液晶显示器鲜为人知的技术细节(全方面认识LCD)

彩色迷魂阵： 16.7/16.2百万色的差异
无可否认，目前LCD显示器成为CRT的继任者已经是大势所趋，虽然目前CRT和LCD显示器还会在较长的一段时间内并存，但是两者市场销量的对比已经很明显的说明了未来的趋势。但是在越来越多的朋友在考虑选择液晶显示器的时候，一些新的问题暴露出来了，液晶相比有着几十年历史的CRT，它的很多技术实现细节并不像CRT那样耳熟能详，
 
在购买液晶的时候要看重哪些方面，对于厂商给出的参数怎么理性看待，这足够让一些朋友们头疼了。即使是一些“老鸟”，也难免在厂商普天盖地的宣传攻势下迷失。本篇就是针对上面的种种问题，让大家对于液晶和一些重要技术参数做一个深入了解。
 
所有显示器都希望能完全反映显卡输出的24bit/16.7M种颜色，但是对于目前的液晶显示器来说，我们要知道表示颜色数量16.7M和16.7M的真正差异。
 
从纸面来看，24bit色彩是由256种红色，256种绿色256种蓝色相互迭加获得，最大发色数为1670万色，我们说到的VA（MVA或者PVA）和各种 IPS 面板均属于此类。
 
而我们市场上看到的最多的TN经济型面板则不同，它只能产生R/G/B各64色，最大的实际发色数也仅有262144。但是为了获得超过1600万种色彩的表现能力，TN面板都会使用到我们常说到的“抖动”技术，该技术的基本原理局势快速切换相近颜色利用人眼的残留效应获得缺失色彩。和8bit面板所能提供的0,1,2,3,4 直到255的三原色色阶相比, TN 面板所能提供的色阶是不连续的0,4 ,8 ,12 ,16 ,20 … 直到252。
 
我们下面就来看看厂商们实现“抖动”技术的两种不同方法：
 第一种方法是在同一像素上使用：在T0时刻像素显示白色, 在T1时刻像素显示4级灰度, 然后在T2时刻又恢复T0时刻的白色，在T3时刻又显示4级灰度，如此周而复始，利用人眼的视觉残留混合两种像素灰阶信息，于是就近似得到了2级灰度。.

虽然第一种算法只涉及处理一个像素，但是对于液晶这种本身“刷新”率不高的显示技术来说，这样的实现会发生不可避免的像素抖动现象。于是就出现了第二种实现“抖动”的方法：利用四个像素组成的像素方块阵，对角线方向的两个像素分别显示相同的白色或者4级灰度，使用在在观察距离上就会得到2级灰度的颜色信息。

第一种算法
 
我们再看看看1级灰度是怎样实现的，如果采用第一种方法T0, T1, T2 三个时刻像素都要显示白色，而到了T3时刻显示4级灰度（因为TN面板像素无法直接显示1、2、3级的灰度），于是观察者就得到(0+0+0+4) /4=1一级灰度，可以我们也看到了，要得到一个颜色要经过4个周期，这样的时间明显有些长了。

如果采用第二种算法，由四个像素组成的方块阵中有三个像素显示白色，一个像素显示4级灰度，这样也能近似得到一级灰度色彩。

第二种算法
 
我们不得不承认抖动技术的发明从一定程度上解决了TN面板颜色先天不足的问题，但是这并不是一个完美的解决方法，直接暴露出来的问题就是可见的像素抖动和不法得到253, 254 和255这三种灰度，即使应用了色彩抖动，能够显示出来的色彩也只有0到252灰阶的三原色,所以最后得到的色彩显示数信息是253×253×253=16194277，约合16.2M色。

响应时间：相信很多消费者都没有正确理解
响应时间？没错，这是液晶显示器时代给我们带来的新名词，也是近一年来液晶厂商们着重炒作的一个指标，但是当你继续往下看这个部分的时候时，你会明白现在的厂商要在这个指标上做文章简直是太容易的一件事情了。
 
