液晶拖影學(xué)習(xí)總結(jié)

1、全面解析液晶顯示器的抗拖影技術(shù)隨著BenQ第二代疾彩引擎(AMA Z)的發(fā)布，“插黑”等液晶顯示抗拖影技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注(前期報道請參考本刊7月上的技術(shù)廣角：專家講堂欄目)。在顯示高速運(yùn)動物體的動態(tài)圖像時，運(yùn)動物體的拖影或殘影現(xiàn)象所造成的運(yùn)動模糊(Motion Blur)，一直是液晶顯示技術(shù)中一個比較突出的問題。 與傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)顯示技術(shù)相比，液晶顯示器(LCD)在顯示基本沒有變化的靜態(tài)圖像時，其所具有的無閃爍等優(yōu)點是顯而易見的，但在顯示高速變化的動態(tài)圖像時則會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的拖影問題。這使得液晶顯示技術(shù)在數(shù)字電視、視頻播放及游戲等方面的應(yīng)用受到了很大的局限，而如何利用各種抗運(yùn)

2、動拖影技術(shù)消除拖影現(xiàn)象，獲得更為完美、流暢的動態(tài)圖像顯示效果，成為新一代液晶顯示技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。 原因分析：液晶顯示器拖影現(xiàn)象的成因事實上，人們對于液晶顯示抗拖影技術(shù)的研究已經(jīng)持續(xù)了相當(dāng)長的一段時間。過去人們曾寄希望于通過提高響應(yīng)速度來消除或減少運(yùn)動拖影現(xiàn)象，于是各種提高響應(yīng)速度的技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來?，F(xiàn)在液晶顯示器的響應(yīng)速度已經(jīng)有了明顯的改善，但人們發(fā)現(xiàn)單純依靠這種方法雖然能夠降低拖影的嚴(yán)重程度，卻不能直接改善運(yùn)動圖像的顯示質(zhì)量，而且并不能徹底消除液晶顯示器/電視機(jī)在顯示動態(tài)圖像時的拖影。實驗表明液晶顯示器的運(yùn)動拖影既有顯示器本身固有顯示機(jī)制的因素，又和人眼的視覺特性有著莫大的關(guān)

3、聯(lián)。換句話說，液晶顯示器的運(yùn)動拖影問題實際上是由液晶顯示器的顯示特性與人眼的視覺特性聯(lián)合作用所產(chǎn)生的一種結(jié)果?？梢韵胂螅?dāng)你在聚精會神地欣賞體育類節(jié)目時，如果屏幕出現(xiàn)拖影會是何等掃興的一件事。 1人類視覺系統(tǒng)的視覺暫留特性我們的視覺系統(tǒng)具有十分復(fù)雜的感知特性，而視覺惰性就是其中非常重要的特性之一。也就是說，視覺系統(tǒng)所感知的主觀亮度總是滯后于作用到人眼的光信號。如圖2所示，當(dāng)外部光信號作用于人眼時，視覺系統(tǒng)并不能立即產(chǎn)生相應(yīng)的亮度感覺，而是需要經(jīng)歷一個逐漸由小到大、最終達(dá)到穩(wěn)定的亮度感覺過程。人眼的結(jié)構(gòu)與視覺惰性曲線 同樣，當(dāng)作用到人眼的光信號消失后，視覺系統(tǒng)原有的主觀亮度感覺也不會立即消失，而

4、是有一個逐漸衰減、直至最后消失的延遲過程(圖2中的t1t2)，這種現(xiàn)象就叫做視覺暫留特性(有時也叫做視覺殘留特性)，人類視覺系統(tǒng)的平均視覺暫留時間大約在0.1秒左右，而且會因刺激光線的顏色不同持續(xù)時間略有差異。當(dāng)人眼受到亮度周期性變化的光脈沖信號作用時，若信號變化的頻率較低(光信號作用的間歇時間大于人眼的視覺暫留時間)就會使人會產(chǎn)生閃爍感；反之，頻率足夠高的光脈沖信號，作用間歇時間小于人眼的視覺暫留時間，人眼就會認(rèn)為看到的是連續(xù)的、無閃爍的信號。不會使人眼產(chǎn)生閃爍感的最低頻率就稱為臨界閃爍頻率，現(xiàn)在業(yè)界認(rèn)為臨界閃爍頻率一般在20Hz左右；但實際應(yīng)用中要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個數(shù)值，如電影格式為24幀/s(

