转篇技术贴——10bit色彩处理技术离我们到底有多远

cddiy

前言

        现在很多LCD和PDP显示器/电视机都喊出了“10bit面板”的口号，就连一向安稳的显卡也开始支持10bit甚至更高的色彩精度，“10bit面板”究竟是真有其事，还是像“动态对比度”那样只是一个数字指标游戏呢？

液晶的老大难问题

        液晶技术通过调整液晶偏转角度来控制背光通过量，进而实现三原色点的发光强弱，背光模块发出的白光通过滤色膜分解成红、绿、蓝三基色光。在这个过程中，驱动电路控制薄膜晶体管(TFT)当中液晶分子的偏转来实现对光的调制，所以LCD显示器能够实现的精度，与驱动电路的控制精度有很大的关系。
        液晶技术有一个致命的缺陷，那就是颜色数量，而衡量色彩的好坏，公认的参考标准是色域以及能够在该色域内表现出的颜色数量。举个简单的例子，我们在显示红色时，色域决定了能够显示“红色”的范围，而颜色数量则决定从深红到浅红过度是否自然，有没有色块。


        

                                                            

LCD的发光原理图

       在液晶显示器上，色域主要由背光模块和滤色膜决定，而能够表现的颜色种类(数量多寡)则是由驱动电路的处理位数来决定。如果驱动电路以6bit来处理每种颜色，那么液晶分子也就只有26=64种变化，三原色加在一起也就只有218=262144种(俗称的26万色)，这也是主流手机液晶屏幕的发色数；如果在6bit驱动电路中加入抖动算法，我们就可以实现更多的颜色数量，常说的16.2M色面板就是这么来的；更高级的是8bit驱动电路，能够显示224=16777216种颜色(16.7M色)。
        通过简单的数学计算我们就可以发现8bit驱动电路所产生的驱动电压数量是6bit电路的4倍，电路更复杂；如果再配合更好的液晶分子材料，成本就会居高不下。所以到目前为止，主流的液晶显示器仍然在使用6bit硬件驱动电路，辅以软件抖动算法来实现16.2M色。

色阶的过度，颜色数量决定了颜色之间的过度是否明显

     既然8bit的普及尚需时日，那么10bit又是怎么一回事呢？通过上面的推导，我们已经知道实现10bit驱动电路的难度要在8bit电路的基础再上乘以4(仅指驱动电压数量，实际实现起来难度远不止4倍)。其实早在数年前，10bit驱动技术已经出现了，但为什么要等到最近才从“幕后”到“台前”呢？这其中还涉及到色域的问题。

色域就是显示器(设备)能够在全部色彩空间中表现的色彩范围

       为了直观地用数字来衡量显示设备的色域，业界普遍使用NTSC色域范围作为基准，显示器能够显示的色彩范围与之相比得到一个相对系数。传统液晶显示器的色域仅仅占到72%的NTSC色域范围，也就是sRGB标准的色域范围。液晶显示器必须达到这个色域范围才能出厂；而早期的液晶电视受背光模块影响，色域也停留在72%NTSC，在那个时候即使采用10bit驱动技术，效果也不会有多大改善。

        既然10bit驱动能够带来4倍于8bit驱动的色彩数量，为什么断言效果不会有改善呢？这就要从人的生理上找原因了。肉眼不能完全分辨出颜色过渡的细微差别，在72%NTSC色域范围内，很多人已经看不出16.7M色面板色阶过度的界限；此时盲目提高到10bit驱动，并不能带来显著的视觉效果提升。

背光源与LCD的控制电路

        在完成对比度、可视角度以及响应速度的革新之后，液晶工业开始提高背光模块和滤色膜工艺，以实现更宽广的色域输出。广色域面板的异军突起，成了2007年和2008年最炙手可热的新技术。使用广色域背光管(WCG-CCFL)再加上改进的滤色膜，液晶显示器的色域一举提高到97%NTSC的水平，而实验室里面使用的三基色LED背光模块，更将色域扩展到110%NTSC。
        如果此时继续沿用8bit驱动技术，难免会有“金眼睛”发觉色域过度中的色阶。此时引入10bit驱动技术与广色域面板珠联璧合，不失为行之有效的方法。

计算机在拖后腿

        现在我们发现一个非常奇怪的现象，为什么众多厂家都急着提高液晶电视的显示效果，而液晶显示器却迟迟没有动静呢？以往每次液晶技术的革新都是从显示器开始的，为什么偏偏这次却要落后？的确是这样，这次液晶显示器看来要落后半拍了；但这并不是显示器本身的错，而是整个PC显示系统拖了后腿。
        在Windows XP的桌面上点击右键→属性→设置，我们看到了什么？“颜色质量-最高(32位)”。这32bit中仅有24bit用来传输RGB信号，剩下的8bit是Alpha通道，所以在Windows XP中，计算机只能够处理每种颜色8bit的灰度。这样输出给显示器的也只能是单色8bit灰度信号。

