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CN118215957A - 具有低晕染灵敏度的基于多原色显示器掩模的抖动 - Google Patents

具有低晕染灵敏度的基于多原色显示器掩模的抖动 Download PDF

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Abstract

用于驱动包括能够产生一组原色的多个显示像素的彩色电泳显示器的方法。该方法包括定义分离累积阈值阵列并使用分离累积阈值阵列来识别电泳显示器的更适合于对电泳显示器的超过分离累积阈值的区域进行抖动和不抖动的区域。

Description

具有低晕染灵敏度的基于多原色显示器掩模的抖动
相关申请
本申请要求于2021年11月5日提交的美国临时专利申请No.63/276,048。本文公开的所有专利和出版物均通过引用整体并入。
背景技术
本发明涉及一种用于渲染彩色图像的方法和装置。更具体地，本发明涉及一种用于多色抖动的方法，其中色彩强度的组合被转换成多色表面覆盖。
本文使用的术语“像素”以其在显示领域中的传统含义来表示能够生成显示器本身可示出的所有颜色的显示器的最小单元。
半色调在印刷行业中已使用了数十年，通过用黑色墨水覆盖白纸每个像素的不同比例来表示灰色调。类似的半色调方案可与CMY或CMYK彩色打印系统一起使用，其中颜色通道彼此独立地改变。也就是说，在白纸的每个像素处，可以在白纸的该像素处独立地打印任意一种颜色(例如，CMY，例如CMYK)，而不影响邻近的像素。
然而，存在已知的颜色系统，其中颜色通道不能彼此独立地改变，因为每个像素可以显示一组有限的原色中的任何一种(此类系统在下文中可以被称为“有限调色板显示”或“LPD”，其可以是CMY或RGB)，在第一像素处具有特定颜色会影响一个或多个紧邻像素处的颜色，即相对于目标颜色的颜色质量。在电泳彩色显示器(EPD)中观察到此类行为，其中第一像素的电场影响紧邻像素处的目标颜色。该现象通常被称为“晕染”。在某种程度上，在彩色EPD中，颜色可以在空间上抖动以产生正确的色感。
电子显示器通常包括有源矩阵背板、主控制器、本地存储器以及一组通信和接口端口。主控制器经由通信/接口端口接收数据或从设备存储器检索数据。一旦数据进入主控制器，它就会被翻译成一组指令以供有源矩阵背板使用。有源矩阵背板从主控制器接收这些指令并产生图像。在彩色EPD的情况下，设备上的色域计算可能需要具有更高计算能力的主控制器。用于彩色电泳显示器的渲染方法通常是计算密集型的，并且尽管如下面详细讨论的，本发明本身提供了用于减少渲染所施加的计算负荷的方法，但是渲染(抖动)步骤和整个渲染过程的其它步骤仍可能对设备计算处理系统施加主要负荷。
图像渲染所需的增加的计算能力削弱了电泳显示器在某些应用中的优势。具体地，当主控制器被配置为执行复杂的渲染算法时，制造设备的成本增加，设备功耗也增加。此外，由控制器生成的额外热量需要热管理。因此，至少在一些情况下，例如当需要在短时间内渲染非常高分辨率的图像或大量图像时，可能期望具有用于抖动多色图像的有效方法。
发明内容
在一个方面，一种用于驱动在阵列中具有多个显示像素的彩色电泳显示器的方法。每个显示像素能够显示至少三种原色，该方法包括接收输入图像，处理输入图像以定义每个像素处的分离累积，定义分离累积阈值阵列，其中该阵列的每个成员至少是两个像素乘两个像素的大小，并且包括三种原色中的每一种原色的不同的分离累积阈值，并且向每个像素发送指令以显示与被该像素处的分离累积所超过的第一分离累积阈值相对应的原色。在一些实施例中，每个像素(i,j)处的原色由如下确定：y(i,j)＝Pk，其中Λk(i,j)>T(i,j)但Λk-1(i,j)≤T(i,j)。在一些实施例中，抖动函数使用蓝噪声掩模(BNM)。在一些实施例中，处理输入图像的步骤通过查找表来实现。在一些实施例中，在处理输入图像之前使输入图像通过锐化滤波器。在一些实施例中，锐化滤波器是有限脉冲响应(FIR)滤波器。在一些实施例中，处理输入图像以创建颜色分离累积的步骤包括使用重心坐标方法。在一些实施例中，原色是青色、黄色、品红色和黑色。在一些实施例中，原色是红色、绿色、蓝色和白色。在一些实施例中，原色是白色、红色、绿色、蓝色、青色、黄色、品红色和黑色。本发明另外包括被配置为执行上述方法的电泳显示器。在一些实施例中，电泳显示器包括具有设置在流体中并且能够在电场的影响下移动通过流体的多个带电粒子的电泳材料。在一些实施例中，带电粒子和流体被限制在多个囊或微单元内。
