同停留時間下，電泳式顯示器由白驅動至黑( Toff ) 的反應曲線，橫軸代表驅動時間，縱軸為 CIE XYZ 的 Y 值，Y 值是顏色的明度或亮度反射率，單位為百分比%。在此 Y 值若越低，代表電泳式顯示器所顯示的灰階越黑，若 Y 值越高則電泳式顯示器所顯示的灰階越白。. 圖 3-3 所示，粒子經過活化後，在不同停留時間的情況下，驅動相同的時間長度，將得到不同的 Y 值。從曲線中可發現，經過活化且停留時間越短的情況下，所量測到的 Y 值結果，相較於等待較長停留時間，兩者無法達到一樣低的 Y 值，而量測的結果將用在播放視訊影片，此時面板部分像素粒子將可能不斷的被活化，但部分像素粒子可能長時間停留不驅動，因此為了達到驅動黑色灰階的一致性，本論文選擇驅動至黑時較高的 Y 值當作黑色灰階的基準，即黑色虛線所示，此時不同停留時間下皆有不同的驅動時間，因此驅動時需要對不同停留時間做修正。. 31.

(43) 圖 3-3. Toff 停留時間對顯示的反應曲線. 3.1.2 由黑驅動至白狀態(Ton)之停留時間對顯示的影響將一張影像經過清除、重置、顯示後，停留在黑的狀態，其中停留時間單位為 ms，停留在該狀態一段時間後，再做驅動，並觀察停留時間對影像的顯示有何影響，如圖 3-4 所示。. 圖 3-5 為顯示測試圖片，藍色數字為在全黑的狀態下，對該區域驅動白的次數。其中停留時間測試的間隔以倍數增加(例如：100ms、200ms、400ms…)，經過這樣的測試便能得到不同的停留時間對影像顯示的影響。. 將電泳式顯示器上顯示的結果用測量儀器 eye-one 掃描下來，並將數據整理後，便可得到一條在不同停留時間下，驅動次數對電泳式顯示器顯示狀態的反應曲線。其中每一條曲線為不同停留時間下，電泳式顯示器由黑驅動至白( Ton ) 的反應曲線，橫軸代表驅動時間，縱軸為 CIE XYZ 的 Y 值，單位為百分比%。. 32.

(44) 圖 3-6 所示，在不同停留時間的情況下，從圖 3-5 中所定義黑色灰階的基準 Y 值驅動到粒子驅至最白的 Y 值，即圖 3-6 黑色虛線所示，所需的時間大約為 200ms，因此不需要加上停留時間的修正。. 圖 3-4. 圖 3-5. 測試波形( Ton ). 驅動 0~15 個 Frame( Ton ). 33.

(45) 圖 3-6. Ton 停留時間對顯示的反應曲線. 3.1.3 實驗結果根據以上實驗結果，各停留時間之驅動曲線驅動至本論文所假設的 Y 值，將每條曲線所需的驅動時間建成圖表表示。由圖 3-6 可以發現，由黑驅白( Ton ) 不需要做任何修正，但由圖 3-3 白驅黑( Toff )的驅動時間皆必須做修正。將圖 3-3 與圖 3-6 整理為圖 3-7，此圖表將作為播放視訊影像時，驅動時間的依據。. 由圖 3-7 可看出， Ton 在不同停留時間下的反應時間並沒有什麼變化，約為 200ms 即可到達白狀態，但 Toff 會因停留時間越長，反應速度更快。因此可以定義出 Toff 與 Ton 的響應時間為： Toff (r )  Toff (0)  soff (r ) ………………………….(3-1). Ton (r )  Ton (0)  son (r ) ………………………….(3-2). 34.

(46) 其中 son (r ) 與 soff (r ) 代表停留時間的響應，不同電泳材料特性，響應時間也會不同，因此可能為正或負值。. 圖 3-7. 3.2. Ton 與 Toff 驅動波形的時間. 電泳式顯示器粒子與 TFT 電場驅動問題電泳式顯示器在播放視訊影像時，根據本論文 3.1 節中，粒子停留與驅動關. 係之實驗研究，雖可以改善灰階驅動之不確定性，但用此方法播放較複雜的視訊影像其效果不佳，問題在於某一像素粒子被驅動時，產生擴散現象，影響了相鄰停留不驅動的像素，形成部分影像細節顯示錯誤，因此不能播放較複雜的視訊影像。一般在電泳式顯示器顯示靜態影像時也會產生少部分程度的擴散現象，顯示靜態影像通常是將整個面板的像素粒子活化後重置在白色狀態，接著依影像各像素的灰階值根據驅動波形往黑色狀態驅動，此時面板每個像素皆有少許擴散至相鄰的像素，但因所有像素皆往黑色方向驅動，因此擴散的形式以黑色為主，這只造成影像整體灰階亮度下降，並不會造成嚴重的影像細節的流失，若播放視訊影像，許多像素粒子將會不停的被驅動，此時造成的擴散影響將是未 35.