响应时间这个专业的液晶指标最早由国际标准化组织即（ISO）推出，规范代码是ISO13406-2，该规范制定的初衷就是要反映液晶显示器表现动态图像的平滑度和清晰度。该规范把响应时间定义如下：当一个像素电从白色转为黑色，电极电压从0变为最大值，即最大电压激励状态下，液晶分子迅速转换到新的位置，这一过程所用的时间被称为上升时间段。当一个像素由黑转白，像素所加电压切断，液晶分子迅速回到加电前位置，这一过程称为下降时间。整个响应时间过程就是由上升时间加上下降时间获得的数值。
 
实际上，ISO规范对于响应时间的定义的着眼点还是太过于简单的，只考虑了用时最短的像素黑白黑极端切换的时间，在衡量实际使用时出现最多的灰阶切换时没有太多指导价值。我们可以想想一年多以前厂商们在推广12ms液晶时的宣传把戏：“如果像素变换一次的时间是12ms，则一秒钟内可以切换的画面数值为1000/12=83，这一数值远大于人类所能感知的60fps的最高识别率，所以12ms是终极的游戏液晶方案。”当然12ms在游戏方面的表现相信读者们比笔者更清楚，在FPS游戏中依旧存在明显可见的拖影，直到今天出现的6ms、4ms疾速液晶，其在典型画面激烈切换游戏CS中的表现才达到可以接受的程度。那么ISO对于响应时间的定义问题出在哪里呢？为何和实际偏差如此之大呢？
 
 首先在ISO规范中，像素整个响应定义只占到了整个像素上升或是下降过程的80%的时间，按照ISO的定义所谓白色即指10%灰度，黑色指90%灰度，其余20%的时间被忽略了。ISO这样定义的初衷不难理解，因为对于液晶分子来说，加电起动和最后稳定这两个阶段是费时的，两头20%的灰度转化的过程有可能超过ISO响应时间定义本身所占时间，那如果省去这20%就可以大大的美化指标，但这显然对于消费者是不公正的。

响应时间测试数据

如上图所示的某液晶显示器响应时间测试数据，按照ISO定义上升沿时间为28.5-12 = 16.5 ms。但我们观察整个像素从0%灰度到100%灰度转化的全部过程，实际用时超过了40 ms，达到ISO定义所用时间的两倍多。

当然ISO定义的缺陷还不止如此，其中最为严重的是忽略了色彩变化时——即不同灰度切换的时间，这也是我们日常使用显示器是最多的显示状况。从液晶的显示原理来说，当一像素从较浅灰度转变为较深灰度时，其加在像素两端电极电压也响应加强。但是和ISO规范中定义的黑白黑切换的最大激励电压相比，在灰度切换时相应的施加电压要低得多，因此在这种情况下液晶分子反转响应的速度也会变慢。同理，当色阶从较深灰阶到浅灰阶转变时，过程相反，不过此时浅色灰阶对应的电极电压也不为零，相应的电压差激励效果也会变差，下降沿时间也会变长。

显示原理
也正是因为ISO的规范并没有强行要求厂商在提供用户响应时间参数的时候考虑中间灰阶的响应时间，所以厂商在自己标注的可操作空间就大得多了。有较早液晶使用经验的用户不难发现，在一年前的主流液晶中，使用友达AU 16 ms TN面板的显示其回比 LG-Philips同样规格的16ms甚至三星的12 ms更快，而这三中面板又都快过16 ms IPS 面板的速度表现，而令人不解的是它们又都慢于Hydis 的20 msTN面板，这正是由于ISO响应时间规范的不严格造成的，实际厂家给出的响应时间指针反而造成了用户的困惑。
灰阶响应才是具有参考价值的指针
正如我们上面所说，以往厂商在ISO大规范给出的白黑白响应时间指标下有太多的可操作空间，以致使得单纯的响应时间指标已经不具备太多可信价值，那么从何种角度出发去得到更有实用价值的响应时间指针呢，答案就是在去年下半年有些厂商开始推广的“灰阶响应时间” 。

