全面解析液晶显示器的抗拖影技术
佚名
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。
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t1～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85Hz。
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。
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—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—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—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。
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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(1ms=10-3s)的数量级，而CRT显示器的响应时间一般只有微秒(1μs=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
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 Data Insertion)，又或者是插黑技术(Black Insertion)；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 MotionAccelerator，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 Backlight)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—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，必须保证背光的闪烁驱动与液晶显示的数据写入驱动能够完全同步。此外，背光闪烁技术要求背光源一直处于闪烁状态，从控制的方便性以及使用寿命方面考虑，这项技术更适合采用LED(发光二极管)为背光源的液晶显示面板。
背光扫描技术的实现原理
背光扫描技术与背光闪烁技术的基本思路是相仿的，但背光扫描技术的具体实现方法是在液晶显示的背光系统中增加了灯管的数量，全部灯管并不是同时开关闪烁，而是从上向下依次轮流发光和熄灭，如图11所示。
显然，背光扫描技术的工作模式更接近于CRT显示器的扫描方式。背光扫描技术要比背光闪烁更复杂一些，增加灯管的数量就意味着必须改变背光模块的结构，此外还必须确保液晶面板的数据写入驱动与背光闪烁扫描驱动之间更严格的时序同步，这就需要增加更为复杂的同步处理电路，因此其实现成本相对也就会高一些。
背光扫描技术的同步处理系统：时序控制器T-Con(Timing Controller)是这个系统中的核心部件，它以输入视频信号中的同步信号为基准，生成液晶面板的源驱动器、栅驱动器以及背光驱动器所需的同步控制脉冲，这些脉冲信号要十分准确地控制栅驱动器、源驱动器以及背光驱动器之间在时间顺序上的同步操作
与背光闪烁技术类似，背光扫描技术也面临着灯管使用寿命的挑战，因此背光扫描技术更多意义上只有等LED背光技术普及之后才能进入大规模的推广。对于现在的冷阴极灯管技术来说，背光闪烁或者背光扫描无疑是一场梦魇。
与拖影过招之三：旧瓶装新酒，帧插补倍频技术想单挑大梁
与插黑技术相似，帧插补倍频技术(Frame Interpolation and Doubling Frequency)也是在原有视频图像的基础上，每两帧画面之间插入一个中间帧；换句话说就是将原来的帧率提高一倍，60Hz→120Hz。所不同的是，插入帧并不是全黑的图像，而是介于两帧画面之间的“过渡图像”，这样每帧画面的持续时间缩短为以前的二分之一，便可以有效降低每帧画面对人视觉系统的持续作用时间，从而减少拖影，提供更流畅的运动图像。
与插黑技术相比，帧插补倍频技术要通过适当的运动估算机制和各种处理电路生成所需插补中间帧的图像数据，并且还要进行图像信号的倍频化处理等工作，所以从实现原理上来讲要比插黑技术复杂得多。但帧插补倍频技术却不会像插黑那样容易造成闪烁感，以及主观亮度上的明显下降，所以现在多用在一些高端的液晶电视机产品中。
表面上看起来帧插补倍频技术似乎只是将液晶显示的速度加倍而已，但其实里面包含了两方面的含义：其一、在显示器方面减少每一帧画面对眼睛的作用时间；其二、从人的生理特征上改善主观画面对拖影的影响。
与拖影过招之四：另辟蹊径，神奇的运动补偿反转滤波技术
如果给前面介绍的几种抗拖影技术加上一个形容词，“中规中矩”肯定比较合适。下面介绍的这种技术，就显得比较另类了，它就是运动补偿反转滤波技术(Motion Compensated Inverse Filtering，MCIF)。
从实现原理上来说，运动补偿反转滤波技术与其它几种技术有着明显的不同，它没有采用仿脉冲驱动或者仿扫描显示的模式，而是通过对图像信息频域中常用的空间频谱进行分析与处理来解决拖影问题。需要大家注意的是，一般意义上的频率是指时间频率，用来度量信号随时间周期性变化的特性，而空间频率则用来描述图像中光分布随空间位置周期性变化的特性，空间频谱分析和处理技术就是对构成图像信号的各种空间频率成分进行数据分析和处理，从而实现对图像信息的处理。
从空间频谱分析的角度来看，液晶显示设备与我们的视觉系统共同组成了一种与空间位置变化有关的滤波系统，也就是一种空间滤波系统。拖影所导致的运动模糊现象实际上就是这种空间滤波系统对图像信号产生的一种与运动相关的低通滤波效应(Low-pass Filtering Effect)，即观看者只感知到了图像中空间频率较低的信息成份(运动物体的轮廓)，而空间频率较高的信息(运动细节)则被过滤掉了，所以观看者看到的只是模糊的运动图像。因此，要消减液晶显示器的运动拖影现象，可以利用某种有效的运动图像空间频谱数据分析与处理算法，并增加相应的反转滤波装置来抵消或校正上述的空间低通滤波效应，从而实现对运动图像的补偿，这就是运动补偿反转滤波技术的基本原理。
运动补偿反转滤波电路的基本结构：外部输入的视频信号首先被传送到运动估算单元中，通过对图像中运动矢量的检测、分析和处理，获得相应的空间滤波系数等信息；在高空间频率增强滤波电路中，根据刚才得到的空间滤波系数对其它空间频率数据进行补偿运算，最后将经过补偿的信号与原始视频信号进行混合，最终输出补偿后的图像
从运动拖影现象的一般规律来看，图像中运动物体的速度越快，其所造成的拖影模糊现象就越严重，这说明我们所感觉到的这种拖影与运动物体的速度快慢存在一定的函数关系。运动补偿反转滤波技术的实现就是利用图像的运动矢量估算出图像中运动物体的速度，然后依据空间滤波特性与运动速度之间的函数关系，采用适当的算法，将运动速度估算数据转换为对应的空间滤波系数，最后根据这些滤波系数控制滤波电路对图像中较高空间频率的信息进行适当的补偿。
结束语
现在液晶电视机和液晶显示器已经成为平板显示器市场上的主力产品，但是现有的设备对于未来的高清晰电视或者高保真游戏应用而言，仍然存在很多不尽如人意的地方，比方说拖影问题。但是从另一个方面来看，说明今后一段时间液晶技术可改进的余地还很大。本文中只是简单介绍了目前已经出现的几种抗拖影技术，从技术的复杂性来说有简有繁，实现成本也有高有低，但是它们的目的是一致的，那就是降低拖影现象对人主观感觉的影响。
不同技术的组合往往会产生不同的效果，例如BenQ的AMA Z引擎、日立的Flexible BI Technology等采用的是插黑技术，Philips-LG的ClearLCD Technology中采用的是背光扫描技术，Toshiba的FrameBooster属于帧插补倍频技术，而Philips的Enhanced TV则应用了Digital Natural Motion 帧插补倍频技术及运动补偿反转滤波技术。在全面了解这些抗拖影技术的特点之后，将有助于我们根据需要，更加理性地选择适合自己使用的液晶显示产品。