ＬＣＤ顯示器過驅(qū)動(dòng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)內(nèi)插技術(shù)的新進(jìn)展

1、    顯示器過驅(qū)動(dòng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)內(nèi)插技術(shù)的新進(jìn)展    顯示器過驅(qū)動(dòng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)內(nèi)插技術(shù)的新進(jìn)展    類別：消費(fèi)電子      摘要：介紹有關(guān)LCD顯示器驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最新進(jìn)展。關(guān)鍵詞：TFT-LCD；驅(qū)動(dòng)技術(shù)；過驅(qū)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)內(nèi)插中圖分類號(hào)：TN141文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BTheProgressoftheOverdriveTechniqueandMotionInterpolationforLCDDisplaysYINGGen-yu(

2、Dept.ofElectronicEngineeringofTsinghuaUniversity，Beijing100084,China)Abstract:IntroducethenewestprogressofdrivingtechniqueforLCDdisplays.Keywords:TFT-LCD；drivingtechnique；overdrive（OD）；motioninterpolation維持型顯示和響應(yīng)速度慢是LCD顯示器產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽像（motionartifacts）的原因?？刹捎眠^驅(qū)動(dòng)(OD,overdrive)技術(shù)解決LCD響應(yīng)速度慢的問題，過驅(qū)動(dòng)技術(shù)已能將液晶（LC）的

3、響應(yīng)時(shí)間降低到8ms或更短，但是如何正確選擇過驅(qū)動(dòng)電壓的大小仍是一個(gè)較大的技術(shù)問題。過分的OD將使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)邊緣產(chǎn)生亮、暗雙邊，即過驅(qū)動(dòng)中的邊緣偽像；不足的OD則使LC的響應(yīng)時(shí)間不夠短，引起運(yùn)動(dòng)圖像模糊。即使LC的響應(yīng)時(shí)間問題已完滿的解決了，LCD的維持型顯示特性和人眼對運(yùn)動(dòng)圖像的自動(dòng)跟蹤特性之間的差別仍會(huì)使LCD在顯示運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)產(chǎn)生一系列偽像。對于高分辨力大顯示屏，運(yùn)動(dòng)偽像問題會(huì)變得嚴(yán)重。因此出現(xiàn)了一系列正確選擇過驅(qū)動(dòng)電壓和降低維持時(shí)間（即積分時(shí)間），使LCD顯示更接近于瞬態(tài)型顯示的技術(shù)，以減輕運(yùn)動(dòng)偽像的生成。1優(yōu)化過驅(qū)動(dòng)查詢表過驅(qū)動(dòng)（OD）技術(shù)已廣泛用于LCDTV中，但仍缺乏有效和系統(tǒng)的方法

4、找出最佳的過驅(qū)動(dòng)查詢表（ODLUT，overdrivelook-uptable）。至今ODLUT仍依靠操作者凝視著屏，用手工調(diào)節(jié)來確定不同灰度等級(jí)之間變化所需的OD電壓，這樣做不但費(fèi)時(shí)（幾天至幾周），而且不能保證控制質(zhì)量。為此，臺(tái)灣RZD技術(shù)公司開發(fā)出一個(gè)按照LCD的運(yùn)動(dòng)圖像響應(yīng)時(shí)間（MPRT）找出最佳ODLUT的自動(dòng)系統(tǒng)，其測量系統(tǒng)顯示于圖1。全部特殊的瞬態(tài)光學(xué)信號(hào)被MPRT分析器和ODLUT優(yōu)化器進(jìn)行處理，計(jì)算出MPRT和灰階反應(yīng)時(shí)間(GLRT)后，估算出的ODLUT被加載到GLRT校正平臺(tái)（GVP，它能實(shí)時(shí)處理帶ODLUT的視頻數(shù)據(jù)），并將OD視頻數(shù)據(jù)送入LCD屏，幾次反復(fù)以后，系統(tǒng)將會(huì)

5、按MPRT規(guī)定的限制給出優(yōu)化的ODLUT。在這個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)中，以MPRT達(dá)到最佳作為ODLUT是否已被優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。為此，對MPRT定義兩個(gè)MPRT指數(shù)以表征動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量和估計(jì)雙邊緣效應(yīng)（參見圖2）。第一個(gè)指數(shù)是歸一化偽像邊緣寬度（NBEW,normalizedbluredgewidth），NBEW越小，則偽像越輕。用OD可以明顯地減小NBEW。但NBEW過小時(shí),OD引起的邊緣效應(yīng)明顯。引入的第二個(gè)指數(shù)是由邊緣效應(yīng)強(qiáng)度（SEI,side-effectintensity）閾值所確定的邊緣效應(yīng)寬度（SEW,side-effectwidth），用于表征邊緣效應(yīng)。如圖2所示，規(guī)定了上、下兩個(gè)SEI閾值。美

