让液晶显示器展现高画质的数字影像处理技术

    前言：随着LCD屏幕尺寸不断加大，价格愈压愈低，处理大画面的同时又要维持极佳画面质量，甚至还要超越既有影像输出画素，有其困难度存在。色彩、对比、分辨率，消费大众对于LCD电视画质，要求越来越高，至于让LCD电视呈现优异的画质，除了面板是一大重点外，在LCD电视背后的数字影像处理器，更是关键的重点...

    一般消费者选择方式，通常是到大卖场，看着各家品牌机种一字排开陈列展示， 比照相同规格，是否是自己要的感觉，再看看呈现出来的颜色是否满意，虽然电视旁边都会有更详细的规格，但是否是消费者在意的重点，就不得而知了。

提高画质所需的要件

    卖场最常遇到的营销陷阱，是所有的显示器，并没有调校到最佳化，以至于有时，在现场看起来影像最鲜明、艳丽的机种，不见得就是高规格的好产品。

处理高画质芯片架构

    我们再来看看，现在各家公司会怎么标示他们的规格和显示技术，我们以Sony和夏普做例子，两款都是FULL HD的LCD显示器。Sony Bravia系列主打色彩和画质这两大区块，内容则是包含了广域色彩、FULL HD面板、Bravia芯片技术以及高达120HZ的更新频率。夏普AQUOS则是强调高级日本生产的面板、世界最快的反应速率、高对比、新型态的背光系统。

    两相比较之下，可以发现比较重点都差不多，只是表达方式却不同，还是在色彩、对比、分辨率等数据上打转，再来就是生产地，再其次强调质量上的优异性。既然诉求相同，我们来检视一下是什么样的原理或是技术，能让显示器达到更臻完美的画质境界。影响画质的因素有很多，面板好坏就限制了先天体质，而组装之后又是另外一回事，然而，影像来源还有解像芯片也会影响画质。

处理高画质芯片架构

    LCD解像方式有几种做法，我们用芯片设计配置来做介绍。

影像处理芯片架构

    首先，在A/V source 也就是影像讯号来源，可分为数字与模拟两类，早期的讯号传送是以模拟信号执行影像传送，简单的说，模拟讯号是一种连续性的讯号，如果说中间传送的讯号断了，在看到画面时，就会感觉有停格状况发生。

    数字讯号，是0与1两个数字组成的「2进位」型式讯号，如果用来传送影像文件，就算讯号有些微的噪声，只要可以辨识，就不会影响传输质量，而模拟讯号也是新一代的传输方式。

数字与模拟转换处理概念

    数字转模拟的技术(Analog to Digital Converter)，Video Decoder，可以看成译码器，但实际上视同连续性的模拟解到数字，举例8bit是入门等级，进阶点的要求则为10bit，从8到10不是2倍，而是2次方4倍。

    由于模拟式连续性的，所以没有分辨率的观念，会提到分辨率，是数字化，本来一个画面分成16段传送现在变成4倍，32段那是非常细的，所以画质的精细度会提升，质量也会变好。

相同的区段，解像过程细腻，画质也就会相对提升

    例如一组宽度相同的画面，一般距离检视可能看不出差异，但若是检视的距离缩短，就可以看出微小变化。画质提升，在前端讯号的来源很重要，如果前端的讯号不良，后段的芯片也很难化腐朽为神奇，这就是所谓的「garbage in，garbage out」。

    对比的取样数(在单位来说就是bit数)增加，点跟点可以感受黑白的程度就变多，反映实际颜色就是灰阶会增多，一般人的感受是图案立体或不立体，就是由对比高低来呈现，LCD基本上面板要够好，或是背光的部分强，是要整体性的搭配。

    从图中可看出，由A/V source连结出来，黑色线的部分(cvbs)，就是代表示模拟信号，而模拟讯号是传统的讯号连接方式，用在LCD上，就必须有个转换动作，才有办法播放，从模拟到数字间转换，就要用到芯片译码。

    而使用的译码芯片，就是图面上粉红区块的第一个IC(Video Decoder)，若是从A/V source连结出来，是数字讯号(ITU601/606)(digital RGB)，那就不需要经过译码，直接跳过译码IC，到下一个处理芯片。

    (ITU601/606)是数字讯号规格，(digital RGB)的意思是，RGB(红绿蓝) 3种不同颜色，每个颜色有8bit数据传输，把颜色讯号区分出来，这些讯号其实也就是模拟讯号译码后的产物。

