快門式3D顯示器畫質的客觀評測方法

【摘要】隨著3D顯示技術的成熟發展，帶3D功能的液晶顯示器價格一降再降，已經不再是奢侈的高檔消費品，早就成為尋常百姓家里的普通消費品。而快門式3D顯示技術作為3D技術的一個重要類別，以畫質清晰可視角大的優點被眾多顯示器廠家采用。但是快門式顯示技術由于其成像機理，重影就成為其重要的缺陷之一。因此在研發階段，是否有重影成為評判快門式3D顯示器畫質的一項重要指標。然而目前這項指標的評判通常是以測試人員觀看評測用3D影片來判定，含有一定的主觀性。因此筆者就如何使用儀器量測來客觀評測重影提出一種可行的解決方案。

【關鍵詞】3D顯示器;重影;光電感應器;快門式3D眼鏡

1.序言

快門式3D顯示技術原理：利用人眼的視覺暫留原理與視差原理，將左右兩幅稍有差異的畫面以很高的頻率（120HZ）交替的在液晶屏幕上顯示，通過配戴左右同步開關的眼鏡，使人的左眼和右眼分別看到對應的圖像，經過觀看者大腦內部的融合，從而產生具有視覺景深的立體圖像。

圖1 快門式3D顯示技術原理

2.3D顯示器各功能模塊作用

快門式3D顯示器各功能模塊如圖2所示：

圖2 3D顯示器線路方框圖

主板（Scalar Board）：信號接收處理模塊，接收外部輸入信號，如HDMI、DVI、DP、VGA、USB等信號，并將這些信號轉化為3D信號處理模塊可識別的信號;處理與各模塊進行通訊，接收和發送相關指令;同時為3D處理模塊及3D眼鏡提供所需要的工作電源。

3D Panel C-Board：3D信號處理模塊，將信號接收處理模塊送來的畫面信息經過運算處理變成液晶屏可識別的左右眼分別顯示的畫面;如信號接收處理模塊送來的是每秒60幀的畫面，則經過處理后變為左右眼各60幀，即每秒120幀的畫面。

12V Power：為3D信號處理模塊中的供電模塊，將信號接收處理模塊提供的12V直流電源轉化為3D信號處理模塊各子模塊所需的不同電位的電壓，同時為面板供電。

2 Ch LVDS Connecter：為3D信號處理模塊與信號接收處理模塊的通訊接口，接受信號接收處理模塊送來的畫面信息及3D Enable使能指令。

3D Connecter：為3D信號處理模塊與3D converter及IR Driver模塊的通訊接口，3D信號處理模塊通過這個接口對這兩個模塊發出控制指令。

3D converter：面板背光控制模塊，接受到指令后對背光進行相應的控制。

IR Driver：3D無線眼鏡控制模塊，通過控制IR TX LED模塊或者Wireless Tower模塊來控制3D無線眼鏡。

IR TX LED：無線信號轉換模塊，將從3D眼鏡遙控模塊接受到的數字指令轉換為3D無線眼鏡可識別的光信號。

Wireless Tower：無線信號轉換模塊，將從3D眼鏡遙控模塊接受到的數字指令轉化為3D無線眼鏡可識別的無線信號。

8 pin mini USB：微型USB接口，通過USB線可直接與有線3D眼鏡相連，3D信號處理模塊發出的同步控制指令（3D sync L/R out），通過該接口傳輸給3D有線眼鏡;3D無線眼鏡控制模塊可以通過該接口與Wireless Tower模塊連接，控制該模塊發出3D無線眼鏡可識別的無線信號。

3.快門式3D顯示產生重影的原因

快門式3D顯示技術的關鍵是要求圖像顯示與眼鏡觀看的同步，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，在人的視覺中就會產生帶有重影的圖像，從而無法正確再現圖像的立體效果。然而由于液晶顯示的掃描方式與液晶固有的響應時間問題，如果在設計過程中不采取特別的措施，快門式3D液晶顯示器/電視很容易產生重影現象。

圖3只是快門式3D顯示的示意圖。實際上由于液晶顯示器/電視顯示圖像時，圖像內容是從上到下一行一行刷新的，在圖像刷新過程中的任一時刻，屏幕上都存在著相鄰兩幀的圖像內容，因此，快門式眼鏡中的一個鏡片并不能在整個顯示周期間一直打開，而只能在消隱期間打開。否則，由于眼鏡可以同時看到部分的左圖和右圖，將會在視覺中產生明顯的重影。

圖3 液晶顯示器/電視圖像刷新的過程

另外，由于液晶顯示器/電視狀態的改變需要響應時間，在顯示屏幕的最下部，即使數據已經刷新完成，圖像也還需要一定的響應時間才能呈現出來，此時如果立即打開鏡片，仍然會看到前一幀圖像的部分殘影。因此在圖像刷新結束后，還需要一段等待時間，才能控制對應的鏡片打開。否則，也會導致重影現象。

