国家广播电视产品质量监督检验中心:数字电视

[Abstract] According to the developing state of the liquid crystal display (LCD), and the imaging principle and the basic performance of the CRT and the LCD, bring up the assessment elements for the basic performance of the LCD.

[Key words] imaging principle; assessment element

1. 引言

　　液晶电视显示器发展前景广阔，无疑是未来彩色电视接收机主要显示设备之一。由于液晶电视显示器（以下简称：LCD）与传统阴极射线管电视显示器（以下简称：CRT）的发光原理的差异，导致伴随CRT彩色电视机发展建立起来的完整的显示器件的性能评价体系遇到了极大挑战。我们有必要认真研究如何评价LCD电视显示器才能更好地反映人们对LCD电视显示器观看效果的需求。

2. 液晶电视显示器的发展优势

　　近二十年来，随着人们对未来彩色电视机显示屏需求目标的不断修正，导致21世纪初彩色电视机新产品新型号层出不穷，目不暇接。究其原因，我们不难看出这样一个规律--消费者的需求是电视技术发展的动力和目标。

　　以这样的观点进行分析，主要有以下5个因素促使LCD电视显示器的迅速发展。

第一是“大”。消费者对大屏幕的不断追求导致电视机从9英寸黑白机和12英寸彩色机开始迅速发展，到目前为止，29、34英寸以上的大屏幕彩色电视机早已进入家庭，甚至超大屏幕背投影电视也一度成为市场热点。
第二是“平”。由于消费者对图像显示屏“弧度”的不满，经过球面、柱面直角和平面直角彩色电视机的技术过程，导致“纯平”彩色电视机的成熟。
第三是“薄”。消费者对彩色电视机越来越大的体积改进的愿望，导致了等离子彩色电视机及液晶彩色电视机的相继问世。
第四是“宽”。消费者对电视图像宽视野的热望导致16：9彩色电视机日趋成熟。
第五是“清晰”。这是对彩色电视机永恒的需求，促使“HDTV”一路走红。

　　经过数年来市场的激烈竞争，逼近这些需求的产品日渐清晰。几年前，CRT彩色电视机、等离子彩色电视机以及LCD彩色电视机初步形成了三足鼎立的态势，各有优势和缺憾，到目前为止，液晶彩色电视机的发展更为接近人们对彩色电视机的需求。

　　液晶电视显示器同时具有相对“大”、“平”、“薄”、“宽”、“轻”的优势，且具有易于克服闪烁、适合数字电视信号处理以及低能耗等优点。

3. LCD电视显示器与CRT电视显示器的成像原理

　　⑴ 液晶显示的基本工作原理

　　液晶是特定的一些介于固态和液态之间的特殊形态的特殊物质，是取向有序的流体。用于显示技术的液晶属于热致液晶，在一定温度范围内存在液晶的显示特性。一旦对液晶层施加电压，分子排列状态就发生变化。液晶显示器成像的基本原理是利用施加电压改变液晶分子取向，从而控制光经过不同的反射和透射屏造成光调制而成像。

　　目前的LCD电视显示器均为TFT（Thin Film Transistor）显示屏，即薄膜场效应晶体管显示屏。TFT型液晶显示器主要包括背光板（冷阴极荧光灯管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜）、液晶材料和薄模式晶体管等，每个像素都设有一个半导体通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶。

　　⑵LCD电视显示器的主要特点

图1 LCD光电特性示意图

　　图1中垂直坐标表示LCD的透光率，水平坐标表示外加电压。V1是阈值电压，V2是饱和电压。

　　首先，由LCD光电特性示意图可以看出：

当外加电压小于V1时透光率几乎没有变化，当施加电压大于V2时，透光率也几乎没有变化，只有在V1与V2之间能够用于图像显示。
激励信号与透光率存在非线性关系；
LCD显示器调暗难度较大；
调整LCD亮度将导致图像重现灰度的变化。