芯片如何完成影像处理

    数字讯号到了图片上，粉红色区块后端芯片，这是一个Image process 芯片，模拟讯号透过转换，通常都会失真，而数字讯号有时会了得到更好的输出效果，也都会利用芯片加强影像画质。Image process可以处理颜色、对比、锐利度、边缘粗糙模糊、肤色等。

    以肤色来说，看人像画面时，都喜欢看到粉嫩的肤质效果，于是在处理画面时，IC就会针对红到肤色这一段做预调整，安装芯片后，有开启这部分的功能，就会自动调校输出粉嫩的肤色画质。

锐利度、对比、颜色，在处理过程中提高，画质也会大幅改进

    Image process处理影像后，要如何呈现在屏幕上，还需要透过timing control，timing control所处理的项目是，影像讯号要输出到LCD面板上呈现时，输出时序的流程。

     以7英寸面板为例，水平有480个点，垂直有240个点，输出的影像若大于这个范围，此时影像信息就必须缩小。反之放大亦然，不论是处理大尺寸屏幕，或是小尺寸，都有其困难度，在数字传输时，由于不是模拟的连续概念，而是数字0、1，2进位的方式，在讯号的取舍，只有要、或不要，为了防止取舍造成数据流失或画面不平整，就要额外做一些处理，让人类的眼睛，看不出来有画质瑕疵。

    上述讯号放大缩小技术，并没有统一规范，在取舍之间，就是各家技术的精华所在，例如边缘平滑，或是模糊，都是以人体眼睛不易察觉所开发的技术。

    传统CRT映像管电视，一个图框的扫描线数是525条 或625 条，NTSC制定的电视画面播映标准，每幅画面必须具备525条扫描线，及每秒钟必须播映30幅画面，而欧洲国家则有每个图框625条扫描线，且每秒25个图框的电视系统。

    CRT电视所使用的扫描方式，为交错式(interlance)的扫描，首先扫描1，3，5，7… 等奇数扫描线，构成第1个图场(field)，然后再扫描2，4，6，8…等.偶数扫描线，以构成第2个图场(field)，2个图场构成1个完整的画面。

    但是，LCD屏幕架构和传统CRT不相同，在LCD机构里面有内存，会把一个画面信息搜集齐全后，一次呈现在屏幕上，但传统电视讯号是早期NTSC时的规格，当初制定时是为了CRT所制定，所以会依照早期的交错扫描格式传输。

    像低阶的LCD没有内存，但为了克服交错闪烁，所以要用其它方式，例如提高扫描频率，目前产品通常在70HZ，但高规的显示器已经有100HZ以上。因为讯号的来源，面板或电视厂商不会去更改，唯一可以变动的，就是利用一些技术克服，可以让画质差距变少。

    如果可以利用芯片，缩短画素填满整个面板的时间，那么讯号的影响就相对变小，只是就一个芯片厂的角度来说，一款相同规格的芯片，是必须可以搭配不同面板厂，甚至不同尺寸的LCD。

    这部分的规格，就要让芯片可以多功能、可调式，像友达、奇美这些面板大厂，早期只要出一个面板，就要搭配一个timing control IC，方便下游厂商继续完成组装。但是面板加芯片成套的出货方式，会让售价增加，尤其是对下游小型的系统厂商而言，当降低成本成为首重目标时，就可能单买面板，芯片在另外找更低廉的替代方案。

    基于市场需求，使芯片厂的商机浮现，在影像处理的IC设计里，就要附加timing control IC，并且要支持大部分的面板，有时还要做到依照客户的需求，与特殊的客制化服务。

    LCD大厂推出的timing control IC，有时也会同时适用于同公司内部不同面板，不过适应的方式可能就是用硬件的PIN脚位置进行更改，通用LCD的小型芯片制造厂，则会以软件进行调校，方便下游制造商可以自行做兼容性设定。

影像处理芯片也包含屏幕调校

    有趣的是，屏幕调校(OSD：on-screen display)，也包含在显示芯片内部，由于也会出现在影像内部，所以要一开始设定好，如字体、颜色、字型，都会占芯片的内存空间。

