针对高清液晶电视的响应时间补偿算法设计与实现陈善军Word文档格式.docx

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Withthedevelopmentofhigh-definitionLCDTVtothebigscreen,highresolutionfullcolordisplay,theimagequalityrequirementsofLCDdisplayisincreased.ButtheslowresponsetimeofLCDwillresultinlowerimagequality,the“imagesticking”,“tail”phenomenonofliquidcrystaldisplayisresultfromthelongresponsetime.ReducetheresponsetimeontheLCDdisplayisimportant.HowtoreducetheresponsetimeofLCDisanimportantresearchsubjectinappliedtheLCDtolargescreenTV.Therehasbeenalotofthisresearchinthisareaandfromdifferentstartingpointsputforwardalotofimprovementtechniques.Inthispaper,weusetheover-drivenprocessingtoprocessthedatafamestoreducetheresponsetimeandimprovetheimagequality.

GraytograyresponsetimeisthetimetheLCDunitrequiredfortheinputsignaltransitionfromonegrayleveltoanothergrayvalue,thatis,thetimetheliquidcrystalcellrequiredforchangeitsarrangementofmoleculefromonestatetoanotherstate,whichreflectstheresponserateoftheinputsingaloftheLCDpixel,theresponsetimeisthesmallerthebetter.Theprincipleisapplyingvoltagetoliquidcrystalmolecules,maketheliquidcrystalmoleculestwistorrecovery.Oftensaidof25ms,16msaretheresponsetimes,theshorterresponsetime,therewillbenotaildragfeelingwhentheuserlookingatthedynamicscreen.Generally,wedividetheblackandwhiteresponsetimeintotwoparts:

therisetimeandfalltime,generally,risetimeandfalltimearedifferent.

Keywords:

responsetime,over-drive,LCD

第一章绪论

1.1应用背景

在现在的显示器市场上，液晶显示器（LCD,LiquidCrystalDisplay）凭借其体积小，功耗低等特点已经逐渐取代传统的CRT显示器，占领了大部分显示器市场，由下图可以看出，LCD显示器与CRT显示器相比在市场上所占比例越来越大。

图1.1液晶电视的市场需求增长趋势

对于高清液晶电视而言，视频画面显示质量往往是消费者关心的一个重要指标。

而视频画面显示质量又与液晶显示器的响应时间紧密相关，由于在LCD面板中形成像素的液晶体的响应时间相对较慢，所以当TV显示大量的活动图像时存在“残像”、“拖尾”的现象，使画面看上去不流畅。

现在液晶电视向大屏幕，高分辨率全色显示方向发展，人们对视频画面显示质量要求也越来越高，降低液晶显示器的响应时间成为急需解决的问题。

用于防止由于响应时间慢而导致的液晶面板残留图像保持的最常用的方法是在用于驱动液晶面板的源驱动器中适当地预处理图像，通过预处理图像来降低液晶显示器的响应时间。

本文设计和实现了预处理图像的算法。

1.2研究现状

目前，国内外已有多种成熟并且切实可行的技术来降低液晶显示器的响应时间。

李墺铉等人在参考文献[2]中介绍了用于测量液晶的响应时间的方法和装置。

根据控制液晶显示板的温度产生液晶驱动信号，通过改变液晶显示板的温度来确定基于温度的调至数据，还公开了采用上述方法的用于驱动液晶显示器的方法和装置。

朴硕俊等人在参考文献[7]中提出了运用一个加速单元对输入的数据进行预处理，然后在将处理的数据输出，使得相对于具有极其大或小的灰度值的图像数据来说改善液晶体的响应时间成为可能。

RichardI.McCartney在参考文献[4]中提出一种面向液晶显示器的改善响应时间的算法，该算法可以使液晶显示器的响应时间降低。

赵鸿欣等人在参考文献[5]中提出了一个自动系统，根据液晶显示器的运动图像响应时间（MPRT）递归搜索最优的OD查找表，并讨论了由运动边缘模糊和箱运动模糊引起的不同的运动图像响应时间指标对OD查找表的最优化加工的性能的影响。