(47) 知且不受控制的。如圖 3-8 所示，在左邊 pixel 電極施加電場，右邊 pixel 電極接 0V，可發現兩個相鄰 pixel 的電極之間也會有少許電場吸引帶電粒子移動，如橘色方框中所示，這將造成邊緣的不銳利，另外在電泳式顯示器中顯示一張格線圖，如圖 3-9 所示，其中所有的線條寬度只有 1 個 pixel，實際驅動的結果可發現，線條旁邊呈現擴散狀態，且格線交會點擴散程度更大，擴散程度皆大於 1 個 pixel 等級。. 圖 3-8. 電泳式顯示器粒子與 TFT 電場驅動問題. 圖 3-9. 顯示圖片時造成的擴散. 36.

(48) 因此本論文實驗在播放視訊影像時可能發生的情況，如圖 3-10 所示，首先在電泳式顯示器經清除、重置至黑後顯示一個黑白交錯的方塊，黑色方塊區域像素粒子維持不動，白色方塊區域由 State 1 的黑色狀態驅動到 State 2 的白色後再度驅回黑色，最後顯示如 State3，實驗結果如圖 3-11，可發現維持不動的黑色方塊區域被白色方塊擴散，且擴散程度可能大於 1 個像素以上。. 圖 3-10. 圖 3-11. 顯示圖片後馬上驅回黑. 顯示圖片後馬上驅回黑的結果. 37.

(49) 相反的，在電泳式顯示器經清除、重置至白後顯示一個黑白交錯的方塊，如圖 3-12 所示，白色方塊區域像素粒子維持不動，黑色方塊區域由 State 1 的白色狀態驅動到 State 2 的黑色後再度驅回白色，最後顯示如 State3，實驗結果如圖 3-13，可發現維持不動的白色方塊區域被黑色方塊擴散。. 圖 3-12. 圖 3-13. 顯示圖片後馬上驅回白. 顯示圖片後馬上驅回白的結果. 38.

(50) 第四章. 驅動波形設計. 本論文第三章說明在播放視訊影像時，電泳式顯示器可能遭遇到的問題，實驗出這些問題對於驅動所產生的影響，歸納實驗結果的數據，這些實驗數據可用來作為播放視訊影像的參考指標，並在第四章與第五章利用這些數據設計驅動波形與影像處理的演算法流程，作為最佳化播放視訊影像的方法。根據本論文第三章中的兩種實驗與問題，個別在第四章中提出兩種解決的方法。. 驅動方法一，根據本論文 3.1 節的實驗結果，顯示在不同停留時間下，粒子驅動時間改變的現象，因此若要播放視訊影像，必須根據影片中，每個像素的狀態變化進行紀錄，並記錄停留在相同狀態的時間，就可控制其驅動的灰階狀態是否為我們要的灰階，此方法詳細描述在本論文 4.1 節中。. 驅動方法二，根據本論文 3.2 節的實驗結果，發現其驅動時所產生的擴散現象，這將造成驅動視訊影像時，部分像素的灰階狀態與實際顯示狀態不符，因此需要設計一種驅動波形，使像素粒子被擴散時能盡量不受影響或是被擴散時能驅回原本應該呈現的狀態，此方法詳細描述在本論文 4.2 節中。. 4.1. 參考停留時間之二階視訊影像驅動波形本論文 3.1 節的實驗結果說明了停留不驅動的時間越久，粒子驅動的速度. 越快，本論文將根據圖 3-7 的實驗數據設計波形，計算在視訊影像中像素粒子的停留時間，調整驅動時間的長度，使黑白兩階的灰階在顯示視訊影像時能達到最佳化，可用於播放簡易黑白兩階視訊影像。. 39.

