LCD显示器 [ＬＣＤ显示器过驱动技术和运动内插技术的新进展]
文章编号：1006-6268（2008）10-0008-08 摘要：介绍有关LCD显示器驱动技术的最新进展。 关键词：TFT-LCD；驱动技术；过驱动；运动内插
中图分类号：TN141文献标识码：B
The Progress of the Overdrive Techniqueand Motion Interpolation for LCD Displays
YING Gen-yu
(Dept. of Electronic Engineering of Tsinghua University，Beijing 100084,China)
Abstract: Introduce the newest progress of driving technique for LCD displays.
Keywords:TFT-LCD；driving technique；overdrive（OD）；motion interpolation
维持型显示和响应速度慢是LCD显示器产生运动伪像（motion artifacts）的原因。可采用过驱动(OD, over drive)技术解决LCD响应速度慢的问题，过驱动技术已能将液晶（LC）的响应时间降低到8ms或更短，但是如何正确选择过驱动电压的大小仍是一个较大的技术问题。过分的OD将使运动目标边缘产生亮、暗双边，即过驱动中的边缘伪像；不足的OD则使LC的响应时间不够短，引起运动图像模糊。即使LC的响应时间问题已完满的解决了，LCD的维持型显示特性和人眼对运动图像的自动跟踪特性之间的差别仍会使LCD在显示运动图像时产生一系列伪像。对于高分辨力大显示屏，运动伪像问题会变得严重。因此出现了一系列正确选择过驱动电压和降低维持时间（即积分时间），使LCD显示更接近于瞬态型显示的技术，以减轻运动伪像的生成。
1 优化过驱动查询表
过驱动（OD）技术已广泛用于LCD－TV中，但仍缺乏有效和系统的方法找出最佳的过驱动查询表（OD－LUT，overdrive look-up table）。至今OD－LUT仍依靠操作者凝视着屏，用手工调节来确定不同灰度等级之间变化所需的OD电压，这样做不但费时（几天至几周），而且不能保证控制质量。为此，台湾RZD技术公司开发出一个按照LCD的运动图像响应时间（MPRT）找出最佳OD－LUT的自动系统，其测量系统显示于图1。全部特殊的瞬态光学信号被MPRT分析器和OD－LUT优化器进行处理，计算出MPRT和灰阶反应时间(GLRT)后，估算出的OD－LUT被加载到GLRT校正平台（GVP，它能实时处理带OD－LUT的视频数据），并将OD视频数据送入LCD屏，几次反复以后，系统将会按MPRT规定的限制给出优化的OD－LUT。
在这个自动系统中，以MPRT达到最佳作为OD－LUT是否已被优化的标准。为此，对MPRT定义两个MPRT指数以表征动态图像质量和估计双边缘效应（参见图2）。第一个指数是归一化伪像边缘宽度（NBEW, normalized blur edge width），NBEW越小，则伪像越轻。用OD可以明显地减小NBEW。但NBEW过小时, OD引起的边缘效应明显。引入的第二个指数是由边缘效应强度（SEI, side-effect intensity）阈值所确定的边缘效应宽度（SEW, side-effect width），用于表征边缘效应。如图2所示，规定了上、下两个SEI阈值。美国VESA标准取110％为上阈值，-10％为下阈值。根据这两个指数，优化系统会自动地调整OD－LUT，使NBEW更短，而限定SEW在阈值之内。
优化过程是这样进行的：在开始处理时，先将初始的OD-LUT加载到GVP，LCD的动态图像质量得到改善，测量MPRT，求得其两个参数，按下列两个方程进行优化:
NBEW 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文
3.1 硬件结构的比较
用于帧内插高速驱动硬件基本上由两块电路板（PCP板）组成：电视机板和屏控制板。但是两块板中电路的组成则有多种不同方法，如图6所示。图中SOC（system on chip）是指电视机的许多功能块（包括各种输入接口、编码器、译码器、标量器、去隔行扫描器、图像处理器等）集成在一块芯片上；ME�MC是运动估值�运动补偿器；TCON是时序控制器；DDR是数据存储器。
在图6（a）和（b）中，ME�MC都安放在电视机PCB板中，在该板中由ME�MC完成帧倍频，所以是以100Hz�120 Hz帧频将信号送向屏控制板。因此需要两倍LVDS（低压差分）输出口，并需要两倍频带宽度的高速信号源。
