快門式3D液晶電視重影消除研究

陳兆林

（意法半導(dǎo)體研發(fā)（深圳）有限公司 DTV技術(shù)中心，廣東 深圳 518057）

3D電影《阿凡達(dá)》的上映，在全球范圍內(nèi)掀起了立體顯示技術(shù)的熱潮。隨著這股熱潮的不斷升級(jí)，歐洲、美國(guó)、日本及韓國(guó)的企業(yè)紛紛加入3D產(chǎn)業(yè)行列，加大對(duì)3D產(chǎn)業(yè)的投資力度。從3D信號(hào)源的采集、制作、測(cè)試、播放，到3D信號(hào)處理、顯示，各種3D相關(guān)產(chǎn)品如雨后春筍般紛紛面世。面對(duì)這樣千載難逢的商機(jī)，眾多彩電廠商自然不甘落后，也爭(zhēng)先恐后地高調(diào)推出各自的3D顯示電視。經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的市場(chǎng)培育與推廣，到2011年底，3D電視已經(jīng)取得了突破性發(fā)展，3D電視成為2011年液晶電視市場(chǎng)中最熱門的話題之一。據(jù)DisplaySearch數(shù)據(jù)顯示，2011年全球3D液晶電視面板出貨量已達(dá)到2 150萬(wàn)片。

1 常見(jiàn)3D液晶電視顯示方式對(duì)比

目前，家電市場(chǎng)上在售的3D液晶電視主要有偏光式與快門式兩種[1]。偏光式3D電視需要采用貼有偏光膜的液晶面板，并配戴對(duì)應(yīng)的偏光眼鏡，該方案中液晶面板的成本較高，眼鏡則比較簡(jiǎn)單。快門式3D電視需要采用可支持120 Hz顯示的液晶面板，并配戴左右鏡片可獨(dú)立開(kāi)關(guān)的眼鏡，該方案中液晶面板的成本較低，而眼鏡則稍微復(fù)雜，需要由電子元件來(lái)控制鏡片開(kāi)關(guān)。

比較而言，偏光式3D液晶電視的優(yōu)點(diǎn)是亮度損失少、無(wú)閃爍、幾乎無(wú)重影，缺點(diǎn)是垂直清晰度減半、成本高；快門式3D液晶體電視的優(yōu)點(diǎn)是垂直清晰度無(wú)損失、成本低，缺點(diǎn)是可能有重影、閃爍、亮度偏低。

總的來(lái)說(shuō)，兩種方案中，快門式3D液晶電視具有更高的性價(jià)比。由于快門式3D電視所采用的液晶屏技術(shù)成熟，無(wú)須改動(dòng)，采用快門式3D顯示方案，可以縮短研發(fā)周期，快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。2010年最先在消費(fèi)電子市場(chǎng)上推出3D液晶電視的三星公司就是采用了快門式顯示方案。

2 快門式3D液晶體電視顯示原理

2.1 原理分析

快門式3D顯示技術(shù)是利用人眼的視覺(jué)暫留原理與視差原理，將左右兩幅稍有差異的畫(huà)面以很高的頻率（120 Hz）交替地在液晶屏幕上顯示，通過(guò)配戴左右同步開(kāi)關(guān)的眼鏡（Active Shutter Glasses），使人的左眼和右眼分別看到對(duì)應(yīng)的圖像，經(jīng)過(guò)觀看者大腦內(nèi)部的融合，從而產(chǎn)生具有視覺(jué)景深的立體圖像[2]，如圖1所示。

2.2 產(chǎn)生重影的原因

快門式3D顯示技術(shù)的關(guān)鍵是要求圖像顯示與眼睛觀看同步，即左眼只能看到顯示的左幅圖像，右眼只能看到顯示的右幅圖像。否則，在人的視覺(jué)中就會(huì)產(chǎn)生帶有重影的圖像，從而無(wú)法正確再現(xiàn)圖像的立體效果。然而由于液晶顯示的掃描方式與液晶固有的響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中不采取特別的措施，快門式3D液晶電視很容易產(chǎn)生重影現(xiàn)象。因此，在快門式3D液晶電視的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何消除顯示圖像的重影，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨的一大難點(diǎn)。