5、換算成頻率就是24Hz)，我國使用的PAL制式電視廣播25幀/s，國外的NTSC制式多為30幀/s，LCD顯示器的幀率60Hz，而CRT高達(dá)85Hz。理論上講，只要動態(tài)圖像顯示的頻率(幀率)高于這個數(shù)值(20幀/s)，人眼感覺到的就應(yīng)該是連續(xù)的、穩(wěn)定的圖像，但為什么我們?nèi)匀粫谝壕э@示器上看到明顯的拖影呢？這是因為“拖影”很大程度上還取決于人的主觀感覺，只有讓各種顯示設(shè)備盡可能地符合我們的視覺特性，才能最終獲得自然、舒暢的視覺效果。2液晶顯示的原理及其視覺暫留特性液晶顯示技術(shù)與CRT顯示技術(shù)在發(fā)光和顯示機(jī)制方面有著明顯的區(qū)別。CRT顯示的原理是通過加熱顯像管的陰極來發(fā)射電子束，經(jīng)過加速電場和偏

6、轉(zhuǎn)磁場后撞擊熒光屏的一個熒光像素點，使其被激發(fā)而釋放出光子。CRT的掃描電路就這樣控制電子束在熒光屏上不斷地高速掃描，只要掃描速度足夠快，就可以利用人眼的視覺暫留特性呈現(xiàn)出完整的圖像。CRT顯示器的結(jié)構(gòu) 熒光屏上的每個像素點都只在被電子束撞擊的瞬間發(fā)光，撞擊結(jié)束后其發(fā)光強(qiáng)度會迅速衰減，這就是CRT顯示所具有的脈沖型(Impulse Type)驅(qū)動和光輸出機(jī)制(參見后文中的圖5)。這種脈沖型驅(qū)動和光輸出機(jī)制所帶來的不利影響是容易導(dǎo)致視覺上的閃爍感，為了減小閃爍就只有盡可能地提高掃描頻率，例如現(xiàn)在CRT顯示器公認(rèn)的無閃爍頻率是85Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20Hz的臨界頻率。但是在顯示含有運(yùn)動場景的動態(tài)圖像時

7、，這種脈沖型驅(qū)動和光輸出機(jī)制則具有明顯的優(yōu)點，它能非常及時地響應(yīng)驅(qū)動信號，實現(xiàn)實時、快速的圖像顯示刷新，從而獲得令人滿意的動態(tài)圖像顯示效果。與CRT顯示相比，液晶顯示則是通過像素矩陣進(jìn)行光輸出切換來顯示圖像的，不同于CRT那種掃描成像的方式，液晶顯示不會產(chǎn)生閃爍感；其次，液晶顯示器的像素點不具備主動發(fā)光的能力，需要由背光系統(tǒng)提供高效、均勻的光源透射實現(xiàn)光輸出。LCD顯示器的顯示原理 在外加驅(qū)動電壓的作用下，液晶分子會發(fā)生扭轉(zhuǎn)而變成有序排列此時光線可以順利通過，停止加電后液晶分子重新復(fù)原為其固有的無序排列狀態(tài)這樣又能阻止光線通過。在實際應(yīng)用中，液晶顯示面板包含有兩個偏振方向互相垂直的偏振濾光片，