图6（c）是为了解决内连接数倍�与辐射增加的问题而将ME�MC移到屏控制板上，是目前广泛采用的方法，与图6（a）和（b）相比，成本降低不多，内插帧性能也无改善。图6（d）是三星公司开发的新方案，也是将ME�MC安放在屏控制板中，但其特点是将ME�MC和TCON集成在一个芯片中，称该芯片为McFi。其优点是内连接简单、减少了存储器数量、硅片加工复杂性得到相对的平衡和可用常规的电视生产线进行组装与测试，所以是用于高性能ME�MC成本控制最有效的硬件结构方案。
3.2 运动估值方法的选择
表1综合了各种运动估值法，并就其主要性能进行了比较。表中包括了基于块的全面搜索（BBFS）、基于块的循环搜索（BBRS）、基于目标（OB）和相平面相关(PPC)四种方法。
选择算法是设计的关键。在选择算法时要同时考虑ME�MC引擎的安置处。如运动内插是发生在屏控制器中，由于屏不能控制音频流的延迟，ME�MC的迭代次数应该最少，以免视频流与音频流间的时间同步出现问题。如电视机用于运动比赛，则实时性很重要，必须严格控制迭代数。三星公司和AMD公司认为将McFi与PPC软件相配合是准确度、视频流延迟的最少帧数和可控算法复杂性之间的最佳组合。
相平面相关性（PPC, phase-plane correlation）算法介绍如下。
运动补偿-帧率补偿（MC-FRC, motion compensation-frame rate compensation）的关键是在每帧产出一个运动矢量，并以此矢量去产生内插帧。由此可见获得准确运动矢量的重要性，否则在内插帧中会出现众多的伪迹。
为了了解PPC，首先应了解BBFS估值法及其局限性。对于当前帧中每个像素或一小群像素，当前帧和下一帧的周围块（通常是8×8或16×16）在移方向是相关的，即可以从现帧中的像素去确定其在下帧中的位置，具有最大相关性的位移方向被选作该像素的运动矢量。相关性是通过计算与亮度和噪声有关的差值的绝对值和（SAD, sum of absolute difference）来表达。大亮度值的小百分比变化与小亮度值大百分比变化之间的差别是难以区分的。因此，BBFS不适用于MC-FRC。为了解决BBFS的局限性，PPC采用将大块在频域中用快速傅利哀变换法计算归一化相关性。这样做的优点是：对于较大搜索面积的计算也不复杂；归一化除去了亮度这个参量；平滑了数据；改善了对噪声的敏感性；计算收敛快以及只需一帧延时便可找到准确的运动矢量。存在的问题是频域中的处理方法不能获知时域中的信息，即当已找到一个特定面积中的运动矢量时，并不能知道如何分配给该面积中每个像素。将有选择的用BBFS获得相关性作为候选运动矢量可以解决此问题。
将上述McFi硬件和PPC软件相结合的方案能将NTSC 60Hz和PAL 50Hz视频以及电影转换成120Hz/100Hz的内插视频流，只有一个输入帧延迟，并且不会产生3：2下拉不稳定。由于其高质量和低成本，已可将此方案从只应用于旗舰级推广到主流LCD-TV。三星公司准备将此方案全面应用到其生产的LCD-TV屏上。
4 采用运动自适应交迭γ驱动法实现无闪烁的120Hz/100Hz帧频驱动
MC-FRC技术已被市场广泛接受，但其成本高；脉冲驱动技术虽然成本低，由于其产生双边缘效应和使亮度降低，至今未能进入主流应用。采用运动自适应交迭γ驱动（MA-AGD, motion adaptive- alternate gamma drive）技术可以解决亮度损失这个问题，因为它是使倍频后的两帧一帧较暗，另一帧较亮，结果平均亮度不损失。但是MA-AGD技术不可能完全消除脉冲驱动带来的闪烁增加。原则上讲，对于运动目标，闪烁不易被感知，而对于静像，特别是中等亮度的静像闪烁便成为大麻烦。若脉冲驱动应用于静像，由于亮度连续地大幅度跳变，更加重了闪烁现象。此外,若过驱动技术用于静像,与温度相关并且准确度较低的响应时间补偿会使图像质量变差,而提高计算精度会增加设备成本。实际上，维持型显示对静像不带来伪像，不需要进行缩短维持时间的驱动措施。因此，得出的结论是：脉冲驱动适合于运动图像，而维持型驱动更适合于静像，并可以得到高亮度。
4.1静像中的适时补偿(RTC)
RTC对于加速液晶响应十分有效。为了完成RTC功能需要存储一帧图像数据。为构建LUT，随机存储器(SRAM)所需的容量为2N×2N×3×N(bits)，其中N为每个原色的色深。在8 bits系统中，约需1.6M bits内存，这将占据ASIC设备中大量存储面积。因此，在大部分实际设备中普遍使用带有17×17 LUT的内插技术。对于静态图像，LUT不提供驱动增量，如图7(a)所示。而在脉冲驱动下，即使是静像，由于亮度被脉冲调制，LUT也在全部时间提供驱动增量，如图7(b)所示。
