HDTV带来高画质平面显示信号的量测挑战

近几年来，显示产品的主要元件正在从CRT朝向代表平面显示电视的LCD、PDP等等的技术过渡发展。因此基于这些显示元件变化，就必须依照其元件的特性进行量测，不能把原来的量测CRT的环境或条件，原封不动的作为平面显示电视元件的量测环境。首先，LCD的动态性能（动态影像的显示性能）和静态性能（静态影像的显示性能）与CRT的可以说完全不同。CRT在动态影像显示效能方面相当漂亮、而且在色彩再现性等方面也有很优越的表现。而LCD由于控制各画素显示影像的元件反应速度，以及彩色滤光片、背光源等的性能也对于画质有很大影响。所以，原来CRT不需要量测的地方，对于LCD来说却变得相当重要，另外也需要进行多种多样的量测信号。

通信和播放角色的不同

从最基本的技术来说，相较于传统的CRT而言，LCD是采用数字信号，例如现在的数字HDTV播放，被定位为以实现超越模拟CRT播放规格的NTSC画质为目的。传统CRT的水平扫描线数为480条、画面比4：3，而面对数字HDTV的要求是将1080条扫描线、16：9的影像内容利用MPEG-2技术，压缩到了15∼22Mbit/秒，送达到各个家庭。

图说：数字HDTV的要求是将1080条扫描线、16比9的影像内容利用MPEG-2技术，压缩到了15∼22Mbit/秒，送达到各个家庭。（资料来源：Eirikso）

实际上，包括电视、投影机、数字相机等等的影像显示产品，已经进步到了超越数字HDTV播放规格。例如具备3原色LED背光源的液晶电视，已经实现了相当于HDTV播放的1.5倍色域。所以目前消费者有一种错觉，觉得现在的电视已经显示了自然界中的一切，不过实际上电视还是只能显示了很有限的范围。如果扩大色域，真实感就能一下子大幅提高，关于感受这一点，如果不亲身体验是无法瞭解的。甚至于在动态影像下，平面显示器所能够表现出来的能力，以及如何藉由测量调整来达到高度表现画质信号。

平面显示电视信号量测中的静态量测及课题

由于平面显示电视的显示元件的特性限制，以至于市场不断地有平面显示面板视野角度扩大、色彩再现性能提高、高灰阶现实、解析度转换时的画质改善等要求。关于灰阶显示，平面显示电视的内部处理已经提高到了几乎可以进行RGB10bit以上处理的程度，但是预测未来bit还有提昇的空间。这是因为，在进行细微显示的画面或头髮质感等的时候，如果期望能有自然地显示画面，并且能够达到高感度的观赏效果的显示时，就必须进行多灰阶显示。另外，因为平面显示电视透过固定画素显示，所以必须进行解析度转换，并且当与数位播放以及DVD视听的结合时，对于画质也要有更大的改善效果。

就过去而言，平面显示面板大多都作为PC的显示器，所以在画面上，几乎已经确立静态信号的量测方法。在进行量测信号Patten时，首先在视野角度、色彩量测上必须能够简单设定适合其量测的颜色，而且也有必要进行色彩量测上易于使用的Patten。另外，在视野角度量测方面，准备、设定感测器的相关位置等环境本身也是进行量测的必要要素。

图说：平面显示面板大多都作为PC的显示器，所以在画面上，几乎已经确立静态信号的量测方法。（资料来源：LEADER）

画质量测中的动态量测及课题

面对超越HDTV的高画质影像服务的实现，目前业界所关注的是数字电影。在数字电影中需要处理的画质信号，远远超越HDTV。美国好莱坞的七家电影大公司组织的同业界团体「DCI」，就相当明确表示对HDTV的竞争之心，来推动高影像画质标准化，预计支援该画质的电影在2007年之后会逐渐开始展开。因此如何得到平面显示画值的确保，对于动态影像的信号测量也就显的日益重要。
为了量测平面显示电视的动态性能，视频信号产生器的输出Patten必需的要素可以分为四大点。