(51) 假設 f. D. 為視訊影像播放的速度， 1 / f 為連續兩張 frames 之間的時間差； D. f S 為主動式矩陣掃描速度，像素驅動的時間只能為 1/ f S 之倍數，如圖 4-1 所示。 Fk (i, j ) 為第 k 個 frame 時在 (i, j ) 像素座標的資訊，若為 0 代表黑狀態，1 則代表白狀態。因此本論文可以定義在連續兩個 frames 像素狀態的變化. Dk (i, j ) ：. Dk (i, j)  Fk (i, j)  Fk 1(i, j) ……………………(4-1) Dk (i, j )  1 代表像素從黑狀態變為白狀態， Dk (i, j )  1 則代表從白狀態變為黑狀態，如圖 4-2 所示。接著影像處理軟體將會計算每個像素的停留時間 Rk (i, j ) ，如圖 4-3 所示：. Rk (i, j)  (k  m)  (1/ f D ) ………………………(4-2) 其中 m 為滿足下列情況的 frame 號碼：. Dk (i, j)  1 and Dx (i, j)  0, m  1  x  k 1 (4-3). 圖 4-1. Fk (i, j ) 參數定義. 40.

(52) 圖 4-2. Dk (i, j ) 參數定義. 圖 4-3. Rk (i, j ) 參數定義. 因此，在第 k 個 frame 狀態改變時所需的驅動時間 Vk (i, j ) 即為新的驅動時間，驅動時間 Vk (i, j ) 如下： Toff ( Rk (i, j )) Vk (i, j )   Ton ( Rk (i, j )). if Dk (i, j )  1 ……………………(4-4) if Dk (i, j )  1. 假設驅動時間為 300ms，顯示一張視訊 frame 的時間為 200ms，這意味著驅動時間少了 100ms，影像對比度將會降低。因此，將缺少 100ms 的驅動時間提前一張視訊 frame 利用改變其灰階值使此像素驅動 100ms，以達到高對比的影像效果。. 41.

(53) 從實際播放視訊影像的結果顯示，在 fps=5 時，未經過處理的圖片直接在電泳式顯示器上播放，因為未參考停留時間對驅動時間做修正，因此驅動至黑色的灰階過黑，導致在驅白時未能清除乾淨，但圖片經過預處理後，能有效控制灰階驅動時間，且驅白時相對能清除的更乾淨。. 在 fps=10 時，電泳式顯示器所需的驅動時間皆大於 fps=10 的時間，也就是 100ms，未經過處理的圖片直接在電泳式顯示器上播放，因為未對驅動時間做修正，驅黑無法到達所預期的灰階，驅白時也未能清除乾淨，但圖片經過預處理後，在前一個 frame 提前驅動，以補足驅動不夠的灰階狀態，另外驅回白則是往後一個 frame 補足驅回白的狀態，驅黑能達到預期的黑，驅白也能相對清除更乾淨，驅動時間如圖 4-4 所示。. 圖 4-4. 提高 Frame rate 的方法. 42.

(54) 半色調視訊影像驅動波形. 4.2. 為了解決擴散造成像素灰階狀態的不穩定性，本論文將停留的像素作了擾動，且盡量將灰階狀態驅回本身該停留之狀態，使像素被擴散影響的程度降低。. 本論文 3.1 節的實驗結果說明了停留不驅動的時間越久，粒子驅動的速度越快，但若使像素粒子處於不斷驅動的活化狀態，驅動速度等同停留時間為零的驅動時間，因此利用這點，將面板具有停留狀態的像素持續作擾動，使面板所有的像素粒子皆處於被活化的狀態，使其驅動特性穩定而不受停留時間影響。擾動的波形如圖 4-5 所示，其中+15V 為驅至白色，-15V 為驅至黑色。擾動波形不斷的正負驅動，可使像素粒子處於活化的狀態。. 圖 4-5. 擾動波形. 在電泳式顯示器上顯示靜態圖片後，接著經由擾動波形不斷的正負驅動持續數個週期，實驗方式如圖 4-6，發現影像的灰階開始有變化，白色變得更深色，黑色變得更淺色。因此本論文實驗在電泳式顯示器上顯示 16 階灰階後，接著經由擾動波形不斷的正負驅動持續數個週期，實驗結果如圖 4-7，可發現經過不同週期的擾動波形後，各灰階皆往中間灰階的方向移動，黑色狀態的灰階將變淺，白色狀態的灰階將變深，因此在擾動數個週期後需要再驅回原本像素粒子該有的灰階(這裡指黑或白)。. 43.

