灰階顯示器(Grayscale display)是什麼?

作者:Hightech   |   2019 / 04 / 23

文章來源:知識力   |   圖片來源:Hana


灰階顯示器的定義

灰階顯示器是指畫面中的每一個畫素,除了可以顯示「全黑」或「全白」兩種顏色,還可以顯示不同程度的「灰色」,一般用來顯示黑白圖片或黑白影片,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灰階的畫素排列而成,如<圖一(b)>所示。畫素通常很小,用眼睛無法分辨,最重要的是,灰階顯示器的每個畫素除了顯示黑、白兩色以外,還要能夠顯示不同程度的灰色,才能組合成真實的影像。

「灰階(Grayscale)」就是指「不同程度的灰色」,顯示器一定要能夠顯示不同程度的灰色才能夠顯示真實的景物,例如:真實的人、樹木、花草、山水等,也才能應用在顯示具有真實景物的照片、電視、電影等。

灰階(不同程度的灰色)在顯示器裡都是利用「亮度(Brightness)」來顯示,如<圖一(c)>所示,當畫素全黑時,眼睛就會看成是「黑色」;當畫素的亮度逐漸增加時,眼睛就會看成是「不同程度的灰色」;當畫素全亮時,眼睛就會看成是「白色」。

圖一、灰階顯示器(資料來源:www.ntu.edu.tw)

灰階的定義

顯示器可以顯示灰階的數目就是指可以顯示多少種不同程度的灰色,一般而言,人類的眼睛可以分辨灰階的數目大約為 256 種,也就是我們經常聽到的「256 灰階」,為什麼是 256 而不取整數 200 或 300 呢?

主要是由於電腦是使用二進位在運算與儲存,因此使用的單位一定是 2 的倍數,電腦常用的「8 bit(位元)」等於「1 Byte(位元組)」,恰好有 28=256 種排列組合,可以對應到不同程度的灰色,如<圖二>所示,也就是說我們利用 8 位元(1 位元組)來儲存一個畫素的灰階。

例如:在數位訊號裡,「00000000」代表黑色;「00000001」代表有一點亮的灰色;「00000010」代表更亮的灰色;「00000011」代表再亮的灰色,總共有 256 種灰色,依此類推;「11111111」代表白色。

當然,有的人眼睛比較敏感,可以分辨更多灰階的數目,因此也有所謂的「4,096 灰階」,特別是醫學用的黑白照片。大家應該注意到 4,096 也是 2 的倍數,但是灰階的數目愈多,代表由全黑到全白之間等分的「灰色」數目愈多,因此相鄰兩個灰色會非常接近,使得眼睛不易分辨,因此一般只要使用「256 灰階」就已經很足夠了。

圖二、灰階與數位訊號的關係

直接電壓調變法

直接電壓調變法是直接利用「電壓大小」來控制眼睛看到的亮度,使眼睛看成是「不同程度的灰色」。假設顯示器上的每一個畫素當成一個燈泡,當我們對燈泡施加不同大小的電壓,則燈泡會有不同的亮度,眼睛就會看成是不同程度的灰色。

如<圖三(a)>所示,當我們對燈泡施加電壓 0V(伏特)時,燈泡全關(OFF),眼睛就會當成是「黑色(最暗)」;當我們對燈泡施加電壓 0.3V 時,燈泡有一點亮,眼睛就會當成是「有一點亮的灰色」;當我們對燈泡施加電壓 0.6V 時,燈泡更亮,眼睛就會當成是「更亮的灰色」;以此類推,當我們對燈泡施加電壓 1.2V 時,燈泡全開(ON),眼睛就會當成是「白色(最亮)」。

使用直接電壓調變法的顯示器很多,例如:傳統電視(陰極射線管顯示器)、薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)等。

圖三、灰階顯示器的控制方法

次畫素法(空間調變法)

次畫素法是將一個畫素再切割成數個大小不同的「次畫素」,利用次畫素的全關(OFF)或全開(ON)來控制發光的亮度,使眼睛看成是「不同程度的灰色」。

如<圖三(b)>所示。假設將 1 個畫素切割成 4 個大小不同的次畫素,由於畫素原本就已經很小了,次畫素就更小了,眼睛當然無法分辨。當 4 個次畫素全關(OFF)則混合起來眼睛會看成是「黑色(最暗)」;當 1 個次畫素全開(ON)則混合起來眼睛會看成是「有一點亮的灰色」;當 2 個次畫素全開(ON)則混合起來眼睛會看成是「更亮的灰色」;以此類推,當 4 個次畫素全開(ON)則混合起來眼睛會看成是「白色(最亮)」。

次畫素法是利用眼睛對「微小的空間」無法分辨的原理來顯示灰階,故又稱為「空間調變法」。因為只有全關(OFF)或全開(ON)而不需要控制不同的電壓大小,因此使用這種方法最大的優點是驅動電路比較簡單,但是如果要維持解析度不變,則必須切割成許多次畫素,顯示面板的製作比較困難,而且要使用這種方法來顯示 256 灰階,必須切割成十幾個大小不同的次畫素來排列組合。

因為「畫素」原本就已經很小了,要再將畫素切割成十幾個「次畫素」幾乎是不可能的事,因此目前已經很少顯示器使用這種方法來顯示灰階了。

驅動電壓調變法(時間調變法)

驅動電壓調變法是直接利用「時間長短」來控制發光的亮度,使眼睛看成是「不同程度的灰色」,如<圖三(c)>所示。假設以時間 30ms(等於 0.03 秒)為一個單位(剎那間),人類的眼睛在這麼短的時間內無法分辨畫素是亮還是暗。

➤黑色:當驅動電壓在 30ms 的時間內全關(OFF)時,剎那間我們的眼睛會看成是「黑色(最暗)」。

➤亮些的灰色:當驅動電壓在 30ms 的時間內前 1ms 為全開(ON),後 29ms 為全關(OFF)時,剎那間我們的眼睛會看成是「有一點亮的灰色」。

➤更亮的灰色:當驅動電壓在 30ms 的時間內前 2ms 為全開(ON),後 28ms 為全關(OFF)時,剎那間我們的眼睛會看成是「更亮的灰色」。

➤白色:當驅動電壓在 30ms 的時間內全開(ON)時,剎那間我們的眼睛會看成是「白色(最亮)」。

驅動電壓調變法是利用眼睛在「極短的時間」內無法分辨亮暗的原理來顯示灰階,故又稱為「時間調變法」。這種方法最大的優點是不需要製作微小的次畫素,顯示面板的製作比較容易;缺點則是控制每個畫素開(ON)或關(OFF)的驅動電路比較複雜。

使用驅動電壓調變法的顯示器很多,例如:超扭轉向列型液晶顯示器(STN-LCD)等。上述的方法也可以混合使用,例如:將驅動電壓調變法配合次畫數法一起使用,則可以顯示更多不同程度的灰色。

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知識力》授權轉載

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