圖1只是快門式3D顯示的示意圖。實(shí)際上由于液晶電視顯示圖像時(shí)，圖像內(nèi)容是從上到下一行一行刷新的，在圖像刷新過(guò)程中的任一時(shí)刻，屏幕上都存在著相鄰兩幀的圖像內(nèi)容。因此，快門式眼鏡中的一個(gè)鏡片并不能在整個(gè)顯示周期間一直打開(kāi)，而只能在消隱期間打開(kāi)。否則，由于眼睛可以同時(shí)看到部分的左圖和右圖，將會(huì)在視覺(jué)中產(chǎn)生明顯的重影。液晶電視圖像刷新的過(guò)程如圖2所示。

另外，由于液晶狀態(tài)的改變需要響應(yīng)時(shí)間，在顯示屏幕的最下部，即使數(shù)據(jù)已經(jīng)刷新完成，圖像也還需要一定的響應(yīng)時(shí)間才能呈現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)如果立即打開(kāi)鏡片，仍然會(huì)看到前一幀圖像的部分殘影。因此在圖像刷新結(jié)束后，還需要一段等待時(shí)間，才能控制對(duì)應(yīng)的鏡片打開(kāi)。否則，也會(huì)導(dǎo)致重影現(xiàn)象。

3 消除快門式重影的方法

3.1 增加幀消隱時(shí)間

從圖2中可以看到，標(biāo)準(zhǔn)的一幀顯示周期中，幀消隱時(shí)間只有0.333 ms左右。根據(jù)上文對(duì)重影原因的分析，快門式眼鏡只能在消隱期間打開(kāi)一個(gè)鏡片，而在其他時(shí)間里左右兩個(gè)鏡片必須完全關(guān)閉，那么配戴眼鏡后觀看到的圖像亮度必將大大降低。因此，為了使實(shí)際觀看到的圖像有足夠的亮度而又不至于產(chǎn)生明顯的重影，自然想到的方法就是盡量延長(zhǎng)鏡片的開(kāi)啟窗口，也就是要盡量增加顯示過(guò)程中的幀消隱時(shí)間。

因此，在3D液晶電視設(shè)計(jì)中，增加幀消隱時(shí)間是提高圖像顯示亮度、消除圖像顯示重影的有效措施。以標(biāo)準(zhǔn)的1 080p顯示方式為例，幀總行數(shù)為1 125，有效圖像行數(shù)為1 080，幀消隱行數(shù)為45，如果在圖像刷新結(jié)束后再打開(kāi)鏡片，則鏡片的開(kāi)啟窗口只占整個(gè)顯示周期的5%左右，單眼看到的圖像亮度將僅為未配戴眼鏡時(shí)看到的圖像亮度的2.5%左右。如果將幀總行數(shù)設(shè)計(jì)為1 524，有效圖像行數(shù)保持為1 080不變，則幀消隱行數(shù)為444（等于1 524減1 080），幀消隱時(shí)間可達(dá)到整個(gè)顯示周期的30%左右。在這種情況下，單眼看到的圖像亮度可達(dá)到原始圖像亮度的15%左右。盡管從理論上講，幀消隱時(shí)間越長(zhǎng)越好，但是幀消隱時(shí)間越長(zhǎng)，圖像傳輸和顯示所要求的像素時(shí)鐘也就越高。而系統(tǒng)輸出的像素時(shí)鐘和顯示屏能夠支持的像素時(shí)鐘都是有上限的，因此，幀消隱時(shí)間并不能增加得太多。在實(shí)際方案設(shè)計(jì)中，建議幀消隱時(shí)間達(dá)到30%以上即可。經(jīng)過(guò)增加幀消隱時(shí)間設(shè)計(jì)后，快門式3D液晶電視的顯示時(shí)序如圖3所示。

