Research on Brightness, Color and Uniformity Adjustment in ePaper Jitter Algorithm
█ 江西兴泰科技股份有限公司 毛华望 夏智君
摘 要: 为了提升全彩电泳式电子纸的显示质量，基于电泳式全彩电子纸的显示原理，研究提出从抖动算法的角度进行亮度调节、色彩调节和抖点的均匀化的优化方案来提升显示效果，减少色彩损失。研究表明，该方案能显著改善全彩电泳式电子纸的画面效果，对彩色电子纸的应用场景具有重要的意义。
关键词: 电泳式电子纸 抖动算法 亮度 色彩 均匀化
Abstract: Based on the display principle of electrophoretic full-color electronic paper, optimizing brightness, color adjustment, and uniformity of jitter points from the perspective of jitter algorithm to improve display effect, in order to achieve the improvement of full-color electrophoretic electronic paper image effect, is of great significance for the application scenarios of color electronic paper
Keywords: electrophoretic electronic-paper; jitter algorithm; brightness; color; homogenization
0 引言
电子纸作为一种类纸的显示技术，具有超低功耗、数字化、可循环，相对发光显示更护眼等特征，开始慢慢地走进大众市场。经过20年的发展，电子纸已经从黑白电子纸时代过渡到彩色电子纸时代，目前全彩色的电子纸已经投放市场。彩色电子纸以E Ink公司的电泳式电子纸为代表，目前彩色电子纸采用了两种色彩发展路线，主要区别在于使用了不同颜色的粒子。因为不同的粒子，具有不一样的物理特性，如：大小、色彩反射率、粘性和带电量等。第一种是Gallary全彩电子纸，其优点是色彩覆盖率高，所有色彩比较均衡；第二种是Spectra全彩电子纸，其优点是一部分色彩很鲜艳，另一部分色彩暗淡，色彩非常不均匀[1]。目前，彩色电子纸技术还不成熟，技术路线也还处在探索阶段，两种不同的彩色电子纸没有绝对的高低之分。
尽管彩色电子纸已经是电子纸行业发展的很大进步，但是在色彩方面的问题还很明显，而且很难适配照片到彩色电子纸的色彩对应，诸多挑战并存。本文从电子纸亮度调节到色彩调整、抖动均匀化等多个角度，研究如何提升彩色电子纸的色彩效果，对彩色电子纸应用场景具有重要的意义。
1 电泳式彩色电子纸显示工作原理
电子纸是一种超薄、超轻的显示屏，可理解为“像纸一样薄、柔软、可擦写的显示器”。形像地说，电子纸是一张薄胶片，在胶片上“涂”上一层带电的物质，这层物质以一种封装成小球的形状存在，每个封装的小球称它为微胶囊。
每个微胶囊内含有一种透明液体介质，介质内有两种不同颜色且带有相反电荷的颗粒：白色颗粒（通常为二氧化钛（TiO₂））带正电，黑色颗粒（通常为碳黑）带负电。当给两个电极之间施加电压时，根据电压的方向和大小，带电颗粒会相应地移动。
● 正向电压：如果上电极为正极而下电极为负极，则白色颗粒（正电荷）会被吸引到顶部，从上方看该区域呈现白色；同时，黑色颗粒（负电荷）则被推向底部。
● 反向电压：反之亦然，即当上电极为负极而下电极为正极时，黑色颗粒上升至顶部，造成视觉上的黑色效果，而白色颗粒下降到底部。