因为本次设计主要是面向液晶显示器，采用了补偿响应时间的一种算法过驱动算法来降低液晶体的响应时间。

其采取的处理方法为：

对输入图像的相邻两帧的灰度级进行比较，将当前帧图像的数据进行预处理，降低液晶体的响应时间。

1.3主要工作

针对高清液晶面板的响应时间不够快的问题，本文实现了两种过驱动算法。

考虑到面向硬件实现，本文阐述了软件实现和硬件实现的不同之处，并且对已实现的算法分别提出了一些要改进的地方。

另外，本文还提出了采用该算法处理可能产生的一些问题，并且给出了切实可行的解决方案。

1.采用双线性插值的过驱动算法：

通过对不同的灰阶组合在查找表中取出4个值进行插值处理，将插值得到的结果替代目标灰阶。

但是这种插值需要每次插值都需要访问4次查找表，每次插值都需要4个值，这将给硬件实现增加负担。

针对这些问题，本文又提出了改进的算法。

2.采用三角插值的过驱动算法：

三角插值针对双线性插值的缺点进行了改进。

三角插值只需要3个值，所以每次插值只需要访问3次查找表，这个硬件实现带来了方便。

3.针对硬件实现的优化。

因为本次设计实际应用时是采用硬件实现，所以针对查找表的存储提出了分区域存储，减小存储的代价。

1.4论文组织

这篇论文正文共包含七章:

第一章为绪论部分；

第二章介绍液晶显示器的构造、特性和显示原理，并由此引出响应时间在液晶显示器领域的概念。

在此基础上详细阐述过驱动算法的实现原理；

第三章详细阐述了过驱动算法及其实现；

第四章针对第三章算法提出了一种改进的过驱动算法；

第五章阐述了部分未来仍需努力的工作方向；

第六章为全文总结。

最后为参考文献、致谢和附录。

第二章算法实现原理

本章将着重介绍液晶显示器的构造、特性和显示原理，并由此引出响应时间在液晶显示器领域的概念。

在此基础上详细阐述过驱动算法的实现原理。

2.1液晶显示器概述

液晶显示器（LCD）英文全称为LiquidCrystalDisplay，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。

和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。

由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。

对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。

LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。

一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。

完全没有辐射的优点，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。

体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的，一般一台15寸LCD显示器的耗电量也就相当于17寸纯平CRT显示器的三分之一。

目前相比CRT显示器，LCD显示器图像质量仍不够完善。

色彩表现和饱和度LCD显示器都在不同程度上输给了CRT显示器，而且液晶显示器的响应时间也比CRT显示器长，当画面静止的时候还可以，一旦用于玩游戏、看影碟这些画面更新速度块而剧烈的显示时，液晶显示器的弱点就暴露出来了，画面延迟会产生重影、脱尾等现象，严重影响显示质量。