第一，为了平面显示电视的影像处理电路，画面适应处理性能可以得到发挥，必须要能够进行Dynamic变化的信号Patten。很多使用平面显示面板的电视为了改善Dynamic范围、对比度、灰阶显示等，都採用了能调整适应画面辉度、GAMMA特性、Dynamic范围性能的控制IC。所以为了量测这种性能，如果只有原来的Flicker Patten，这对于画面适应处理的量测是不够的，更别说能够进行动态量测，所以必须要把自然、运动的Patten连续组合。

第二，开发能定量信号Patten量测的Scroll、TELOP Patten。就平面显示面板的量测来说，本来也有Scroll Patten，但是近来，对包含接近实际播放内容的TELOP Patten的要求有愈来愈高的趋势，这是因为电视节目大多是用TELOP，而且字幕轮廓的补正技术在电视中也就变得相当重要了。

第三，必须准备无歪曲的非压缩影像Patten。透过数字式播放、DVD的影像内容时，由于为了提高传送特性或记录性能，几乎内容资料都被压缩了。所以在播放这些内容进行量测时，就会出现歪曲的状态，而得到歪曲状态的数值，所以很难说进行正确的效能量测。所以，必须要准备无歪曲的非压缩影像Patten。

第四，需要拥有进行解析度转换时，能够显着表现所产生的问题点的Patten。用点阵及渐进式扫描显示的平面显示电视中，与CRT不同，所以进行画面扩大/缩小相伴随的解析度转换，还必须要有从交错式向渐进式的转换，2：2及3：2下拉处理等画素转换处理。把这样的画素转换带来的问题点清楚显示的Patten也是有必要的。

图说：面对超越HDTV的高画质影像服务的实现，如何得到平面显示画值的确保，对于动态影像的信号测量也就显的日益重要。（资料来源：APPLE）

动态影像模煳的原因

液晶画面里动态影像模煳是因为运动中的影像的轮廓拖着尾巴而使画面看来模煳的现象。这里有两个产生原因，一个原因是液晶的应答速度，另一个是保留显示方法。一般液晶电视而言，一个画面约16.7ms更新画面一次。那么液晶的应答时间必须点于这16.7ms。
为了缩短液晶应答时间的方法，研究开发了一种叫做Over Drive的讯号处理法来改善应答时间，并已开始了实用化。但研究发现，即使液晶的应答时间达到0ms仍无法消除动态影像模煳。这是由于第二个原因，液晶面板以「保留」的方式来显示画面。所谓「保留」的显示方法，即一定期间内显示同一个画面。如录影画面，垂直週期就（约16.7ms）相当于这个保留时间。这样显现，保留方式的显示面板显示的动态影像，在视网膜上左右摇动。画面的摇动时间上被分割开来，使人感觉上动态影像模煳。因此和改善液晶应答时间一样，又进行了缩短保留时间的显示方法。

从以上模煳发生原理来看，传统使用的测定由白到黑的变化时间和由黑到白的变化时间的液晶应答时间无法显示液晶的动态影像模煳。因此，多家公司在2001年开始联合研究探讨液晶动态影像模煳的评判法。其结果是定义了能将液晶动态影像模煳的量数值化的MPRT（Moving Picture Response Time）。以MPRT概念为基础，在VESA（Video Electronics Standards Association）进行了标准化的研讨，近来的LCD－TV的说明书上也开始使用「动态画面模煳改善」的说明。因为这种趋势，所以VESA（Video Electronics Standards Association）在FPDM 2 (Flat Panel Display Measurement)上追加了动态影像评测的专案，作为Update版公佈。在VESA FPDM 2 Update中的Motion Artifact上，总共提出来了10个评测专案。

改善动态画面的模煳

改善因控制时间引起的动态画面的模煳，也就是作为缩短显像光的控制时间的基本方法，有以下两种。一种是把显像光变成图像中每画面的不连续光的间歇显像法，另一种是运用动作补偿技术的倍速显像法。实现前者的具体方法是利用与画面週期数同步的逆光闪烁和透过每画面插入黑信号来缩短显像光的控制时间。