通过精确控制各个像素点上所施加的电压，可以构建出复杂的图案或文字信息，显示原理如图1所示。灰色状态，当白色电极进行两级电压反转时，白色粒子向下运动，黑色粒子向上运动，这时会存在粒子混合的一个状态，看上去就是灰色。
图1 微胶囊电泳电子纸黑白及灰阶显示示意图
全彩电子纸是采用类似的原理实现，区别在于微结构容器和带电粒子颜色不同。以E Ink Spectra 6为例，在微杯微结构内注入4种颜色粒子，分别是白色、黄色、红色和蓝色。红色粒子和蓝色粒子带正电，白色粒子和黄色粒子带负电。在施加不同的正负电压时，不同颜色的粒子对于不同电压具有敏感性，指定颜色的粒子会进行上下运动。当上方电极是不同正电压时，白色和黄色粒子分别向上运动，如图2a所示。当上方电极是不同负电压时，红色和蓝色粒子分别向上运动，如图2b所示。红色粒子运行到微杯结构的最上方，显示红色，白色粒子运行到胶囊最上方，显示白色。在显示白色的情况下，胶囊上方是白色和黄色粒子，此时进行电极反转，上方电极改成负电极，下方电极改成正电极，上方的白色黄色粒子向下运动，下方的红色蓝色粒子向上运动，就会产生混合，控制不同程度的混合就产生了不同的颜色，如图2c所示。
a 白色 b 红色 c 黑色
图2 微杯电泳电子纸颜色显示示意图
2 抖动算法[2]的原理
抖动算法是一种图像处理技术，它能在有限的颜色选项中创造更丰富的视觉效果。通俗地说，抖动算法就像是在一幅画上巧妙地撒一些小点点，让这幅画看起来颜色更加丰富和自然。
未抖点的图像，相近色替换的话，因为色彩有限，相近的颜色为同一个颜色，这样会造成画面明显的块状，如图3b所示。而有抖点后的图像，画面中的物体轮廓和细节就能表达的更多，如图3c所示。
a 原图 b未抖点 c抖点后
图3 抖点实现彩色电子纸色阶显示效果
抖动算法的主要特征如下：
（1）模拟更多颜色：即使只有一种有限的颜色调色板，如只有黑白两种颜色，抖动算法也能让你感觉到图像有多种灰度级别。
（2）平滑过渡：在处理色彩渐变时，抖动可以使得从一种颜色到另一种颜色的过渡看起来更加平滑，而不是突兀的变化。
（3）利用视觉错觉：它基于人眼对近距离的小点会自动“平均”成一种中间色调的能力。就好比当你站在远处看一块布满黑白点的纸张时，可能会看到一样的灰色。
（4）适用于低分辨率显示：对于那些只能显示有限颜色数目的设备，如早期的计算机显示器或某些打印机，抖动尤为重要。
（5）更自然的画面：使用抖动后的图片通常看起来更加细腻、真实。如，在打印黑白照片时，抖动可以使阴影部分显得更加柔和，而不是简单的黑白色块拼接。
（6）增强细节表现力：特别是在需要展现细微层次变化的地方，如天空的颜色变化或人物皮肤的质感，抖动可以帮助保留这些细节。
3 抖动算法研究与实践
3.1 抖点算法亮度调节优化研究
本研究目标是让相对较黑的画面亮起来，通常的亮度调节方法是直接对输入的画面进行亮度调节，增加亮度。当然，这种做法的问题也是显而易见的，如果已经是最亮的点，就无法更亮了，整幅画面就会产生色彩误差。如：A=（200，200，200）亮度增大1.2，那么，A=（240，240，240），这样调整亮度，并不会产生误差。但是，如果A=（220，220，220），亮度增大1.2后得到220×1.2=264，那么，A就不是（264，264，264），而是（255，255，255），这样就会产生3%的误差（1-255/264 = 0.03）。如图4所示，葡萄的黄色就会过曝变白，相对于原图就有信息损失。为了降低色彩损失，本研究进行了优化，从抖动算法完成亮度的调节。
图4 亮度增强效果图
抖动算法是一种用有限的颜色来模拟更多的色彩的一种方法。实际上是用全彩电子纸的色彩范围表达显示图片的颜色。全彩电子纸能表达的色彩是很有限的，相比LCD液晶显示的1 600万色，全彩电子纸色域较窄，目前最高为6万色表现力。所以，针对全彩电子纸的表现色域计算上就需要做很多的调整和优化。针对亮度调节需要确保没有超过原图片的色域，这样就不用担心因为图片亮度调节产生的颜色损失。
这里进行亮度调节需要注意几点：