2.2液晶显示器的显示原理

液晶的物理特性是：

当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；

不通电时排列混乱，阻止光线通过。

让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。

如图2-1所示，液晶面板主要是由两块无钠玻璃夹着一个由偏光板、液晶层和彩色滤光片构成的夹层所组成。

偏光板、彩色滤光片决定了有多少光可以通过以及生成何种颜色的光线。

液晶被灌在两个制作精良的平面之间构成液晶层，这两个平面上列有许多沟槽，单独平面上的沟槽都是平行的，但是这两个平行的平面上的沟槽却是互相垂直的。

简单的说就是后面的平面上的沟槽是纵向排列的话，那么前面的平面就是横向排列的。

位于两个平面间液晶分子的排列会形成一个Z轴向90度的逐渐扭曲状态。

背光光源即灯管发出的光线通过液晶显示屏背面的背光板和反光膜，产生均匀的背光光线，这些光线通过后层会被液晶进行Z轴向的扭曲，从而能够通过前层平面。

如果给液晶层加电压将会产生一个电场，液晶分子就会重新排列，光线无法扭转从而不能通过前层平面，以此来阻断光线。

图2-1液晶显示器面板构造图

从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。

LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。

因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。

液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。

在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。

在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。

当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

2.3过驱动算法的实现原理

图2-3上升响应时间计算

灰阶响应时间，也就是GTG（GreyToGrey）。

说到灰阶响应时间，首先来看一下什么是灰阶。

我们看到液晶屏幕上的每一个点，即一个像素，它都是由红、绿、蓝（RGB）三个子像素组成的，要实现画面色彩的变化，就必须对RGB三个子像素分别做出不同的明暗度的控制，以“调配”出不同的色彩。

这中间明暗度的层次越多，所能够呈现的画面效果也就越细腻。

以8bit的面板为例，它能表现出256个亮度层次（2的8次方），我们就称之为256灰阶。

由于液晶分子的转动，LCD屏幕上每个点由前一种色彩过渡到后一种色彩的变化，这会有一个时间的过程，也就是我们通常所说的响应时间。

因为每一个像素点不同灰阶之间的转换过程，是长短不一、错综复杂的，很难用一个客观的尺度来进行表示。

因此，传统的关于液晶响应时间的定义，试图以液晶分子由全黑到全白之间的转换速度作为液晶面板的响应时间。

由于液晶分子“由黑到白”与“由白到黑”的转换速度并不是完全一致的，为了能够尽量有意义的标示出液晶面板的反应速度，传统的响应时间的定义，基本以“黑—白—黑”全程响应时间作为标准。

但是当我们玩游戏或看电影时，屏幕内容不可能只是做最黑与最白之间的切换，而是五颜六色的多彩画面，或深浅不同的层次变化，这些都是在做灰阶间的转换。

事实上，液晶分子转换速度及扭转角度由施加电压的大小来决定。

从全黑到全白液晶分子面临最大的扭转角度，需施以较大的电压，此时液晶分子扭转速度较快。

但涉及到不同不同明暗的灰度切换，实现起来就困难了，并且日常在显示器上看到的所有图像，都是灰阶变化的结果，因此黑白响应的测量方式已经不能正确的表达出实际的意义，为此，灰阶响应时间的概念就顺应而出了。

图2-2GTG上升过渡响应时间直方图

灰阶响应时间是指液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间（其原理是在液晶分子内施加电压，使液晶分子扭转与恢复），响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。

一般将响应时间分为两个部分：

上升时间（Risetime）和下降时间（Falltime），而表示时以两者之和为准。

CRT显示器中，只要电子束击打荧光粉立刻就能发光，而辉光残留时间极短，因此传统CRT显示器反应时间仅为1~3ms。

所以，反应时间在CRT显示器中一般不会被人们提及。

而由于液晶显示器是利用液晶分子扭转控制光的通断，而液晶分子的扭转需要一个过程，所以液晶显示器的反应时间要明显长于CRT。

从早期的25ms到大家熟知的16ms再到最近刚刚出现的12ms，反应时间被不断缩短，液晶显示器不适合娱乐的陈旧观念正在受到巨大挑战。

可以先做一个简单的换算：

30毫秒=1/0.030=每秒钟显示33帧画面；

25毫秒=1/0.025=每秒钟显示40帧画面；

16毫秒=1/0.016=每秒钟显示63帧画面；

12毫秒=1/0.012=每秒钟显示83帧画面。

可以看出12ms的诞生意味着液晶制造的一个巨大进步。

但要注意的是，液晶显示器都有一个扫描频率的限制，特别是对于场频（又称刷新率），很多都限制在75Hz以下，而就一般概念而言，75Hz意味着一秒刷新75帧画面，这样看上去就达不到12ms对应的每秒83帧画面了。

