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  • 影音百科 | 搞懂新世代电视显示技术:LED、OLED、QLED、MiniLED、MicroLED、QD-OLED

    影音百科 | 搞懂新世代电视显示技术:LED、OLED、QLED、MiniLED、MicroLED、QD-OLED

    每一种显示技术都有优点缺点,所以各厂家都会选择不同的显示技术,不过,早期多半只有一两种,例如液晶与等离子,例如LED与OLED,大家都还好理解。不过今年CES展览期间,各电视厂家纷纷再带入新一代显示技术,一时间市场上充斥各种电视技术专有名词,而且看起来都很像,主流的就有LED、OLED、QLED、MiniLED、MicroLED、QD-OLED一大堆,统统都是什么什么LED,不少消费者越看越迷糊,越看越头大。

    面对这么多显示技术,它们的原理、优点、缺点,你都能理解吗?它们可是会关系到你接下来的电视采购喔。希望你看过本篇之后,在面对新世代的各种电视广宣不会再一头雾水。

    Samsung Display to invest b for QD-OLED | Rollable TV

    LCD电视

    今日很多的显示技术仍然是在“液晶”这个体系之下,而最早的液晶电视就叫Liquid-Crystal Display,也就是LCD。LCD出现时,它的最大优势就是“薄”(和传统CRT电视相比),而它的运作原理,就是在面板的后方配置背光系统,这就是LCD电视可以显示亮度的来源。早期液晶电视的背光多半是采用灯管(或运用导光板来反射灯管的发光)。接着,在背光的前方有一层液晶层,靠着液晶分子的偏转来控制光线通过的量。然后在液晶层的前方还有一层彩色滤光片,为白色的光线赋予色彩。

    然而也因为这样的设计,导致了LCD电视有一些先天上的弱点。例如:当液晶层无法达成百分百遮光时,就会有所谓漏光的问题。又例如:色彩是透过“光线通过彩色滤光片”来取得的,所以在色彩表现能力上会有一些限制。又例如:背光是采用灯光(或搭配导光板),不容易进行明暗对比的控制。针对这些问题业界开发了许多新的背光或发光方式来进行改善。

    直下式LED电视

    LED电视基本上就是液晶电视,而它和传统LCD电视最大的不同,就是采用LED晶粒来作为背光源,我们先以最容易理解的“直下式LED电视”来作说明。所谓直下式的LED电视,就是在面板后方铺满LED晶粒来做光源,它有一个好处,就是能进行所谓的“区域控光”,也就是区域性的发光控制。例如以2000颗LED铺满,然后可以分成50个区域来进行发光控制,这就能大幅提升“对比度”的表现弹性。

    举例来说,要显示一个黑夜里有月亮的画面,传统的液晶电视如果对比度不佳,有漏光的情形,很可能夜景的背景就黑不下去,看起来像是灰黑,而不是纯黑。如果是有区域控光能力的直下式LED电视,就可以把月亮以外其它区域的LED背光调暗或是关闭,等于从源头就能降低光输出,也就能让月亮的部分显得更亮,其它该暗沉的地方显得更暗沉,大幅提升对比度表现。

    侧照式LED电视

    前面说明了直下式LED电视,大家应该很容易理解,接下来讲”侧照式”,就是将LED晶粒布分在电视面板的两侧或上下缘,而不是全部铺满。这样做的目的,有可能是为了将面板做的更薄,而更常见的理由就是节省成本,让电视的售价可以更便宜。

    侧照式LED电视也能做区域控光,但是自然就无法和直下式相比,无法做到相同的精确度,用前面”黑夜里的月亮”为例子,侧照式只能依据LED晶粒的所在位置,进行较大面积的明暗控制,所以控制的效果差强人意,但是和传统液晶电视相比已经好很多了。

    OLED电视

    无论直下式或侧照式的LED电视,虽然都能进行背光的区域控制,但是都还无法达到完美,因为它所能控制的都只是“区域”,以“黑夜里的月亮”的例子,消费者仍然可能会在月亮周围看到分区过大、背光穿透所形成的光晕,只是有些直下式LED的分区较细密(单区面积较小),光晕就比较轻微或小一些,画质表现就比较高些。而分区较少者,或侧照式的电视,效果就会比较差一些。

