陳兆林

（意法半導體研發(fā)（深圳）有限公司 DTV技術中心，廣東 深圳 518057）

3D電影《阿凡達》的上映，在全球范圍內(nèi)掀起了立體顯示技術的熱潮。隨著這股熱潮的不斷升級，歐洲、美國、日本及韓國的企業(yè)紛紛加入3D產(chǎn)業(yè)行列，加大對3D產(chǎn)業(yè)的投資力度。從3D信號源的采集、制作、測試、播放，到3D信號處理、顯示，各種3D相關產(chǎn)品如雨后春筍般紛紛面世。面對這樣千載難逢的商機，眾多彩電廠商自然不甘落后，也爭先恐后地高調(diào)推出各自的3D顯示電視。經(jīng)過近兩年時間的市場培育與推廣，到2011年底，3D電視已經(jīng)取得了突破性發(fā)展，3D電視成為2011年液晶電視市場中最熱門的話題之一。據(jù)DisplaySearch數(shù)據(jù)顯示，2011年全球3D液晶電視面板出貨量已達到2 150萬片。

1 常見3D液晶電視顯示方式對比

目前，家電市場上在售的3D液晶電視主要有偏光式與快門式兩種[1]。偏光式3D電視需要采用貼有偏光膜的液晶面板，并配戴對應的偏光眼鏡，該方案中液晶面板的成本較高，眼鏡則比較簡單?？扉T式3D電視需要采用可支持120 Hz顯示的液晶面板，并配戴左右鏡片可獨立開關的眼鏡，該方案中液晶面板的成本較低，而眼鏡則稍微復雜，需要由電子元件來控制鏡片開關。

比較而言，偏光式3D液晶電視的優(yōu)點是亮度損失少、無閃爍、幾乎無重影，缺點是垂直清晰度減半、成本高；快門式3D液晶體電視的優(yōu)點是垂直清晰度無損失、成本低，缺點是可能有重影、閃爍、亮度偏低。

總的來說，兩種方案中，快門式3D液晶電視具有更高的性價比。由于快門式3D電視所采用的液晶屏技術成熟，無須改動，采用快門式3D顯示方案，可以縮短研發(fā)周期，快速將產(chǎn)品推向市場。2010年最先在消費電子市場上推出3D液晶電視的三星公司就是采用了快門式顯示方案。

2 快門式3D液晶體電視顯示原理

2.1 原理分析

快門式3D顯示技術是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（120 Hz）交替地在液晶屏幕上顯示，通過配戴左右同步開關的眼鏡（Active Shutter Glasses），使人的左眼和右眼分別看到對應的圖像，經(jīng)過觀看者大腦內(nèi)部的融合，從而產(chǎn)生具有視覺景深的立體圖像[2]，如圖1所示。

2.2 產(chǎn)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睛觀看同步，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(chǎn)生帶有重影的圖像，從而無法正確再現(xiàn)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液晶電視很容易產(chǎn)生重影現(xiàn)象。因此，在快門式3D液晶電視的設計過程中，如何消除顯示圖像的重影，是產(chǎn)品設計人員面臨的一大難點。

圖1只是快門式3D顯示的示意圖。實際上由于液晶電視顯示圖像時，圖像內(nèi)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(nèi)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，由于眼睛可以同時看到部分的左圖和右圖，將會在視覺中產(chǎn)生明顯的重影。液晶電視圖像刷新的過程如圖2所示。

另外，由于液晶狀態(tài)的改變需要響應時間，在顯示屏幕的最下部，即使數(shù)據(jù)已經(jīng)刷新完成，圖像也還需要一定的響應時間才能呈現(xiàn)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(xiàn)象。

3 消除快門式重影的方法

3.1 增加幀消隱時間

從圖2中可以看到，標準的一幀顯示周期中，幀消隱時間只有0.333 ms左右。根據(jù)上文對重影原因的分析，快門式眼鏡只能在消隱期間打開一個鏡片，而在其他時間里左右兩個鏡片必須完全關閉，那么配戴眼鏡后觀看到的圖像亮度必將大大降低。因此，為了使實際觀看到的圖像有足夠的亮度而又不至于產(chǎn)生明顯的重影，自然想到的方法就是盡量延長鏡片的開啟窗口，也就是要盡量增加顯示過程中的幀消隱時間。

因此，在3D液晶電視設計中，增加幀消隱時間是提高圖像顯示亮度、消除圖像顯示重影的有效措施。以標準的1 080p顯示方式為例，幀總行數(shù)為1 125，有效圖像行數(shù)為1 080，幀消隱行數(shù)為45，如果在圖像刷新結束后再打開鏡片，則鏡片的開啟窗口只占整個顯示周期的5%左右，單眼看到的圖像亮度將僅為未配戴眼鏡時看到的圖像亮度的2.5%左右。如果將幀總行數(shù)設計為1 524，有效圖像行數(shù)保持為1 080不變，則幀消隱行數(shù)為444（等于1 524減1 080），幀消隱時間可達到整個顯示周期的30%左右。在這種情況下，單眼看到的圖像亮度可達到原始圖像亮度的15%左右。盡管從理論上講，幀消隱時間越長越好，但是幀消隱時間越長，圖像傳輸和顯示所要求的像素時鐘也就越高。而系統(tǒng)輸出的像素時鐘和顯示屏能夠支持的像素時鐘都是有上限的，因此，幀消隱時間并不能增加得太多。在實際方案設計中，建議幀消隱時間達到30%以上即可。經(jīng)過增加幀消隱時間設計后，快門式3D液晶電視的顯示時序如圖3所示。