4.預防重影的方法

因為快門式3D顯示容易產生重影現象，所以為了有效規避重影問題的發生，一般采用如下方式來解決重影現象（如圖4）

（1）主板給信號處理板發出指令（3D Enable：高電平代表右畫面，低電平代表左畫面），3D信號處理板接收到低電平后，開始將液晶畫面逐條更新為所要顯示的左眼畫面（因為液晶顯示驅動的回路無法做到畫面所有行同時更新，所以只能逐行更新），此時整個畫面是之前的右眼畫面與將要顯示的左眼畫面并存。整個畫面從第一行開始更新到最后一行更新結束，這段時間就是圖4中的Hold時間，也叫刷新時間。在此期間眼鏡的左右鏡片都是關閉的，防止出現看到畫面還在更新的狀況

（2）當左眼畫面更新完成，3D眼鏡的左眼打開，因為液晶還存在響應時間，此時畫面還有殘留部分之前右眼的畫面，所以還不能讓左眼馬上看到畫面，因此當左眼打開后，BLU（背光）不能馬上打開，等液晶響應結束后，背光打開，一幅完整清晰的左眼畫面就呈現在觀看者眼前。

（3）當左眼畫面顯示結束，將要顯示右眼畫面，先將背光關閉，再關閉眼鏡，最后將3D Enable信號置高。背光先于眼鏡關閉，可以有效降低畫面整體的亮度感覺，為何要降低畫面的亮度感覺，在下文中會有詳細說明

（4）3D信號處理板接收到高電平指令（3D Enable），重復步驟（1），（2），（3）。

圖4 預防重影方法原理圖

5.測試難點

從上文的描述可以看出，針對快門式3D顯示重影的預防方式對3D Enable，眼鏡與背光的打開時序是有嚴格要求的。而這三者的打開時序最終是由軟件控制指令來決定的，如何通過外部的量測設備來有效的量測這三者的時序是否符合設計要求，則是快門式3D測試的難點也是重點。因為重影現象會嚴重影響用戶的觀看效果，進而影響品牌的聲譽度，所以是測試部門必需進行的測試項目。因為眼鏡左右眼的打開指令為數字指令，為一串數字指令中的某段指令，極難判定是其中哪一段，所以通常由測試人員實際觀看測試影片確認是否有重影來判定時序是否正確，而這種判定方式因為人員的不同及機臺的差異，存在較大的主觀性和隨機性。為了克服這種測試方式的缺點，通過合理搭配改進現有的測試工具，本人設計出一套測試治具及制訂與之對應的測試流程，并在實際測試工作中證明是行之有效的。

6.測試原理

現在看來，3D Enable，Glasses及BLU三個信號中，如果Glasses信號可以通過某種方式量取到的話，這三組信號就可以通過使用示波器讀取來客觀判定了。本人設計出的方案就是采用光電感應器利用光能轉換成電能的原理來實現的;通過偵測透過3D眼鏡的光信號，經過光電感應器件，把光信號強弱轉換成電信號，再使用示波器讀取電信號來完成Glasses信號的量取。

7.光電感應裝置的選取

常見的光電轉換器件有以下五種：

（1）太陽能光電板：一種對光有響應并能將光能轉換成電能的器件，其原理是將P型晶體硅通過摻雜磷可得N型硅，形成PN結。

圖5 太陽能光電板

（2）光敏電阻：利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導探測器;入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。

（3）光敏二極管：光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導體二極管在結構上是類似的，其管芯是一個具有光敏特征的PN結，具有單向導電性，因此工作時需加上反向電壓。

（4）光敏三級管：和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。

（5）光敏芯片：將光能轉化為電能的芯片，屬于集成IC，回路簡單，便于運用。

以上五種方案，考慮到液晶平板顯示器所采用的背光源主要有CCFL和LED，近幾年在市場需求節能環保的情況下，LED背光源已經成為市場的主流，顯示器發出的光亮度不屬于強光，其發出的光為一般可見光，經過太陽能光電感應裝置，實際量測到的感應電壓幅度值為0.35V，接收到的電信號太弱，故不采用太陽能光電感應方案，以免影響測試的準確性。對于光敏電阻、光敏二極管和光敏三級管方案可以增加放大器來應用;但為了回路運用簡單，選擇光敏芯片方案。因為一般可見光波長為380～780nm，而一般人的眼睛可以感知的可見光波長為400～700nm，正常視力的人眼對于波長約為555nm的光最為敏感，所以盡量選擇一顆IC的接收波長范圍與之相接近;同時輸出的電壓幅度相對較高，無需增加放大回路。通過查找元器件資料庫，選用PDIC17-55C光電轉換IC，如圖6 IC方塊圖和圖7 IC感應波長與人眼感知可見光波長的比較圖。