8、液晶材料就夾在這兩個偏振濾光片之間，與這兩個偏振濾光片一起控制光輸出的通路。由于液晶分子扭轉(zhuǎn)、復(fù)原過程都需要一定的時間，當(dāng)控制電路收到“變成最亮”的驅(qū)動信號后，并不能立刻產(chǎn)生相應(yīng)的高亮度(白)，而是需要經(jīng)過一個逐漸提升直至穩(wěn)定亮度的過程，這一過程所需的時間Tr稱為上升時間(Rising Time)；同樣，當(dāng)控制電路收到“變成最暗”的命令后，也不會立刻轉(zhuǎn)變成低亮度(黑)，這也需要經(jīng)過一個逐漸下降直至無亮度的過程，所需的時間Tf稱為下降時間(Falling Time)。上升時間與下降時間之和稱為黑白響應(yīng)時間(Response Time)，用來表示液晶面板對于驅(qū)動信號的響應(yīng)速度；另外，現(xiàn)在還有一種表

9、示響應(yīng)速度的方式灰階響應(yīng)時間(Grey To Grey，GTG)，它表示的是從任一灰階(度)變換到目標(biāo)灰階所需要的時間，如果液晶面板使用了過驅(qū)動技術(shù)(Over Drive)，通常就會使用灰階來表示它的響應(yīng)速度。CRT顯示器與LCD顯示器光輸出特性的對比 從上面的過程中，我 們可以發(fā)現(xiàn)液晶顯示技術(shù)的成像原理依賴于液晶分子在驅(qū)動信號作用下的扭轉(zhuǎn)、復(fù)原過程，而這兩個過程都需要較長的響應(yīng)時間，從而導(dǎo)致像素的亮度改變總是明顯滯后于驅(qū)動信號的變化；另一方面，液晶顯示器的驅(qū)動方式也使得屏幕在較長時間內(nèi)維持一幀畫面的顯示狀態(tài)，直到加載了下一幀畫面時屏幕上的內(nèi)容才稍有變化，這種長時間不改變的情況，加重了人眼視覺

10、暫留的效果。液晶顯示器這種“Hold Type(保持型)”的驅(qū)動和光輸出模式，正是導(dǎo)致嚴(yán)重拖影的原因。3對癥下藥，如何來解決運(yùn)動圖像拖影的問題？液晶顯示技術(shù)特有的延遲和保持特性，導(dǎo)致了光輸出(顯示畫面)在一定時間內(nèi)持續(xù)作用于具有暫留特性的視覺系統(tǒng)，加之人在觀看運(yùn)動圖像時眼睛會不由自主地跟隨畫面中的運(yùn)動目標(biāo)，從而明顯延長了主觀畫面在腦海中存在的時間。也就是說，當(dāng)原來的一幀畫面尚在視覺系統(tǒng)中“揮之不去”時，后面的各幀畫面就“接踵而至”，最終這些主觀畫面相互疊加，就會使人感覺到嚴(yán)重的拖影現(xiàn)象。拖影現(xiàn)象的成因：圖中帶箭頭的虛線表示運(yùn)動物體的軌跡，A點為第N幀畫面時運(yùn)動物體所在的位置，B點為第N1幀畫面

11、時物體所在的位置；由于視覺暫留特性，兩幀同時存在于觀看者視覺系統(tǒng)中的主觀畫面相疊加，就形成了帶有拖影的主觀圖像 由此看來，導(dǎo)致拖影現(xiàn)象的主要因素有以下三個方面：液晶顯示器的響應(yīng)速度、顯示器的保持特性及人類視覺的暫留特性。因此，解決拖影問題的辦法也要從這三個方面下手。例如使用過驅(qū)動技術(shù)降低液晶顯示器的響應(yīng)時間，使用脈沖驅(qū)動方式或者提高視頻圖像的幀頻來改變顯示器的保持特性，最后就是使用特殊的視頻信號處理技術(shù)來適應(yīng)人的視覺暫留特性。與拖影過招之一:響應(yīng)時間應(yīng)該功成身退?相關(guān)的實驗和研究表明：在響應(yīng)速度較慢時，拖影的嚴(yán)重程度主要取決于液晶驅(qū)動電路的響應(yīng)速度；而當(dāng)液晶顯示器的響應(yīng)速度提升到較高的水平后，