3.2 使用OverDrive（過激勵）

采用增加幀消隱時間的方法，可以較大程度地減輕3D顯示時的重影，但是并不能完全消除重影。這是因為受限于電視芯片與屏的處理能力，幀消隱時間并不能增加得太多。以圖3中的設計為例，即使幀總行數(shù)達到1 524行后，幀消隱時間也才為2.5 ms左右。就現(xiàn)有的液晶屏技術而言，液晶顯示屏的響應時間一般在4～8 ms，顯然是超過2.5 ms的。也就是說，無論如何調(diào)節(jié)鏡片的開啟窗口，當鏡片打開時，總是有一部分圖像還沒有響應結束，導致看到前1幀圖像的殘影，即重影。

通常，在液晶屏規(guī)格書里給出的響應時間是指信號在不同的灰度等級之間轉換所需的平均響應時間。而實際上，信號在不同的灰階之間轉換所需的響應時間是不同的，一般說來，信號之間的電平差越大，所需的響應時

在實際觀看3D電視節(jié)目時，電視圖像信號是有可能在各種不同的灰階之間變化的，有的變化需要的響應時間短，有的變化需要的響應時間長。所需的響應時間越長，看到的重影就越明顯。因此，可以根據(jù)液晶電平差越大響應時間越短的特點，人為地加大相鄰兩幀圖像之間像素刷新的電平差，從而達到縮短響應時間、減輕圖像重影的目的。這種以增加激勵電平（即電壓差）來縮短液晶的平均響應時間的功能，就是液晶顯示器中具有的Over-Drive功能。

通過使用OverDrive，可以將液晶在不同的灰階之間變化時所需的響應時間變得比較一致，都變得比較短。經(jīng)過OverDrive處理后，液晶在不同灰階之間的響應時間如圖5所示。間就越短。典型的液晶屏在不同灰階之間的響應時間如圖4所示。

可以看到，通過采用OverDrive處理之后，液晶在不同灰階之間的響應時間都有不同程度的縮短。因此，觀看3D圖像時，圖像重影現(xiàn)象可以得到進一步的減輕。

3.3 采用240 Hz幀刷新頻率

在標準的1 080p/120 Hz顯示時序中，圖像刷新所占的時間大約為8 ms，消隱時間約為0.333 ms。即使如圖3所示，將每幀的總行數(shù)增加到1 524后，圖像刷新仍需要5.9 ms左右，而鏡片的開啟窗口只有2.5 ms左右。能否進一步縮短圖像的刷新時間，同時又延長鏡片的開啟窗口呢？研究表明，采用240 Hz的幀刷新頻率就可以做到這一點。在刷新率為240 Hz的3D液晶電視方案中，可以采用重復幀的顯示方式，將來自信號源的左右圖像以“左左右右”的方式在屏幕上顯示出來。由于液晶顯示具有“刷新——保持”的特點，“左左右右”的顯示方式相當于是一幀刷新左圖，一幀保持左圖，然后再一幀刷新右圖，一幀保持右圖。這樣一來，圖像的刷新在一個幀周期中就可以完成，大約只需要4 ms。而在保持幀周期中由于屏幕上的圖像內(nèi)容保持不變，整個幀時間都可以用來打開鏡片觀看圖像，也就是說，鏡片的開啟窗口可達到4 ms以上。采用240 Hz幀刷新率設計的快門式3D液晶電視的顯示時序如圖6所示。

在采用240 Hz幀刷新率設計的快門式3D液晶電視方案中，由于圖像刷新的時間得到縮短，相當于是加快了液晶顯示的響應時間，使得快門式3D重影的問題得到了很好的解決，在實際觀看3D節(jié)目時，已幾乎看不到重影現(xiàn)象。

3.4 控制LED背光上下分步點亮

雖然采用240 Hz設計快門式3D液晶電視，可以很好地解決3D顯示的重影問題，但是，240 Hz的幀刷新率要求電視芯片與液晶屏具備更高速度的像素時鐘，這無疑

在圖7所示的設計方案中，圖像仍然是按照120 Hz進行處理顯示。不同的是，電視的LED背光不再是一直亮著，而是在每個幀周期中，按照精確的時間間隔被點亮兩次，相當于以240 Hz的頻率工作。通過適當?shù)卣{(diào)整LED背光的起亮點與關閉點，可以確保上下兩部分圖像都有足夠的刷新等待時間，從而消除3D顯示時的重影現(xiàn)象。另外，由于LED背光采用了開關工作方式，在每次點亮時，LED背光只被持續(xù)點亮1.3 ms左右，所以在LED背光點亮時，可以采用更大的工作電流以提高實際觀看到的圖像亮度。假如在普通顯示模式時，每串LED的工作電流為120 mA，則采用圖7所示的開關工作方式，每串LED的工作電流可提高到360 mA，3D顯示模式下觀看到的圖像亮度可以達到2D圖像亮度的50%左右。所以通過精確地控制LED背光的工作方式，不僅可以有效地消除顯示重影，還可以極大地提高圖像顯示的亮度。