在常规驱动技术中，内插计算中尽管存在量化误差，由于只发生在图像数据变化的瞬间，而在下一帧中又快速返回原来图像，因此造成的伪像变是难以觉察的。如果脉冲驱动与不准确的RTC内插技术相结合，则在具有均匀灰度过渡区的图像中将产生块状伪像。而准确内插是很困难的，这一方面由于它与液晶的温度有关，另一方面LCD的最终亮度是决定于LC的动态特性，而非静态特性。这说明，对于静像或准静像最好采用如图7(a)所示的常规驱动技术，而不是图7(b)所示的脉冲驱动技术。
4.2运动自适应交迭γ驱动(MA-AGD)技术
运动自适应交迭γ驱动(MA-AGD)技术是只对运动图像采用脉冲驱动以减少运动伪像，伴生的闪烁效应则淹没在运动图像中不易被感知；而对于静像则仍采用常规的维持型显示，这样既不增加闪烁又保持亮度。
与MA-AGD驱动技术相配合，发展出一种只对运动图像施加脉冲驱动的算法。在此算法中，输入的图像的整体运动被连续地检测着。若检测到显著的运动，则采用交迭γ驱动（AGD）技术以减轻伪像，否则则不施加AGD技术。
这两种工作模式若是突然地过渡，则相继两帧不同模式间亮度的大变化会引起大面积的闪烁效应。因为整幅图像即使发生一个小的亮度变化，也是容易被感知的。为了避免这个严重的闪烁问题，在此设计中引入减轻电路，即当驱动模式切换时，AGD的强度是渐变的，如图8所示。
AGD的强度可被定义为│Δ++Δ-│，其中Δ+是输入数据Din,n的增量，Δ-是输入数据的减量。输出数据Dout,n如下式所示：
Dout,n = Din,n + (-1)n×Δ（d,n）
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 式中Δ（d,n）= Δ+ ，当n = 0,2,4…
= Δ- ，当n = 1,3,5…
其中n是帧数；d是数据值，Δ是增量值。
但是AGD的强度不是按照运动检测信号立刻变化，而是渐变的。加入模式间转换的渐变过程后，则须将上式改写为：
Dout,n = Din,n + (-1)n×C（m）×Δ（d,n）
式中Δ（d,n）= Δ+ ，当n = 0,2,4…
= Δ- ，当n = 1,3,5…
m是运动检测结果；C（m）是�益系数，在模式转变周期中从0变化到1。C（m）= 0，对应于AGD关闭,即AGD功能被傍路；而C（m）= 1，对应于AGD进入全强度模式。�益系数C（m）在检测到运动时�加，当运动停止时减少。只要�益系数步进（退）的步距足够小，使过渡发生在一个较长的时间周期内，则人眼不会感受到任何亮度变化。在设备中使用Δ（d,n）的预计算值可以减少硬件的复杂性。
图9（a）为AGD驱动中所使用的γ曲线例子.上曲线使奇(偶)帧更亮，下曲线使偶(奇)帧更暗，两组不同曲线以100Hz/120Hz的速率混合，产生常规显示器中所要求的γ曲线。图9（b）为被C（m）调制的γ曲线。
4.3 硬件的组成
硬件设备的数据流见图10。输入数据以两倍速率被再采样后具有100Hz/120Hz刷新率。奇、偶帧的处理分两条路线进行。从LUT可恢复Δ值，它对一路作为增量，对另一路作为减量。基于现帧和下一帧数据的运动检测和增益控制是分别进行的。嵌入的LUT值与原视频信号相加或相减以生成亮帧与暗帧，最后RTC块加速LC材料分子的响应速度，使其能在一帧时间完成所需的转动。两支视频处理路线逐帧交迭，使亮度也是逐帧交迭。
参考文献
[1]Hung-Xin Zhao etc.Overdrive LUT Optimization for LCD by Box Motion Blur Measurement and Gamma-Based Thresholding MethodSID 08 DIGESTpp.117-120
[2]Brain H. BerkeleyMotion Interpolation / Frame- Rate Compensation for LCD-TVSID 08 DIGESTpp.358-361
[3]Taesun Kim etc.Motion-Adaptive Alternating Gamma Drive for Flicker-Free Motion-Blur Reduction in 100/120 Hz LCD-TVSID 08 DIGESTpp.362-365
[4]Md. Obaej TareqA Novel Technique for Overdrive Extraction by Measuring Only Two Gray-to-Gray Response of Liquid Crystal DisplaySID 08 DIGESTpp.460-463
作者简介：应根裕（1935-），男，浙江宁波人，教授，1958年毕业于清华大学无线电系电真空专业，主要研究平板显示器件和技术、电子光学，E-mail：yinggy@mail.tsinghua.省略。
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文