　　其次，由LCD的工作原理可以知道：

观看视角不同，将会引起再现图像对比度的变化；
LCD重现图像的彩色，与LCD光源以及滤色材料有着十分密切的关系。

　　另外，LCD显示器具有如下主要特点：

低压微功耗；
平板结构，几何失真小；
被动显示；
易彩色化；
长寿命；
无辐射、无污染；
显示视角小、响应速度慢。

　　⑶CRT电视显示器的基本原理

　　以荫罩式彩色显象管为例，CRT显示器的成像系统主要由荧光屏、荫罩、电子枪、玻壳以及偏转系统组成。荧光屏内壁涂有发光颜色分别为红、绿、蓝的荧光粉点，每一组三个红、绿、蓝荧光粉点排列形成一幅彩色图像中的一个彩色象素，像素分布在整个荧光屏上。CRT电视显示器的基本原理是由电子枪发出电子束，并利用电场正确导引电子束轰击荧光粉产生亮点。当显示器接收到图像信号时，电视机解调出的复合电视信号经过解码分解成三个基色电信号，这些视频信号的电压变量调制（呈现非线性特点）电子枪，激励电极形成电子束，通过行场定位扫描偏转和会聚处理，扫描激励荧光粉，使相应的荧光粉发出一定时间光亮。电子枪从屏幕的左上角开始向右方扫瞄，然后由上至下依序扫描下来，如此反复的扫瞄即构成我们看到的影像。用于彩色电视机的荧光粉余辉选择适中，大约为2毫秒。

　　由于这样的工作特点，决定了传统CRT彩色电视机显示部分的质量评价主要考虑信号处理、偏转会聚以及发光成像几个因素造成的图像损伤。

4. 基于液晶技术的电视显示器主要评价要素

　　综上所述，LCD电视显示屏与CRT电视显示屏的成像原理完全不同，造成了其基本特性存在明显相异，主要差别见下表：

特性	CRT	LCD
图像形成	由电子枪进行从左到右、从上到下的连续扫描	由场效应晶体管对每个像素进行单独控制
视角	好	较差，最大160度
亮度均匀性	好	较差
对比度	很好	较差，最大400:1
灰度级再现	好	较差
色彩	很好	好
几何失真	较大	无
响应时间	很快，一般为2ms	较慢，最快为8ms
闪烁	较大	很小
瑕疵	无	可能有

　　CRT电视显示器的客观性能评价要素由其所需的信号处理、偏转会聚以及发光成像特性决定，对于传统CRT彩色电视机的显示单元的质量水平行之有效。根据LCD电视显示器实现的技术原理，LCD电视显示器性能评价主要考虑适应LCD电视显示器要求的信号处理、发光成像两个主要因素。

　　⑴信号处理

　　信号处理部分的评价主要集中在对将连续的模拟电视信号转换成与逐点像素相对应的数字信号的技术水平的评价。基于扫描技术获取或者基于图像像素采样但最终以扫描技术传输的电视节目信号，在液晶电视显示器“同步”重现时需要把连续的电压量转换成离散的像素进行处理。传统的清晰度测量方法采用静止的清晰度测试图度量显示器的图像细节的重现能力，但是这种相对静止的传统测试方法不能真实地反映实际图像频谱在图像上分布的随机特性，因此简单地采用传统的CRT测试方法并不能真实反映液晶电视显示器重现图像细节的能力。

　　⑵物理格式

　　显示器件的物理格式是决定电视显示器能否达到清晰度技术要求的主要因素，信号处理的技术水平是辅助因素，两者构成了清晰度要求的充分必要条件。我国数字高清晰度电视传输主要采用1920×1080、16:9信号处理方式，因此采用1920×1080物理格式的显示器件是最经济最能体现高清晰度电视特点的技术手段。采用其他物理格式的显示器件，均有不同程度的损失，且损失程度与信号处理技术密切相关。基于数字电视传输形成的数字形式的电视信号，在信号处理时不进行格式变换，因此信号格式与显示器物理格式匹配与否就是清晰度损失的主要因素。

　　LCD电视显示屏常见的几何尺寸、物理格式见下表：

序号	屏幕尺寸(cm)	物理格式	屏幕宽高比
1	82	1280×768	16：9
2	76	1280×768	16：9
3	81	1366×768	16：9
4	43	1024×768	16：9
5	43	1280×768	16：9
6	51	640×480	16：9
7	48	1024×768	16：9
8	50	640×480	4：3
9	39	1024×768	4：3
10	43	1280×1024	4：3
11	51	640×480	4：3
12	45	1280×1024	4：3
13	48	1280×1024	4：3
14	43	640×480	4：3

　　LCD电视显示器的物理格式由像素点间的距离决定。与CRT显示器不同，LCD显示器像素点间的距离属于等间距排列方式。如物理分辨率为1280×768,说明该显示器水平方向上有1280个像素,垂直方向有768个像素点。由于技术原因，CRT显示器的中心点距密，四周点距稀,通常CRT制造商提供的点距为显示器最小(也就是中心)点距，虽然进行了会聚和电磁偏转的调整，还是会有一些几何失真。而LCD显示器全屏幕像素点间距处处相等,从而解决了CRT显示器在扫描重现画面时出现的非线性失真。