6、國VESA標(biāo)準(zhǔn)取110為上閾值，-10為下閾值。根據(jù)這兩個(gè)指數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地調(diào)整ODLUT，使NBEW更短，而限定SEW在閾值之內(nèi)。優(yōu)化過程是這樣進(jìn)行的：在開始處理時(shí)，先將初始的OD-LUT加載到GVP，LCD的動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量得到改善，測量MPRT，求得其兩個(gè)參數(shù)，按下列兩個(gè)方程進(jìn)行優(yōu)化:NBEWSEW這兩個(gè)方程規(guī)定了NBEW和SEW應(yīng)小于設(shè)計(jì)者規(guī)定的值。如上述方程得不到滿足，則程序會(huì)改變ODLUT值以使NBEW和SEW下降。由于人眼對SEW更敏感，規(guī)定方程（2）具有更高的優(yōu)先級(jí)別。經(jīng)過幾次優(yōu)化循環(huán)后，系統(tǒng)將給出最佳的ODUT。由于人眼在低亮度處能感受到更多的低亮度級(jí)別，如按VESA規(guī)定，都

7、按10設(shè)定閾值，則在低亮度處人眼會(huì)更敏感，所以應(yīng)按LCD的曲線來設(shè)定SEI上、下閾值，如圖3所示。即下閾值應(yīng)取更小一些。2只要測量一條灰度-灰度的上升和下降過渡曲線即可提取出過驅(qū)動(dòng)查詢表（ODLUT）有源矩陣LCD的CV特性曲線如圖4所示，用此圖可以解釋為什么有源矩陣LCD的亮度是臺(tái)階形變化的，并可由此CV圖求出正確的過驅(qū)動(dòng)電壓值。設(shè)起始階段LCD像素的電容與電壓各為C0、V0。在灰度-灰度（G-to-G）過渡的第一幀開始時(shí)，對LC施加電壓VT。在TFT不通后，LC分子在這一幀的剩下時(shí)間內(nèi)開始沿外加電場調(diào)整方向，電容變大，由于TFT不通，電荷量Q為常數(shù)，則必引起電壓下降，即有Q=C0VT=（C

8、0 C）(VT-V)。在第二幀開始時(shí)，電荷Q=C1VT，保持常數(shù)，并有C2V2=C1VT，如此等等。這些過程如圖4中短劃線所示。圖中虛線為等電荷線，每幀中電壓的變化是沿著等電荷線移動(dòng)的。由圖4可以求出過驅(qū)動(dòng)電壓VOD。所謂正確的過驅(qū)動(dòng)電壓是指在一幀時(shí)間內(nèi)使像素電容從C0變化到CT。在CV曲線上取VVT的點(diǎn)，有一條等電荷曲線通過該點(diǎn)；從C=C0作平行于橫軸的線，與該等電荷曲線相交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值即為VOD。但是對于TFT-LCD，CV曲線是無法直接測量的。我們可以利用C1=C0VT/V1關(guān)系式。式中VT是加在液晶上的外加電壓。測量第一幀末的亮度，并利用LCD的曲線（亮度-外加電壓曲線）可求得V1，由

9、此便可求得歸一化電容值C1/C0。若為上升過渡，C0是LCD像素的暗電容；若為下降過渡，C0是LCD像素的亮電容。由此可知，TFT-LCD的CV曲線是可以間接獲得的。即只要測量出TFT-LCD的CV曲線，即可求出VOD，而不需要采用常規(guī)的費(fèi)時(shí)的累試法，也不需要許多精密儀器。3采用運(yùn)動(dòng)內(nèi)插/幀率補(bǔ)償法改善運(yùn)動(dòng)圖像特性在LCDTV的屏幕尺寸越來越大時(shí)，運(yùn)動(dòng)偽像會(huì)顯得更加嚴(yán)重，使維持時(shí)間下降可以改善運(yùn)動(dòng)偽像。過去采用背光源掃描或插入黑幀/灰?guī)詼p小維持時(shí)間，但這類脈沖驅(qū)動(dòng)方法的缺點(diǎn)是造成亮度損失和使閃爍變得嚴(yán)重。在原來50Hz/60Hz幀頻率之間插入運(yùn)動(dòng)內(nèi)插幀，變成采用運(yùn)動(dòng)估值/運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（MEMC）