12、所出現(xiàn)的拖影則主要取決于液晶顯示器的保持特性。從這個意義上說，降低響應(yīng)時間的方法雖然能夠在一定程度上減輕拖影現(xiàn)象，但并不能完全消除拖影，其效果不夠理想的根本原因是受到液晶顯示器固有的保持型電光轉(zhuǎn)換機(jī)制的限制。在響應(yīng)時間上，CRT顯示器具有壓倒性的優(yōu)勢 實際上，即使是目前響應(yīng)時間最短的液晶顯示設(shè)備，其響應(yīng)時間也只能降低到毫秒(1ms=10-3s)的數(shù)量級，而CRT顯示器的響應(yīng)時間一般只有微秒(1s=10-6s)數(shù)量級，二者相差實在太大。顯然，單純依靠提高響應(yīng)速度的方法，很難使液晶顯示器的拖影現(xiàn)象降低到CRT顯示器的那個水平。一味地走響應(yīng)時間這條路最后通向了一個“死胡同”。與拖影過招之二:脈沖式顯

13、示技術(shù)發(fā)威既然在響應(yīng)時間上行不通，那有沒有別的方法來解決拖影問題呢？人們首先想到了CRT顯示器的脈沖式顯示模式，能不能把它借鑒到液晶顯示器上面？1全黑幀插入抗拖影技術(shù)的實現(xiàn)插黑技術(shù)的實現(xiàn)原理 全黑幀插入技術(shù)(Black Frame Insertion)有很多種說法，如全黑數(shù)據(jù)插入技術(shù)(Black Data Insertion)，又或者是插黑技術(shù)(Black Insertion)；但它們實際上說的是一回事情，就是在原有視頻圖像的基礎(chǔ)上，每兩幀畫面之間插入一個全黑的中間幀，并使幀頻率增加一倍(圖8)。插黑技術(shù)的最大特點在于非常容易實現(xiàn)，而且相對而言成本較低，它只需要在顯示器的驅(qū)動電路中增加相應(yīng)的插

14、黑處理電路，而不必改變現(xiàn)有液晶顯示以及背光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。事實上，插黑技術(shù)很早之前就被提出來了，但當(dāng)時并沒有被推廣開來。其主要原因是如果采用了插黑技術(shù)，人眼觀察到的動態(tài)圖像實際上有大約一半的時間是全黑畫面，若亮度和響應(yīng)速度太低，很容易造成主觀感覺上亮度的明顯下降及閃爍感等問題。BenQ的FP241W Z是第一臺實現(xiàn)量產(chǎn)的插黑機(jī)型 因此，高響應(yīng)速度和高亮度是應(yīng)用插黑技術(shù)的兩個前提，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前液晶產(chǎn)品的響應(yīng)速度和亮度已足以滿足插黑技術(shù)的應(yīng)用條件。例如BenQ最近發(fā)布的第二代疾彩技術(shù)，實際上就是由插黑技術(shù)和“高級運(yùn)動加速器”(Advanced MotionAccelerator，AMA)技

15、術(shù)共同組成的，AMA是BenQ所采用的一種提升液晶顯示響應(yīng)速度的技術(shù)，正是在提高響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，才得以使用插黑技術(shù)來降低運(yùn)動拖影現(xiàn)象。2脈沖式背光抗拖影技術(shù)的實現(xiàn)如果說插黑技術(shù)是從液晶面板上動手腳，那么脈沖式背光技術(shù)(Impulse Backlight)則是拿背光光源開刀，按照實現(xiàn)原理的不同，現(xiàn)階段的脈沖式背光技術(shù)分為背光閃爍技術(shù)(Flashing Backlight)和背光掃描技術(shù)(Scanning Backlight，又被稱為Scrolling Backlight)。背光閃爍技術(shù)就是使液晶面板的背光燈在每個幀周期內(nèi)閃爍(亮-滅)一次，即原來每幀圖像的顯示周期都被分成兩個時間段在第一個時間

