TFT-LCD显示运动图像的局限和解决方法

TFT-LCD技术的高度发展，已经并继续改变着现代社会人们的生活方式。TFT-LCD因其分辨率高，没有闪烁，体小量轻，没有用几年的时间便在计算机终端显示领域取代已经有百年历史的CRT显示的垄断地位，同时还创立了以笔记本电脑和手机为代表的新的移动显示应用领域。TFT-LCD在以字符和图表显示为主要目标的计算机终端显示领域取得的巨大成绩，大大鼓舞了LCD工作者向显示的最高领域——视频图像显示乃至高清晰度视频图像显示进军的信心。一段时间以来，小尺寸液晶电视从商场货架的角落里走了出来，开始了向CRT电视挑战的进程。现在100＂、84＂的全高清LCD电视样品已经问世， 32＂、37＂和42＂的液晶电视正越来越受到消费者的欢迎。

然而人们在赞赏液晶电视分辨率高，图像精细的同时，也发现了液晶电视在显示运动图像时会出现拖影和模糊的情形，这是显示视频图像所不能允许的。人们很容易联想到液晶材料响应速度不够高是引起模糊的主要原因。可是在把响应速度提到足够高以后，上述现象有了改善，但仍不能消除。人们才转而向更深入的方向进行研究。原来TFT-LCD工作在保持模式（Hold-Type）是产生运动图像模糊的重要原因。

TFT-LCD的保持模式及在显示运动图像方面的局限
无源LCD由于液晶像素的双向导通特性，动态矩阵选址时会出现串扰现象，扫描行数越多，串扰就越严重，因此无法实现大容量的信息显示。于是人们在每个像素上串入一个薄膜晶体管，用TFT的通断来控制像素的通断。TFT的串入使像素双向导通的特性变成了单向导通，矩阵选址的串扰消失了，扫描行数从理论上可以无穷多，可以实现大容量的信息显示。为了提高TFT-LCD的显示质量，人们往往在串入TFT的同时，还设计一个与液晶像素并联的存储电容CS，如图1所示，TFT打开时，信号电流给CS充电，在CS上形成一个与信号大小成正比的直流电压。在TFT关闭期间，CS上的电压在整个帧周期内基本保持不变，并驱动该像素始终保持在相应的开启状态。这就是所谓的“保持”型工作状态。存储电容CS的引入使TFT-LCD的占空比提高到１，其对比度和显示质量达到了静态驱动的水平，使得TFT-LCD很快在计算机终端显示上获得了巨大的成功。
TFT-LCD在显示运动图像时出现的问题，使人们不禁想起了CRT。为什么CRT在显示运动图像时没有类似的情况发生？经过仔细比较和深入研究发现，CRT是工作在脉冲（impulse）发光的工作模式，和TFT的保持模式有很大的不同。
进一步的研究表明，矩阵显示有以下几种显示形式：
逐点脉冲发光，如CRT。
逐行顺序显示，如无源LCD，无源OLED，FED等。
逐帧顺序显示（即帧保持模式），如TFT-LCD，有源OLED等。
子场显示，如PDP。

我们把CRT、PDP、TFT-LCD三种模式发光的情况示于图2。图2显示了某一个像素在一帧时间内发光随时间的分布。这三种情况下，人眼所感觉到的平均亮度是相同的，但不同的显示模式发光随时间的分布是不同的。CRT只在很短的时间内脉冲发光，LCD是在一帧的全部时间内平均发光。PDP则处于二者之间，只在某些子场持续的时间内有几个到几百个脉冲发光，按不同的灰度分布于一帧内不同的时间点上。

其实显示运动图像出现的图像质量下降的现象最先在PDP-TV上被发现，因为PDP比LCD较早进入了视频显示领域。最先提出TFT-LCD保持模式是产生运动图像模糊的原因并用实验验证的T.Kurita和T.Yamamoto先前都是研究降低PDP伪轮廓现象的。1998年日本NHK科学和技术研究实验室的T.Kurita首先提出了哪怕液晶材料的响应时间下降为零，具有保持型工作特性的TFT-LCD在显示运动图像时仍然会出现模糊现象的看法。紧接着T.Yamamoto设计了一套用仪器模拟人眼感知的设备，证实了T.Kurita的想法。从此降低运动图像模糊的研究进入了全新的领域。保持型显示产生运动图像模糊的问题，主要是因为人眼跟踪在屏幕上移动的物体时，看到的是一幅幅不同位置的图像在视网膜上积累所形成的图片。只要把图上的子场换成充满一帧的发光就可以，其结论也是相同的。

运动图像模糊的测量和定量评价方法
为了证实Kurita提出的TFT-LCD的保持型工作方式是产生运动图像模糊原因的看法，日立研究所的Yamamoto设计制作了一套可以模拟人眼积分效果的测量运动图像质量的装置。Yamamoto认为人眼所感知的运动图像是暂存的连续图像在和运动图像作同步移动的眼球上的积分，我们可以用暂存的分立图片在和运动图像作同步移动位置时的积分来重现。他所研制的时基图像积分测量系统（TIM）的方块图如图3所示，单幅黑条图像在LCD屏幕上以水平方向移动，它的宽度、移动速度和色彩都可以调节。用CCD拍摄不同时刻运动黑条的照片。因不人眼不能在1/300秒以内分辨物体亮度的变化，所以CCD拍照的频率要大于300Hz（即每帧至少拍5张），而且快门的速度要小于3ms。最后人眼感知的图像通过对不同时刻图像照片的积分，同时考虑人眼一定程度的跟随位移而得出。

