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，故本文针对现有电泳技术电子纸显示器灰度只有16个等级问题，提出了基于人眼视觉系统特征数字半色调图像处理技术，并采取Burkes滤波器误差扩散算法配合“蛇形”扫描方法，降低图像龟纹现象，在16灰度等级电子纸屏幕上实现高灰度图像再现，输出图像视觉效果和原始图像相同。该方法显著改善电子纸图像显示质量，对电子纸产业含有一定意义。
关键词：电泳技术；电子纸；数字半色调；误差扩散
DU Shi-yuan, YANG Qian, LIN Zhi-xian, GUO Tailiang
(Photoelectronic Information Technology of FuzhouUniversity，Fuzhou 350002，China)
Abstract:Electrophoresis technology based electronic paper has been in thedominant position in the electronic paper. In order to solve theproblem that electrophoresis technology based electronic paper hasonly 16 gray-scales, we proposed halftone image processingtechnology. The halftone image processing technology is designedbased on human visual characteristic. Besides, the error
基金项目：国家863计划重大专题（20XXAA03A313）；福建省自然科学基金项目（20XXJ01333）；福建省自然科学基金资助项目（20XXJ01347）；福建省教育厅资助关键项目(JA09003)；福建省教
育厅科技项目（NO.JA11014）
作者介绍：杜世远（1988-）、男，福建泉州，硕士，硕士，关键研究信息显示技术和驱动电路设计。
diffusionalgorithm based on Burkes filter and specific scanning mode canreduce distortions. And high gray-scales image, which is similar tothe original high grey-scales image, can be displayed in the 16gray-scales electronic paper. This method can greatly improve theimage display quality of the electronic paper. Therefore it hascertain significance for electronic paper industry.
Keyword:EPD; Electronic paper; Digital halftoning; Error diffusion
1、引言 子纸显示效果。
自1975 年Nick Sheridon 第一个提出电子纸模型，电子纸研究已经经历了30 多年。现在，
电泳技术电子纸在电子纸阅读器上几乎占有统
治地位，它含有对比度高、阅读舒适、超薄、超
低功耗特点，而且其显示视觉感官效果几乎和
有两种方法能够提升电子纸显示灰度：提
升电子纸帧扫描频率和使用图像半色调技术[3]。
不过在主动矩阵背板和相对应驱动芯片上提升
电子纸帧扫描频率很困难。故本文关键讨论在
相同帧扫描频率基础上，利用自适应半色调技
可被用于替换常规显示设备、手持设备显示，比 2、基于误差扩散半色调处理算法
纸张一样。伴随电子纸显示技术越来越成熟， 术，提升电子纸灰度等级。
如：电子书，IC 卡和电子报纸等[1] [2]。
处理：电子纸有一个不一致阈值电压，造成电光效应曲线非线性和不可估计性[3]，在低电压EPD 中，这个问题更为严重（处理措施是：利用PWM 方法来设计驱动波形），利用TFT 阵列作为电压开关，经过扫描TFT 阵列并提供不一样电压能够实现PWM 驱动波形。这就造成电子纸灰度更多依靠于帧频，限制了灰度等级。而且光响应曲线是非线性且对温度改变很敏感。没有处理这些问题话，是不可能取得高质量电
图像呈色特征，利用数学、计算机等工具，在呈
色设备上实现图像最优再现一门技术。数字半
色调是利用人眼低通特征，当在一定距离下观
察时，人眼将图像空间上靠近部分视为一个整
体。利用此特征，人眼观察到半色调图像局部
平均灰度近似于原始图像局部平均灰度值，从
而整体上形成连续色调效果[4][5]。
2.2 误差扩散算法