16、段內(nèi)背光燈被打開、正常顯示圖像幀，第二個時間段內(nèi)則關(guān)閉背光燈、出現(xiàn)全黑屏幕(實際上這時液晶層仍然有圖像在顯示，但是沒有背光通過所以表現(xiàn)為全黑)。從視覺效果上來看，背光閃爍技術(shù)與前面介紹的插黑技術(shù)有著異曲同工之妙：插黑技術(shù)是通過周期性地顯示全黑圖像幀來降低運(yùn)動拖影，而脈沖式背光技術(shù)則是讓背光系統(tǒng)產(chǎn)生周期性的閃爍，同樣實現(xiàn)了周期性的插黑效果。背光閃爍技術(shù)的原理非常簡單，但是這是以足夠高的液晶響應(yīng)速度和亮度為基礎(chǔ)的，為了避免閃爍感以及主觀亮度過低的問題，必須保證背光的閃爍驅(qū)動與液晶顯示的數(shù)據(jù)寫入驅(qū)動能夠完全同步。此外，背光閃爍技術(shù)要求背光源一直處于閃爍狀態(tài)，從控制的方便性以及使用壽命方面考慮，這項技

17、術(shù)更適合采用LED(發(fā)光二極管)為背光源的液晶顯示面板。背光掃描技術(shù)的實現(xiàn)原理 背光掃描技術(shù)與背光閃爍技術(shù)的基本思路是相仿的，但背光掃描技術(shù)的具體實現(xiàn)方法是在液晶顯示的背光系統(tǒng)中增加了燈管的數(shù)量，全部燈管并不是同時開關(guān)閃爍，而是從上向下依次輪流發(fā)光和熄滅，如圖11所示。顯然，背光掃描技術(shù)的工作模式更接近于CRT顯示器的掃描方式。背光掃描技術(shù)要比背光閃爍更復(fù)雜一些，增加燈管的數(shù)量就意味著必須改變背光模塊的結(jié)構(gòu)，此外還必須確保液晶面板的數(shù)據(jù)寫入驅(qū)動與背光閃爍掃描驅(qū)動之間更嚴(yán)格的時序同步，這就需要增加更為復(fù)雜的同步處理電路，因此其實現(xiàn)成本相對也就會高一些。背光掃描技術(shù)的同步處理系統(tǒng)：時序控制器T-C

18、on(Timing Controller)是這個系統(tǒng)中的核心部件，它以輸入視頻信號中的同步信號為基準(zhǔn)，生成液晶面板的源驅(qū)動器、柵驅(qū)動器以及背光驅(qū)動器所需的同步控制脈沖，這些脈沖信號要十分準(zhǔn)確地控制柵驅(qū)動器、源驅(qū)動器以及背光驅(qū)動器之間在時間順序上的同步操作 與背光閃爍技術(shù)類似，背光掃描技術(shù)也面臨著燈管使用壽命的挑戰(zhàn)，因此背光掃描技術(shù)更多意義上只有等LED背光技術(shù)普及之后才能進(jìn)入大規(guī)模的推廣。對于現(xiàn)在的冷陰極燈管技術(shù)來說，背光閃爍或者背光掃描無疑是一場夢魘。與拖影過招之三：舊瓶裝新酒，幀插補(bǔ)倍頻技術(shù)想單挑大梁與插黑技術(shù)相似，幀插補(bǔ)倍頻技術(shù)(Frame Interpolation and Doubl