    上述混合式的影像处理芯片，也有纯处理数字、纯模拟，有人曾经预估数字电视时代来临，模拟讯号的传送应用模式就会消失，但实际上由于电视寿命通常较长，在绝大部分的家庭CRT屏幕仍未汰换前，数字、模拟视讯混合播送状况，依旧仍会持续一段时间。

目前市面各家厂商LCD的影像处理芯片技术

    目前市场面来说，Sony除了强调自身面板优势，其主要的影像处理引擎「Bravia」，也提供了不少加强影像的功能。

    影像倍频技术，Bravia ENGINE PRO影像CPU进阶技术，内建「DRC-MF v2.5」高画质倍频处理。所有过程同步在千分之1秒将所有影像自动调校达到真实1080P画面水平，能将高阶液晶电视的显像分辨率发挥到极致。呈现真实的质感、色彩、立体层次的影像．并且达到数字电视显像规格，能支持不同影像讯号输入，提高彩度、强化锐利度、加强对比...等，将所有影像加倍成清晰而精细画面。

Bravia ENGINE EX影像CPU倍频技术，是Sony专为Full HD高画质面板所设计的回路技术，重现细腻画质、影像层次及锐利色彩，展现最佳化的面板效能

    夏普AQUOS，主打运用特别为电视观赏设计的液晶面板，让像点数目与电视播放信号相符，重现原本传输影像。一般液晶电视多采用计算机用XGA 面板，像点数〈800×600、1024×768等〉大于NTSC视讯系统播放的信号点数，影像色彩很容易被邻近区域所吸收，破坏了应有呈现的忠实色彩。

    目前台湾地区电视信号接收系统采用美规NTSC视讯系统，NTSC视讯系统中水平像点数为640点，垂直点数为480点。SHARP AQUOS液晶电视采用电视专用液晶面板，由于像点数在垂直方向有480点，在水平方向有640点，完全符合NTSC视讯系统〈也最接近PAL视讯播放系统〉，如此才能完全忠实呈现原始色彩与影像。

   AQUOS采用新开发QS(Quick Shoot)技术，即使是快速移动的景色，也能清楚重现。并搭配全新独自开发4合1数字LSI芯片，将从前分成4种的IP交换、电磁脉冲计数器、RGB控制、画面解析处理合而为一，全新数字LSI芯片，讯号传输时可以避免信号衰减现象影响画质，清楚重现原始影像与色彩。AQUOS另搭载3次元/Y-C分离数字梳型滤波器，处理电视讯号时，将亮度与色彩分开加以数字处理，有效减轻讯号多重放送时，所产生的影像色彩朦化现象。



SHARP AQUOS搭载特殊技术，表现完美画质

    三星（Samsung） 波尔多液晶电视，使用DNIe高画质影像技术，运用在液晶电视的屏幕上，能够大幅提升影像质量。

    透过提高颜色饱和度、对比、亮度和色差， 传统上蓝色与绿色最容易受到亮度影响，因此无法与其它颜色一样，在同等的亮度呈现鲜明影像，此即让整体画面表现偏弱、或显得较为单调。透过IC技术与背光板的设定，改善一般液晶电视的颜色表现缺失，加强蓝色与绿色的表现度，达到所需的高画质。

    影像处理芯片，除在LCD电视中有提高画质的功能，各家大厂生产的LCD屏幕，也通过影像处理芯片，创造质量上的竞争优势，让自家的LCD电视呈现画质更加接近完美。

影像处理芯片相关应用

    LCD屏幕在日常生活中，应用的范围非常广泛，除了电视、计算机屏幕，常见的产品还有数字相机、摄影机、手机..等。虽然到处可见LCD屏幕运用，但实际上讲究高画质，只有电视、数字相机或摄影机，计算机屏幕或是其它消费性家用电子产品，反而不是那么强调。

    原探究原因，电视是专门用来观赏影片，而高画质拍摄与高画质播放方式，如HD或是Full HD都要搭配解像力高的电视屏幕。而摄录方面的相机与摄影机，则是为了在不断提高拍摄画素的同时，可以让使用者，在2到3英寸的LCD屏幕看到最正确的构图与影像，所以必须搭配高画质的屏幕与芯片。

高阶相机用影像处理芯片

    几家相机大厂，除了强调相机镜头，也同时会强调相机的影像芯片技术，例如Sony的Bionz影像处理引擎，除了有强化影像处理效能外。另能在RAW文件数据转换和影像处理前降低噪声，并在保持相机快速反应的同时，达到提高影像鲜明彩度、丰富层次表现等功能。另在色彩阶调表现更为细致，在暗部则有更佳的色彩差异，在反差较大图面时，亮部不易造成一片全白。