现在计算机在色彩深度上存在局限

        在最新的Windows Vista中，微软加入了对单色10bit的支持。而在显卡方面，从NVIDIA的GeForce8 Series和AMD(ATI)的Radeon X1000系列也开始能够处理单色10bit信号。但在实际软件中能够支持10bit显示输出的软件还不是很多，能够提前享受到10bit好处的除了专业的图像编辑软件之外，就剩下一些视频播放软件了。而对于电脑的其它用途，像电子商务、上网冲浪、听音乐、玩游戏等等，10bit完全派不上用场。就目前的情况来看，10bit在近几年内注定只能固守专业领域了。
        那这么说来是不是“10bit”处理电路对LCD显示器来说就完全无用呢？答案也是否定的，这个问题就跟若干年前，声卡芯片从16bit升级到24bit采样一个道理——当时计算机将低采样精度的音频信号传输给声卡，声卡对输入信号进行重新采样，并在内部计算时全部使用采样率更高的信号，结果输出的音频信号得到明显改善。现在LCD也在充当同样的角色，它对输入的8bit信号进行计算，然后再通过10bit运算电路来对信号进行优化，最终再转化为8bit的数字信号来驱动面板。
        有些朋友会说，那液晶电视或者家庭影院又拿10bit来做什么？其实对于液晶电视来说，完全不用考虑计算机信号的问题，存储于DVD、蓝光光盘中的视频内容使用的是YUV信号，这些足以满足视频输出的要求。这种信号由于良好的压缩能力被广泛应用在视频压缩传播领域。视频播放机读取压缩的YUV信号，然后通过特定算法既可以将其还原为单色8bit灰度信息，也可以将其还原成精度更高的单色10bit信息；如果压缩的YUV信号质量足够好，甚至还可以还原为极端的单色12bit灰度(据相关资料，PS3游戏机中视频信号处理的位宽是单色16bit)。

                                                

天生多彩的等离子电视

        对比前面的液晶剖面图，等离子显示技术最大的不同就在于不需要背光模块和滤色膜。每个像素都是由三个很小的三基色“霓虹灯箱”组成，“霓虹灯箱”内部充有惰性气体或者水银，在电场的作用下发出紫外线；紫外线再和灯箱壁上的不同荧光粉作用，产生三基色光。
        不同强度的电场对应不同强度的三基色光，宏观上就形成了彩色显示的像素点。驱动电路的控制对PDP面板的控制更加精确，这是因为在PDP“荧光箱”中，只需要控制充放电时间(这是脉冲信号，数字量)就可以控制亮度；而液晶显示器中，驱动电路对电压的调节实际上是一个模拟量。所以在控制精度方面，PDP占尽优势，现在很多PDP面板已经达到12bit的精度，以后还有继续提高的空间。

等离子显示技术的原理

        液晶技术过去因为背光模块难以发出色域较宽的白光，经过滤色膜的衰减后只能达到72%NTSC；而等离子电视的色域完全由三基色霓虹灯箱决定，因此在提高色域时，只要针对荧光粉的配方做出优化，宏观上就能得到宽色域的显示能力。同样的，调整电场的强度就可以调节霓虹灯箱发光的强度，所以与LCD相比，等离子显示技术能够轻易实现更多的发色数——几年前等离子就能用上单色10bit灰度的驱动技术，现在更是翻两番，提高到12bit。


10bit，想说爱你不容易

        看到这里大家已经明白了，买回家的平板电视并没有“缩水”，所以自然不是什么噱头。但是好马仍需好鞍配，就算平板电视的内功实力深厚，也要有“像样”的搭档才行。谁会是这个搭档呢？
        普通的有线电视基本上是无能为力了，毕竟PAL标准隔行扫描的广播方式连分辨率都不能保证，更不说色深达到10bit了。
        DVD播放机也不能说个个都能够胜任。为了控制成本，大部分DVD视频输出仅仅配备了复合端子，S端子，色差组这样的模拟接口，能够较好的胜任8bit传输就不错了。还有一部分DVD配备了DVI或者VGA接口，其目的也是为了能够接驳电脑显示器，内部的视频转换部分使用还是8bit采样。
        只有少数面向高端，价格在2000元以上的DVD才内置了发烧级的12bit采样芯片，能够通过HDMI传输10bit灰度数字视频信号。
        如果真要找“门当户对”的，新一代蓝光播放机才是10bit、12bit平板电视的最佳伴侣。高分辨率的视频内容加上顶级的转换芯片，配合统一的HDMI 1.3接口(请视具体产品而定)，这才能体验到10bit甚至12bit带来的视觉享受。
        现在回到最开始的话题，如果是用HTPC来搭配电视呢？虽然不少显卡都配备了HDMI，甚至是HDMI1.3的接口，但无奈于目前大多数民用PC最大只能支持输出10bit(需要操作系统支持，如Windows Vista)，因此搭配10bit液晶电视还算将就，要连接12bit的等离子就有点“小材大用”了。不过受限于现在的片源以及人们的日常使用习惯(多数人还倾向于使用Windows XP/MCE来作为HTPC的操作系统)，现在与高色深平板电视相连并不能达到最好的效果。

