快门式3D液晶电视重影消除研究

陈兆林

（意法半导体研发（深圳）有限公司 DTV技术中心，广东 深圳 518057）

3D电影《阿凡达》的上映，在全球范围内掀起了立体显示技术的热潮。随着这股热潮的不断升级，欧洲、美国、日本及韩国的企业纷纷加入3D产业行列，加大对3D产业的投资力度。从3D信号源的采集、制作、测试、播放，到3D信号处理、显示，各种3D相关产品如雨后春笋般纷纷面世。面对这样千载难逢的商机，众多彩电厂商自然不甘落后，也争先恐后地高调推出各自的3D显示电视。经过近两年时间的市场培育与推广，到2011年底，3D电视已经取得了突破性发展，3D电视成为2011年液晶电视市场中最热门的话题之一。据DisplaySearch数据显示，2011年全球3D液晶电视面板出货量已达到2 150万片。

1 常见3D液晶电视显示方式对比

目前，家电市场上在售的3D液晶电视主要有偏光式与快门式两种[1]。偏光式3D电视需要采用贴有偏光膜的液晶面板，并配戴对应的偏光眼镜，该方案中液晶面板的成本较高，眼镜则比较简单。快门式3D电视需要采用可支持120 Hz显示的液晶面板，并配戴左右镜片可独立开关的眼镜，该方案中液晶面板的成本较低，而眼镜则稍微复杂，需要由电子元件来控制镜片开关。

比较而言，偏光式3D液晶电视的优点是亮度损失少、无闪烁、几乎无重影，缺点是垂直清晰度减半、成本高；快门式3D液晶体电视的优点是垂直清晰度无损失、成本低，缺点是可能有重影、闪烁、亮度偏低。

总的来说，两种方案中，快门式3D液晶电视具有更高的性价比。由于快门式3D电视所采用的液晶屏技术成熟，无须改动，采用快门式3D显示方案，可以缩短研发周期，快速将产品推向市场。2010年最先在消费电子市场上推出3D液晶电视的三星公司就是采用了快门式显示方案。

2 快门式3D液晶体电视显示原理

2.1 原理分析

快门式3D显示技术是利用人眼的视觉暂留原理与视差原理，将左右两幅稍有差异的画面以很高的频率（120 Hz）交替地在液晶屏幕上显示，通过配戴左右同步开关的眼镜（Active Shutter Glasses），使人的左眼和右眼分别看到对应的图像，经过观看者大脑内部的融合，从而产生具有视觉景深的立体图像[2]，如图1所示。

2.2 产生重影的原因

快门式3D显示技术的关键是要求图像显示与眼睛观看同步，即左眼只能看到显示的左幅图像，右眼只能看到显示的右幅图像。否则，在人的视觉中就会产生带有重影的图像，从而无法正确再现图像的立体效果。然而由于液晶显示的扫描方式与液晶固有的响应时间问题，如果在设计过程中不采取特别的措施，快门式3D液晶电视很容易产生重影现象。因此，在快门式3D液晶电视的设计过程中，如何消除显示图像的重影，是产品设计人员面临的一大难点。

图1只是快门式3D显示的示意图。实际上由于液晶电视显示图像时，图像内容是从上到下一行一行刷新的，在图像刷新过程中的任一时刻，屏幕上都存在着相邻两帧的图像内容。因此，快门式眼镜中的一个镜片并不能在整个显示周期间一直打开，而只能在消隐期间打开。否则，由于眼睛可以同时看到部分的左图和右图，将会在视觉中产生明显的重影。液晶电视图像刷新的过程如图2所示。

另外，由于液晶状态的改变需要响应时间，在显示屏幕的最下部，即使数据已经刷新完成，图像也还需要一定的响应时间才能呈现出来，此时如果立即打开镜片，仍然会看到前一帧图像的部分残影。因此在图像刷新结束后，还需要一段等待时间，才能控制对应的镜片打开。否则，也会导致重影现象。

3 消除快门式重影的方法

3.1 增加帧消隐时间

从图2中可以看到，标准的一帧显示周期中，帧消隐时间只有0.333 ms左右。根据上文对重影原因的分析，快门式眼镜只能在消隐期间打开一个镜片，而在其他时间里左右两个镜片必须完全关闭，那么配戴眼镜后观看到的图像亮度必将大大降低。因此，为了使实际观看到的图像有足够的亮度而又不至于产生明显的重影，自然想到的方法就是尽量延长镜片的开启窗口，也就是要尽量增加显示过程中的帧消隐时间。