4 快門式3D液晶體電視重影的檢測方法

從上文討論可知，重影是影響快門式3D液晶電視性能的主要因素。在設計快門式3D電視過程中，可以用普通的3D信源來檢測重影的輕重，也可以采用特別設計的圖卡來檢測重影。采用特別設計的圖卡來檢測重影，可以使檢測不受不同3D信源內(nèi)容上差異的影響，得到的檢測結果更加客觀標準，從而更具有可比性。專門設計的用于檢測3D液晶電視顯示重影的測試卡如圖8所示。

圖8所示的測試卡在3D模式顯示且不戴快門眼鏡時，屏幕上看到的圖像如圖9所示。

在做3D電視的重影檢測時，將如圖8所示的測試卡通過圖片播放器的HDMI接口送入電視中，作為左右格會增加系統(tǒng)的復雜度與成本。那么能否在120 Hz的3D液晶電視上實現(xiàn)類似240 Hz的效果呢？

從上文分析中可知，快門式3D液晶電視產(chǎn)生重影的主要原因是液晶顯示的逐行刷新方式與液晶的響應時間。在圖2所示120 Hz的3D液晶電視方案中，圖像從屏幕頂部第一行開始，逐行地刷新到屏幕底部最后一行，大約需要8 ms時間。當刷新結束，鏡片打開后，屏幕的上半部分已經(jīng)完全呈現(xiàn)為當前幀的內(nèi)容，而屏幕的下半部分，由于液晶響應還沒有結束，所以仍能看到前一幀圖像的殘影，越是靠近屏幕底部，殘影越重，即重影越明顯?？梢栽O想，如果在打開鏡片時，只觀看圖像的上半部分，則完全看不到重影。液晶顯示屏是由背光燈發(fā)光，通過電壓控制液晶單元透光或不透光來呈現(xiàn)圖像的。如果關閉背光燈，則不管液晶單元處于何種狀態(tài)，屏幕都將呈現(xiàn)為黑色。因此，在方案設計時，可以利用LED背光響應時間極短，可即時開關的特點，選用LED背光液晶顯示屏，通過控制LED背光，將圖像分為上下兩半部分來顯示[3]。在屏幕的上半部分圖像刷新結束約4 ms之后，點亮屏幕的上半部分背光燈一段時間，此時可以看到當前幀的上半部分圖像；然后，在屏幕的下半部分圖像刷新結束約4 ms之后，再點亮屏幕的下半部分背光燈一段時間，此時可以看到前一幀的下半部分圖像。由于視覺暫留效應，先后看到的兩個半幅圖像相當于一幅完整的圖像。因為從刷新完數(shù)據(jù)到觀看到圖像，中間總是有4 ms左右的時間間隔，這段時間足夠液晶來完成數(shù)據(jù)響應，所以將看不到顯示重影。圖7是帶有LED背光控制的快門式3D電視顯示時序。式的3D信號源，并按3D模式顯示在屏幕上。檢測者戴上快門式眼鏡，首先閉上右眼，只用左眼觀測圖像的A，B兩行，理想狀態(tài)下看到的圖像應該如圖8的左半部分，在白色與黑色的兩個橫條上沒有可見的介于黑白顏色之間的方塊。如果有重影存在，則將在白色與黑色的兩個橫條上看到灰色的方塊，可見的灰色方塊越多，則說明3D顯示的重影越重。然后，再閉上左眼，只用右眼觀測圖像的C，D兩行，可以按同樣的方式檢測圖像的重影情況。

綜上所述，在快門式3D液晶電視設計過程中，通過增加幀消隱時間，啟用OverDrive功能，以及將LED背光分為上下兩組以開關方式交替點亮等措施，可以有效地消除3D顯示重影，從而產(chǎn)生逼真的立體顯示效果。同時，采用本文中圖8所示的3D電視重影檢測卡，可以在設計過程中有效地檢測3D顯示時圖像的重影情況，便于設計人員調(diào)整相關的顯示參數(shù)，以達到最佳的顯示狀態(tài)。

[1]張兆楊，安平，張之江，等.發(fā)展3DTV需解決的技術及其應用趨勢[J].電視技術，2010，34（6）：4-6.

[2]楊宇，郭遠航，沈縈華.3D電視節(jié)目的防眩暈拍攝技術研究[J].電視技術，2011，35（8）:54-57.

[3]楊杰，劉衛(wèi)東，喬明勝.快門眼鏡式3D液晶顯示3D效果優(yōu)化方法[J].現(xiàn)代顯示，2011（8）:16-19.