3.2 使用OverDrive（過(guò)激勵(lì)）

采用增加幀消隱時(shí)間的方法，可以較大程度地減輕3D顯示時(shí)的重影，但是并不能完全消除重影。這是因?yàn)槭芟抻陔娨曅酒c屏的處理能力，幀消隱時(shí)間并不能增加得太多。以圖3中的設(shè)計(jì)為例，即使幀總行數(shù)達(dá)到1 524行后，幀消隱時(shí)間也才為2.5 ms左右。就現(xiàn)有的液晶屏技術(shù)而言，液晶顯示屏的響應(yīng)時(shí)間一般在4～8 ms，顯然是超過(guò)2.5 ms的。也就是說(shuō)，無(wú)論如何調(diào)節(jié)鏡片的開(kāi)啟窗口，當(dāng)鏡片打開(kāi)時(shí)，總是有一部分圖像還沒(méi)有響應(yīng)結(jié)束，導(dǎo)致看到前1幀圖像的殘影，即重影。

通常，在液晶屏規(guī)格書(shū)里給出的響應(yīng)時(shí)間是指信號(hào)在不同的灰度等級(jí)之間轉(zhuǎn)換所需的平均響應(yīng)時(shí)間。而實(shí)際上，信號(hào)在不同的灰階之間轉(zhuǎn)換所需的響應(yīng)時(shí)間是不同的，一般說(shuō)來(lái)，信號(hào)之間的電平差越大，所需的響應(yīng)時(shí)

在實(shí)際觀看3D電視節(jié)目時(shí)，電視圖像信號(hào)是有可能在各種不同的灰階之間變化的，有的變化需要的響應(yīng)時(shí)間短，有的變化需要的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。所需的響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，看到的重影就越明顯。因此，可以根據(jù)液晶電平差越大響應(yīng)時(shí)間越短的特點(diǎn)，人為地加大相鄰兩幀圖像之間像素刷新的電平差，從而達(dá)到縮短響應(yīng)時(shí)間、減輕圖像重影的目的。這種以增加激勵(lì)電平（即電壓差）來(lái)縮短液晶的平均響應(yīng)時(shí)間的功能，就是液晶顯示器中具有的Over-Drive功能。

通過(guò)使用OverDrive，可以將液晶在不同的灰階之間變化時(shí)所需的響應(yīng)時(shí)間變得比較一致，都變得比較短。經(jīng)過(guò)OverDrive處理后，液晶在不同灰階之間的響應(yīng)時(shí)間如圖5所示。間就越短。典型的液晶屏在不同灰階之間的響應(yīng)時(shí)間如圖4所示。

可以看到，通過(guò)采用OverDrive處理之后，液晶在不同灰階之間的響應(yīng)時(shí)間都有不同程度的縮短。因此，觀看3D圖像時(shí)，圖像重影現(xiàn)象可以得到進(jìn)一步的減輕。

3.3 采用240 Hz幀刷新頻率

在標(biāo)準(zhǔn)的1 080p/120 Hz顯示時(shí)序中，圖像刷新所占的時(shí)間大約為8 ms，消隱時(shí)間約為0.333 ms。即使如圖3所示，將每幀的總行數(shù)增加到1 524后，圖像刷新仍需要5.9 ms左右，而鏡片的開(kāi)啟窗口只有2.5 ms左右。能否進(jìn)一步縮短圖像的刷新時(shí)間，同時(shí)又延長(zhǎng)鏡片的開(kāi)啟窗口呢？研究表明，采用240 Hz的幀刷新頻率就可以做到這一點(diǎn)。在刷新率為240 Hz的3D液晶電視方案中，可以采用重復(fù)幀的顯示方式，將來(lái)自信號(hào)源的左右圖像以“左左右右”的方式在屏幕上顯示出來(lái)。由于液晶顯示具有“刷新——保持”的特點(diǎn)，“左左右右”的顯示方式相當(dāng)于是一幀刷新左圖，一幀保持左圖，然后再一幀刷新右圖，一幀保持右圖。這樣一來(lái)，圖像的刷新在一個(gè)幀周期中就可以完成，大約只需要4 ms。而在保持幀周期中由于屏幕上的圖像內(nèi)容保持不變，整個(gè)幀時(shí)間都可以用來(lái)打開(kāi)鏡片觀看圖像，也就是說(shuō)，鏡片的開(kāi)啟窗口可達(dá)到4 ms以上。采用240 Hz幀刷新率設(shè)計(jì)的快門式3D液晶電視的顯示時(shí)序如圖6所示。