(55) 圖 4-6. 經過擾動波形所顯示的結果. 圖 4-7. 16 灰階經過擾動波形的結果. 本論文設計了一組擾動波形，接著再以 3.2 節中，圖 3-10 與圖 3-12 的實驗方法，在像素粒子經過擾動數個週期後驅回原本像素粒子該有的狀態，因電泳式顯示器的特性，其反應速度不夠快，因此若播放視訊影像時，擾動波形使灰階變化太過明顯，顯示效果將會不佳。但若選擇驅動 1 個週期，灰階變化並不大，此時若驅回原本狀態則可能造成像素粒子過驅而影響面板壽命，因此根據量測結果，波形擾動週期與驅動至原灰階之時間(N ms)可依照各種面板之不同特性調整參數，以達到播放視訊影像之最佳品質，根據面板特性，波形擾動 2 個到 44.

(56) 4 個週期時間，驅動至原灰階之時間(N ms)為 10ms 到 30ms 可達到不錯的結果。黑色停留像素之擾動波形如圖 4-8 所示，白色停留像素之擾動波形如圖 4-9 所示，像素狀態由黑驅動至白如圖 4-10 所示，像素狀態由白驅動至黑如圖 4-11 所示。. 圖 4-8. 黑色停留像素之擾動波形. 圖 4-9. 白色停留像素之擾動波形. 45.

(57) 圖 4-10. 由黑驅白的波形. 圖 4-11. 由白驅黑的波形. 4.2.1 實驗結果為了驗證此擾動波形可行，在 3.2 節中，圖 3-10 與圖 3-12 的實驗方法，本論文在電泳式顯示器經活化、重置至黑後顯示一個黑白交錯的方塊，State 1 的白色方塊區域由 State 1 的黑色狀態驅動到 State 2 的白色後再度驅回黑色，如圖 3-10 所示，但黑色方塊區域像素粒子則以本論文所設計的擾動波形做擾動，最後顯示如 State3，實驗結果如圖 4-12，可發現維持不動的黑色方塊區域被白色方塊擴散的問題已被改善。相反的圖 3-12 的實驗方法也是如此，實驗結果如圖 4-13 所示。. 上述實驗改善了部分擴散現象的影響，然而停留的像素粒子經過擾動波形的驅動後，雖然降低了被相鄰像素擴散影響程度，但若相鄰像素狀態不同，即使經過擾動波形後，還是有擴散的問題產生，且無法掌握黑色與白色的擴散程度，造成鄰近像素粒子狀態不同時的互相擴散，若要播放具有影像細節的二階半色調視訊影像，其影像非常依賴每個像素皆處於穩定的黑或白之灰階狀態，若有此現象則播放效果將會不佳，為了改善此擴散問題，本論文利用 Jarvis, Judice and Ninke Dithering 將多灰階影像處理成二階半色調，不同於 Floyd Steinberg Dithering，Jarvis, Judice and Ninke Dithering 所使用的矩陣範圍較大，可將像素擴散至更遠的位置，本論文利用這個特點，降低彼此相鄰像素的變化頻率，可使像素粒子在驅動時所產生的擴散現象減至最低的程度。 46.

(58) 4.3. 圖 4-12. 顯示圖片後馬上驅回黑的結果(停留像素加上擾動). 圖 4-13. 顯示圖片後馬上驅回白的結果(停留像素加上擾動). 系統波形設計驅動波形將以雙極性驅動(BIPOLAR)方式設計，且播放視訊影像之波形與. 顯示靜態影像之波形也不相同，因此需要設計另一組波形提供視訊影像顯示專用。如圖 4-14 所示，在驅動系統中存放驅動波形的 Flash Memory 另外規劃一塊區域存放視訊影像驅動波形。. 波形結構如圖 4-15 所示，每個時間區塊等同於更新一次畫面的時間，若設定電泳式顯示器畫面更新頻率為 50Hz，代表每個時間區塊代表的時間為 20ms，且每個時間區塊都代表一個電壓狀態(+15V，-15V 或是 0V)，在此本論文把時間區塊稱做 Scaning Frame。. 47.