圖6 PDIC17-55C方塊圖

圖7 IC接收波長比較圖

IC主要規格參數如下：

IC供電Vcc：1.8～5.5V

IC輸出電流Iout：0～5mA

IC輸出電壓Vout：4.2V（Vout=Vcc-0.8，Vcc=5V，Lux=100）

IC工作響應時間：Tr典型值為0.36ms;Tf典型值為1.13ms

IC感應波長：如圖7所示。

工作環境溫度：-40～85℃

光敏IC應用線路圖如圖8所示。

電阻R值設定分析：從輸出電壓VS流明圖中可以看出，R值越大，隨著外部亮度增強輸出電壓越早的達到輸出電壓的上限值（Vcc-0.8），可以從圖9中看出，Vcc=3V，R=75K，流明=40時輸出電壓即達到輸出電壓上限值Voutmax=Vcc-0.8=2.2V，對應的從供電電流VS流明圖可以查到40流明時對應的供電電流為Ivcc=30uA，而從PDIC-55C的內部結構圖可以看出，當輸出端負載阻抗很大時（量測電壓所用探頭阻抗為10M），供電電流Ivcc基本等同于流經電阻R的電流Ir，而Vout=Ir*R=0.00003*75000=2.25V。所以實際測試時為讓PDIC17-55C感應到透過眼鏡的弱光線也有最大電壓輸出，方便偵測。經使用流明儀量測，當眼鏡與顯示屏成55°時，測試區自然光透過眼鏡的亮度約為50流明，對應電流Iout=35uA，Vcc=5，所以R=（5-0.8）/0.000035=120K，再增加一點裕度，而電阻又不能太大，否則過于對光線過于靈敏，會誤判，最終選電阻R=150K。

Vcc（PDIC17-55C）=5V（5V電源適配器供電）

C=10uF

R=150Kohm

Vout=4.2V

LED背光源的電流驅動IC，調節背光的工作頻率范圍在100Hz～10KHz。

圖8 光敏IC應用線路圖

圖9

圖10 光感應板實物圖

8.制作測試屏蔽盒子

如圖10所示，將3D眼鏡和光敏芯片光電感應器放置在盒子內，盒子一側挖兩個小眼孔，分別對應3D眼鏡的左右眼;將眼鏡左右鏡片緊貼于盒子的左右眼，使得盒子上的眼孔不要留有空隙，避免外界的光線不通過3D眼鏡的鏡片而是從左右眼孔的縫隙照進盒子內，引起光電感應裝置誤判。同時在光電感應裝置與3D眼鏡間放置一塊紙板隔離，紙板對應3D眼鏡的左右鏡片分別挖孔，好讓透過鏡片的光線照射到光電感應裝置上，加一層紙板隔離的目的也是為了進一步遮蔽外界干擾光線，以及左眼鏡的光線干擾到右眼鏡后面的光傳感器，或右眼鏡的光線干擾到左眼鏡后面的光傳感器，防止因為測試治具影響到實驗量測波形的準確性，影響判定。最后將光電感應裝置的白黑兩根導線引出盒子外，用示波器探頭勾取后連接到示波器，量測光轉化為電的信號電壓。量測3D眼鏡左眼開關信號時則將光電感應裝置至于紙板左眼眼孔處，量測3D眼鏡右眼開關信號時則將光電感應裝置至于紙板右眼眼孔處。內部涂黑處理，吸收光的反射和折射。

圖11 3D眼鏡光線屏蔽盒

9.測試量取

3D顯示器軟體設計控制圖像的開關時序規則如下：

開（On）：3D Enable→Glasses→BLU

關（Off）：BLU→Glasses→3D Enable

3D控制信號量測點位如圖12所示。

圖12 3D控制信號量測點位示意圖

圖13 實際量測圖

圖14 實際量測波形

3D Enable信號：量測信號接收處理模塊與3D信號處理模塊之間的3D Connecter，找到對應的3D Enable Pin腳，用示波器探頭連接測試，讀取此點位的電壓高低;

Panel背光開關信號：在背光控制模塊中找到控制背光開關的控制Pin腳，用示波器探頭連接測試，讀取此點位的電壓高低;

3D眼鏡控制開關信號：在眼鏡后方放置光電感應裝置（Light sensor），光電感應裝置感應到眼鏡打開后透過來的光轉化為電壓，用示波器探頭連接測試，讀取此點位的電壓高低。

作者簡介：周洋（1980—），男，湖北宜昌人，大學本科，工程師，現供職于福建捷聯電子有限公司研發處設計驗證部。