附图说明
专利或申请文件包含至少一个彩色附图。
附图的图1是根据本文提出的主题的误差扩散模型。
图2是根据本文提出的主题的使用掩模的示例性黑白抖动方法。
图3示出根据本文提出的主题的各种掩模设计。
图4示出根据本文公开的主题的色域颜色映射。
图5示出根据本文公开的主题的使用掩模的多色抖动方法。
图6示出根据本文公开的主题的使用掩模的多色抖动算法。
图7是根据本文提出的主题的用于多色抖动的掩模设计的实施例。
图8是根据本文提出的主题的用于多色抖动的掩模设计的实施例。
图9是根据本文提出的主题的用于多色抖动的掩模设计的实施例。
图10是根据本文提出的主题的用于多色抖动的掩模设计的实施例。
具体实施方式
本发明提供了用于驱动具有能够产生一组原色的多个显示像素的彩色电泳显示器的方法。原色集任意大，但通常至少包括四种颜色。通过定义分离累积阈值阵列，可以识别更适合于抖动的电泳显示器的区域，同时不对超过分离累积阈值的电泳显示器的区域进行抖动。
标准抖动算法，诸如误差扩散算法(其中以与该像素处理论上所需的颜色不同的特定颜色打印一个像素而引入的“误差”分布在相邻像素之间，使得总体上产生正确的色感)可采用有限的调色板显示。存在大量关于误差扩散的文献；有关评论，请参见Pappas,Thrasyvoulos N."Model-based halftoning of color images,"IEEE Transactions onImage Processing 6.7(1997):1014-1024。
本申请还涉及美国专利号5,930,026；6,445,489；6,504,524；6,512,354；6,531,997；6,753,999；6,825,970；6,900,851；6,995,550；7,012,600；7,023,420；7,034,783；7,061,166；7,061,662；7,116,466；7,119,772；7,177,066；7,193,625；7,202,847；7,242,514；7,259,744；7,304,787；7,312,794；7,327,511；7,408,699；7,453,445；7,492,339；7,528,822；7,545,358；7,583,251；7,602,374；7,612,760；7,679,599；7,679,813；7,683,606；7,688,297；7,729,039；7,733,311；7,733,335；7,787,169；7,859,742；7,952,557；7,956,841；7,982,479；7,999,787；8,077,141；8,125,501；8,139,050；8,174,490；8,243,013；8,274,472；8,289,250；8,300,006；8,305,341；8,314,784；8,373,649；8,384,658；8,456,414；8,462,102；8,514,168；8,537,105；8,558,783；8,558,785；8,558,786；8,558,855；8,576,164；8,576,259；8,593,396；8,605,032；8,643,595；8,665,206；8,681,191；8,730,153；8,810,525；8,928,562；8,928,641；8,976,444；9,013,394；9,019,197；9,019,198；9,019,318；9,082,352；9,171,508；9,218,773；9,224,338；9,224,342；9,224,344；9,230,492；9,251,736；9,262,973；9,269,311；9,299,294；9,373,289；9,390,066；9,390,661；和9,412,314；以及美国专利申请公开号2003/0102858；2004/0246562；2005/0253777；2007/0091418；2007/0103427；2007/0176912；2008/0024429；2008/0024482；2008/0136774；2008/0291129；2008/0303780；2009/0174651；2009/0195568；2009/0322721；2010/0194733；2010/0194789；2010