因此，在3D液晶电视设计中，增加帧消隐时间是提高图像显示亮度、消除图像显示重影的有效措施。以标准的1 080p显示方式为例，帧总行数为1 125，有效图像行数为1 080，帧消隐行数为45，如果在图像刷新结束后再打开镜片，则镜片的开启窗口只占整个显示周期的5%左右，单眼看到的图像亮度将仅为未配戴眼镜时看到的图像亮度的2.5%左右。如果将帧总行数设计为1 524，有效图像行数保持为1 080不变，则帧消隐行数为444（等于1 524减1 080），帧消隐时间可达到整个显示周期的30%左右。在这种情况下，单眼看到的图像亮度可达到原始图像亮度的15%左右。尽管从理论上讲，帧消隐时间越长越好，但是帧消隐时间越长，图像传输和显示所要求的像素时钟也就越高。而系统输出的像素时钟和显示屏能够支持的像素时钟都是有上限的，因此，帧消隐时间并不能增加得太多。在实际方案设计中，建议帧消隐时间达到30%以上即可。经过增加帧消隐时间设计后，快门式3D液晶电视的显示时序如图3所示。

3.2 使用OverDrive（过激励）

采用增加帧消隐时间的方法，可以较大程度地减轻3D显示时的重影，但是并不能完全消除重影。这是因为受限于电视芯片与屏的处理能力，帧消隐时间并不能增加得太多。以图3中的设计为例，即使帧总行数达到1 524行后，帧消隐时间也才为2.5 ms左右。就现有的液晶屏技术而言，液晶显示屏的响应时间一般在4～8 ms，显然是超过2.5 ms的。也就是说，无论如何调节镜片的开启窗口，当镜片打开时，总是有一部分图像还没有响应结束，导致看到前1帧图像的残影，即重影。

通常，在液晶屏规格书里给出的响应时间是指信号在不同的灰度等级之间转换所需的平均响应时间。而实际上，信号在不同的灰阶之间转换所需的响应时间是不同的，一般说来，信号之间的电平差越大，所需的响应时

在实际观看3D电视节目时，电视图像信号是有可能在各种不同的灰阶之间变化的，有的变化需要的响应时间短，有的变化需要的响应时间长。所需的响应时间越长，看到的重影就越明显。因此，可以根据液晶电平差越大响应时间越短的特点，人为地加大相邻两帧图像之间像素刷新的电平差，从而达到缩短响应时间、减轻图像重影的目的。这种以增加激励电平（即电压差）来缩短液晶的平均响应时间的功能，就是液晶显示器中具有的Over-Drive功能。

通过使用OverDrive，可以将液晶在不同的灰阶之间变化时所需的响应时间变得比较一致，都变得比较短。经过OverDrive处理后，液晶在不同灰阶之间的响应时间如图5所示。间就越短。典型的液晶屏在不同灰阶之间的响应时间如图4所示。

可以看到，通过采用OverDrive处理之后，液晶在不同灰阶之间的响应时间都有不同程度的缩短。因此，观看3D图像时，图像重影现象可以得到进一步的减轻。

3.3 采用240 Hz帧刷新频率

在标准的1 080p/120 Hz显示时序中，图像刷新所占的时间大约为8 ms，消隐时间约为0.333 ms。即使如图3所示，将每帧的总行数增加到1 524后，图像刷新仍需要5.9 ms左右，而镜片的开启窗口只有2.5 ms左右。能否进一步缩短图像的刷新时间，同时又延长镜片的开启窗口呢？研究表明，采用240 Hz的帧刷新频率就可以做到这一点。在刷新率为240 Hz的3D液晶电视方案中，可以采用重复帧的显示方式，将来自信号源的左右图像以“左左右右”的方式在屏幕上显示出来。由于液晶显示具有“刷新——保持”的特点，“左左右右”的显示方式相当于是一帧刷新左图，一帧保持左图，然后再一帧刷新右图，一帧保持右图。这样一来，图像的刷新在一个帧周期中就可以完成，大约只需要4 ms。而在保持帧周期中由于屏幕上的图像内容保持不变，整个帧时间都可以用来打开镜片观看图像，也就是说，镜片的开启窗口可达到4 ms以上。采用240 Hz帧刷新率设计的快门式3D液晶电视的显示时序如图6所示。

在采用240 Hz帧刷新率设计的快门式3D液晶电视方案中，由于图像刷新的时间得到缩短，相当于是加快了液晶显示的响应时间，使得快门式3D重影的问题得到了很好的解决，在实际观看3D节目时，已几乎看不到重影现象。

