为什么显示器都从正方形变成了长方形？老叶科普堂（七）

大家最近都在热议新一代的显示技术会是OLED还是Micro LED！这两年的LCD也有4k与8k分辨率的技术大突破，到底这些显示技术未来谁能胜出呢？我现在不敢妄加论断，不过今天老叶还是跟大家补补课，这些基本知识可能大家都听过，但是似懂非懂，希望大家看过这篇科普文章后，对你们未来买电视或电脑显示器与手机的规格有深刻的认识。下面就是显示器高科技里面的基本道理：

■像素(Pixel) 愈小，画面愈细致，分辨率也愈高

将一个画面所要显示的图形或文字，切割成许多正方形的格子，这些格子称为「像素(Pixel)」。如图一(a)所示，我们可以将图中的照片垂直方向切割成1920列(直的为列)，水平方向切割成1080行(横的为行)，总共形成大约200万个像素

(1920×1080≈2000×1000≈2M)，由于切割后的像素很小，如图一(b)所示，眼睛很难分辨，因此看起来和没有切割前是相同的。如果将图中的注册牌子部分放大，可以明显看出其实图中的注册牌子是由许多颜色不同的正方形像素组成。

换句话说，只要能在一个画面上显示出许多不同颜色的像素，而且每个像素都足够小使眼睛不易分辨，则我们便会将这个画面看成是一个近似完美的图片，而且切割的像素愈多，则像素愈小，画面愈细致，分辨率也愈高。这就是显示器的原理了，而且相同尺寸的显示器，切割的像素愈多，则像素愈小，画面愈细致，分辨率也愈高；切割的像素愈少，则像素愈大，画面易呈锯齿状，分辨率也愈差。

图一将图中的照片切割成许多像素(Pixel)

■人类的视野比较接近16：9的长方形

用来定义一个画面所能显示图形的细致程度，相同大小的画面，切割成不同数目的像素，则形成不同的分辨率规格，如表一所示。图一的画面中所使用的1920列×1080行称为「Full HD」，是目前液晶电视最常见的规格，最近的智能型手机也开始采用这种规格。蓝光光盘片(Blue ray disk)就是使用Full HD(1920×1080)，以前我们使用的DVD光盘片是D1(720×480)，而更早之前使用的VCD光盘片则是CIF(352×288)。

表一 不同画面分辨率的定义

值得注意的是，早期显示器的规格长宽比为4：3，而高密度电视的长宽比则更改为16：9，也就是未来显示器的外型变长了。大家可以自行观察自己的双眼所能看到的视野，是比较接近正方形还是长方形？由于双眼位于脸部的左方与右方，所以人类的视野是比较接近16：9的长方形，这也是为什么电影的画面会设计成16：9的原因了。

但是早期的电视是使用阴极射线管(CRT)，要制作16：9的画面比较困难，因此最后决定制作4：3的画面(接近正方形比较容易制作)，由于目前显示器技术的进步，要制作16：9的画面已经没有什么困难了，反而是由于传统电视的规格长期以来都是使用4：3的画面，所以电视台的摄影机、放映机以及相关的设备所录制的影片都是4：3，要将4：3的画面放映在16：9的电视机上反而会产生问题，唯一的解决方法是全面更换电视台所使用的设备，由于目前正处于规格转换期间，所以大多都只是将4：3的画面「直接拉长」成为16：9的画面，所以以前在过渡期的时候，很多画面里的人看起来好像都「变胖」了。

此外，分辨率也可以使用「每吋点数(dpi：Dot Per Inch)」来表示，也就是画面中每一英吋(Inch)的边长切割成多少个「点(Dot)」。每吋点数(dpi)愈多，代表将画面切割成愈多的像素，则像素愈小，画面愈细致，分辨率也愈高；每吋点数(dpi)愈少，代表将画面切割成愈少的像素，则像素愈大，画面愈粗糙，分辨率也愈差。

■单色显示器：需要的分辨率不高，像素通常比较大，用眼睛即可分辨

黑白显示器(Black and white display)是指画面中的每一个像素只能显示「全黑」或「全白」两种颜色，又称为「单色显示器(单色不一定是黑色，也可以是某一种颜色)」，一般用来显示文字或简单的单色图形，例如：传统早期手机屏幕显示的文字、简讯或图形；公共场所使用的文字单色显示屏等。