TIM系统所得结果如图3所示，目标为白底上32像素宽度的黑条，每帧向右移动8个像素。可以看到：
黑条中间的黑度降低，也就是运动图像的动态对比度下降。
原来清晰的黑条前沿和后沿变成了一定宽度的模糊区域，这就是我们所关心的运动图像的模糊现象。为了能定量地研究模糊的程度，进一步观察A-A剖面的亮度分布。我们引入一个边缘模糊宽度（blurred-edge-width.BEW）的概念，它可以定义为边缘亮度变化在10％到90％之间的宽度。BEW显然和液晶材料的响应时间，TFT-LCD的保持时间，以及物体运动的速度有关。
Yamamoto得出几点结论：

对于慢速响应的LCD，BEW主要决定于液晶材料的响应速度和液晶像素的响应时间，若CLC«Cs，液晶像素响应较快。
对于响应速度快的LCD，BEW决定于TFT-LCD的保持特性，帧频提高，保持时间缩短，BEW成反比减少。
运动图像模糊的解决方法
运动图像模糊的解决方法是当前一项研究热点。人们用不同的方法研究和模拟人眼感知运动图像的情况。上节介绍的TIM系统是其中影响较大，为多数平板显示工作者接受的方法。这一方法为解决运动图像模糊问题奠定了良好的理论和实验基础。当前解决模糊问题主要从提高液晶像素的响应速度，改进TFT-LCD 所固有的保持特性，也就是模仿CRT的脉冲工作方式入手，已经取得了良好的效果。

1、提高液晶像素的响应速度
液晶像素的响应速度对运动图像的影响可以分为2种情况。若响应时间大于帧周期，则前后二帧的图像出现重叠，严重影响运动图像质量。若响应时间小于帧周期，则由于TFT的保持特性运动图像产生模糊现象。提高液晶像素的响应速度可以从以下几个方面入手：
从液晶材料的角度看，LC的粘度越低，它的响应速度就越快。LC的△ε越大，上升的响应速度越快。通过降低液晶材料的粘度和提高△ε，现在新型含氟液晶材料响应速度可以达到8ms以下。
从液晶盒设计的角度看，液晶材料的下降响应时间正比于盒厚的平方，即τf∝d2。减少盒厚可以有效地提高响应速度，但盒厚的降低影响到对比度，同时增加工艺难度。现在的盒厚最薄可以做到4µm左右。
从TFT像素设计的角度看，像素电容远远小于存储电容，即CLC«Cs，可以提高像素的响应速度。这已经是TFT阵列设计的一项准则。
从驱动的角度看，过驱动（over-drive）是提高响应速度的有效方法，如图4所示。液晶分子在响应外电场的作用改变其排列方向时需要能量。如果在上升沿和下降沿加上比正常驱动电源高一些的电压，则液晶分子在比较强大的电场作用下很快达到所要求的排列方式，从而缩短了响应时间。需要指出的是下降沿由于是一个无场或低场下的弛豫过程，它的响应时间往往比上升沿长，过驱动在这部分尤其有效。对于不同的TN、VA、IPS等液晶模式，在具体实施过驱动时还有一些不同的形式。
以上讨论的都是液晶从开到关的总的响应时间。其实在实际应用中不同灰度等级之间的转换（GtoG）更为重要。尤其在较暗的灰度等级之间转换，其时所加的电压较低，响应比较缓慢，必需予以特别重视。