10、的100Hz120Hz幀頻，可將維持時(shí)間減半，使運(yùn)動(dòng)圖像質(zhì)量提高，而不帶來亮度損失和閃爍增加的壞處。圖5示出了脈沖驅(qū)動(dòng)和高速M(fèi)EMC驅(qū)動(dòng)與普通50Hz60Hz驅(qū)動(dòng)的比較。由圖可知，高速驅(qū)動(dòng)與脈沖驅(qū)動(dòng)形成的運(yùn)動(dòng)偽像都比50Hz60Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)小很多，并且高速驅(qū)動(dòng)比脈沖驅(qū)動(dòng)亮很多。高速驅(qū)動(dòng)面臨的問題是如何選擇最佳的硬件結(jié)構(gòu)使成本最低，以及如何選擇最佳運(yùn)動(dòng)估值算法以產(chǎn)生內(nèi)插幀。隨所選硬件不同，一個(gè)附帶的需要是在嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換時(shí)間限制內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償內(nèi)插幀。newpage3.1硬件結(jié)構(gòu)的比較用于幀內(nèi)插高速驅(qū)動(dòng)硬件基本上由兩塊電路板（PCP板）組成：電視機(jī)板和屏控制板。但是兩塊板中電路的組成則有多種不同方法，如

11、圖6所示。圖中SOC（systemonchip）是指電視機(jī)的許多功能塊（包括各種輸入接口、編碼器、譯碼器、標(biāo)量器、去隔行掃描器、圖像處理器等）集成在一塊芯片上；MEMC是運(yùn)動(dòng)估值運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器；TCON是時(shí)序控制器；DDR是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在圖6（a）和（b）中，MEMC都安放在電視機(jī)PCB板中，在該板中由MEMC完成幀倍頻，所以是以100Hz120Hz幀頻將信號(hào)送向屏控制板。因此需要兩倍LVDS（低壓差分）輸出口，并需要兩倍頻帶寬度的高速信號(hào)源。圖6（c）是為了解決內(nèi)連接數(shù)倍増與輻射增加的問題而將MEMC移到屏控制板上，是目前廣泛采用的方法，與圖6（a）和（b）相比，成本降低不多，內(nèi)插幀性能也無改善

12、。圖6（d）是三星公司開發(fā)的新方案，也是將MEMC安放在屏控制板中，但其特點(diǎn)是將MEMC和TCON集成在一個(gè)芯片中，稱該芯片為McFi。其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)連接簡單、減少了存儲(chǔ)器數(shù)量、硅片加工復(fù)雜性得到相對的平衡和可用常規(guī)的電視生產(chǎn)線進(jìn)行組裝與測試，所以是用于高性能MEMC成本控制最有效的硬件結(jié)構(gòu)方案。3.2運(yùn)動(dòng)估值方法的選擇表1綜合了各種運(yùn)動(dòng)估值法，并就其主要性能進(jìn)行了比較。表中包括了基于塊的全面搜索（BBFS）、基于塊的循環(huán)搜索（BBRS）、基于目標(biāo)（OB）和相平面相關(guān)(PPC)四種方法。選擇算法是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在選擇算法時(shí)要同時(shí)考慮MEMC引擎的安置處。如運(yùn)動(dòng)內(nèi)插是發(fā)生在屏控制器中，由于屏不能控制音

13、頻流的延遲，MEMC的迭代次數(shù)應(yīng)該最少，以免視頻流與音頻流間的時(shí)間同步出現(xiàn)問題。如電視機(jī)用于運(yùn)動(dòng)比賽，則實(shí)時(shí)性很重要，必須嚴(yán)格控制迭代數(shù)。三星公司和AMD公司認(rèn)為將McFi與PPC軟件相配合是準(zhǔn)確度、視頻流延遲的最少幀數(shù)和可控算法復(fù)雜性之間的最佳組合。相平面相關(guān)性（PPC,phase-planecorrelation）算法介紹如下。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償-幀率補(bǔ)償（MC-FRC,motioncompensation-ratecompensation）的關(guān)鍵是在每幀產(chǎn)出一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，并以此矢量去產(chǎn)生內(nèi)插幀。由此可見獲得準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)矢量的重要性，否則在內(nèi)插幀中會(huì)出現(xiàn)眾多的偽跡。為了了解PPC，首先應(yīng)了解BBFS估值