Sony Bionz影像处理引擎，不但在专业的数字单眼相机产品可以看到，在其消费性产品线也可以看到踪影

    另以Panasonic Venus影像处理器III为例，可完全捕捉所拍摄的影像，并拥有极佳的噪声抑制功能，保留更丰富生动色彩呈现，并维持极佳的处理速度与准确度，具备低耗电的功能。

    传统影像处理器设计，多使用原色CCD所撷取影像中的绿色组件，来产生光讯，Venus影像处理器，利用红色、绿色、及蓝色三原色来产生讯号，较旧款机种提升约50%解像能力。在CCD捕捉影像讯号的同时，同步进行影像处理、LCD显示、即将数据写入记忆卡等动作，让传统数字相机最令人诟病的快门延滞时间缩至0.1秒，拍照间隔大幅缩减，快速反应。





相机上装置的影像处理器，除了提供LCD较佳的画质外，还必须统合影像来源与整体相机速度的要素

    为什么会提及Panasonic与Sony？因为这2家涵盖的电子类产品类型最多，而些较其它数字相机厂，Panasonic与Sony可提供的综合技术能力，最为广泛。

    另传统相机制造大厂Nikon，影像处理系统方面，采用综合的数字影像处理概念，利用Nikon在相机界的长久历史，所积累的知识和技术，做出了EXPEED影像处理器， 

    同样也是相机界的大厂Canon，则在新推出的机种EOS-1Ds Mark III，采用Dual“DIGIC III”数字影像处理器。其处理庞大影像数据的运算能力，容许将模拟/数字转换由每频道12位，增加至14位，色阶由4,096阶提升至16,384阶，让RAW影像记录格式，拥有更丰富的色彩渐变层次。

    此外，DIGIC III数字影像处理器，在影像表现也较旧款产品更细致、色彩表现更自然，暗部噪声亦较以往减少50%。

    而双处理器的操作模式，为EOS-1Ds Mark III带来优越的连拍性能，即使是高达2,110万像素的影像，仍能达每秒5张的速度，最多可连拍56张JPEG或12张RAW影像。至于EOS-1Ds Mark III新款顶级相机，则支持UDMA规格，令Compact Flash记忆卡存取时间比以前快3倍，SD卡存取时间增快2倍，而且兼容全新高容量SDHC格式记忆卡。





Canon最新型的高阶数字单眼相机，使用的是Dual “DIGIC III”数字影像处理器

针对不同类型影像需求的影像芯片与显示卡

    除了专为提高相机类产品性能，制造的显示处理芯片市场外，另一方面在运用计算机处理绘图的使用者市场，主机内的显示卡，也是影像芯片的范畴，只是在计算机应用领域，消费者对影像的要求不同。



计算机搭配的LCD屏幕，画质虽没有家用电视屏幕表现优良，但由于是使用者应用导向，所需处理的画面内容，往往比家用电视更广泛

    搭配计算机的LCD屏幕，其解像功能，往往除了屏幕芯片外，成像效果还牵涉到计算机内部使用的显示卡等级，由于处理画面的关系，在运用上，除了传统的2D绘图外，3D立体画面重绘的使用比重也愈形增加。

   早期绘图需求全赖CPU中央处理器整合运算、处理，不但耗系统资源，而且效益也不高，较新的做法是在显示卡上增设具运算能力与解像功能的处理器。不过由于计算机的规格种类越来越多，有的计算机将显示卡部分直接与主机板结合，这样的计算机，在解图像的能力当然会比独立显示卡表现弱许多，于是衍生出许多新的显示卡商品。

    除了可以内建在主机板的传统显示卡外，还有外接USB的显示卡、express card则用于NB的外插式显示卡。

    为了因应新的使用型态，部分芯片制造厂也与显示卡厂商，开发针对未来单屏幕多任务用途，或是单主机多屏幕的使用者，开发新型芯片与显示卡，除此之外医疗上的用途也是特殊应用领域的重点产品。

    医疗级的屏幕，需要超高解析，除每天需要校正外，色彩的偏差和明暗对比，要求更格外精确，试想，原本以为是肿瘤的阴影，开刀之后才发现是屏幕造成，这可是不容许发生的错误。