写在最后

        看来“10bit”、“12bit”确实有其过人之处，它们能够更真实的再现大自然缤纷多彩的色彩；不过好马仍需好鞍配，现阶段想要享受到新技术带来的好处仍然需要付出不小的代价，只有和蓝光播放器等高级AV设备配套时，才能发挥应有的威力。
        至于PC方面，由于HTPC受到操作系统以及硬件的限制，现在还不能完全满足10bit/12bit面板的“火力要求”，但相信很多人看中HTPC是因为其的内容丰富，若假以时日，PC平台也会迎头赶上。
        最后， 就是希望大家能够对“ 色深” 参数有一个清晰的认识，不要重蹈“动态对比度”的覆辙—— 数字并非越大越好， 所以“36bit(12bit×3)”、“30bit(10bit×3)”之类的数字游戏还是少来一些吧！




[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-6-30 15:27 编辑 ]

唐僧唐僧唐僧

不错，技数贴要顶，htpc在色彩这块还是不行

wanhua123

液晶本来色彩就不行

友山

楼主很喜欢钻研技术方面问题,值得顶帖!

lee-king

原帖由 唐僧唐僧唐僧 于 2010-6-30 16:05 发表
不错，技数贴要顶，htpc在色彩这块还是不行

HTPC是8bit没错,但是蓝光碟片也是用8bit来制作的,你能看出12bit来吗?

xin115

前面不是有同志说30 bit  什么16bit.............这不是矛盾了吗??

fenice

原帖由 xin115 于 2010-6-30 21:37 发表
前面不是有同志说30 bit  什么16bit.............这不是矛盾了吗??

帮忙解说一下，不对的地方可以拍砖：）

16bits复杂一点儿，且早已过时，有需要再解释。

24bits是基于 用8bits 显示R， B， G 三个颜色的一种，所以，8bits *3=24bits，能表现大约16700000种颜色。

30bits 是根据lz所说的10bits 表现一个颜色来的，综合起来就是10bits*3=30bits 大约能表现10亿种颜色：）

[ 本帖最后由 fenice 于 2010-6-30 22:37 编辑 ]

1974ahlay

摄像机的呢？？？？？

cddiy

原帖由 友山 于 2010-6-30 20:53 发表
楼主很喜欢钻研技术方面问题,值得顶帖!

谢谢！对技术方面有点小兴趣。

之前有坛友说松下U20看高清会出现色斑，于是在网上调查了一下关于色深的问题。无意中看到了这篇文章，觉得不错，赶紧贴过来。

emufan

理解错误，尤其是在对信号源的描述上
不要以为是微计的就盲从～谈电视还是不靠谱
实际上大多数电视都不会接受到10bit信号，即便是蓝光开启了deepcolor，BD本身的也是8bit的数据，完全没必要在碟机上完成过采样，10bit在电视上仅仅是提高细节的一个很小作用的技术，肉眼可见的色阶是粗劣的色彩处理系统的问题，跟面板驱动是10bit还是8bit无关

就好比CD的16bit采样过了这么多年，依然没有太多人能听出跟24bit的区别，更不用说32bit，徒增数据量而已

cddiy

现在蓝光机最高可输出48bit色深的信号（16bit*3，Pioneer BDP-320），但是否为BD碟原始信号还是插值所得的就不清楚了。

emufan

原帖由 cddiy 于 2010-7-1 13:10 发表
现在蓝光机最高可输出48bit色深的信号（16bit*3，Pioneer BDP-320），但是否为BD碟原始信号还是插值所得的就不清楚了。

随便找个remux看看YUV就知道了

真正的高素质信源看4K数字电影，索尼为好莱坞定制的DCI：
DCI格式詳細載明了4K解析度，以及12位元灰階的XYZ色彩空間，並使用Motion JPEG200進行視訊壓縮，其數據傳輸速率達250Mbps

BD只有48mbps，图像部分的峰值，MPEG的压缩结构也影响实际分辨率，更不用说4：2：0的Ycbcr了

[ 本帖最后由 emufan 于 2010-7-1 13:32 编辑 ]

喜欢高清

不错!好贴要到定!

sunrise

WIN7系统下，HTPC据说可以达到10Bit的输出

yddy1

看懂了一些，更多的不懂，其中太复杂太深奥了。

我的观点是，在人类没有找到更好的显示技术之前，有得看就不错了，好好玩玩现有的DD，把这辈子过完再说下辈子的事情。。。