在采用240 Hz幀刷新率設(shè)計(jì)的快門式3D液晶電視方案中，由于圖像刷新的時(shí)間得到縮短，相當(dāng)于是加快了液晶顯示的響應(yīng)時(shí)間，使得快門式3D重影的問(wèn)題得到了很好的解決，在實(shí)際觀看3D節(jié)目時(shí)，已幾乎看不到重影現(xiàn)象。

3.4 控制LED背光上下分步點(diǎn)亮

雖然采用240 Hz設(shè)計(jì)快門式3D液晶電視，可以很好地解決3D顯示的重影問(wèn)題，但是，240 Hz的幀刷新率要求電視芯片與液晶屏具備更高速度的像素時(shí)鐘，這無(wú)疑

在圖7所示的設(shè)計(jì)方案中，圖像仍然是按照120 Hz進(jìn)行處理顯示。不同的是，電視的LED背光不再是一直亮著，而是在每個(gè)幀周期中，按照精確的時(shí)間間隔被點(diǎn)亮兩次，相當(dāng)于以240 Hz的頻率工作。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整LED背光的起亮點(diǎn)與關(guān)閉點(diǎn)，可以確保上下兩部分圖像都有足夠的刷新等待時(shí)間，從而消除3D顯示時(shí)的重影現(xiàn)象。另外，由于LED背光采用了開(kāi)關(guān)工作方式，在每次點(diǎn)亮?xí)r，LED背光只被持續(xù)點(diǎn)亮1.3 ms左右，所以在LED背光點(diǎn)亮?xí)r，可以采用更大的工作電流以提高實(shí)際觀看到的圖像亮度。假如在普通顯示模式時(shí)，每串LED的工作電流為120 mA，則采用圖7所示的開(kāi)關(guān)工作方式，每串LED的工作電流可提高到360 mA，3D顯示模式下觀看到的圖像亮度可以達(dá)到2D圖像亮度的50%左右。所以通過(guò)精確地控制LED背光的工作方式，不僅可以有效地消除顯示重影，還可以極大地提高圖像顯示的亮度。

4 快門式3D液晶體電視重影的檢測(cè)方法

從上文討論可知，重影是影響快門式3D液晶電視性能的主要因素。在設(shè)計(jì)快門式3D電視過(guò)程中，可以用普通的3D信源來(lái)檢測(cè)重影的輕重，也可以采用特別設(shè)計(jì)的圖卡來(lái)檢測(cè)重影。采用特別設(shè)計(jì)的圖卡來(lái)檢測(cè)重影，可以使檢測(cè)不受不同3D信源內(nèi)容上差異的影響，得到的檢測(cè)結(jié)果更加客觀標(biāo)準(zhǔn)，從而更具有可比性。專門設(shè)計(jì)的用于檢測(cè)3D液晶電視顯示重影的測(cè)試卡如圖8所示。

圖8所示的測(cè)試卡在3D模式顯示且不戴快門眼鏡時(shí)，屏幕上看到的圖像如圖9所示。

在做3D電視的重影檢測(cè)時(shí)，將如圖8所示的測(cè)試卡通過(guò)圖片播放器的HDMI接口送入電視中，作為左右格會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度與成本。那么能否在120 Hz的3D液晶電視上實(shí)現(xiàn)類似240 Hz的效果呢？

