B1a1405d57421e9ea65681aaeb9266161cc2cb42 最近倍速驅動的液晶電視正熱門,除了早先推出的 120Hz 機種外,在剛通車的捷運車廂內也可以看到 240Hz 四倍速驅動機種的廣告。液晶電視為什麼要衝這麼快?它是不是像 DVD 燒錄機一樣,越快越好呢?這背後其實有複雜的技術秘辛…

反應速度的原罪

早些年液晶電視剛推出時,很多人都發現液晶電視在顯示高動態影像時,畫面會變得糊糊的,在畫面上移動的物體甚至會拖個尾巴。更有趣的是,如果天氣比較冷,剛開機的時候這種現象會特別明顯,等到液晶電視暖機之後便會稍微改善一點。

其實這些問題大部份來自LCD的先天限制:液晶分子的反應速度。

LCD的基本原理,是利用電場操控夾在兩片玻璃之間的液晶分子,使它們照著我們想要的角度翻轉。液晶分子在翻轉時,會改變穿透光線的偏振方向,因此再加上偏光片的輔助,就能做出可控制光線明暗的顯示裝置。

液晶分子翻轉的角度和所加的電場呈正相關,當電場消失後,分子們會藉由本身的彈性回復到原始的狀態。不過,這整個動作都是機械性的,也就是說棒狀的液晶分子是貨真價實地存在兩片玻璃間,在那邊翻啊轉的。

既然真的有東西在那邊翻,就需要時間,而且這個時間以顯示裝置的要求來說,還不算短。想像一顆黑色的球在白色的畫面上由左往右飛過去。當球在畫面上移動時,球的位置所在的像素要顯示黑色,但當球離開後,那些像素必需要翻轉成白色。如果翻轉的速度不夠快,在球離開後它們才慢慢由黑翻白,畫面看起來就是黑色的球拖著一條灰色並慢慢變白的尾巴。你有沒有在 Windows 裡打開過滑鼠設定的「顯示指標軌跡」?看起來大概就像那樣。這就是用早期的液晶電視看 ESPN 的慘況。

不過,隨著液晶分子材料的進步和驅動技術的改善,現在LCD的反應速度已經大大改善。我們現在已經可以在數個毫秒的時間內,叫液晶分子說站就站,說躺就躺,而這樣的反應速度已經足以追上大部份的影像內容,大聯盟的全壘打也不再拖著一條尾巴往外野飛去。

不過,雖然不拖尾巴了,但大家還會發現,為什麼球的邊緣看起來還是糊糊的呢?

眼睛追蹤移動物體的原理

慢慢地,有更多關於LCD和視覺的研究發現,光是改善反應速度並不能解決問題,LCD本身的工作方式才是關鍵。

先看看現實生活中的移動物體,怎麼樣影響我們的眼睛。

當看到移動中的物體,大腦會操縱眼球肌肉去追蹤物體,讓影像停留在視網膜上的同一個位置,這是所謂「動眼反射」的一種。坐捷運時,你可以注意一下坐在你對面的人,如果他的眼睛正在看著窗外的景色,你會發現他的眼睛像掃描器一樣,先逐漸從一側慢慢掃到另一側,再跳回原來的位置,再重新開始掃描。

會有這樣的動作,就是因為他看著窗外隨著電車前進而相對後退的物體,因此他的大腦會讓眼球轉動以追蹤那個物體,直到它消失在窗邊看不到為止。這時大腦就會放棄追蹤,讓眼球跳回原來的位置,再重新找一個物體來追蹤,週而復始。由於這個動作是反射,不需要意念的介入,因此我們往往無法察覺其實自己已經在做這樣的動作。日本人對這樣的眼睛運動有個專有名詞叫「電車眼」,在日本坐電車時常常可以看到整排的乘客眼球一起隨著電車的行進而掃動,相當有趣。

CRT、LCD顯示原理大不同

再回顧一下那個沒有液晶的年代。在CRT是顯示器主流的時候,我們並沒有遭遇到類似的問題,除了CRT的反應速度夠快以外,它的顯示方式是主要的原因。CRT顯示影像的原理是利用電子槍在螢光幕上打出光點,因為電子槍只有一組,所以同一個時間螢光幕上其實只有一個點會亮。電子槍打出來的電子束受到偏向磁場的操控,由左而右,由上而下,掃描出一幅完整的畫面。雖然一次只能打亮一個點,但因為視覺暫留的關係,我們會看到整幅的畫面。這種顯示方式稱為 「impulse type」。