19、ing Frequency)也是在原有視頻圖像的基礎(chǔ)上，每兩幀畫面之間插入一個中間幀；換句話說就是將原來的幀率提高一倍，60Hz120Hz。所不同的是，插入幀并不是全黑的圖像，而是介于兩幀畫面之間的“過渡圖像”，這樣每幀畫面的持續(xù)時間縮短為以前的二分之一，便可以有效降低每幀畫面對人視覺系統(tǒng)的持續(xù)作用時間，從而減少拖影，提供更流暢的運(yùn)動圖像。與插黑技術(shù)相比，幀插補(bǔ)倍頻技術(shù)要通過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動估算機(jī)制和各種處理電路生成所需插補(bǔ)中間幀的圖像數(shù)據(jù)，并且還要進(jìn)行圖像信號的倍頻化處理等工作，所以從實現(xiàn)原理上來講要比插黑技術(shù)復(fù)雜得多。但幀插補(bǔ)倍頻技術(shù)卻不會像插黑那樣容易造成閃爍感，以及主觀亮度上的明顯下降，所以

20、現(xiàn)在多用在一些高端的液晶電視機(jī)產(chǎn)品中。Philips的Enhanced TV應(yīng)用了幀插補(bǔ)倍頻技術(shù) 表面上看起來幀插補(bǔ)倍頻技術(shù)似乎只是將液晶顯示的速度加倍而已，但其實里面包含了兩方面的含義：其一、在顯示器方面減少每一幀畫面對眼睛的作用時間；其二、從人的生理特征上改善主觀畫面對拖影的影響。與拖影過招之四：另辟蹊徑，神奇的運(yùn)動補(bǔ)償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)如果給前面介紹的幾種抗拖影技術(shù)加上一個形容詞，“中規(guī)中矩”肯定比較合適。下面介紹的這種技術(shù)，就顯得比較另類了，它就是運(yùn)動補(bǔ)償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)(Motion Compensated Inverse Filtering，MCIF)。從實現(xiàn)原理上來說，運(yùn)動補(bǔ)償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)

21、與其它幾種技術(shù)有著明顯的不同，它沒有采用仿脈沖驅(qū)動或者仿掃描顯示的模式，而是通過對圖像信息頻域中常用的空間頻譜進(jìn)行分析與處理來解決拖影問題。需要大家注意的是，一般意義上的頻率是指時間頻率，用來度量信號隨時間周期性變化的特性，而空間頻率則用來描述圖像中光分布隨空間位置周期性變化的特性，空間頻譜分析和處理技術(shù)就是對構(gòu)成圖像信號的各種空間頻率成分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，從而實現(xiàn)對圖像信息的處理。從空間頻譜分析的角度來看，液晶顯示設(shè)備與我們的視覺系統(tǒng)共同組成了一種與空間位置變化有關(guān)的濾波系統(tǒng)，也就是一種空間濾波系統(tǒng)。拖影所導(dǎo)致的運(yùn)動模糊現(xiàn)象實際上就是這種空間濾波系統(tǒng)對圖像信號產(chǎn)生的一種與運(yùn)動相關(guān)的低通濾波效應(yīng)(Low-pass Filtering Effect)，即觀看者只感知到了圖像中空間頻率較低的信息成份(運(yùn)動物體的輪廓)，而空間頻率較高的信息(運(yùn)動細(xì)節(jié))則被過濾掉了，所以觀看者看到的只是模糊的運(yùn)動圖像。因此，要消減液晶顯示器的運(yùn)動拖影現(xiàn)象，可以利用某種有效的運(yùn)動圖像空間頻譜數(shù)據(jù)分析與處理算法，并增加相應(yīng)的反轉(zhuǎn)濾波裝置來抵消或校正上述的空間低通濾波效應(yīng)，從而實現(xiàn)對運(yùn)動圖像的補(bǔ)償，這就是運(yùn)動補(bǔ)償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)的基本原理。運(yùn)動補(bǔ)償反轉(zhuǎn)濾波電路的基本結(jié)構(gòu)：外部輸入的視頻信號首先被傳送到運(yùn)動估算單元中，通過對圖像中運(yùn)動矢量的檢測、分析和處理，獲得相應(yīng)的空間濾波系數(shù)等信息；在高空間頻