由于这类显示器只要显示简单的文字或图形，因此所需要的分辨率不高，像素通常比较大，用眼睛即可轻易的分辨出来，而且每个像素只需要显示黑、白两色即可，如图二所示，图中的文字虽然呈现锯齿状，但是仍然可以分辨出是「Dr. J」等英文字，大家如果有很老的古董手机，可以自行观察手机的显示器就可以发现一个一个方格(像素)，利用这些方格就可以排列出我们所需要的文字或图形了。

图二黑白显示器

■灰阶显示器：需要的分辨率比较高，像素通常比较小，用眼睛无法分辨

灰阶显示器(Grayscale display)是指画面中的每一个像素除了可以显示「全黑」或「全白」两种颜色，还可以显示不同程度的「灰色」，一般用来显示黑白图片或黑白影片，如图三所示，例如：早期使用的黑白电视。由于这类显示器需要显示复杂的照片或图形，所以需要的分辨率比较高，一般都在VGA(640行×480列)以上，像素通常比较小，用眼睛无法分辨，最重要的是，灰阶显示器的每个像素除了显示黑、白两色以外，还要能够显示不同程度的灰色，才能组合成真实的影像。

图三灰阶显示器

「灰阶(Grayscale)」就是指「不同程度的灰色」，显示器一定要能够显示不同程度的灰色才能够显示真实的景物，例如：真实的人、树木、花草、山水等，也才能应用在显示具有真实景物的照片、电视、电影等。灰阶(不同程度的灰色)在显示器里都是利用「亮度(Brightness)」来显示，如图四所示，当像素全黑时，眼睛就会看成是「黑色」；当像素的亮度逐渐增加时，眼睛就会看成是「不同程度的灰色」；当像素全亮时，眼睛就会看成是「白色」。

图四灰阶就是指不同程度的灰色

显示器可以显示灰阶的数目就是指可以显示多少种不同程度的灰色，一般而言，人类的眼睛可以分辨灰阶的数目大约为256种，也就是我们经常听到的「256灰阶」，为什么是256而不取整数200或300呢？主要是由于计算机是使用二进制在运算与储存，因此使用的单位一定是2的倍数，计算机常用的「8bit(位)」等于「1Byte(字节)」，恰好有2的8次方=256种排列组合，可以对应到不同程度的灰色，如图四所示，也就是说我们利用8位(1字节)来储存一个像素的灰阶，例如：在数字讯号里，「00000000」代表黑色；「00000001」代表有一点亮的灰色；「00000010」代表更亮的灰色；「00000011」代表再亮的灰色，总共有256种灰色，以此类推；「11111111」代表白色。

当然，有的人眼睛比较敏感，可以分辨更多灰阶的数目，因此也有所谓的「4096灰阶」，特别是医学用的黑白照片，大家应该注意到4096也是2的倍数，但是灰阶的数目愈多，代表由全黑到全白之间等分的「灰色」数目愈多，因此相邻两个灰色会非常接近，使得眼睛不易分辨，因此一般只要使用「256灰阶」就已经很足够了。

图五显示灰阶的方法


显示器的种类很多，不同的显示器使用不同的方法来显示灰阶(不同程度的灰色)，最常使用的有下列三种方法：

•直接电压调变法：直接电压调变法是直接利用「电压大小」来控制眼睛看到的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」。假设显示器上的每一个像素当成一个灯泡，当我们对灯泡施加不同大小的电压，则灯泡会有不同的亮度，眼睛就会看成是不同程度的灰色，如图五(a)所示，当我们对灯泡施加电压0V(伏特)时，灯泡全关(OFF)，眼睛就会当成是「黑色(最暗)」；当我们对灯泡施加电压0.3V时，灯泡有一点亮，眼睛就会当成是「有一点亮的灰色」；当我们对灯泡施加电压0.6V时，灯泡更亮，眼睛就会当成是「更亮的灰色」，以此类推，当我们对灯泡施加电压1.2V时，灯泡全开(ON)，眼睛就会当成是「白色(最亮)」。使用直接电压调变法的显示器很多，例如：传统电视(阴极射线管显示器)、薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)等。