　　⑶清晰度（最佳分辨率）

　　LCD显示器属于"数字"显示方式，直接把模拟电视信号处理为带具体"地址"信息的显示信号,每个像素的色彩和亮度信息与屏幕上的像素点一一直接对应。因此，LCD显示器仅在图像源的像素数与LCD显示器物理分辨率相同时，画面质量才能达到最佳效果。当图像源的像素数高于显示器的物理分辨率时,图像源必须经处理后才能显示出来，像素不能一一对应,重现图像比较模糊。当图像源的像素数低于显示器的物理分辨率时，同样需要对信号进行处理。由于LCD显示器每一个像素都采用独立控制，信号处理电路必须决定每个像素的放大量，因此一定会造成图像画面严重失真，导致视觉上模糊和残缺的感觉。

　　⑷亮度和对比度

　　由于LCD显示器件电光转换的非线性特点，由LCD 光电特性示意图可以看出，电信号处理不能保证在曲线的线性区域和非线性区域始终保证重现景物的相对灰度级，也不能保证三种基色具有相同的电光转换曲线，因而，LCD显示器在不同亮度条件时的亮度对比度、各基色量的对比度对于LCD电视显示器是十分重要的参数。

　　⑸亮度均匀性

　　各种实验数据证明，目前大量LCD电视显示器的亮度存在着严重的不均匀的现象,中心的亮度和距离边框部分区域的亮度差别比较大，重现的灰度级也十分有限。

　　⑹可视角

　　LCD电视显示器在不同的角度观看的对比度和颜色差异较大。LCD电视显示器属于被动型液晶显示器,要靠背光灯提供光源。电压控制液晶体的偏转角度来"开关"光输出，导致只有一个最佳的观看角度。而在其他角度,因背光穿透相邻像素,造成颜色的失真和对比度变差。

　　⑺灰度级重现

　　重显图像的灰度级因LCD显示特点导致在不同亮度、不同视角条件下重现原始图像灰度级存在缺憾，有必要在进行LCD 电视显示器性能评价时引起足够的重视。

　　⑻响应时间

　　响应时间是指光输出对的输入信号的反应时间。在接受到驱动信号后从最终暗到最亮和从最亮到最暗的转换都需要一段时间，这在大屏幕LCD电视显示器上尤为突出。这项指标直接影响到对动态画面的还原。跟CRT显示器相比,液晶显示器由于过长的响应时间导致其在还原动态画面时有比较明显的拖尾现象，响应时间是目前液晶显示器尚待进一步改善的技术难关。具有一定市场占有率的液晶电视显示器的响应时间有30ms、25ms、16ms、12ms、8ms等，而典型的CRT电视显示器的响应时间为2ms。

　　⑼彩色重现能力

　　LCD电视显示器的色域覆盖率与CRT彩色电视显示器相比存在明显的缺陷。CRT显示出来的画面十分鲜艳、真实，而LCD则显得有些“假”，看上去没有CRT显示器的色彩自然。对于电视图像的显示终端，特别是高清晰度电视显示终端来说，色彩还原能力是消费者一个重要的关注点。

　　⑽瑕疵点

　　目前LCD电视显示器均为薄膜场效应晶体管（TFT）液晶平板显示器，显示器上的每一个像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动，可以“主动地”对屏幕上的各个独立的像素进行控制。由于TFT生产的难度大、对生产环境和原材料纯度要求极高，因此其成品中常见由于晶体管损坏或工作状态不稳定造成的瑕疵点。瑕疵点包括暗场、红场、绿场或蓝场中的亮点和亮场、红场、绿场或蓝场中的黑点等。

5. 结论

　　综上所述，LCD电视显示器与CRT电视显示器比较，基本工作原理不同，信号处理方式不同。建立在满足人眼对CRT彩色电视显示器要求基础上的评价要素已经不能满足人眼对LCD电视显示器完整性能的评价。为了促使LCD电视显示器能够尽快地满足人眼对彩色图像显示的要求，加强LCD电视显示器评价要素的研究，加强针对LCD电视显示器的测量方法的研究十分必要。

参考文献

[1] 刘永智，杨开愚。液晶电视技术电子科技大学出版社

[2] GB/T17309.1-1998 电视广播接收机测量方法第一部分：一般考虑射频和视频性能测量以及显示性能的测量

作者介绍：

李剑：国家数字电视用户端产品测试实验室高级工程师，信息产业部数字电视测量方法标准工作组组长。长期从事电视技术及测量方法的研究，组织起草数字电视产品测量方法国家标准的制订工作。

阮卫泓：国家数字电视用户端产品测试实验室高级工程师，信息产业部数字电视测量方法标准工作组成员。长期从事信源和信道技术及测量方法的研究，曾多次参加国家标准的制订工作。

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