3.4 控制LED背光上下分步点亮

虽然采用240 Hz设计快门式3D液晶电视，可以很好地解决3D显示的重影问题，但是，240 Hz的帧刷新率要求电视芯片与液晶屏具备更高速度的像素时钟，这无疑

在图7所示的设计方案中，图像仍然是按照120 Hz进行处理显示。不同的是，电视的LED背光不再是一直亮着，而是在每个帧周期中，按照精确的时间间隔被点亮两次，相当于以240 Hz的频率工作。通过适当地调整LED背光的起亮点与关闭点，可以确保上下两部分图像都有足够的刷新等待时间，从而消除3D显示时的重影现象。另外，由于LED背光采用了开关工作方式，在每次点亮时，LED背光只被持续点亮1.3 ms左右，所以在LED背光点亮时，可以采用更大的工作电流以提高实际观看到的图像亮度。假如在普通显示模式时，每串LED的工作电流为120 mA，则采用图7所示的开关工作方式，每串LED的工作电流可提高到360 mA，3D显示模式下观看到的图像亮度可以达到2D图像亮度的50%左右。所以通过精确地控制LED背光的工作方式，不仅可以有效地消除显示重影，还可以极大地提高图像显示的亮度。

4 快门式3D液晶体电视重影的检测方法

从上文讨论可知，重影是影响快门式3D液晶电视性能的主要因素。在设计快门式3D电视过程中，可以用普通的3D信源来检测重影的轻重，也可以采用特别设计的图卡来检测重影。采用特别设计的图卡来检测重影，可以使检测不受不同3D信源内容上差异的影响，得到的检测结果更加客观标准，从而更具有可比性。专门设计的用于检测3D液晶电视显示重影的测试卡如图8所示。

图8所示的测试卡在3D模式显示且不戴快门眼镜时，屏幕上看到的图像如图9所示。

在做3D电视的重影检测时，将如图8所示的测试卡通过图片播放器的HDMI接口送入电视中，作为左右格会增加系统的复杂度与成本。那么能否在120 Hz的3D液晶电视上实现类似240 Hz的效果呢？

从上文分析中可知，快门式3D液晶电视产生重影的主要原因是液晶显示的逐行刷新方式与液晶的响应时间。在图2所示120 Hz的3D液晶电视方案中，图像从屏幕顶部第一行开始，逐行地刷新到屏幕底部最后一行，大约需要8 ms时间。当刷新结束，镜片打开后，屏幕的上半部分已经完全呈现为当前帧的内容，而屏幕的下半部分，由于液晶响应还没有结束，所以仍能看到前一帧图像的残影，越是靠近屏幕底部，残影越重，即重影越明显。可以设想，如果在打开镜片时，只观看图像的上半部分，则完全看不到重影。液晶显示屏是由背光灯发光，通过电压控制液晶单元透光或不透光来呈现图像的。如果关闭背光灯，则不管液晶单元处于何种状态，屏幕都将呈现为黑色。因此，在方案设计时，可以利用LED背光响应时间极短，可即时开关的特点，选用LED背光液晶显示屏，通过控制LED背光，将图像分为上下两半部分来显示[3]。在屏幕的上半部分图像刷新结束约4 ms之后，点亮屏幕的上半部分背光灯一段时间，此时可以看到当前帧的上半部分图像；然后，在屏幕的下半部分图像刷新结束约4 ms之后，再点亮屏幕的下半部分背光灯一段时间，此时可以看到前一帧的下半部分图像。由于视觉暂留效应，先后看到的两个半幅图像相当于一幅完整的图像。因为从刷新完数据到观看到图像，中间总是有4 ms左右的时间间隔，这段时间足够液晶来完成数据响应，所以将看不到显示重影。图7是带有LED背光控制的快门式3D电视显示时序。式的3D信号源，并按3D模式显示在屏幕上。检测者戴上快门式眼镜，首先闭上右眼，只用左眼观测图像的A，B两行，理想状态下看到的图像应该如图8的左半部分，在白色与黑色的两个横条上没有可见的介于黑白颜色之间的方块。如果有重影存在，则将在白色与黑色的两个横条上看到灰色的方块，可见的灰色方块越多，则说明3D显示的重影越重。然后，再闭上左眼，只用右眼观测图像的C，D两行，可以按同样的方式检测图像的重影情况。

综上所述，在快门式3D液晶电视设计过程中，通过增加帧消隐时间，启用OverDrive功能，以及将LED背光分为上下两组以开关方式交替点亮等措施，可以有效地消除3D显示重影，从而产生逼真的立体显示效果。同时，采用本文中图8所示的3D电视重影检测卡，可以在设计过程中有效地检测3D显示时图像的重影情况，便于设计人员调整相关的显示参数，以达到最佳的显示状态。

[1]张兆杨，安平，张之江，等.发展3DTV需解决的技术及其应用趋势[J].电视技术，2010，34（6）：4-6.

[2]杨宇，郭远航，沈萦华.3D电视节目的防眩晕拍摄技术研究[J].电视技术，2011，35（8）:54-57.

[3]杨杰，刘卫东，乔明胜.快门眼镜式3D液晶显示3D效果优化方法[J].现代显示，2011（8）:16-19.