/0220121；2010/0265561；2010/0283804；2011/0063314；2011/0175875；2011/0193840；2011/0193841；2011/0199671；2011/0221740；2012/0001957；2012/0098740；2013/0063333；2013/0194250；2013/0249782；2013/0321278；2014/0009817；2014/0085355；2014/0204012；2014/0218277；2014/0240210；2014/0240373；2014/0253425；2014/0292830；2014/0293398；2014/0333685；2014/0340734；2015/0070744；2015/0097877；2015/0109283；2015/0213749；2015/0213765；2015/0221257；2015/0262255；2015/0262551；2016/0071465；2016/0078820；2016/0093253；2016/0140910；和2016/0180777。为了方便起见，这些专利和申请在下文中可以统称为“MEDEOD”(用于驱动电光显示器的方法)申请，并且通过引用将其全部并入本文。
EPD系统表现出某些特性，在设计用于此类系统的抖动算法时必须考虑这些特性。像素间伪影是此类系统的常见特征。一种类型的伪影是由所谓的“晕染”引起的，在单色和彩色系统二者中，有由像素电极生成的电场影响比像素电极本身更宽的电光介质区域的趋势，使得实际上一个像素的光学状态扩散到相邻像素的部分区域中。当在像素之间不同于任一像素本身所达到的区域中驱动相邻像素带来最终光学状态时会经历另一种串扰，该最终光学状态由在像素间区域经历的平均电场引起。在单色系统中也会经历类似的效应，但由于此类系统在颜色空间中是一维的，因此像素间区域通常显示介于两个相邻像素的状态之间的灰度状态，并且此类中间灰度状态不会显著影响该区域的平均反射率，或者可以轻松地将其建模为有效的晕染。然而，在彩色显示器中，像素间区域可以显示任一相邻像素中不存在的颜色。
彩色显示器中的前述问题对于通过空间抖动原色预测的色域和颜色的线性度具有严重影响。考虑使用EPD显示器主调色板中饱和红色和黄色的空间抖动图案来尝试创建所需的橙色。在没有串扰的情况下，通过使用线性加色混合定律，可以在远场中完美地预测创建橙色所需的组合。由于红色和黄色位于色域边界上，因此该预测的橙色也应该位于色域边界上。然而，如果前面提到的效应在相邻的红色和黄色像素之间的像素间区域中产生(比如说)蓝色带，则所得的颜色将比预测的橙色更加中性。这导致色域边界出现“凹痕”，或者更准确地，因为边界实际上是三维的，是扇贝形。因此，单纯的抖动方法不仅无法准确地预测所需的抖动，但在该情况下，它还可尝试产生不可用的颜色，因为它在可实现的色域之外。
人们可能希望能够通过对图案的广泛测量或高级建模来预测可实现的色域。如果设备原色的数量很大，或者如果串扰误差与将像素量化为原色引入的误差相比很大，则这可能不可行。本发明提供了一种抖动方法，其结合了晕染/串扰误差的模型，使得显示器上实现的颜色更接近于预测的颜色。此外，该方法在所需颜色落在可实现色域之外的情况下稳定了误差扩散，因为当抖动到原色凸包之外的颜色时，通常误差扩散将产生无界误差。
在一些实施例中，可以使用附图的图1中所示的误差扩散模型来执行图像的再现。图1中所示的方法开始于输入102，其中颜色值xi,j被馈送到处理器104，其中它们被添加到误差滤波器106的输出以产生修改的输入ui,j，下文中可将其称为“误差修改的输入颜色”或“EMIC”。修改的输入ui,j被馈送到量化器108。
在一些实施例中，利用基于模型的误差扩散的过程可能变得不稳定，因为假设输入图像位于原色(即色域)的(理论)凸包中，但实际可实现的色域是由于点重叠而导致色域损失，因此可能会更小。因此，误差扩散算法可能试图实现实际上无法实现的颜色，并且误差随着每次连续的“校正”而继续增长。已有建议通过限幅或以其它方式限制误差来解决此问题，但这会导致其它误差。
在实践中，一种解决方案是在执行源图像的色域映射时对可实现的色域进行更好的非凸估计，使得误差扩散算法始终可实现其目标颜色。可以从模型本身来近似这一点，或者凭经验确定它。在一些实施例中，量化器108检查原色以了解选择每个原色对误差的影响，并且如果选择的话，量化器选择具有最小(通过某种度量)误差的原色。然而，馈送到量化器108的原色不是系统的自然原色{Pk}，而是调节的原色集合{P～ k}，其允许至少一些相邻像素的颜色，以及它们对通过晕染或其它像素间交互而被量化的像素的影响。