（1）全彩电子纸色彩的测量。电子纸的色彩是固定的，无论用什么样的测试方法，色彩结果都是固定的。如：都是一棵树，可能会因为你使用不同的曝光会拍出不同的照片，但实际上树还是那棵树，色彩还是那个色彩。所以，在做电子纸色彩测量时要采用低曝光测量。
（2）根据电子纸色彩的结果对照片进行色彩变换，通过转换成新的色彩模型亮度（L）A色彩B色彩模型（LAB模型）或者色彩模型亮度色度饱和度模型（HSV模型）。在LAB模型中改变亮度L数值的大小，或 HSV模型中调整亮度V数值的大小来调整亮度，这样能更容易做到只修改亮度，保证色彩范围。
基于以上基础，就可以进行抖动算法的亮度调节了。调整亮度有两个方法：第一种为计算法，通过调整电子纸色彩值的亮度来控制抖动算法的计算结果；第二种为通过曝光值的高低，作为电子纸色彩完成抖动算法的色彩来控制亮度。
如，低曝光黑色：{20.20.20}、红色：{120. 30. 30}、黄色：{110. 100. 30}、深黄色：{100. 90. 30}。中曝光黑色：{30.30.30}、红色：{130. 40. 40}、黄色：{120. 110. 35}、深黄色：{110. 100. 30}。
如果以相同的图片为基础进行抖动，使用低曝光的数据会更亮，中曝光的数据会更暗。如，图像是红色点{130.30.30}+深黄色{100.90.30}，如果用低曝光抖动的结果就是红色+黄色，而中曝光则是红色+深黄色。很明显，低曝光的红色+黄色更亮。如图5所示，通过这种抖动算法调整亮度，就可以确保输入的图片和抖动算法后的图片信息损失更少。白色或黄色葡萄，整体亮度抖点的更亮，但是葡萄损失的数据却更少。
图5 抖动后亮度调整效果图
3.2 抖动算法的色彩调节优化研究
通常对图片进行色彩调节都是对图片进行预处理，如：调整对比度、色度及饱和度等。对单一色彩进行调整与亮度调节是一样的，难以避免的会有信息损失。
本研究针对色彩调节进行了优化，同样是在抖动算法里实现，这样既能满足色彩调节，也能减少信息损失。还有一个更重要的作用，就是对于电子纸色彩异常的弥补，如：特定色的残影。
抖动算法是在用有限的色彩通过色彩近距离拼接来完成视觉上的更多色彩。只要修改色彩的拼接方式就可以优化色彩。抖动算法的色彩调节就是调整电子纸的有限色彩值，主要步骤如下：
（1）获取电子纸色彩值。同样，也要用不同的曝光参数来进行测试，有3组不同的电子纸色彩值。因为色彩的调节优化也要依赖不同情况下的色彩值。如果没有测量条件，用一组色彩值进行HSV或者LAB值亮度调节来模拟只增加曝光下的值也是可以的。
（2）通过3组不同的曝光值进行一些调整。本研究采用最简单的等比例调整，多产生几组数据值为宜。如果只能获取一组数据值，这里就不做要求了，直接进行二次计算即可。
（3）选择不同类组的数值进行混拼，作为抖动算法的几个基础色彩进行计算，就可以实现不一样的色彩效果。
如，低曝光黑色：{20.20.20}、红色：{120. 30. 30}、黄色：{110. 100. 30}、深黄色：{100. 90. 30}。中曝光黑色：{30.30.30}、红色：{130. 40. 40}、黄色：{120. 110. 35}、深黄色：{110. 100. 30}。
如果以相同的图片为基础进行抖动，之前抖动依靠的是8种颜色。这里进行对比度调节，如以增强红色为例，就需要增加1个红色，用中曝光红色即可。在抖动过程中，无论是低曝光的红色还是中曝光的红色，也就是{120. 30. 30}和{130. 40. 40}抖动计算时，默认为同一个颜色，都对应的是电子纸的红色被识别成红色的范围就会扩大，从而添加高曝光红色在抖动后的图像上就会更红（如图6所示），从而也达到了对比度调节的效果。此时，抖点对比度调节，能看到更多的细节。因为抖点对比度有更少的数据损失。
图 6 抖动后对比度调节效果图
3.3 抖动算法的均匀化研究