從上文分析中可知，快門式3D液晶電視產(chǎn)生重影的主要原因是液晶顯示的逐行刷新方式與液晶的響應(yīng)時(shí)間。在圖2所示120 Hz的3D液晶電視方案中，圖像從屏幕頂部第一行開(kāi)始，逐行地刷新到屏幕底部最后一行，大約需要8 ms時(shí)間。當(dāng)刷新結(jié)束，鏡片打開(kāi)后，屏幕的上半部分已經(jīng)完全呈現(xiàn)為當(dāng)前幀的內(nèi)容，而屏幕的下半部分，由于液晶響應(yīng)還沒(méi)有結(jié)束，所以仍能看到前一幀圖像的殘影，越是靠近屏幕底部，殘影越重，即重影越明顯。可以設(shè)想，如果在打開(kāi)鏡片時(shí)，只觀看圖像的上半部分，則完全看不到重影。液晶顯示屏是由背光燈發(fā)光，通過(guò)電壓控制液晶單元透光或不透光來(lái)呈現(xiàn)圖像的。如果關(guān)閉背光燈，則不管液晶單元處于何種狀態(tài)，屏幕都將呈現(xiàn)為黑色。因此，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用LED背光響應(yīng)時(shí)間極短，可即時(shí)開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)，選用LED背光液晶顯示屏，通過(guò)控制LED背光，將圖像分為上下兩半部分來(lái)顯示[3]。在屏幕的上半部分圖像刷新結(jié)束約4 ms之后，點(diǎn)亮屏幕的上半部分背光燈一段時(shí)間，此時(shí)可以看到當(dāng)前幀的上半部分圖像；然后，在屏幕的下半部分圖像刷新結(jié)束約4 ms之后，再點(diǎn)亮屏幕的下半部分背光燈一段時(shí)間，此時(shí)可以看到前一幀的下半部分圖像。由于視覺(jué)暫留效應(yīng)，先后看到的兩個(gè)半幅圖像相當(dāng)于一幅完整的圖像。因?yàn)閺乃⑿峦陻?shù)據(jù)到觀看到圖像，中間總是有4 ms左右的時(shí)間間隔，這段時(shí)間足夠液晶來(lái)完成數(shù)據(jù)響應(yīng)，所以將看不到顯示重影。圖7是帶有LED背光控制的快門式3D電視顯示時(shí)序。式的3D信號(hào)源，并按3D模式顯示在屏幕上。檢測(cè)者戴上快門式眼鏡，首先閉上右眼，只用左眼觀測(cè)圖像的A，B兩行，理想狀態(tài)下看到的圖像應(yīng)該如圖8的左半部分，在白色與黑色的兩個(gè)橫條上沒(méi)有可見(jiàn)的介于黑白顏色之間的方塊。如果有重影存在，則將在白色與黑色的兩個(gè)橫條上看到灰色的方塊，可見(jiàn)的灰色方塊越多，則說(shuō)明3D顯示的重影越重。然后，再閉上左眼，只用右眼觀測(cè)圖像的C，D兩行，可以按同樣的方式檢測(cè)圖像的重影情況。

綜上所述，在快門式3D液晶電視設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)增加幀消隱時(shí)間，啟用OverDrive功能，以及將LED背光分為上下兩組以開(kāi)關(guān)方式交替點(diǎn)亮等措施，可以有效地消除3D顯示重影，從而產(chǎn)生逼真的立體顯示效果。同時(shí)，采用本文中圖8所示的3D電視重影檢測(cè)卡，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中有效地檢測(cè)3D顯示時(shí)圖像的重影情況，便于設(shè)計(jì)人員調(diào)整相關(guān)的顯示參數(shù)，以達(dá)到最佳的顯示狀態(tài)。

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