彩色顯示器(Color display)是什麼?

作者:Hightech   |   2019 / 04 / 23

文章來源:知識力   |   圖片來源:Hana


彩色顯示器的定義

彩色顯示器是指畫面中的每一個畫素都可以顯示各種不同的顏色,一般用來顯示彩色圖形或彩色影片,如<圖一(a)>所示;當我們將圖中的拱橋放大,可以看出拱橋是由一個一個不同顏色的畫素排列而成,如<圖一(b)>所示。畫素通常很小,用眼睛無法分辨,最重要的是,彩色顯示器的每個畫素必須可以顯示各種不同的顏色,才能組合成真實的影像。

每個畫素都可以顯示各種不同的顏色,必須利用「光的三原色」,也就是以紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色「不同亮度」組合成連續光譜中幾乎所有可見光的顏色;而不同亮度就是「灰階」,所以不同亮度的紅色稱為「紅階」,不同亮度的綠色稱為「綠階」,不同亮度的藍色稱為「藍階」。

我們先將每一個畫素切割成三個「次畫素」,分別代表 RGB 三種顏色,如<圖一(c)>所示,再分別使用前面介紹過的直接電壓調變法、次畫素法或驅動電壓調變法來控制紅階、綠階與藍階。由於次畫素非常微小,大約只有數十微米,眼睛當然無法分辨,只能隱約看成一個畫素,所以紅階、綠階與藍階三種顏色自然也被隱約混合成一種顏色了。

圖一、彩色顯示器(資料來源:www.ntu.edu.tw)

全彩顯示器(Full color display)

我們所使用的彩色顯示器,每一個畫素到底可以表現多少種顏色呢?將每一個畫素切割成三個「次畫素」,分別代表 RGB 三種顏色。如果我們利用 8 位元來儲存 R(有 256 種不同亮度的紅色)、8 位元來儲存 G(有 256 種不同亮度的綠色)、8 位元來儲存 B(有 256 種不同亮度的藍色),則要儲存一個畫素總共需要 24 位元,每一個畫素可以表現大約一千六百多萬種的顏色(28 × 28 × 28=256 × 256 × 256=16,777,216),稱為「全彩 24 位元」。

前面提過,可見光有無限多種顏色,但是人類的眼睛可以分辨多少種顏色呢?答案是人類的眼睛能夠分辨的顏色大約就是一千六百多萬種,超過這個數目的顏色由於相差太少(波長相差太少),人類的眼睛不容易分辨。

全彩還有另外一種規格,它是利用 8 位元來儲存 R、8 位元來儲存 G、8 位元來儲存 B,另外還有 8 位元來儲存這個畫素的其它相關訊息,這種規格要儲存一個畫素總共需要 32 位元,稱為「全彩 32 位元」,多出 8 位元來儲存資料會增加資料的儲存容量,但是可以讓畫面看起來更接近真實的顏色。

高彩顯示器(High color display)

全彩 24 位元要儲存一個畫素(三個次畫素)總共需要 24 位元,如果我們要減少儲存每一個畫素所需要的記憶體空間,則必須要減少紅階、綠階、藍階的數目。這三種顏色讓你選擇,你會先減少那一種顏色的數目呢?

前面提過,人類的眼睛對「綠色」最敏感,所以一定不能減少綠色,科學家們就將紅階與藍階的數目減少,利用 5 位元來儲存 R(只有 32 種不同亮度的紅色)、6 位元來儲存 G(有 64 種不同亮度的綠色)、5 位元來儲存 B(只有 32 種不同亮度的藍色),則要儲存一個畫素總共只需要 16 位元(5+6+5=16 位元),每一個畫素可以表現大約六萬五仟多種顏色(25 × 26 × 25=32 × 64 × 32=65,536),稱為「高彩 16 位元」。

【範例】請計算一張解析度為 FHD(1,920 行 × 1,080 列)的全彩照片總共需要多大的記憶體容量才能儲存呢?

【解答】解析度為 FHD 的全彩照片總共有 1,920 × 1,080 ≅ 2,000,000 ≅ 200 萬個畫素,而全彩照片每個畫素又必須使用 24 位元(3 位元組)來儲存,所以總共需要的記憶體容量為:1920 × 1080(Pixel)× 3(Byte) ≅ 6,000,000(Byte)=6MB

換句話說,一張解析度為 FHD 的全彩照片就需要 6MB 的記憶體來儲存,但是目前我們使用「JPEG 格式」儲存一張 FHD 的全彩照片大約只需要 600KB 而已,因為我們使用「靜態影像壓縮技術(Joint Photographic Experts Group, JPEG)」可以將檔案縮小到 1/10 以下。

同樣的道理,電影是 1 秒鐘播放 30 張畫面(30fps),因此要存放 1 秒鐘解析度為 FHD 的全彩電影需要 6MB × 30=180MB,大家可以自行估計一下,要儲存一個小時的電影需要 180MB × 60(min)× 60(sec)=648GB。天啊!一個小時的電影就需要 648GB 來儲存,但是目前我們所看的 DVD 存放二個小時的電影(除了視訊還包括 5.1 聲道的音訊)大約只要 4.7GB 而已,為什麼呢?

因為我們使用「動態影像壓縮技術(Moving Picture Experts Group, MPEG)」,影像壓縮技術除了 JEPG、MPEG1、MPEG2、MPEG4 以外,還有 Divx、Xvid、H.264、H.265、WMV 等,各自應用在不同的領域,特別是多媒體與數位內容產業。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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