灰阶响应时间分布图
上图是由NEC提供的灰阶响应时间分布图，如图所示，平面X、Y轴分别是起始灰阶和终止灰阶，而Z轴则表示在该灰阶转换过程中所用的响应时间。我们依次看一看到ISO定义、白到灰阶、黑色到某灰阶三种不同状况下的响应时间差异。
 
ISO 响应时间= (0 - 255) 18 + (255 - 0) 7 = 25 ms
 
白到某灰阶的最大响应时间= 0–192–0 = (0 -192) 38 + (192 - 0) 5 = 43 ms （这比ISO定义下获得的指标慢78%）
 
黑色到某灰阶最大响应时间= 255–160–255 = (255 - 160) 55 + (160 - 255) 36 = 91（这比ISO定义下获得的指标慢264%）

飞利浦190S5 显示器的响应时间空间分布图
 
我们在可以看看上图，这是我们自己测试得出的飞利浦190S5 显示器的响应时间空间分布图，和上图不同的是，这部图表的柱状数值直接包括了上升沿和下降沿两部分的时间。我们可以看到最长的时间发生在两个较深灰阶的转换过程中，而从纯白到纯黑过程在最快的速度之列。
 
通过上述分析，我相信读者对于响应时间这一概念已经有了一定的认识，同时也会认同这样一个结论 ，要想使得响应时间真的具有实际参考价值，那么提供必要的灰阶响应时间参数才是有意义的，同时要让响应时间这个因素真的对于消费者实际应用有性能提升，那么加速灰阶和灰阶之间转换的速度，即颜色切换的速度才是真正有意义的。

今年最时髦的液晶技术 "overdrive"
很明显，对于我们上面的讨论的液晶响应时间问题厂商也自知不能在“黑白黑响应时间”上继续宣传，所以如何提高液晶在灰阶切换速度的提高也在去年下半年各家厂商发力的重点，“GTG”灰阶响应速度和“overdrive”疾速响应技术也开始大量的出现在近半年来推出的中高端液晶新品上，那么有关“overdrive”的方方面面，我们也的确有必要了解一下。
 
要说起“overdrive”就不能不提一提2001下半年由NEC为液晶电视开发出来的FFD技术，它可以看作是“overdrive”技术的前身。实际上该技术的原理相当简单，当我们从TN屏幕的白色（即最初液晶分子状态）转为黑色（液晶分子在电压垂直光线方向），此时液晶象素点后部的薄模晶体管受到的激励电压是最大的，打个比方来说：在1V电压激励下液晶分子从白到黑的转换的过程用时20ms。NEC的FFD技术是如下考虑的：为什么我们不把激励电压加倍获得更快的响应时间呢：比如加2V来获得 10 ms的响应时间。而且从当时NEC发布的研究报告来看，这一技术是可行的，通过增加灰阶转换时的激励电压，可以减少灰阶转换过程的用时。

NEC发布的研究报告中的图表
我们可以看看当时NEC发布的研究报告中的图表，该表左边是没有采用FFD技术时测得的响应时间空间分布图，而右侧则是采用FFD技术后的测试成绩，我们看到，尤其是在灰阶转换的过程中，最大的改善成绩从55ms左右缩小到6 ms。而我们要注意的是，左右两图在单纯的白-黑-白响应时间并没有变化，我们可以这样理解，因为在纯白到纯黑的过程中电极施加的激励电压已经是最大值了，所以没有改善是在情理之中的。虽然NEC并没有把这一技术应用在显示器领域（因为该技术的出发点就是为了改善液晶电视的响应速度问题），但是从去年下半年和FFD技术有着相同技术原理的 Overdrive技术开始在中高端液晶显示器上流行开来。
 
 实际上，FFD和overdrive基本上就是换了名号，这在不同厂商之间很常见，就比如明基使用了“overdrive”这样的叫法，而ViewSonic又会把同样的东西称为“ClearMotiv”，实际上它们都是一样的东西，我们来看看“overdrive”到底能给我们带来什么实质性的性能提升。