    就是因为这样的原因,在LED电视盛行的几年间,出现另一种更高画质的技术,就是OLED电视,所谓OLED就是“有机发光二极体”(Organic Light Emitting Diode),它与前述技术最大的不同,在于OLED是一种“自体发光”的技术,所以它不需要像液晶电视有背光模组,OLED自己就能提供亮光。再者,它可以达成“以画素为单位”的超精细明暗控制,这点就大幅超越LED电视,就算直下式设计也望尘莫及。

    举”黑夜里的月亮”的例子,OLED电视就可以做到:仅月亮部分发出亮光,其余部分OLED可以直接调暗,甚至直接关闭,因此可以达成极暗的浓黑,而且月亮和黑夜间的交接处不会有光晕或漏光的情形,让OLED电视有极强的“显暗”能力,可以灵活的控制对比度。无形间,也能让黑暗中的物体显得更为耀眼。就是因为有这样优异的特性,让OLED成为今日高阶电视的代名词,包含Sony、LG、Panasonic等品牌的顶级制品几乎都是OLED电视。

    但是OLED电视也并非全无缺点,它有几个可能的弱项:一、发光亮度有可能比不上传统的LED电视。二、OLED电视的价格较为高昂。三、OLED电视理论上存在烙印的问题(所以不少OLED电视有专门的除烙印功能)。四、OLED电视是改善了背光模组的问题,但是在色彩表现能力未必比得上下面要讲的QLED电视。讲到色彩,这里要补充说明一下,现阶段以LGDisplay为主的OLED技术称之为WOLED,也就是以微型的“白光”OLED晶粒组成背光,每个画素(组成画面的最小单位)有4个次画素,白光OLED在发光之后其中3个分别通过R、G、B“彩色滤光片”来形成色彩(所以也称WRGB OLED),从这里你就能看得出来,现阶段OLED电视的发色能力仍然有很大部分是取决于彩色滤光片的设计。

    那剩下的1个次画素呢?它就是直接发出白光(不通过彩色滤光片),目的是可以提高面板的发光效率,降低OLED电视亮度较低的弱点。然而这样的作法,也可能让OLED电视在显示高亮度时,色彩饱和度不如中低亮度时的效果,所以有些厂商会为面板作特殊的驱动控制处理,来平衡整个画面的亮度和色彩饱和度。

    QLED电视

    再谈QLED电视,它基本上也是一种LED液晶电视,主要为三星在采用,而所谓QLED,就是指Quantumdot LED,也就是“量子点LED液晶电视”。它与传统LED电视的差别,在于LED背光的前方多了一层量子点薄膜,这是一种奈米等级的材料,在受到LED等光源照射时,能随着尺寸不同而发出不同的色彩。三星就是运用这种材料,大幅提高QLED电视的色彩显示范围。记得2017年时三星举办发表会,就指出三星当时的量子点电视已经获得了德国VDE(欧洲规模最大的技术科学协会)认证,达成100%色域空间(能100% 满足DCI-P3数位电影院色彩标准),而当时主流的OLED电视,色彩表现范围大概只有它的七成左右。

    QLED电视和OLED电视相比还有两个好处,其一是能提供非常高的亮度(毕竟它是以LED背光为基础),很早就突破1000nits,这点也让QLED电视在显示HDR这类的高动态对比效果时,有特别优异的“显亮”能力。其二是价格比OLED便宜,而画质又比传统LED电视更好,所以三星押宝QLED作为近年的电视主力。

    MiniLED电视

    这样一路看下来,你会发现“泛”LED电视和OLED电视相比,劣势在于分区控光无法做的很精细,难以跟OLED匹敌。而这样的差距正因为LED技术的进步而缩小中,这就要讲到新一代的背光技术:MiniLED。