上述方法的一个实施例可以使用标准Floyd-Steinberg误差滤波器并且以光栅顺序处理像素。按照惯例，假设显示器是从上到下和从左到右处理的，则使用被考虑的像素的上面和左侧的主要邻居来计算晕染或其它像素间效应是合乎逻辑的，因为这些两个相邻像素已经确定。以该方式，由相邻像素引起的所有建模误差都被考虑在内，因为当访问这些邻居时，考虑了右侧和下面邻居串扰。如果模型仅考虑上面和左侧的邻居，则调节的原色集必须是这些邻居和所考虑的原色的状态的函数。最简单的方法是假设晕染模型是相加的，即由于左邻居引起的颜色偏移和由于上面邻居引起的颜色偏移是独立的并且是相加的。在该情况下，只需要确定“N选2”(等于N*(N-1)/2)个模型参数(颜色偏移)。对于N＝64或更少，可以通过从测量中减去理想混合定律值，从所有这些可能的原色对的棋盘图案的色度测量中估计这些。
举一个具体的示例，考虑具有32个原色的显示器的情况。如果仅考虑上面和左侧的邻居，则对于32个原色，给定像素有496个可能的相邻原色集。由于模型是线性的，因此只需存储这496个颜色偏移，因为可以在运行时期间产生两个邻居的相加效应，而无需太多开销。因此，例如，如果未调节的原色集包括(P1...P32)，并且当前的上面、左侧邻居是P4和P7，即修改的原色(P～ 1…P～ 32)，则馈送到量化器的调节的原色由下式给出：
P～ 1＝P1+dP(1,4)+dP(1,7)；
.......
P～ 32＝P32+dP(32,4)+dP(32,7),
其中dP(i,j)是颜色偏移表中凭经验确定的值。
当然可以使用更复杂的像素间交互模型，例如非线性模型、考虑角(对角线)邻居的模型或使用非因果邻域的模型，其中每个像素处的颜色偏移随着更多的像素邻居已知而更新。
量化器108将调节的输入u’i,j与调节的原色{P～ k}进行比较，并将最合适的原色yi,k输出到输出。可以使用“选择适当的原色”的任何适当的方法，例如线性RGB空间中的最小欧几里德距离量化器；与某些替代方法相比，这具有需要更少计算能力的优点。
来自量化器108的yi,k输出值不仅可以被馈送到输出，还可以被馈送到邻域缓冲器110，它们被存储在邻域缓冲器110中以用于为稍后处理的像素生成调节的原色。修改的输入ui,j值和输出yi,j值都被提供给处理器112，该处理器112计算：
ei,j＝ui,j-yi,j
并且以与上面参考图1描述的相同的方式将该误差信号传递到误差滤波器106。
然而，实际上，基于误差扩散的方法对于某些应用来说可能很慢，因为它们不容易并行化。在前一像素的输出可用之前，下一像素的输出无法完成。可替代地，可以采用基于掩码的方法，因为它们很简单，其中每个像素处的输出仅取决于该像素的输入和查找表(LUT)中的值，这意味着每个输出可以完全独立于其它输出进行计算。
现在参考图2，其中示出示例性黑白抖动方法。如图所示，通过在每个输出位置处比较对应的输入暗度和抖动阈值，对归一化暗度值在0(白色)和1(黑色)之间的输入灰度图像进行抖动。例如，如果输入图像的暗度u(x)高于抖动阈值T(x)，则输出位置被标记为黑色(即1)，否则被标记为白色(即0)。图3示出根据本文公开的主题的一些掩模设计。
实际上，当实践多色抖动时，假设抖动算法的输入颜色可以表示为多原色的线性组合。这可以通过使用色域角在源空间中抖动或通过将输入的色域映射到设备空间色域来实现。图4示出一种使用一组权重Px创建颜色分离的方法。其中每种颜色C定义为
0≤αi≤1,∑αi＝1
其中这些权重的部分之和被称为分离累积Λk(C)，其中
实际上，对多种颜色的抖动在于将颜色的相对累积量与抖动函数(例如，图5的阈值阵列T(x))相交。现在参考图5，这里作为示例示出用4种不同颜色的墨水C1、C2、C3和C4进行打印的方法。在输出像素图的每个像素处，颜色分离给出了每种基本颜色的相对百分比，例如颜色C1的d1、颜色C2的d2、颜色C3的d3，以及颜色C4的d4。其中一种颜色(例如C4)可以是白色。