“overdrive”到底能带来什么实质性的性能提升
 
如上图所示，在上方的蓝色曲线表示正常情况液晶分子加电压后的反应过程，相应的电压情况由下面的黑色直线表示。我们看到从施加电压开始到液晶分子稳定并不是一个一成不变的过程，而淡蓝色的点线则表示液晶追求的理想响应。Overdrive以及 ClearMotiv 和一般液晶触发的过程就在于输入电压阶段，我们可以看到，为了让液晶分子达到更快的反应速度，在初始阶段会比以一般状态下施加更高的激励电压，待到液晶分子方向趋于目标方向时，激励电压恢复目标灰阶水平。
 
通过上面的这些分析，我们大家应该清除Overdrive和与其类似的技术主要是为了改善颜色的灰阶变化。另一方面也表示该技术实际上不会对传统的白-黑-白响应速度有任何的改善，因为那样的极端状况，像素所被施加的激励电压已经达到了最大值。但是厂商又面临这样的问题，如果按照传统的ISO响应时间规范定义，即使使用Overdrive会大幅度改善灰阶转换的速度，他们也不被允许提高该面板的相应时间数字。这也就是为什么我们在近一年来看到了“GTG响应时间”的这个新名词的原因，这时便随着Overdrive技术应用诞生的新的相应时间测试方法。该方法并不是按照ISO规范去测试“白黑白”切换的用时，而是灰阶切换（较浅灰阶-较深灰阶-较浅灰阶），厂商在测量所有的相应时间后最短的那个数值就成了新的“GTG响应时间”。也就是说，以前的16ms ISO 指标几周后就变成了12 ms G2G。

Overdrive不是万能良药
尽管我们看到的应用Overdrive的确在灰阶切换的时候大大加快了液晶分子的响应速度，但是我们在这里不得不提醒大家，该技术并不是我们想象中的万能良药，厂商的过度夸大和技术本身的一些问题注定该技术只能是一个过渡方案。
 
首先是一些厂商的过份宣传，具体是哪家我在这里就不点名了，下面就是其提供使用Overdrive后的性能提升对比图。

使用Overdrive后的性能提升对比图
从该图表来看，Overdrive的确是卓有成效，一些响应时间高达80ms的灰阶转变过程被缩短到20ms以下。但是只要我们仔细观察，就会发现这幅图并不符合实际。我们看到该图表的典型“白-黑-白”响应时间同样被降低到10ms以下，这是不可能的，按照我们上面对Overdrive技术的分析，由于“白-黑-白”转变过程已经施加最大激励电压，所以该过程不会从Overdrive获取任何好处。作为厂商来说这样的宣传有些不负责任了。
 
再者，笔者从AUO工作的朋友那里了解到，实际上我们看到的TN 16 ms, 12 ms以及 8 ms显示器的面板都是一样的，之所以存在响应时间的差异，是因为后部的驱动电路以及是否应用Overdrive技术。他还说到实际上目前的Overdrive还远没有做到针对所有的灰阶转换进行处理，只是其中的一部分，但是他并没有给出明确的数字，最后给出的Overdrive处理响应时间表上的数据实际上都是测试中表现最好的部分。
 
我们再来看看由Eizo给出的响应时间空间分布图 (其实大家都知道，Eizo并不生产自己的面板，这块面板是由AU提供的) 。

响应时间空间分布图
从上图可见，overdrive 带来的效果显然易见，但是对于不同色阶往往效果也不同，而且并不是所有色阶转换过程需要加压提速，在图表中最明显的就是从白色到任意灰阶在使用overdrive 前后并没有什么不同。
 
与此同时，厂商在从ISO响应时间到灰阶响应时间的过度过程中难免给消费者留下不好的印象，像当初ISO响应时间的是和消除液晶画面残影直接挂钩的，但是一夜之间似乎又变成了灰阶才能反映这个指针，以往的ISO灰阶不具备任何参考价值，那我们不禁疑问，是否这次的灰阶响应时间同样是事实效果大过宣传效果的炒作呢？实际证明，消费者要真正寻求一款能够用于游戏的液晶，还是要靠自己的眼睛收货。可以肯定是的在响应时间指标上，TN领先于VA和IPS面板产品，如果游戏在你计算机应用中占有重要的一部分，那你不得不在色彩和其它画质指标上妥协了。（后面的部分会详细描述TN面版在色彩方面的缺陷）。