    MiniLED电视一样是LED液晶电视,采用LED晶粒作为背光,所不同的是:MiniLED的尺寸比传统LED小非常多,所以在相同面积下,背光系统能塞入更多的MiniLED晶粒,所以能让显示起来的亮度提高。而且也因为尺寸的缩小,可以支援更精确的区域控光,降低LED电视的光晕问题。虽然MiniLED区域控光的能力不可能和“以画素为单位”的OLED一样,但是能缩小两者之间的差距,再挟着价格优势,是相当有竞争力的一种新作法。

    除此之外,MiniLED还有许多优势,例如理论上它的寿命比OLED更长、耗电量比OLED更省,峰值亮度是OLED的好几倍,让它拥有超高的对比度等等。正因为优势多,许多大厂拥抱MiniLED技术企图扩大市场版图,例如中国品牌TCL很早就投入MiniLED电视的开发,今年推出的产品已经是第二代,称为OD Zero,其中的OD指的是“光学距离”的意思。 TCL指出,因为MiniLED的尺寸能比传统LED小很多,而且不需要封装的散光透镜,因此能大幅缩小LED背光模组与液晶层的距离,一般的LED电视的OD大约为12mm,而OD Zero的OD能趋近于零。 OD大幅缩小的状况下,能减少光的发散(控光更精准),而且能让电视的厚度大幅缩减。再来,韩国大厂LG和三星今年也都开始推出MiniLED电视,三星称为Neo QLED电视,也就是以MiniLED背光技术结合三星先前采用的QLED技术。就三星释出的资料,其所采用的MiniLED大小是传统LED的1/40,同时舍弃透镜散光与封装的形式,采用超薄微形层结构,所以能配置更多LED晶粒,控光更精准。而LG也在今年推出MiniLED电视,LG是将之称为QNED电视,可谓高阶的LED电视。

    总而言之,MiniLED电视将在接下来的日子成为高阶LED电视的代名词,甚至于有朝一日取代LED电视,成为电视市场上最大宗的主力,届时大家比拼的不只是采用的MiniLED数量,也看分区域发光控制的数量,以TCL来说,OD Zero系列电视就号称会以数万颗MiniLED组成阵列,采取数千区的分区控光,LG和三星还没有公开这部分的资料,但相信也是精彩可期。

    MicroLED

    而在MiniLED之外,现在还有一种更高级、更小的LED技术,就是MicroLED,它的第一个优势,就是MicroLED是一种微米等级的LED光源,比MiniLED小上许多,这就代表它能在相同单位面积内塞入更多颗MiniLED,能提供非常高的亮度,而且也能进行更精细的分区域控光。

    第二大优势,MicroLED尺寸够小,又具备自体发光特性,让它能直接作为画面的“次像素”,也就是每一个画素采取RGB三颗MicroLED,就能直接发光,并同时显示色彩。如此一来,就代表MicroLED不需要传统液晶电视的背光系统、液晶层等结构,也不像OLED电视需要上下两层电极,MicroLED能大符简化面板结构,面板可以做的更薄。

    而MicroLED可以做到以画素为单位的明暗控制,而且是自发光,所以有完全的实力和OLED一较高下。而在各厂家中,三星对于Micro LED的研发最为积极,在2018年CES展览上时就展出了以Micro LED组成的“The Wall”,尺寸为146寸,解析度达到4K等级。不过TheWall仍然是采取商用专业安装的方式,必须现场施工,进行“拼接”的动作,很难走入家庭。 2020年时三星再推出适合居家环境的模组化MicroLED,尺寸可以缩小到75、88、93及110寸等多种规格,不过仍然要采取模组化拼装方式。

    而在2020年10月,三星推出了单机形态的MicroLED电视,而且尺寸缩小到110寸和99寸,并宣称会再推出更多小尺寸的选择。按三星释出资料,其MicroLED显示器解析度为4K等级,画面是以2400万颗可“单独控制”的MiniLED所组成,所以能提供精准的对比度与亮度。由于MiniLED具备自体发光特性,所以电视不需搭配背光和滤光片,能将机体做薄。同时三星还特别为它采用了萤幕占比超过99%的无边框设计(Monolith Design),让消费者能更轻易感受MicroLED显示器的画质震撼。