2、改进TFT-LCD的保持特性
（1）提高帧频
提高帧频可以改善运动图像的效果在TIM系统中已经得到实验证实。它可以理解为缩短了 TFT的保持时间。如果帧频无穷大，它就成了脉冲显示。图5示出了在相同LC响应时间下提高帧频对模糊的改善情况。多家公司报道了用120Hz帧频对运动图像模糊的明显改善，到250Hz时可以完全消除模糊现象。但是提高帧频涉及整个显示系统的诸多问题，如：功耗，带宽，干扰等。代价较高，成本上升，大家都慎重采用。
（2）脉冲驱动（impulsedrive）
既然CRT脉冲显示的模式完全没有运动图像模糊的问题，人们自然会想，能不能在TFT-LCD的保持模式下摹仿或部分实现脉冲显示的方式，从而改善运动图像的质量呢？答案是肯定的。现在发展起来的多种驱动方式都根据这个思路而来，而且在不同程度上改善了运动图像的质量。是当前TFT-LCD驱动技术研究的热点。
A.背光源闪烁（blinkingbacklight）法
LCD是通过调制背光源的光来实现显示的，通常的LCD背光源是一直开着，连续发光。既然TFT-LCD的保持特性无法改变，如果控制背光源的发光，使它从连续发光变成只在一帧的某个时间段内发光，TFT的保持特性就有所改善，就有了些类似于脉冲发光的成分，则运动图像的模糊就可以明显改善。图6 示出了一组CCFL灯管在一帧的60％的时间内同时打开（占空比为60％），在余下的时间内同时关闭的情况。检测表明，在背光的占空比为70％以上时，运动图像质量的没有明显改善，而占空比50％~60％时效果明显，但占空比太小时容易产生闪烁（flicker）现象。图7示出了占空比为50％时运动图像质量的改善情况。
用背光源的闪烁来改善运动图像的质量，可能导致亮度的下降。但研究表明，由于背光源以一定的占空比工作，灯管表面温度降低，发光效率得到提高，如图 8所示。另一方面，还可以适当提高CCFL的工作电流以提高它的亮度，但一般认为50％的占空比还是会引起亮度的下降，60％的占空比是一个比较恰当的选择。
B．背光源扫描（scanningbacklight）法
除了控制背光源的占空比以外，控制背光源发光的相位也是有效的方法。图9示出了一种理想的避开液晶像素的上升和下降沿，在液晶像素完全开和完全关的相位上点亮背光源的方法。采用这种方法要求液晶的上升和下降时间之和小于2/3帧周期，即小于10ms，而背光只在后1/3帧周期的相位点亮。由于液晶像素的开启是屏面从上至下顺序的扫描的，用整个背光源闪烁的方法在全画面上实现这样的相位关系是不可能的。唯一的方法是背光源和显示屏同步扫描点亮，如图 10所示，可以基本上实现这样的相位关系。但是采用了背光源扫描以后，屏的亮度降低了。以上述1/3帧周期照亮而言，需要3倍的背光灯管才能补偿。有人建议用热阴极荧光灯(HCFL)，因为它的亮度比CCFL高不少，同时发光效率也高。
背光源扫描还容易引起图像的闪烁，尤其在大片亮场的区域。有人提出在一帧内增加一个光脉冲，二个光脉冲相隔半个帧周期，这就是双光脉冲扫描背光源。但双光脉冲扫描容易引起双边缘轮廓，可以根据图像的情况在双光脉冲扫描和单光脉冲扫描之间切换，以达到既消除图像的闪烁，又不产生双边缘轮廓的结果。
当然，无论是背光源闪烁，还是背光源扫描，LED背光是最好的选择，因为LED背光除了响应快，易控制外，它的色域宽，温度特性好，没有汞污染。但是目前LED背光成本还高，发热较多，均匀性还有待改进。相信几年以后LED背光将逐步进入商品领域。
C.插入黑场（Blackframeinsertion，BFI）法
插入黑场是从信号处理的角度模拟脉冲驱动的一种方法，如图11和图12所示，它在一帧的某一时段消除整个显示屏各像素的信号，成为一个黑场，从信号处理的角度缩短了TFT-LCD的保持时间，从而改善运动图像的质量。但是由于插入黑场时LCD的漏光现象，对比度会明显下降。如图13所示。控制插入的黑场小于帧周期的20％，可以使对比度下降不很明显。另一方面，黑场的插入使显示部分的每行扫描时间缩短，会大大增加对数据速率和带宽的要求，从而增加技术的难度和成本。黑场的插入会明显降低显示屏的亮度，有人建议插入和图像亮度平均值相应的灰场，以兼顾亮度和运动图像质量二个方面。

3、采用图像处理技术
图像处理技术可以在采用上述技术的基础上进一步缩小运动图像的模糊现象，采用的方法各异，效果也不尽相同。例如，通过预先计算出运动图像的位置，用内插值显示图像的准确位置，可以减少视网膜上感知图像的移动。另有运动补偿法，这里介绍一种正弦波调制法。通过对人眼感知运动物体的积分模拟的研究发现，如果对一个亮度均匀的物体，其亮度用正弦波进行调制，它的空间周期等于物体移动速度的值，那这个物体在以该速度运动时，它的模糊不容易被人所觉察，如图 14所示。图14还示出了背光不作闪烁和作50％闪烁的模拟结果。可见运动补偿法的效果还是比较明显的。

结论
由于TFT-LCD，包括其它使用TFT阵列的平板显示技术，是工作在保持型模式下，显示运动图像时出现模糊是不可避免的。通过提高液晶响应速度，采用脉冲驱动法改善TFT-LCD的保持特性，也就是缩短保持时间，可以在很大程度上减小模糊现象。综合采用这些方法已经可以使模糊现象达到人眼不易感知的程度。但这些方法大都比较复杂，有些还成本较高。随着显示向高清晰度方向发展，进一步提高运动图像质量的工作还会进一步深入发展，人们期待着有效，简单，低成本方法的进一步出现。
回想已经100年历史的CRT，它只用了8根引线和相应的电路就能扫出整个光栅和显示视频图像，而且没有运动图像的问题，真是感慨不已。感谢当今高度发展的电子技术和IC产业，没有它们的支持和配合，TFT-LCD的发展是很难想象的。

插入黑场是从信号处理的角度模拟脉冲驱动的一种方法