•次像素法(空间调变法)：次像素法是将一个像素再切割成数个大小不同的「次像素」，利用次像素的全关(OFF)或全开(ON)来控制发光的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」，如图五(b)所示。假设将1个像素切割成4个大小不同的次像素，由于像素原本就已经很小了，次像素就更小了，眼睛当然无法分辨，当4个次像素全关(OFF)则混合起来眼睛会看成是「黑色(最暗)」；当1个次像素全开(ON)则混合起来眼睛会看成是「有一点亮的灰色」；当2个次像素全开(ON)则混合起来眼睛会看成是「更亮的灰色」，以此类推；当4个次像素全开(ON)则混合起来眼睛会看成是「白色(最亮)」。

次像素法是利用眼睛对「微小的空间」无法分辨的原理来显示灰阶，故又称为「空间调变法」。因为只有全关(OFF)或全开(ON)而不需要控制不同的电压大小，因此使用这种方法最大的优点是驱动电路比较简单，但是如果要维持分辨率不变，则必须切割成许多次像素，显示面板的制作比较困难，而且要使用这种方法来显示256灰阶，必须切割成十几个大小不同的次像素来排列组合，因为「像素」原本就已经很小了，要再将像素切割成十几个「次像素」几乎是不可能的事，因此目前已经很少显示器使用这种方法来显示灰阶了。

•驱动电压调变法(时间调变法)：驱动电压调变法是直接利用「时间长短」来控制发光的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」，如图五(c)所示。假设以时间30毫秒ms(等于0.03秒)为一个单位(剎那间)，人类的眼睛在这么短的时间内无法分辨像素是亮还是暗，当驱动电压在30ms毫秒的时间内全关(OFF)时，剎那间眼睛会看成是「黑色(最暗)」；当驱动电压在30ms的时间内前1ms为全开(ON)，后29ms为全关(OFF)时，剎那间眼睛会看成是「有一点亮的灰色」；当驱动电压在30ms的时间内前2ms为全开(ON)，后28ms为全关(OFF)时，剎那间眼睛会看成是「更亮的灰色」，以此类推；当驱动电压在30ms的时间内全开(ON)时，剎那间眼睛会看成是「白色(最亮)」。


驱动电压调变法是利用眼睛在「极短的时间」内无法分辨亮暗的原理来显示灰阶，故又称为「时间调变法」。这种方法最大的优点是不需要制作微小的次像素，显示面板的制作比较容易，缺点则是控制每个像素开(ON)或关(OFF)的驱动电路比较复杂。

使用驱动电压调变法的显示器很多，例如：超扭转向列型液晶显示器(STN-LCD)等，上述的方法也可以混合使用，例如：将驱动电压调变法配合次像数法一起使用，则可以显示更多不同程度的灰色。

■彩色显示器：每个像素都可以显示各种不同的颜色

彩色显示器(Color display)是指画面中的每一个像素都可以显示各种不同的颜色，一般用来显示彩色图形或彩色影片，如图六所示，例如：目前使用的彩色电视。由于这类显示器需要显示复杂的照片或图形，所以需要的分辨率比较高，一般都在VGA(640行×480列)以上，像素通常比较小， 用眼睛无法分辨，最重要的是，彩色显示器的每个像素必须可以显示各种不同的颜色，才能组合成真实的影像。

每个像素都可以显示各种不同的颜色，必须利用「光的三原色」，也就是以红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色「不同亮度」组合成连续光谱中几乎所有可见光的颜色，而不同亮度就是「灰阶」，所以不同亮度的红色称为「红阶」；不同亮度的绿色称为「绿阶」；不同亮度的蓝色称为「蓝阶」。我们先将每一个像素切割成三个「次像素」，分别代表RGB三种颜色，如图六所示，再分别使用前面介绍过的直接电压调变法、次像素法或驱动电压调变法来控制红阶、绿阶与蓝阶，由于次像素非常微小，大约只有数十微米，眼睛当然无法分辨，只能隐约看成一个像素，所以红阶、绿阶与蓝阶三种颜色自然也被隐约混合成一种颜色了。

图六将图中的照片每一个像素切割成三个次像素

■全彩显示器：每一个像素可表约一千六百多万种颜色

我们所使用的彩色显示器，每一个像素到底可以表现多少种颜色呢？将每一个像素切割成三个「次像素」，分别代表RGB三种颜色。如果我们利用8位来储存R(有256种不同亮度的红色)；8位来储存G(有256种不同亮度的绿色)；8位来储存B(有256种不同亮度的蓝色)，则要储存一个像素总共需要24位，每一个像素可以表现大约一千六百多万种的颜色(2的8次方×2的8次方×2的8次方=256×256×256=16,777,216)，称为「全彩24位」。