最近较为热人的是，採用动态补偿技术。逆光闪烁和黑信号插入等等的间歇显像法，能够改善动态画面的模煳，并且实现起来比较简单。但在大画面高亮度的情况下，容易产生画面的闪烁不定。相比之下，动态补偿倍速显像法能够在不增加画面闪烁的前提下改善动态画面模煳，但因为需要大规模的讯号处理线路，至今还不能得以实现。

2005年，有相当多利用缩短控制时间改善画质的相关技术和产品被发表出来，例如，把画面信号和驱动的画面週期数从通常的60Hz提高到90Hz，从而将控制时间缩短到约70%，并使用扫描型逆光闪烁又缩短到70%，共计缩短了50%，在不增加画面闪烁的前提下改善了动态画面模煳问题。因为在90Hz下进行逆光的闪烁，人眼不容易感觉到画面的闪烁。或者将画面週期数提高到120Hz以改善动态影像。以上都是直观型的LCD动态影像改善方法。与此相对的，还有利用转动光源和LCD之间的棱镜，在不降低光的利用率的条件下缩短控制时间以改善动态影像。

图说：2005年，有相当多利用缩短控制时间改善画质的相关技术和产品被发表出来。（资料来源：Seriouswheels）

影像信号传递的方式

追求数字平面电视影像的真实化，对于影像画素来说，下一步就需要研究「色彩」，数字播放在处理规定的编码速度、编码方式时，传达到家庭的影像的高画质化方式有两大方面，分别是，将HDTV的原影像尽量保持原样传递，以及大幅变更规格后，进行传送达到高画质化。尽量保持原样传递是指，为了使画面画素依照1920×1080的规格与播放频率，传送速度相吻合而必须降低资讯量，将这些资讯量尽量按照原来的状态送达到显示器。所以所接收到的内容，是依照保存在电视台等地方的影像，而也无须对制作现场的硬体，进行大规模的变更，对于减少影像制作成本支出来说，这是一个优点。

而大幅变更规格后，进行传送达到高画质化的目的是，必须在从影像制作到显示的系统中增加相当多的变动，例如利用编码的方式，来变更原来影像内容的格式，达到降低传输量的目的，虽然不会对传输带来太大的负担，不过，这对于数字平面电视的信号接收能力来说，却是一项大考验，并且有可能造成影像画质的劣化。

画质劣化引起原因探讨

画质劣化引起的原因主要有三个，包括了色彩信号的压缩、灰阶数的降低，MPEG-2方式的编码。有关失去影像质感或立体感主要原因的讨论很多，例如，因为伴随着MPEG-2编码时，量子化模煳感的增加，以及运动预测误差引起的模组扭曲。也有讨论认为，编码资料速度控制在15∼22Mbit/秒的低状态、或者编码资料速度与场景运动的复杂程度吻合度等等。量子化在人类肉眼难以认识的范围内，除去影像的高频率部分，但是高压缩设计为主要着眼点的现行MPEG-2编码中，有优先进行编码量的降低的倾向，而将量子化幅度设定得比较宽的倾向，但这就会失去影像轮廓的鲜明性。而且，被限定的编码量中，预测误差如果增大，扭曲就会一下子增大，使得画素中相同颜色被模煳的比率增高，所以影像就变得更加平面化。当然还有更好的编码方式，例如次世代光碟储存设备中作为编码方式之一H.264/MPEG-4 AVC（之后，H.264）的「High Profile」。影像信号的样本化比YcbCr为4：2：0，灰阶数为8bit，这与MPEG-2相同。所以如果编码资料速度能够达到12∼16Mbit/秒的话，就可以得到与原素材影像十分类似的画质。

影像信号量测未来展望

面对未来，影像信号的量测发展方向，首先最需要开发出来的是强化动态影像量测的Patten，其次为了适应多灰阶化，对Patten多灰阶化的需求也会增加，这也是平面显示电视产品的开发目标，下一阶段预计是能够达到16bit的灰阶表现能力。最后是对次世代介面、规格的支援，即使现在很难预测会出现更高性能、高功能的介面或规格，但是有必要在尽量早期的阶段确立适应其出现的量测方法。