如图5中所示，将抖动扩展到多种颜色在于将颜色Λ1(x)＝d1、Λ2(x)＝d1+d2、Λ3(x)＝d1+d2+d3以及Λ4(x)＝d1+d2+d3+d4的相对累积量与阈值阵列T(x)相交。图5中示出了用于解释本文提出的主题的抖动示例。在Λ1(x)>T(x)的区间内，输出位置或像素区域将用基本颜色C1打印；在Λ2(x)>T(x)的区间内，输出位置或像素区域将显示颜色C2；在Λ3(x)>T(x)的区间内，输出位置或像素区域将显示颜色C3；并且在Λ4(x)>T(x)且Λ3(x)≤T(x)的剩余区间内，输出位置或像素区域将显示颜色C4。因此，本文提出的多色抖动将颜色C1、C2、C3和C4的d1、d2、d3、d4的相对量转换为相对覆盖百分比，并通过构造确保贡献颜色被并排打印。
在一些实施例中，根据本文公开的主题可以利用如图6所示的多色渲染算法。如图所示，图像数据imi,j可以首先被馈送通过锐化滤波器702，这在一些实施例中可以是可选的。当阈值阵列T(x)或滤波器不如误差扩散系统锐化时，该锐化滤波器702在一些情况下可能是有用的。该锐化滤波器702可以是简单的FIR滤波器，例如3×3，其可以容易地计算。随后，可以使用图2-5中所示的方法来映射颜色数据并且可以生成颜色分离，并且该颜色数据可以用于索引CSC_LUT查找表，其每个索引可以具有N个条目，从而以基于掩码的抖动步骤直接需要的形式给出所需的分离信息。在一些实施例中，可以通过组合所需的颜色增强和/或色域映射以及所选择的分离算法来构建该CSC_LUT查找表。最后，将分离累积数据与阈值阵列710一起使用以生成输出yi,j以生成多种颜色。图7-10中所示的是使用各种掩模设计的抖动结果。
在一些实施例中，可以优化所使用的特定阈值阵列T(x)或掩模以最小化所谓的晕染效应。晕染是指在电泳显示器中使用抖动时，每个像素处的输出可能溢出或交叉到相邻像素并影响其光学状态。这类似于印刷系统中的“网点增大”。在一些情况下，晕染效应可导致抖动图案的平均颜色与通过对线性颜色空间中的图案中的颜色进行平均而预测的所需颜色显著不同。特别是，所得的颜色通常会更差，这意味着显示器上可以实现的整体颜色色域远小于理想的色域体积。
实际上，对于相同数量的物理晕染，采用更高分辨率的背板(更小的像素)，问题可能更严重，因为每单位面积的总边缘长度更大。缓解该问题的一种方法是将输出中的像素加倍，使得有效分辨率降低。在极端情况下，甚至可以使用更大的分组(即超级像素)，直到边缘伪影区域占总区域的比例如此之低，以至于可以恢复理想的色域。这可以通过首先将源图像下采样到显示分辨率的一半，应用标称渲染系统，并且然后通过复制到显示分辨率来上采样来实现。
可替代地，该问题可以通过抖动算法本身来解决。在一些实施例中，如果允许像素在具有低细节的平滑区域中加倍，但在具有精细细节的区域中不加倍，则这种与分辨率的权衡将不那么严重。这可以使用基于掩模的抖动系统通过对掩模中的阈值进行聚类(而不是对输出像素进行聚类)来实现。例如，如果在阈值簇中间发生急剧的输入图像转变，它将反映在输出中，因为急剧变化的一部分将低于阈值，一部分将高于阈值。特别是，双层文本将始终直接穿过掩模不变，不会丢失细节。
在实践中，可以通过多种方式实现具有减轻晕染聚类的掩模。一种方法是采用未聚类的分散点或蓝噪声掩模(其在像素的直线图块上定义)，并制作一个两倍大的新掩模，其中每个阈值元素被复制到2×2像素区域中。此外，该方法可以扩展到任何M×N可能的矩形复制大小。可替代地，由于人类视觉系统对水平和垂直空间频率具有很强的灵敏度，因此使用除矩形之外的其它周期性图块来制作簇可能是有利的。例如，相同的总共5个像素的阈值簇可以用于以大约26.6度(arc tan(1/2))的角度的空间频率来平铺掩模。
对于可应用本发明的彩色显示系统的进一步细节，读者可参阅上述EPD专利(其也给出了电泳显示器的详细讨论)以及以下专利和出版物：美国专利号6,017,584；6,545,797；6,664,944；6,788,452；6,864,875；6,914,714；6,972,893；7,038,656；7,038,670；7,046,228；7,052,571；7,075,502；7,167,155；7,385,751；7,492,505；7,667,684；7,684,108；7,791,789；7,800,813；7,821,702；7,839,564；7,910,175；7,952,790；7,956,841；7,982,941；8,040,594；8,054,526；8,098,418；8,159,636；8,213,076；8,363,299；8,422,116；8,441,714；8,441,716；8,466,852；8,503