14、法及其局限性。對于當(dāng)前幀中每個(gè)像素或一小群像素，當(dāng)前幀和下一幀的周圍塊（通常是8×8或16×16）在移方向是相關(guān)的，即可以從現(xiàn)幀中的像素去確定其在下幀中的位置，具有最大相關(guān)性的位移方向被選作該像素的運(yùn)動(dòng)矢量。相關(guān)性是通過計(jì)算與亮度和噪聲有關(guān)的差值的絕對值和（SAD,sumofabsolutedifference）來表達(dá)。大亮度值的小百分比變化與小亮度值大百分比變化之間的差別是難以區(qū)分的。因此，BBFS不適用于MC-FRC。為了解決BBFS的局限性，PPC采用將大塊在頻域中用快速傅利哀變換法計(jì)算歸一化相關(guān)性。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：對于較大搜索面積的計(jì)算也不復(fù)雜；歸一化除去了亮度這個(gè)

15、參量；平滑了數(shù)據(jù)；改善了對噪聲的敏感性；計(jì)算收斂快以及只需一幀延時(shí)便可找到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)矢量。存在的問題是頻域中的處理方法不能獲知時(shí)域中的信息，即當(dāng)已找到一個(gè)特定面積中的運(yùn)動(dòng)矢量時(shí)，并不能知道如何分配給該面積中每個(gè)像素。將有選擇的用BBFS獲得相關(guān)性作為候選運(yùn)動(dòng)矢量可以解決此問題。將上述McFi硬件和PPC軟件相結(jié)合的方案能將NTSC60Hz和PAL50Hz視頻以及電影轉(zhuǎn)換成120Hz/100Hz的內(nèi)插視頻流，只有一個(gè)輸入幀延遲，并且不會(huì)產(chǎn)生3：2下拉不穩(wěn)定。由于其高質(zhì)量和低成本，已可將此方案從只應(yīng)用于旗艦級(jí)推廣到主流LCD-TV。三星公司準(zhǔn)備將此方案全面應(yīng)用到其生產(chǎn)的LCD-TV屏上。4采用運(yùn)動(dòng)

16、自適應(yīng)交迭驅(qū)動(dòng)法實(shí)現(xiàn)無閃爍的120Hz/100Hz幀頻驅(qū)動(dòng)MC-FRC技術(shù)已被市場廣泛接受，但其成本高；脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)雖然成本低，由于其產(chǎn)生雙邊緣效應(yīng)和使亮度降低，至今未能進(jìn)入主流應(yīng)用。采用運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)交迭驅(qū)動(dòng)（MA-AGD,motionadaptive-alternategammadrive）技術(shù)可以解決亮度損失這個(gè)問題，因?yàn)樗鞘贡额l后的兩幀一幀較暗，另一幀較亮，結(jié)果平均亮度不損失。但是MA-AGD技術(shù)不可能完全消除脈沖驅(qū)動(dòng)帶來的閃爍增加。原則上講，對于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，閃爍不易被感知，而對于靜像，特別是中等亮度的靜像閃爍便成為大麻煩。若脈沖驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于靜像，由于亮度連續(xù)地大幅度跳變，更加重了閃爍現(xiàn)象。

17、此外,若過驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于靜像,與溫度相關(guān)并且準(zhǔn)確度較低的響應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償會(huì)使圖像質(zhì)量變差,而提高計(jì)算精度會(huì)增加設(shè)備成本。實(shí)際上，維持型顯示對靜像不帶來偽像，不需要進(jìn)行縮短維持時(shí)間的驅(qū)動(dòng)措施。因此，得出的結(jié)論是：脈沖驅(qū)動(dòng)適合于運(yùn)動(dòng)圖像，而維持型驅(qū)動(dòng)更適合于靜像，并可以得到高亮度。4.1靜像中的適時(shí)補(bǔ)償(RTC)RTC對于加速液晶響應(yīng)十分有效。為了完成RTC功能需要存儲(chǔ)一幀圖像數(shù)據(jù)。為構(gòu)建LUT，隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)所需的容量為2N×2N×3×N(bits)，其中N為每個(gè)原色的色深。在8bits系統(tǒng)中，約需1.6Mbits內(nèi)存，這將占據(jù)ASIC設(shè)備中大量存儲(chǔ)面積。因此，在