前面提过可见光有无限多种颜色，但是人类的眼睛可以分辨多少种颜色呢？答案是人类的眼睛能够分辨的颜色大约只有一千六百多万种，超过这个数目的颜色由于相差太少(波长相差太少)，人类的眼睛不容易分辨。全彩显示器(Full color display)还有另外一种规格，它是利用8位来储存R、8位来储存G、8位来储存B，另外还有8位来储存这个像素的其它相关讯息，这种规格要储存一个像素总共需要32位，称为「全彩32位」，多出8位来储存数据会增加数据的储存容量，但是可以让画面看起来更接近真实的颜色。

■高彩显示器：每一个像素可表现约六万五千多种颜色

全彩24位要储存一个像素(三个次像素)总共需要24位，如果我们要减少储存每一个像素所需要的内存空间，则必须要减少红阶、绿阶、蓝阶的数目，这三种颜色让你(妳)选择，你(妳)会先减少那一种颜色的数目呢？前面提过，人类的眼睛对「绿色」最敏感，所以一定不能减少绿色，科学家们就将红阶与蓝阶的数目减少，利用5位来储存R(只有32种不同亮度的红色)；6位来储存G(有64种不同亮度的绿色)；5位来储存B(只有32种不同亮度的蓝色)，则要储存一个像素总共只需要16位(5+6+5=16位)，每一个像素可以表现大约六万五仟多种颜色(2的5次方×2的6次方×2的5次方=32×64×32=65,536)，称为「高彩16位」。

■静动态影像压缩技术为内存解压

【范例】请计算一张分辨率为SVGA(1920×1080)的全彩照片总共需要多大的内存容量才能储存呢？

解答：

分辨率为FHD(1920×1080)的全彩照片总共有1920×1080≈2,000,000个像素，而全彩照片每个像素又必须使用24位(3字节)来储存，所以总共需要的内存容量为：

1920×1080(Pixel)×3(Byte)≈2,000,000×3=6,000,000(Byte)=6MB

换句话说，一张分辨率为FHD(1920×1080)的全彩照片就需要6MB的容量来储存，但是目前我们使用「JPEG格式」储存一张FHD(1920×1080)的全彩照片大约只需要60KB而已，因为我们使用「静态影像压缩技术(JPEG：Joint Photographic Experts Group)」。

同样的道理，电影是1秒钟播放30张画面(30fps)，因此要存放1秒钟分辨率为FHD(1920×1080)的电影需要6MB×30=180MB，大家可以自行估计一下，要储存1个小时的电影需要180MB×60(min)×60(sec) =648,000MB≈648GB，天啊！1个小时的电影就需要648GB来储存，但是目前我们所看的Blue DVD存放2个小时的电影(除了视讯还包括5.1声道的音讯)大约只要20GB而已，为什么呢？因为我们使用「动态影像压缩技术(MPEG：Moving Picture Experts Group)」，影像压缩技术除了JEPG、MPEG1、MPEG2、MPEG4以外，还有Divx、Xvid、H.264、WMV等，各自应用在不同的领域，特别是多媒体与数字内容产业，都是未来极具潜力的明星产业，有必要深入了解，这些有趣的东西我以后会再专题介绍。

老叶的显示器情节：人类到底要多奢侈的感官体验？

这两周几乎把照明与显示的基本原理整理了一遍，也用了浅显易懂的文句给大家做基本原理的介绍，有了这些基础知识，大家在比较显示器品牌与评价显示器性价比的时候，可以更从容的了解自己的需求。对于目前的显示技术竞争的相关报导，你也可以轻易地掌握报导内容，对未来行业走向有更清晰的判断。

LCD的4k UHD 8k UHD 还是OLED，Micro LED与激光显示，人类到底要多奢侈的感官体验？多豪华的视觉飨宴？也许这篇文章的基本道理可以让大家深刻的思考并找到我们需要的答案。

我最后还是很想呐喊一下：贪婪的人类，到底什么时候能满足你们“看”？

*注：本文由行家说APP与作家专栏作者葉国光联合出品。谢绝任何未经许可的转载。授权联系微信号：hangjia199