全面解析液晶显示器的抗拖影技术.docx

全面解析液晶显示器的抗拖影技术随着BenQ第二代疾彩引擎(AMA Z)的发布，“插黑”等液晶显示抗拖影技术引起了人们的广 泛关注(前期报道请参考本刊7月上的技术广角：专家讲堂栏目)在显示高速运动物体的动 态图像时，运动物体的拖影或残影现象所造成的运动模糊(Motion Blur)，一直是液晶显示 技术中一个比较突出的问题 与传统的阴极射线管(CRT)显示技术相比，液晶显示器(LCD)在显示基本没有变化的静态图像时，其所具有的无闪烁等优点是显而易见的，但在显 示高速变化的动态图像时则会出现比较严重的拖影问题这使得液晶显示技术在数字电视、 视频播放及游戏等方面的应用受到了很大的局限，而如何利用各种抗运动拖影技术消除拖影 现象，获得更为完美、流畅的动态图像显示效果，成为新一代液晶显示技术发展的一个重要 方向 原因分析：液晶显示器拖影现象的成因事实上，人们对于液晶显示抗拖影技术的研究已经持续了相当长的一段时间过去人们 曾寄希望于通过提高响应速度来消除或减少运动拖影现象，于是各种提高响应速度的技术如 雨后春笋般涌现出来现在液晶显示器的响应速度已经有了明显的改善，但人们发现单纯依 靠这种方法虽然能够降低拖影的严重程度，却不能直接改善运动图像的显示质量，而且并不 能彻底消除液晶显示器/电视机在显示动态图像时的拖影。

实验表明液晶显示器的运动拖影既有显示器本身固有显示机制的因素，又和人眼的视觉 特性有着莫大的关联换句话说，液晶显示器的运动拖影问题实际上是由液晶显示器的显示 特性与人眼的视觉特性联合作用所产生的一种结果明显的拖影IS像 正常图像可以想象，当你在聚精会神地欣赏体育类节目时，如果屏幕出现拖影会是何等扫兴的一件事1•人类视觉系统的视觉暂留特性我们的视觉系统具有十分复杂的感知特性，而视觉惰性就是其中非常重要的特性之一 也就是说，视觉系统所感知的主观亮度总是滞后于作用到人眼的光信号如图2所示，当外 部光信号作用于人眼时，视觉系统并不能立即产生相应的亮度感觉，而是需要经历一个逐渐 由小到大、最终达到稳定的亮度感觉过程人眼的结构与视觉惰性曲线 同样，当作用到人眼的光信号消失后，视觉系统原有的主观亮度感觉也不会立即消失，而是有一个逐渐衰减、直至最后消失的延迟过程（图2中的tl〜 t2）,这种现象就叫做视觉暂留特性（有时也叫做视觉残留特性），人类视觉系统的平均视觉暂留时间大约在0.1秒左右，而且会因刺激光线的颜色不同持续时间略有差异当人眼受到亮度周期性变化的光脉冲信号作用时，若信号变化的频率较低（光信号作用 的间歇时间大于人眼的视觉暂留时间）就会使人会产生闪烁感；反之，频率足够高的光脉冲 信号，作用间歇时间小于人眼的视觉暂留时间，人眼就会认为看到的是连续的、无闪烁的信 号。

不会使人眼产生闪烁感的最低频率就称为临界闪烁频率，现在业界认为临界闪烁频率一 般在20Hz左右；但实际应用中要远远高于这个数值，如电影格式为24帧/s（换算成频率就 是24Hz），我国使用的PAL制式电视广播25帧/s,国外的NTSC制式多为30帧/s, LCD显示 器的帧率60Hz，而CRT高达85Hzo理论上讲，只要动态图像显示的频率（帧率）高于这个数值（20帧/s），人眼感觉到的就 应该是连续的、稳定的图像，但为什么我们仍然会在液晶显示器上看到明显的拖影呢？这是 因为“拖影”很大程度上还取决于人的主观感觉，只有让各种显示设备尽可能地符合我们的 视觉特性，才能最终获得自然、舒畅的视觉效果2.液晶显示的原理及其视觉暂留特性液晶显示技术与CRT显示技术在发光和显示机制方面有着明显的区别CRT显示的原理 是通过加热显像管的阴极来发射电子束，经过加速电场和偏转磁场后撞击荧光屏的一个荧光 像素点，使其被激发而释放出光子CRT的扫描电路就这样控制电子束在荧光屏上不断地高 速扫描，只要扫描速度足够快，就可以利用人眼的视觉暂留特性呈现出完整的图像荧光体45 IT. I电子枪玻璃壳CRT显示器的结构 荧光屏上的每个像素点都只在被电子束撞击的瞬间发光，撞击结束后其发光强度会迅速衰减，这就是CRT显示所具有的脉冲型(Impulse Type)驱动和光输出机 制(参见后文中的图5)。