,063；8,576,470；8,576,475；8,593,721；8,605,354；8,649,084；8,670,174；8,704,756；8,717,664；8,786,935；8,797,634；8,810,899；8,830,559；8,873,129；8,902,153；8,902,491；8,917,439；8,964,282；9,013,783；9,116,412；9,146,439；9,164,207；9,170,467；9,182,646；9,195,111；9,199,441；9,268,191；9,285,649；9,293,511；9,341,916；9,360,733；9,361,836；和9,423,666；以及美国专利申请公开号2008/0043318；2008/0048970；2009/0225398；2010/0156780；2011/0043543；2012/0326957；2013/0242378；2013/0278995；2014/0055840；2014/0078576；2014/0340736；2014/0362213；2015/0103394；2015/0118390；2015/0124345；2015/0198858；2015/0234250；2015/0268531；2015/0301246；2016/0011484；2016/0026062；2016/0048054；2016/0116816；2016/0116818；和2016/0140909。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明的具体实施例进行多种改变和修改。因此，整个前面的描述应被解释为说明性的而非限制性的。

Claims (13)

1.一种用于驱动在阵列中具有多个显示像素的彩色电泳显示器的方法，每个显示像素能够显示至少三种原色，所述方法包括：
接收输入图像；
处理所述输入图像以定义每个像素处的分离累积；
定义分离累积阈值阵列，其中，所述阵列的每个成员至少为两个像素乘两个像素的大小，并且包括针对所述三种原色中的每一种原色的不同的分离累积阈值；以及
向每个像素发送指令以显示与被该像素处的所述分离累积所超过的第一分离累积阈值相对应的所述原色。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个像素(i,j)处的所述原色由如下确定：y(i,j)＝Pk，其中Λk(i,j)>T(i,j)但Λk-1(i,j)≤T(i,j)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分离累积阈值阵列包含蓝噪声掩模(BNM)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理所述输入图像的步骤通过查找表来实现。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在处理所述输入图像之前使所述输入图像通过锐化滤波器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述锐化滤波器是有限脉冲响应(FIR)滤波器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述输入图像以定义分离累积的所述步骤包括使用重心坐标方法。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述原色是青色、黄色、品红色和黑色。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述原色是红色、绿色、蓝色和白色。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述原色是白色、红色、绿色、蓝色、青色、黄色、品红色和黑色。
11.一种电泳显示器，其被配置为执行根据权利要求1所述的方法。
12.根据权利要求11所述的电泳显示器，其中，所述电泳材料包括设置在流体中并且能够在电场的影响下移动通过所述流体的多个带电粒子。
13.根据权利要求12所述的电泳显示器，其中，所述带电粒子和所述流体被限制在多个囊或微单元内。
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