抖动算法是通过临近的颜色进行色彩混合来完成有更多的色彩的。如：液晶里面，如果用放大镜去看液晶屏幕就会发现也是由红、绿、蓝3种颜色的灯珠组合而成，当红、绿、蓝3个灯珠都亮起来时，我们看上去是白色。这是人眼的附近混色特性。但是如果视觉上2种颜色差异大，而且相对较远时，人眼看起来就会有白色红边，白色蓝边。所以，均匀性对于色彩显示效果很重要。如RGBRGB和RRGGBB，色彩组合一样，但是人眼视觉RRGGBB就会是白色红边，而RGBRGB则会是白色蓝边。
因为色彩数量有限的原因，通常开发者会用两种不同颜色进行混色，可有时经过误差积累后色彩偏差会比较大，这样就造成了视觉上颗粒感更多的感觉。如，图片是橙色+橙色+白色+白色的4个像素，可是电子纸最靠近的颜色只有红色，那么抖动算法会把橙色+橙色计算为红色+红色+黄色+黄色。但从视觉效果来说，红色+黄色+红色+黄色效果会更好。
基于这个特征，抖动算法的均匀化就有两种方法：
（1）原始图片进行均匀化处理。
原始图片进行均匀化处理，也算是抖动前预处理。因为抖动算法的特性，如上面色彩的举例，如果色彩的变化平滑，而且和电子纸有限色彩的距离较远，就容易积累误差，在较远端会形成颜色的颗粒感。
根据这个特征，需要对平滑色彩拆分管理。简单的理解，就是对图像的平滑区域进行颜色的拆分或者位置互换。如，橙色+橙色+白色+白色的4个像素，交换位置为橙色+白色+橙色+白色。抖动算法后，就直接是红色+黄色+红色+黄色，效果会更好。
虽然说这个方法有一定的效果，但是问题也比较严重。就是电子纸的色彩本身并没有那么明确，按照电子纸色彩的拆分方法的结果就无法预测。按照电子纸的色彩进行拆分，一定能让色彩均匀，但是因为原图被破坏，或者不破坏但是造成偏差，都会产生本来不应该拆分的被拆分了，造成抖动效果更不理想的问题。
（2）抖动后进行均匀化处理。
相对于前面一种均匀化处理方法，抖动后进行均匀化效果更明显，而且更好控制。抖动算法上为了能让效果更均匀，很多的研究都是在扩散系数上做研究，以实现更好的拟合效果。目前的扩散均匀度也做的很好，但是由于全彩的电子纸色彩非常有限，存在较多色彩确实？，俗称色彩盲区。此类图片本身并不适合全彩电子纸来显示。此时，并不是算法本身的问题，而是该图像的色彩不适合电子纸色彩而产生的效果偏差。
抖点算法的目标是尽可能还原效果，可是为了让画面更均匀而引入的算法造成破坏了原有效果、引入了新的误差等问题。因此，再用抖动后进行均匀化处理时，抖动算法就需要进行误差限制处理。虽然，做了误差处理仍然没办法更好地还原原始图像的色彩，但是可以让该画面更靠近电子纸的色彩表达。
在抖动算法处理图像的过程中，通常用一个均匀化采样窗口进行均匀化处理，如：用3×3的窗口对其中的数据进行均匀打散。此时，采用越大的均匀化窗口，越容易破坏原本的状态。所以，通常推荐使用3×3 或2×2的窗口尺寸。具体举例如下：这里的数据是抖动后的图像的局部像素，数字是电子纸颜色的编号。其中，24-25-26是相近色彩，16-17是相近色彩，编号相同的色彩一样。如图7所示，左图为均匀前的数据，右图为进行均匀化后的数据，画面效果会更均匀。
图7 均匀算法前后显示效果比较
4 结语
彩色电子纸显示技术还在发展中，市场端对色彩显示效果的需求也在不断提高。由于彩色电子纸色彩方面与LCD液晶和纸张印刷的明显差距，因此显示优化工作对于彩色电子纸在广告方面的应用尤为重要。对于行业研究人员需要不断尝试各种显示效果的优化方法，让彩色电子纸的显示效果更好。
本文通过对电子纸抖动算法在亮度调节、色彩调节和显示均匀化等方面的研究，让彩色电子纸的显示效果有了较为明显的提高，同时也希望更多电子纸研究人员能提出更多优秀的算法和想法，让未来彩色电子纸产品更加靓丽多彩。
█ 参考文献
[1] 左强,朱麟.电泳式彩色电子纸及其发展探索[J].信息技术与标准化,2022(4):70-75.
[2] 严惠,邓小龙,孔德文.一种新型的彩色图像多目标颜色的配准与抖动算法[J].电子器件,2024,47(1):140-144.