这种脉冲型驱动和光输出机制所带来的不利影响是容易导致视觉上 的闪烁感，为了减小闪烁就只有尽可能地提高扫描频率，例如现在CRT显示器公认的无闪烁 频率是85Hz，远远高于20Hz的临界频率但是在显示含有运动场景的动态图像时，这种脉 冲型驱动和光输出机制则具有明显的优点，它能非常及时地响应驱动信号，实现实时、快速 的图像显示刷新，从而获得令人满意的动态图像显示效果与CRT显示相比，液晶显示则是通过像素矩阵进行光输出切换来显示图像的，不同于 CRT那种扫描成像的方式，液晶显示不会产生闪烁感；其次，液晶显示器的像素点不具备主 动发光的能力，需要由背光系统提供高效、均匀的光源透射实现光输出LCD显示器的显示原理 在外加驱动电压的作用下，液晶分子会发生扭转而变成有序排列一此时光线可以顺利通过，停止加电后液晶分子重新复原为其固有的无序排列状态一这样 又能阻止光线通过在实际应用中，液晶显示面板包含有两个偏振方向互相垂直的偏振滤光 片，液晶材料就夹在这两个偏振滤光片之间，与这两个偏振滤光片一起控制光输出的通路由于液晶分子扭转、复原过程都需要一定的时间，当控制电路收到“变成最亮”的驱动 信号后，并不能立刻产生相应的高亮度(白)，而是需要经过一个逐渐提升直至稳定亮度的过 程，这一过程所需的时间Tr称为上升时间(Rising Time)；同样，当控制电路收到“变成最 暗”的命令后，也不会立刻转变成低亮度(黑)，这也需要经过一个逐渐下降直至无亮度的过 程，所需的时间Tf称为下降时间(Falling Time)。

上升时间与下降时间之和称为黑白响应 时间(Response Time)，用来表示液晶面板对于驱动信号的响应速度；另外，现在还有一种 表示响应速度的方式一灰阶响应时间(Grey To Grey，GTG)，它表示的是从任一灰阶(度)变 换到目标灰阶所需要的时间，如果液晶面板使用了过驱动技术(Over Drive)，通常就会使用 灰阶来表示它的响应速度CRT显示器与LCD显示器光输出特性的对比 从上面的过程中，我 们可以发现液晶显示技术的成像原理依赖于液晶分子在驱动信号作用下的扭转、复原过程，而这两个过程都需要较长的响应时间，从而导致像素的亮度改变总是明显滞后于驱动信号的变化；另一方面，液 晶显示器的驱动方式也使得屏幕在较长时间内维持一帧画面的显示状态，直到加载了下一帧 画面时屏幕上的内容才稍有变化，这种长时间不改变的情况，加重了人眼视觉暂留的效果 液晶显示器这种“Hold Type（保持型）”的驱动和光输出模式，正是导致严重拖影的原因3•对症下药，如何来解决运动图像拖影的问题？液晶显示技术特有的延迟和保持特性,导致了光输出（显示画面）在一定时间内持续作用于具有暂留特性的视觉系统，加之人在观看运动图像时眼睛会不由自主地跟随画面中的运动目标，从而明显延长了主观画面在脑海中存在的时间。