對於在電視螢幕上移動的物體,其實我們也會用動眼反射來追蹤,但追縱的結果在CRT上和在LCD上會有很大的不同。

在CRT上,因為同一時間只有一個像素是亮的,所以其實大部份的時間,投射在視網膜上的畫面是黑的,只有少部份的時間才有影像。假設有個小強,在螢幕上從A位置移動到B位置時,人的眼球會穩定地從A追蹤到B,並且預期小強會隨著眼球的移動一路出現在這個路徑上。不過,因為CRT一次只能打亮一個點,所以真實的情況比較像是:小強先出現在A,閃一下(比如說千分之一秒)就不亮了,接著電子槍要忙著去掃別的地方,所以在眼球由A移向B的追蹤過程當中(比如說二十分之一秒),其實收到的是黑畫面(也是二十分之一秒),當小強移動到B,該在B處出現時,電子槍又掃回來了,於是又在B處打出小強的影像,讓它又出現一下下(再來個千分之一秒)。而當小強由A消失成為黑畫面,再到出現在B的這一小段時間中,我們的大腦會充分運用想像力,自動補上小強在A點與B點間沒畫出來的影像。雖然這段時間眼球追蹤的是黑畫面,但我們仍能看到小強由A流暢地爬到B。

但在LCD上就不是這麼一回事了。LCD的顯示方式稱之為「hold type」,它的每一個像素在任何時間都是亮著的,因此如果和上面那個例子一樣,小強由A移到B需要二十分之一秒,其實小強會在A出現並停留二十分之一秒,然後瞬間在B出現。在現實生活中並不存在這種會瞬間移動的物體,因此我們的大腦也不知道該如何用眼球追蹤這樣的東西。我們的眼球仍然會照著大腦所預測,小強由A移動到B的速度,逐漸由A轉到B。但在這個眼球移動的過程當中,由於小強始終停留在A,因此隨著眼球轉動,成像在視網膜上的影像反而落後於眼球轉動的角度。動眼反射本來是我們用來追蹤移動物體,讓它能在視網膜上呈現清楚穩定的影像,但遇到hold type的顯示裝置反而會搞砸。小強停留在A的這段時間,隨著眼球的轉動,會形成一連串在視網膜上落後且位置不固定的影像,它們會疊加成一個模糊的小強,直到小強瞬間移動出現在B時,網膜上才會重新出現小強在B位置的追蹤成像。接著小強如果要繼續往別的地方跑,眼球繼續跟著轉動,B位置的成像又會開始模糊…

這個問題,不管LCD的反應速度再快,都沒辦法解決。肇因於hold type的顯示方式,在LCD上的影像時時刻刻都存在,不像CRT有全黑的時刻讓大腦有想像空間去補足動態不足的部份。怎麼辦呢?下篇為各位細說分曉。

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大家的回應

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1.  RB (發表於 2009年7月21日 18:41)
常聽到的黑插入技術或許可以解決?而且LED背光的普及會讓黑插入技術更容易實現?面板不用飆速度,只要在面版更新完成的瞬間叫背光模組閃一下,好,開始更新下個畫面XD(有這麼簡單嗎

理論上LED背光會讓事情變簡單吧?不用硬要面板飆上120HZ也做得到,只是看起來就像CRT一樣會閃啊閃的...

或者有可能在製作面板時就故意留後門,讓像素被設定成一個角度以後,不理他他就會慢慢轉到阻光的方向?這樣看起來可能會像磷粉塗太多的CRT,每完成一次掃描時畫面是最亮的,然後慢慢變暗,等下次掃描時又把他轉到正確的角度顯示出畫面(然後又慢慢變暗...所以看起來應該還是會閃,只是沒有黑插入這麼明顯吧...

以上妄想結束,問鳥大這些玩意的詳細XD(有類似的東西嗎?尤其是第二種
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4.  jscorpio (發表於 2009年7月22日 00:20)
我還是無法忘情在雜誌上看到sed螢幕概念的感覺,
"lcd真是個先天sucks的技術."
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6.  Clark (發表於 2009年7月22日 14:37)
雖然有點不太懂,但是我家的LCD螢幕,有時候看移動的物體真的會變模糊,我一直以為是LCD壞了,想說沒什麼大問題就不管他,原來是正常的,感謝解答:)
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9.  yummypixza (發表於 2009年7月23日 10:31)
看到電視還有廣告說600Hz的
一整個汗顏...
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10.  妮可 (發表於 2009年7月27日 15:28)
這種比較技術性的專欄為何不放在雜誌裡....

最近的電腦王愈來愈有輕小說的取向了...
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11.  dunntw (發表於 2010年11月22日 17:33)
裡面有段"當小強由A消失成為黑畫面,再到出現在B的這一小段時間中,我們的大腦會充分運用想像力"


這個是很重要的生理機制,因為我們會眨眼,沒有這個機制,我們會被自己搞瘋,每五秒鐘眼前黑一次,恐怖呀


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