实际上，我们上面所说的12ms反应时间是针对全黑和全白画面之间切换所需要的时间，这种全白全黑画面的切换所需的驱动电压是比较高的，所以切换速度比较快，可以达到12ms；

而实际应用中大多数都是灰阶画面的切换（其实质是液晶不完全扭转，不完全透光），所需的驱动电压比较低，故切换速度相对较慢。

所以综合起来，在灰阶画面下75Hz的刷新率已经可以满足12ms液晶面板的需求了。

当液晶从一个灰度级过渡到另一个灰度级时，是通过一个驱动电压使液晶单元从一种分子排列状态转换到另一种分子排列状态的过程，针对不同的灰度级组合，驱动电压大小是不一样的，施加在液晶上的驱动电压是和灰度级直之间的差值大小成正比关系的。

当灰度级相差较大时施加在液晶体上的驱动电压就高，液晶的翻转速度就越快，使得液晶单元的响应时间也就越快。

同样，当灰度级相差较小时施加在液晶体上的驱动电压就低，液晶的翻转速度也相应变慢，使得液晶的响应时间也就变慢了。

从图2-2也可以看出，当从0灰度级到255灰度级时，比从0灰度级到32灰度级的响应时间低得多。

过驱动算法的工作原理就是将输入图像各像素点的灰度级进行预处理，进而改变灰度转换时的驱动电压，降低液晶显示器响应时间。

图2-3液晶显示器过驱动处理单元框图

如上图所示，表存储单元存着预先测量好的实验数据，这些数据是在进行过驱动处理过程中所需要的数据。

过驱动算法就是将输入的图像数据的前一帧Pn-1和当前帧Pn在过驱动处理单元中通过一系列比较处理，然后从表存储单元里面取出需要的值然后通过插值计算得到目标灰度值用以代替当前帧Pn进行输出，即Po，同时将输出当前帧Pn存储到帧存储单元，作为下一帧的前一帧。

第三章针对高清液晶电视的过驱动算法

本章主要阐述了一种针对高清液晶电视响应时间补偿的算法-----过驱动算法。

该算法的主要思想是对输入的图像帧的相邻两帧（前一帧和当前帧）的数据进行比较并进行插值处理，对图像数据进行一个预处理。

通过过驱动算法处理，每一帧输入图像将会产生一帧输出图像，使液晶显示器的响应时间降低。

3.1算法流程图

处理流程图如下图所示：

图3-1算法处理流程图

在整个算法的处理流程中，需要对图像数据的读取、写出和色彩空间转换，以及在对灰度值进行插值处理时，需要用到插值的函数，将在后面分别进行说明，其中，图像数据的读取和写出见附录4。

3.2图像数据色彩空间转换

对于输入的彩色图像，常用的是RGB色彩空间，真彩图采用的是24位实现方法,也就是红绿蓝每个通道有8位即256色阶。

因此在本算法中，需要对色彩空间进行转换，即将输入图像的色彩空间从RGB转到YUV，其转换公式为：

（3-1）

转换过后，对YUV色彩空间中的Y分量进行插值，插值完成后，再将图像数据从YUV色彩空间转换回RGB色彩空间，转换公式为：

（3-2）

3.3双线性插值方法

双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。

假如我们想得到未知函数f在点P=（x,y）的值，假设我们已知函数f在Q11=（x1,y1）、Q12=（x1,y2）,Q21=（x2,y1）以及Q22=（x2,y2）四个点的值。

