Response Time(OD、MPRT)的工作原理與技術分析－雷克斯の生活日誌

一、什麼是Response Time(反應時間)?

以液晶顯示器(LCD monitor)來說，Response Time指的是一個像素(pixel)從暗轉亮，再從亮轉暗的時間總合，單位是毫秒(ms)，可分為「上升時間」和「下降時間」兩部份，指的是一個pixel從10%至90%和90%至10%的亮度區間。

Fig.1 LCD Response Time Definition

二、為什麼需要改善Response Time?

以IPS面板來說，Response Time通常為10~20ms之間，以常見的1080p@60Hz解析度來計算，Frame rate = 60Hz，也就是一張frame需要1/60 =16.7ms的時間，若是Response Time低於這個時間，就很容易看到殘影的現象。

Fig.2 Slow vs. Fast Response Time

三、Over Drive (OD)

要改善殘影的現象，就得加速Response Time，其中最常用的就是Overdrive技術。由於液晶分子的轉動是由電場對液晶分子產生的力矩所決定，所以透過加大電場(即加大電壓)可以增快液晶分子的轉動，而使Response Time更短。

Fig.3 The principle of LCD

Fig.4 Overdrive effect

實際上電路是透過RTC (Response Time Compensation, 反應時間補償)的方式來達成Overdrive的效果，透過在起始電壓和目標電壓間插入補償電壓的方式，來加速Response Time。補償電壓是透過切換不同灰階的Response Time找出相對應的電壓值，通常為了降低記憶體容量，會在256灰階中挑出17組灰階產生lookup table，再以線性內插的方式找出需要補償的電壓值。

Fig.5 Block Diagram of the Display Module with RTC

OD有兩種常見的side effect: 重影(Ghosting) 和拖影(Coronas)。

Fig.6 Ghosting effect

Fig.7 Coronas effect

重影(Ghosting)的形成是因為Overdrive的電壓補償不夠所造成，由Fig.6可以看出，車子從右往左移動，原本應該要與背景色相同顏色的地方，出現了另一台模糊的車子，這是因為補償的電壓不足以讓液晶分子快速的跑到與背景色相同灰階的位置，使的畫面出現了重影。

而拖影(Coronas)的形成是因為Overdrive的電壓補償過頭所造成的，由Fig.7可以看出，原本應該要與背景色相同顏色的地方，出現了比背景色還深色的區塊，這代表補償的電壓太強，造成液晶分子跑到了比背景色更低灰階的位置，使畫面出現了拖影。

如何兼顧Response Time和Side effect，是工程師需要去拿捏的。

四、Moving Picture Response Time (MPRT)

Fig.8 MPRT effect

除了一般Gray-to-Gray(G2G)的Response Time，還有另一種Response Time稱為Moving Picture Response Time (MPRT, 動態畫面反應時間)，這邊要特別提醒，G2G的Response Time指的是不同灰階下的反應時間，而MPRT指的是物體移動的動態畫面下，人眼特性和LCD特性造成的反應時間，兩者雖會互相影響顯示效果，但定義上是完全不同的。。

人眼在看移動物體時，眼珠會隨著物體移動，並會本能地預測物體移動的方向與速度，從而控制眼珠以接近的速度去追蹤移動物體。

Fig.9 Eye tracking moving object

LCD是屬於一種Hold type的顯示器，也就是在一個frame中，畫面是靜止不動的，必須等到下一個畫面資料更新後，才會將畫面中的移動物體更新到新的位置，但是在新的畫面中該移動物體又會停止一個frame的時間不動，可是這期間人的眼珠是以接近等速度在移動的，所以在每一個frame之間，人眼在轉動，但是畫面不動，這就造成了所謂的Motion Blur(動態模糊)。

Fig.10 Path of eye tracking moving object

Fig.11 Motion Blur effect

那要如何解決Motion Blur的現象呢?

常見的方式是根據輸入畫面的frame rate，以不停開關背光(backlight)的方式，來達到在每兩幀畫面之間插入黑畫面（背光關閉即黑畫面），以解決人眼視覺殘留所造成的拖影問題。由於需要不停的開關背光，所以需要在高的frame rate下才能實現(通常在75Hz以上)，不然可能會看到閃屏的現象。開關背光的動作是在畫面的blanking(porch)區執行的，以防止使用者看到畫面一直閃爍，而開關背光的速度就透過調整backlight PWM的duty和frequency實現，由於MPRT下的duty要調的比較小(開關背光比較快)，所以整體畫面看起來會比較暗，有些甚至會衰減50%左右的亮度，通常要應用MPRT功能的顯示器對亮度的要求會比較高。

五、小結

如果你常打電玩，尤其是愛好賽車和射擊遊戲的玩家，在選購顯示器的時候，要特別注意Response Time，越小的Response Time通常可以看到越清晰的畫面。

Fig.12 Response Time effect

常見顯示器的Response Time有兩種：Gray-to-Gray Response Time和MPRT。

Gray-to-Gray Response Time是指一個pixel從暗到亮或從亮到暗的反應時間，以IPS面板來說，透過Overdrive(OD)技術可以優化到1ms左右，但要注意side effect，補償電壓不可補過頭，也不能補不夠，通常OSD選單中有不同模式提供給使用者切換，以找出最適合的OD效果。MPRT指的是畫面中物體移動造成的動態反應時間，由於LCD和人眼特性，會看到移動物體邊緣模糊的現象，可透過插黑畫面(不停開關背光)的方式，解決Motion Blur的現象，但一樣要注意開關背光的頻率(PWM duty)和亮度之間的trade off。

六、資料來源