    而现在仍然是最新技术的MicroLED显示器价格自然是非常高昂的,但可以看得出来三星积极让它走入家庭的企图心。而现阶段Micro LED的制程仍然有很高的难度,加上价格高昂,不是所有厂家都有能力投入,或打算在这个时间点投入,业界预估MicroLED电视的价格要平价到能走入大部分家庭,可能要到2027年左右。

    QD-OLED电视

    OLED电视近几年卖的很好,特别是Sony、LG、Panasonic等厂牌推出的高阶制品,难道三星就没有开发OLED的打算吗?其实有,而且事实上现在配备OLED面板的iPhone中有很大比例的OLED面板来自三星,所以三星并非没有开发OLED面板的能力,只是几年前三星在电视产品战略上看好QLED的价格优势与色彩表现而已。而面对未来,三星来势汹汹,不仅已经在电视面板上研究OLED技术,而且还合并三星擅长的量子点技术,这就是QD-OLED,前面的QD就是指量子点。它与现阶段的OLED有什么差别呢?

    前面说过,现在阶段的OLED电视都是以白光OLED来做为背光源,仍然必须通过”彩色滤光片”来获得RGB色彩。而QD-OLED不同,它是以蓝光OLED来做为背光源,所以蓝光部分可以直接出色,至于红色绿色,就是在蓝光OLED的前方配置量子点薄膜,透过量子点来得到红色和绿色,这样的作法可以得到多种好处。

    QD-OLED vs OLED vs QLED vs Mini LED TVs: What’s the difference ...

    第一就是不用再透过彩色滤光片,所以它的发光效率有机会提高,而且也因此不用像WOLED必须多一组白光OLED来补强亮度,所以在显示高亮度影像时仍然能维持色彩的饱和度。再者,透过蓝光OLED和量子点技术,也有机会提高色彩表现能力,呈现更鲜艳、更宽广的色彩。

    不过现在QD-OLED仍然处于研发中的阶段,亮度、良率、寿命都还没有明确的资讯,但是距离实用化应该已经不远了。

  • 科普 | 分析4K显示技术的诞生与标准的建立:专门针对4K与8K显示技术的国际标准ITU-R BT.2020

    科普 | 分析4K显示技术的诞生与标准的建立:专门针对4K与8K显示技术的国际标准ITU-R BT.2020

    在电子视频显示与广播领域,一直以来都以追求更清晰的图像为目标,主要是通过提高显示分辨率来实现,从480p标清到720p高清,再由720p高清到1080p全高清,直至最近的4K与8K超高清开始进入民用领域,都可以清晰看到整个领域的发展趋势。而更高的分辨率意味着可以显示更多的画面细节与层次,显示设备的尺寸也因此需要不断变大。例如索尼最新推出的4K液晶电视的尺寸就已经达到84英寸,远远大于目前主流的50英寸1080p全高清平板电视。对于普通消费者而言,正是由于4K技术能够让我们看到更大的画面,更丰富的色彩与细节,因此也成为了目前备受瞩目的显示技术。

    4K显示标准的建立,ITU-R定义全新的“Ultra-High Definition超高清”标准

    在ITU-R最新颁布的BT.2020电视系统标准之中,同时将4K与8K纳入到Ultra-High Definition(超高清)

    4K又称为2160p,代表着一种全新的显示分辨率的诞生。根据2012年8月ITU-R国际电信联盟无线电通信部门最新颁布的BT.2020 Ultra-high definition超高清电视系统标准来定义,4K就是指3840(水平分辨率)×2160(垂直分辨率)的显示分辨率,也可以称为Ultra-high definition(超高清),是1920×1080的四倍精度。值得留意的是,在BT.2020标准之中也将8K(7680×4320)纳入超高清。这是一种非常有趣的现象,不同于以往的标清、高清与全高清都仅仅定义单一的物理分辨率为其标准,进入到超高清领域,却是4K与8K同时发展的局面。这是由于地区性发展差异而相互妥协之下的结果。例如韩国已经在近日宣布,明年将会全面推动4K(3840×2160)超高清电视广播。而在日本则主张直接发展8K(7680×4320)电视广播技术,避免由4K过渡到8K可能出现的技术性障碍。ITU-R对于这两种不同的超高清标准,明确表示不同国家与地区可以根据自身的需求来发展,但建议从4K超高清逐渐过渡至8K系统。按照目前各大消费电子品牌所带来的家用超高清显示设备,绝大部分都还处于4K的标准,因此,现阶段仍然是以4K为主流。