(59) 此波形結構可設計出各個灰階的驅動波形，如圖 4-16 所示，Gray Level 1 到 Gray Level 16 代表系統讀取到圖片的 16 色階，在此播放視訊影像時，不同於其他波形設計，本論文將前一張影像像素灰階與下一張影像像素灰階的轉換交由外部軟體做預處理，處理完的圖片影像將以 1 到 16 灰階編碼，但此處的灰階值不代表驅動的灰階，而是配合播放視訊影像的波形設計，所以系統只需依照圖片像素灰階讀取波形即可，而每個灰階的驅動波形皆有 10 個 frame，每個 frame 的時間在此假設為 20ms，代表每個灰階的驅動時間最長至 10x20ms=200ms，這樣將會得到一個 16x10 的二維陣列，即 LUT[Input Gray Level][Frame Number]，輸出為每個 frame 代表的電壓狀態，如圖 4-17 所示。. Waveform 1 (Driving static image). Waveform 2 (Driving video) Flash. 圖 4-14. 驅動波形規劃. 本論文以黑驅白(Ton)的驅動時間 200ms 作為波形設計基礎，也就是掃描 10 個 frame 即結束一張圖片的驅動。舉例來說，若要播放 fps = 5 的視訊影像(一秒內連續顯示 5 張圖片)，代表 200ms 要顯示一張圖片，因此掃描波形時最多掃描 10 個 frame，即可達成我們要的結果，其中若灰階驅動時間需要的 frame 數超過所設定的 frame 數，將經過外部軟體的圖片預處理，配合驅動波形，把還沒驅動完的 frame 數在前幾張圖片或後幾張圖片作提前驅動與後補償驅動，以補滿尚未驅動完成的時間。. 48.

(60) 圖 4-15. 圖 4-16. 驅動波形結構. 16 灰階的驅動波形. 圖 4-17. 驅動波形對照表. 因此需要設計的波形對照表，為系統顯示視訊影像時所讀取的波形對照表，且此對照表可以配合演算法設計所驅動，以 200ms 為掃描一張圖片的時間，那麼根據此表一秒鐘可連續顯示五張的圖片，但若想在一秒鐘之內顯示更多張圖片，就得限制系統最多能夠掃描的 frame 數，加上視訊影像圖片的預處理，才能達到更高的 fps 值。其中表 3-1 中的數字 1 代表系統送出+15V 給電泳式顯示器當前掃描到的像素點，2 代表-15V，0 代表 0V。本論文以雙極性驅動 (BIPOLAR)方式設計，將 Vcom 接 0V，因此當 Source 為+15V 為驅至白，-15V 為驅至黑。. 表 4-1 的 Video 波形對照表，其中各灰階的驅動波形為了能達到驅動時間的互補關係，本論文設計第 2 灰階為 9 個驅至黑的 frame，第 3 灰階為 8 個驅至黑的 frame，依序遞減，最後第 10 灰階為 1 個驅至黑的 frame，至於第 14 灰階為 10 個驅至白的 frame，第 13 灰階為 1 個驅至白的 frame，第 0 灰階與第 15 灰階為擾動波形，因此經過預處理的圖片根據此驅動波形，即可補滿高 fps 值造成尚未驅動完成的時間，若要使用擾動波形，每個 frame 的時間需設定在 10ms。. 49.

(61) 如圖 4-18 之演算法，若要顯示 fps=10 的視訊影像，代表每 100ms 要掃描一張圖片，每個 frame 的時間在此假設為 20ms，也就是系統只能掃描 5 個 frames；系統以 Frame Number=6 為波形掃描的起點，Frame Number=10 為結束點，掃描表 4-1 的 Video 波形對照表，再配合經過預處理的圖片，即可達到高速驅動影像的效果。. // FPS = 5 LOOP( Frame_Number = 1 TO 10 ) V_Out = LUT[Input_Gray_Level][Frame_Number]. // FPS = 10 LOOP ( Frame_Number = 6 TO 10 ) V_Out = LUT[Input_Gray_Level][Frame_Number]. // FPS = 15 LOOP ( Frame Number = 8 TO 10 ) V_Out = LUT[Input_Gray_Level][Frame_Number] 圖 4-18. Timing Generator 掃描波形的演算法. 50.

(62) 表 4-1. Video 波形對照表. Input Gray Level. Frame Number 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Total Frames. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 2. 1. 2. 2. 5. 1. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 10. 2. 0. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 9. 3. 0. 0. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 8. 4. 0. 0. 0. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 7. 5. 0. 0. 0. 0. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 6. 6. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 2. 2. 2. 2. 5. 7. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 2. 2. 2. 4. 8. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 2. 2. 3. 9. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 2. 2. 10 11. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 0 0. 2 0. 1 0. 12. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 13. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 14 15. 1 0. 1 0. 1 0. 1 0. 1 0. 1 2. 1 1. 1 2. 1 1. 1 1. 10 5. 51.