游戏效果图

benq FP91V显示器，使用了目前最快的4MS GTG TN面板，上图是我们使用数码相机开启1/100秒快门的时候拍摄的CS游戏场景，可以看到尽管动作比较激烈，屏幕的残影已基本没有察觉，可以说这样的产品已经能满足绝大多数消费者的游戏需求了。

理解液晶亮度和对比度的实际价值
对比度这个概念是从CRT时代传承下来的，该指针指的是屏幕显示图像中最亮像素和最暗像素亮度的比值。也就是说为了获得更高的对比度，我们希望白色更白，黑色更纯。比如我们测量某一液晶屏幕的白色亮度为250 cd/m2，同时黑色亮度为 0.5 cd/m2，则通过公式黑色／白色＝对比度得出该显示器的对比度为500:1。由该指标的定义可知，如果厂商想要改进该指标，那么无疑有两种方式，改善黑色纯度或者提高白色亮度，前者显然是每一个厂商的追求（因为液晶黑色不纯是通病），而后者更容易实现。
 
先来看看第一种途径即改进黑色纯度，对于厂商来说，这种方式不是不可以，但是相对付出的技术努力要更大一些，改进滤光片结构或者改进液晶分子的垂直光线排布来改进漏光。与此相比，提高白色的亮度值对于厂商就显得简单的多了，增加灯管数量，换用更亮的灯关，改进导光板效率等，反正不用在最昂贵的液晶面版上做文章。
 
让我们举个例子，目前的背光模块的技术水平生产达到500 cd/m2 白色的亮度值，而黑色亮度值保持在原来的0.5cd/m2的水平，那我们就能获得500 / 0.5 = 1000 : 1的较高对比度参数。但是实际上呢，这样的屏幕只会亮的人眩晕。
 
实际上有很多使用液晶部长的朋友都会反映似乎比原来的CRT用起来更费眼睛了，实际上他们是因为使用默认的高亮度造成的，要知道专家推荐的适合长时间阅读工作的亮度值是110 cd/m2左右，而传统的.CRT 的一般亮度为90 cd/m2（不要说高亮型号，CRT高亮打开后更本不适合阅读）。对于认眼来说现在液晶提供的250 cd/m2甚至更高的亮度太过于亮了，正是因为过高的亮度导致使用者眼睛加速疲劳，感觉上比CRT用起来更不舒服，如果你面临这种情况，我建议你将液晶屏幕亮度调整到适当的位置。
 
那为什么厂商提供液晶如此高的亮度以至于不适合使用呢，其一当然能改善用户在视频等多媒体方面的观感；其二就是利用亮度的增加来美化对比度指标。这也同样是钻了ISO关于对比度规范的空子，因为该规范并没有规定所有产品必须在同样的白色亮度值下，比如110 cd/m2，测量此时的黑色亮度值。在液晶黑色纯度提升较为困难的情况下，厂商自然会用提升比较容易的亮度上打主意了。

液晶使用不是越亮越好

对比图
就面板技术来说，目前的IPS和VA类面板普遍对比度要好过TN这类常亮的面板，同时对比度不高过700:1也是辨别是否采用了VA面板的一种方法，前两者的主要优势是黑色表现比TN面板好。当然有关高对比度带来的好处，我在这里就不用在细说，纯净的黑色能让画面更加突出，层次丰富，同时也让我们在观看图片和硬盘时看到更多的细节。同时对于游戏者更高的对比度不但能提高游戏画面的感受，另外如果是CS这类游戏中，也能更容易观察到暗处躲藏的敌人，当然为单纯追求游戏性能倒还不如选择质量好的大屏幕CRT。