    4K显示标准的诞生与8K显示技术密切相关

    4K显示标准的诞生与日本NHK着力研发的8K超高清显示系统相关

    4K显示标准的建立实际上与8K显示技术有着密不可分的关系。我们对于超高清显示技术的了解,最初是从2003年日本NHK(日本放送协会)科学与技术研究实验室所带来的Super Hi-Vision系统得知的,而这套系统的核心显示技术就是采用8K(7680×4320)的超高清显示分辨率。在2005年,NHK就已经能够利用光纤网络采用DWDM密集波分复用技术将8K的电视广播信号传输至260公里之外。在2008年的国际广播电视博览会IBC 2008上,NHK电视台、RAI电视台、BSkyB电视台、索尼、三星、松下、夏普与东芝共同实现了从英国伦敦到荷兰阿姆斯特丹的全球首次公众实时超高清电视系统的演示,以展示8K超高清系统完全有可能代替目前主流的高清电视广播系统。在刚刚结束的伦敦夏季奥运会上,BBC电视台也已经在英国的部分地区实现了超高清电视广播系统的实时转播。超高清所带来的震撼影像已经获得影音爱好者与发烧友的一致好评。

    日本主张直接发展8K电视广播技术(Super Hi-Vision),认为8K才是未来超高清的主流

    尽管8K显示系统的发展非常迅猛,但当时包括ITU与EBU(欧洲广播联盟)在内的有关组织都认为要在全球范围之内实现8K超高清电视广播系统的普及非常困难,毕竟世界上大部分的国家与地区还没有充足的技术沉积可以实现从全高清到8K超高清技术的跃进,于是4K超高清显示技术标准就诞生了。更加重要的一点是,4K超高清显示技术目前已经在全高清范围内的一些高端专业影院中使用,同时不少电影的制造都参照了DCI(数字电影倡导组织)相关的4K标准,因此从技术上来看,民用1080p到4K的升级要相对容易。

    ITU-R BT.2020超高清标准不仅仅是对显示分辨率的定义

    ITU-R针对超高清电视系统而推出了全新的BT.2020建议规范标准

    正如ITU-R BT.709(或称Rec.709标准)规范了目前高清电视广播、高清蓝光碟片制作以及高清显示设备的一系列性能指标与参数,ITU-R BT.2020则同样规范与定义了相关的一系列性能指标与参数,而不仅仅局限于对显示分辨率的定义。换言之,视频专业调校人员在对4K或8K超高清显示设备进行调校的时候,不再按照Rec.709标准进行,而是按照BT.2020标准。

    BT.2020标准对于画面特性的参数规定,最特别的地方在于定义超高清显示分辨率为3840×2160与7680×4320

    BT.2020标准规定Ultra-high definition超高清图像的显示分辨率为3840×2160与7680×4320,画面显示比例为16︰9,支持的帧扫描频率包括120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p、23.976p。当中,可以发现所有超高清标准的影像都是基于逐行扫描的,经历近百年的隔行扫描技术终于在超高清时代退出了历史舞台。

    超高清影像标准只支持逐行扫描,不支持隔行扫描

    在色彩方面,BT.2020标准相对于Rec.709标准作出了大幅度的改进。首先是色深方面,由Rec.709标准的8bit提升至10bit或12bit,其中10bit针对的是4K系统,12bit则是针对8K系统。这一提升对于整个影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。色深标准的变化同时导致调整画面最佳动态范围的标准也产生了变化,我们可以依照以下标准来进行。