因为传统半色调技术全部是将灰度图像
转换为二值图像，极少有半色调技术用于电子
纸来显示16 级灰度图像算法。本文提出了基于
误差扩散半色调技术，图3 为误差扩散算法原
更为理想，降低了色调中间出现纹理结构。而
相对于其它滤波器，Burkes滤波器处理速度愈加快，能够降低数据处理时间，并取得很好图
理框图[6]。从框图中能够看出Q[.]和W(k,l)为算 像显示效果。
法关键组成部分。Q[.]为阈值选择方法，阈值通常取0.5。W(k,l)为误差扩散滤波器，其为(k,l)处误差扩散权值。
g(m,n) | + | g*(m,n) | Q[.] | b(m,n) |
| | | | |
| | | 8 | 4 |
2 | 4 | 8 | 4 | 2 |
图2Burkes滤波器
g*(m,n) (3) | - | - | + | 图2 中黑色点位目前处理像素点，将原灰 |
e(m,n)度转换为16 级灰度后产生误差分配到以后相 | ||||
b(m,n) = Q[g*(m,n)] = Q[g(m,n) +
∑W(k,l)·e(m-k,n-l)] | g*(m,n) | - | b(m,n) | 2.4 扫描像素路径 | |
(4) | 因为传统扫描方法为从左到右、从上到下。 | ||||
e(m,n) | = | 这么扫描方法会造成经过误差扩散后图像在亮 | |||
(5) | 区和暗区之间产生龟纹现象。故本文采取“蛇形” | ||||
2.3 误差滤波器设计
本文采取Burkes 滤波器，其权值分布相当于一个低通滤波器，符合人眼视觉特征。相对于Floyd-Steinberg 滤波器，其边界和细节效果
扫描路径，其扫描方法为奇数行从左到右扫描，
偶数行从右到左扫描。采取这么扫描方法将大
大降低了图像龟纹现象，提升了显示图像整体
效果，而且扫描方法相对简单，轻易实现。
3、电子纸系统设计
电子纸系统硬件关键由三部分组成：数据
存放，数据处理和控制显示部分。数据存放阶
段，控制器经过外围接口接收图文数据并存放
在flash 中；数据处理阶段，控制器读取flash 中数据，经过基于误差扩散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
8bit灰度数据后4bit去掉,转换成4bit16级灰度图像。图4(c)是将图4(a)用误差扩散算法得到16级灰度图像。
(a)
驱动波形，实现电子纸高灰度图像显示。电子
纸驱动采取驱动芯片GD6201E，其兼容
数据并经过波形文件控制产生电子纸显示所需
EPSONS1D13521，含有16 个区域局部擦写功(b) (c)
纸闪烁现象。具体系统结构框图3 图所表示。效，降低电子纸显示更新时间，从而降低电子
数据存储 数字半色
散后16 级灰度图像
Flash
调处理
外围接口Gate
Driver
数据接口 控制器 数据缓存 EPD图4(b)(c)全部是16 级灰度图像，显然图 Source Driver
驱动波形 | 波形发生器 | 局部更新 | 4(c)效果显著好于图4(b)。其根本在于利用误 |
图3 电子纸系统结构框图
差扩散算法.使人眼在观察图片时将相邻像素
点集合整体误差变小。
本文利用误差扩散半色调技术将一幅连 | 4、结论 |
续色调图像量化为一幅16 级灰度图像，而且量
化后图像视觉效果和原始图像相同。下面三张
图,图4(a)是256 级灰度图，图 4(b)是简单将
因为现在电子纸实现彩色化还有一定难度，所
以将彩色图像转换为电子纸图像灰度显示处理
技术含有很大意义。故本文采取基于误差扩散
半色调技术，在16级灰度电子纸上实现图像高 质量视觉效果。
作者介绍：
杜世远（1988-），男，福建省泉州市，硕士硕士，关键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，硕士硕士，关键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显示器方面研制工作。
参考文件:
[1]胡力刚,许伟明.电子纸阅读器设计[J].计算机测量和控制,20XX(07).
[3] Wen-Chung Kao, Jia-An Ye, Ming-I Chu. Image Quality Improvementfor Electrophoretic
[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, 20XX(04).
[4] 叶玉芬. 数字半色调技术中误差扩散算法研究[D].西安电子科技大学, 20XX.Electronics Society, 20XX(17).
[5]方华.图像半色调技术及水印研究[D].浙江大学,20XX.
[6]叶玉芬,郭宝龙,马佳.基于视觉差误差扩散半色调算法[J].计算机工程,20XX,(16).