18、大部分實(shí)際設(shè)備中普遍使用帶有17×17LUT的內(nèi)插技術(shù)。對于靜態(tài)圖像，LUT不提供驅(qū)動(dòng)增量，如圖7(a)所示。而在脈沖驅(qū)動(dòng)下，即使是靜像，由于亮度被脈沖調(diào)制，LUT也在全部時(shí)間提供驅(qū)動(dòng)增量，如圖7(b)所示。在常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，內(nèi)插計(jì)算中盡管存在量化誤差，由于只發(fā)生在圖像數(shù)據(jù)變化的瞬間，而在下一幀中又快速返回原來圖像，因此造成的偽像變是難以覺察的。如果脈沖驅(qū)動(dòng)與不準(zhǔn)確的RTC內(nèi)插技術(shù)相結(jié)合，則在具有均勻灰度過渡區(qū)的圖像中將產(chǎn)生塊狀偽像。而準(zhǔn)確內(nèi)插是很困難的，這一方面由于它與液晶的溫度有關(guān)，另一方面LCD的最終亮度是決定于LC的動(dòng)態(tài)特性，而非靜態(tài)特性。這說明，對于靜像或準(zhǔn)靜像最好采用如圖

19、7(a)所示的常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，而不是圖7(b)所示的脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)。4.2運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)交迭驅(qū)動(dòng)(MA-AGD)技術(shù)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)交迭驅(qū)動(dòng)(MA-AGD)技術(shù)是只對運(yùn)動(dòng)圖像采用脈沖驅(qū)動(dòng)以減少運(yùn)動(dòng)偽像，伴生的閃爍效應(yīng)則淹沒在運(yùn)動(dòng)圖像中不易被感知；而對于靜像則仍采用常規(guī)的維持型顯示，這樣既不增加閃爍又保持亮度。與MA-AGD驅(qū)動(dòng)技術(shù)相配合，發(fā)展出一種只對運(yùn)動(dòng)圖像施加脈沖驅(qū)動(dòng)的算法。在此算法中，輸入的圖像的整體運(yùn)動(dòng)被連續(xù)地檢測著。若檢測到顯著的運(yùn)動(dòng)，則采用交迭驅(qū)動(dòng)（AGD）技術(shù)以減輕偽像，否則則不施加AGD技術(shù)。這兩種工作模式若是突然地過渡，則相繼兩幀不同模式間亮度的大變化會(huì)引起大面積的閃爍效應(yīng)。因?yàn)檎鶊D像即

20、使發(fā)生一個(gè)小的亮度變化，也是容易被感知的。為了避免這個(gè)嚴(yán)重的閃爍問題，在此設(shè)計(jì)中引入減輕電路，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)模式切換時(shí)，AGD的強(qiáng)度是漸變的，如圖8所示。AGD的強(qiáng)度可被定義為 -，其中 是輸入數(shù)據(jù)Din,n的增量，-是輸入數(shù)據(jù)的減量。輸出數(shù)據(jù)Dout,n如下式所示：Dout,n=Din,n (-1)n×（d,n）newpage式中（d,n）= ，當(dāng)n=0,2,4=-，當(dāng)n=1,3,5其中n是幀數(shù)；d是數(shù)據(jù)值，是增量值。但是AGD的強(qiáng)度不是按照運(yùn)動(dòng)檢測信號(hào)立刻變化，而是漸變的。加入模式間轉(zhuǎn)換的漸變過程后，則須將上式改寫為：Dout,n=Din,n (-1)n×C（m）×（d,n）式中（d,n）= ，當(dāng)n=0,2,4=-，當(dāng)n=1,3,5m是運(yùn)動(dòng)檢測結(jié)果；C（m）是増益系數(shù)，在模式轉(zhuǎn)變周期中從0變化到1。C（m）=0，對應(yīng)于AGD關(guān)閉,即AGD功能被傍路；而C（m）=1，對應(yīng)于AGD進(jìn)入全強(qiáng)度模式。増益系數(shù)C（m）在檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)増加，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)減少。只要増益系數(shù)步進(jìn)（退）的步距足夠小，使過渡發(fā)生在一個(gè)較長的時(shí)間周期內(nèi)，則人眼不會(huì)感受到任何亮度變化。在設(shè)備中使用（d,n）的預(yù)計(jì)算值可以減少硬件的復(fù)雜性。圖9（a）為AGD驅(qū)動(dòng)中所使用的曲線例子.上曲線使奇(偶)幀更亮，下曲線使偶(奇)幀更暗，兩組不同曲線以100Hz/120Hz的速率混合，產(chǎn)生