图3-2双线性插值示意图

首先在x方向进行线性插值，得到

其中

（3-3）

（3-4）

然后在y方向进行线性插值，得到

（3-5）

这样就得到所要的结果f（x,y）,

（3-6）

如果选择一个坐标系统使得f的四个已知点坐标分别为（0,0）、（0,1）、（1,0）、（1,1），那么插值公式就可以简化为：

（3-7）

或者用矩阵运算表示为：

（3-8）

与这种插值方法名称不同的是，这种插值方法并不是线性的，它的形式是：

（3-9）

它是两个线性函数的乘积。

另外，插值也可以表示为

（3-10）

在这两种情况下，常数的数目都对应于给定的f的数据点数目。

线性插值的结果与插值的顺序无关。

首先进行y方向的插值，然后进行x方向的插值，所得到的结果是一样的。

3.4详细处理过程

1）对于输入的图像数据帧，提取相邻的两帧进行数据读取，将图像数据存储在*pColorTable1和*pColorTable2中；

2）用上面的转换公式将存储的数据从RGB色彩空间转换到YUV空间；

3）然后针对每一像素的两帧数据的Y分量进行比较，比较结果可能有以下两种处理方法：

一是两帧Y分量值相同，则不进行处理；

二是两帧Y分量不同时，将两帧的Y分量的值分别对灰度间隔求整和求余得到i,j,x,y的值。

然后在查找表（查找表详见附录4）中查找出对应于坐标（i,j）、（i+1,j）、（i,j+1）、（i+1,j+1）四个点的值；

图3-3以目标灰阶166和原始灰阶85为例的双线性插值在查找表中取值

4）通过双线性插值计算出过驱动值OD，并用OD代替目标灰度值；

5）将处理过后的数据从YUV色彩空间转换回RGB空间；

6）如果一帧处理完成则输出图像，否则循环执行步骤3。

3.5代码实现

过驱动算法部分主要代码及解释见附录1。

3.6PSNR的计算

峰值信噪比（PSNR），一种评价图像的客观标准。

通常在经过影像压缩之后，输出的影像通常都会有某种程度与原始影像不一样。

为了衡量经过处理后的影像品质，我们通常会参考PSNR值来认定某个处理程序够不够令人满意。

它是原图像与处理图像之间均方误差相对于（2^n-1）^2的对数值（信号最大值的平方，n是每个采样值的比特数），它的单位是dB。

公式如下：

（3-11）

其中

（3-12）

其中，MSE是原图像与处理图像之间均方误差。

PSNR的单位为dB。

所以PSNR值越大，就代表失真越少。

因为硬件方面的限制，不能测量图像帧之间的响应时间，所以只能从处理后的图像的失真度以及其他方面进行比较。

3.7测试效果

以下是一组高清测试图的效果对比：

图3-4测试图组的第一帧图片

图3-5测试图组的第二帧图片

图3-6处理后的第二帧图片

通过对比，可以很明显的看出处理后的第二帧图片将第一帧图中将变暗的地方补偿了暗度，将变亮的地方补偿了亮度。

这将使液晶响应第二帧（处理后的第二帧图像）的时间将会有所降低。

通过处理前后的第二帧图片的对比计算，得出处理后的图片的峰值信噪比为27.299743db。

图3-7双线性插值灰度值补偿曲线图，横坐标为目标灰度值，纵坐标为补偿的灰度值

从图中可以看出，这一族曲线显示了将输出灰度作为当前灰度的功能。

请注意，如果响应时间没有改善（即液晶的反应速度不够快），所有的曲线都会落在从左下角到右上角的那条对角线上。

在这个图中，中心对角线两侧的数据不对称说明了灰度到灰度的上升过渡响应时间和下降过渡响应时间是不同的，结合图2-2（GTG上升过渡响应时间直方图）可以看出，通过插值计算后，响应时间得到了降低。

注意标注GL255的那条曲线，这表示当原始灰度值是255时，如果目前灰度值低于112，0灰度值将会被用来代替目标灰度值。

这表示这个液晶如果要从全亮到半亮或者更暗，需要最大的下驱动以最大限度的提高响应时间。

对于高清液晶电视来说，双线性插值也存在一些不足，每一次插值都需要访问4次查找表，因为高清液晶电视每一帧数据的数