也就是说，当原来的一帧画面尚在视觉系统中“挥之不去”时，后面的各帧画面就“接踵而至”，最终这些主观画面相互叠加,就会使人感觉到严重的拖影现象拖影现象的成因：图中带箭头的虚线表示运动物体的轨迹，A点为第N帧画面时运动物体所在的位置，B点为第N+1帧画面时物体所在的位置；由于视觉暂留特性，两帧同时存在于观看者视觉系统中的主观画面相叠加，就形成了带有拖影的主观图像 由此看来，导致拖影现象的主要因素有以下三个方面：液晶显示器的响应速度、显示器的保持特性及人类视觉的暂留特性因此，解决拖影问题的办法也要从这三个方面下手例如使用过驱动技术降低液晶显示器的响应时间，使用脉冲驱动方式或者提高视频图像的帧频来改变显示器的保持特性，最后就是使用特殊的视频信号处理技术来适应人的视觉暂留特性与拖影过招之一:响应时间应该功成身退?相关的实验和研究表明：在响应速度较慢时，拖影的严重程度主要取决于液晶驱动电路的响应速度；而当液晶显示器的响应速度提升到较高的水平后，所出现的拖影则主要取决于液晶显示器的保持特性从这个意义上说，降低响应时间的方法虽然能够在一定程度上减轻拖影现象，但并不能完全消除拖影，其效果不够理想的根本原因是受到液晶显示器固有的保持型电光转换机制的限制。

在响应时间上，CRT显示器具有压倒性的优势 实际上，即使是目前响应时间最短的液晶显示设备，其响应时间也只能降低到毫秒(lms=10-3s)的数量级，而CRT显示器的响应时 间一般只有微秒(lus=10-6s)数量级，二者相差实在太大显然，单纯依靠提高响应速度的 方法，很难使液晶显示器的拖影现象降低到CRT显示器的那个水平一味地走响应时间这条 路最后通向了一个“死胡同”与拖影过招之二:脉冲式显示技术发威既然在响应时间上行不通，那有没有别的方法来解决拖影问题呢？人们首先想到了CRT显示器的脉冲式显示模式，能不能把它借鉴到液晶显示器上面？1.全黑帧插入抗拖影技术的实现原有商像帧圉像瞅之间貓入的全黒挾插黑技术的实现原理 全黑帧插入技术(Black Frame Insertion)有很多种说法，如全黑数据插入技术(Black Da ta Inser tion)，又或者是插黑技术(Black Inser tion)；但它们实 际上说的是一回事情，就是在原有视频图像的基础上，每两帧画面之间插入一个全黑的中间 帧，并使帧频率增加一倍(图8)插黑技术的最大特点在于非常容易实现，而且相对而言成本较低，它只需要在显示器的 驱动电路中增加相应的插黑处理电路，而不必改变现有液晶显示以及背光系统的结构。

事实上，插黑技术很早之前就被提出来了，但当时并没有被推广开来其主要原因是如 果采用了插黑技术，人眼观察到的动态图像实际上有大约一半的时间是全黑画面，若亮度和 响应速度太低，很容易造成主观感觉上亮度的明显下降及闪烁感等问题 因此，高响应速度和高亮度是应用插黑技术的两个前提，随着技术的不断发展，目前液晶产品的响应速 度和亮度已足以满足插黑技术的应用条件例如BenQ最近发布的第二代疾彩技术，实际上 就是由插黑技术和“高级运动加速器"(Advanced Mot ionAccelera tor, AMA)技术共同组成 的，AMA是BenQ所采用的一种提升液晶显示响应速度的技术，正是在提高响应速度的基础 上，才得以使用插黑技术来降低运动拖影现象2.脉冲式背光抗拖影技术的实现如果说插黑技术是从液晶面板上动手脚，那么脉冲式背光技术(Impulse Backligh t)则 是拿背光光源开刀，按照实现原理的不同，现阶段的脉冲式背光技术分为背光闪烁技术 (Flashing Backlight)和背光扫描技术(Scanning Backlight,又被称为 Scrolling Backlight)背光闪烁技术就是使液晶面板的背光灯在每个帧周期内闪烁(亮-灭)一次，即原来每帧 图像的显示周期都被分成两个时间段一在第一个时间段内背光灯被打开、正常显示图像帧, 第二个时间段内则关闭背光灯、出现全黑屏幕(实际上这时液晶层仍然有图像在显示，但是 没有背光通过所以表现为全黑)。

从视觉效果上来看，背光闪烁技术与前面介绍的插黑技术有着异曲同工之妙：插黑技术 是通过周期性地显示全黑图像帧来降低运动拖影，而脉冲式背光技术则是让背光系统产生周 期性的闪烁，同样实现了周期性的插黑效果背光闪烁技术的原理非常简单，但是这是以足 够高的液晶响应速度和亮度为基础的，为了避免闪烁感以及主观亮度过低的问题，必须保证 。