    超高清影像将使用10bit或12bit的系统

    对于10bit系统,BT.2020标准定义整段视频信号的范围在4-1019,其中64为标准黑位,940为标准峰值,所以有效的视频信号为64-940。而0-3,1020-1023则放置时钟参考信号,4-63为低于标准黑位的信号,941-1019为标准峰值以上的信号。
    而对于12bit的系统,BT.2020标准定义整段视频信号的范围在16-4079,其中256为标准黑位,3760为标准峰值,有效的视频信号范围就在256-3760。而0-15,4080-4095则放置时钟参考信号,16-255为低于标准黑位的信号,3761-4079为标准峰值以上的信号。

    对于一个信号的亮度,是由0.2627R+ 0.6780G+ 0.0593B组成

    除了色深的提升之外,在色域三角形的定义方面也作出了非常大的改变,整个三角形的面积远远大于Rec.709标准的范围,也就意味着超高清系统能够显示更多的色彩。不过对于白点的定义还是维持在Rec.709的D65标准。此外,对于一个信号的亮度,是由0.2627R+0.6780G+0.0593B组成。需要注意,越大的色域三角形对于显示设备的性能要求也越高。例如,按照段的家庭影院投影机的实际情况,只有采用LED或者LED激光混合光源的机型才能达到上述的标准。BT.2020标准的出现,将会进一步推进投影光源技术的发展。

    ITU-R BT.2020标准下的RGB色彩空间参数

    此外,在伽玛校正方面,BT.2020标准将伽玛定义为全新的名词,称为EOTF(光电转换效能),并且指出可以利用非线性曲线来进行伽玛校正,10bit系统采用与Rec.709一样的校正曲线,而12bit系统则在人眼敏感的低光部分曲线进行了相应的更改。
    上面,我们对BT.2020标准进行了详细的剖析,可以发现超高清系统不仅仅在分辨率上进行了提高,还在刷新率、色彩深度、色彩空间、伽玛校正方面进行了全方位的调整,特别是色域三角形方面的扩展,使得画面的色彩表现远胜于高清系统,让人十分期待。

    对于DCI规定的4K数字电影制作标准,我们也需简单了解

    为什么我们要对4K电影制作标准有所了解?最为重要的原因在于,现阶段绝大部分采用原生4K显示芯片的投影机的物理分辨率都不是采用3840×2160规格,而是采用基于DCI数字电影标准的4096×2160规格,当中包括第一款原生4K的家庭影院投影机索尼的VPL-VW1000ES。这些4K投影机并非属于真正“原生”的家用机型,而当4K投影不断迈向家用领域之时,相信会有越来越多采用3840×2160消费级别规格机型的诞生。

    在DCI数字电影标准之中,4K的显示分辨率规格为4096×2160

    在4K数字电影的制作之中,往往会使用到两种不同规格的显示比例,一种是2.39︰1的4096×1716,另一种是1.85︰1的3996×2160。因此,采用4096×2160规格的4K投影机就能实现这两种4K影片的放映。实际上,由于显示核心的垂直分辨率仍然为2160,尽管水平分辨率较大,也不会影响其显示4K广播标准的影像,或采用相关标准而制作的碟片播放。此外,DCI规定,4K影片的帧率为24f/s,支持10bit或12bit的色深。

    值得注意的是,我们在调校4K家庭影院投影机的时候,必须根据所观看的4K节目源进行调整。如果观看的是采用BT.2020广播系统标准而制作的信号源就需要以BT.2020的标准进行画面校正,而如果是基于DCI数字电影院标准创作的节目源,就需要以DCI的标准进行调整。但是,DCI标准的节目源往往只会出现在数字电影院之中,因此,在通常情况下,我们都是采用BT.2020标准进行调校。

    总结:前4K超高清显示系统在技术方面已经基本完善,包括4K节目源的制作、4K显示相关标准的制定、4K信号的传输等方面,而且8K也与4K同样,纳入了ITU-R的BT.2020国际标准之下,并在日本等国家中取得了可喜的研究与发展成果。这就意味着4K技术之后,紧跟着的将是8K超高清显示时代的到来。

    文/Vinssen