前言
隨著高畫質LCD TV時代的來臨，液晶電視品質主要取決於四大領域：低色偏及高對比的超廣視角技術、改善動態影像畫質技術、高色彩飽和技術，以及凸顯影像層次的影像處理系統。針對這四個領域，相關廠商分別提出了超廣視角技術、動態影像畫質改善技術、高色彩飽和技術以及影像層次增強技術。以下就這四項平面顯示技術作進一步的深入探討。
超廣視角技術
TN（Twisted Nematic）是最廣泛應用於TFT-LCD的一種液晶操作模式。目前市場上的LCD螢幕與小尺寸液晶電視，大部分都是TN-LCD，TN-LCD的優點是：光穿透率高並且製程容易；但是TN-LCD的缺點是：無法達到廣視角的要求。(圖1-1)為TN-LCD在正視與上下視角下所呈現的畫面。上、下視角分別有畫面泛白與灰階反轉的問題。
為了達到廣視角，1998年日富士通（Fujitsu）提出名為MVA（Multi-domain Vertical Alignment）的新式液晶操作架構。(圖1-2a)表示在基板上以特別設計的突起物，使得液晶分子在突起物的兩側呈相對應的排列狀態。如此，從左右視角都可以同時看到兩種不同的液晶排列，這樣對稱的液晶分佈讓我們在左右視角方向都可以獲得相同的光學特性。
(圖1-2b)為面板畫素的上視圖，藉由折線狀分佈的突起物，就可以得到4個區域不同排列的液晶分子，進而在全視角方向都能獲得相近的光學特性。MVA-LCD可解決畫面泛白與灰階反轉問題，亦具備高中心對比以及無需摩擦配向製程的功能。目前夏普（Sharp）的ASV、三星電子（Samsung Electronics）的PVA、奇美光電（CMO）的Super MVA以及友達光電（AUO）的AMVA，都屬於此類技術。
MVA技術雖具有高對比和廣視角的功能，不過卻有大視角色偏的先天缺陷，而低色偏技術是未來LCD進攻大尺寸電視市場必備的武器。目前全球成功量產低色偏VA面板的廠商，分別是日本Sharp的ASV、Samsung的S-PVA以及AUO的AMVA。
以AMVA技術來看，如(圖1-3a)所示，相較於傳統MVA技術，AMVA採用特殊的畫素設計，將畫素分成兩個區域，並利用電容耦合效應，在兩區域間產生不同電壓差V1&V2，使得液晶分子有兩種傾倒角度，所以單位畫素內，會同時有兩個亮度區域，(圖1-3b)即為實際由顯微鏡拍攝而得的不同灰階畫素。
如此，從MVA的4 domain演進到AMVA的8 domain，人眼可以在不同視角，看到更平均的液晶光學特性，讓產品可同時達到廣視角與低色偏的要求。在(圖1-4)中，上、下方的面板分別為傳統MVA面板與AMVA面板，兩者在正視的色彩表現相似；但從大視角來看，可以明顯地看出傳統MVA面板呈現出慘白膚色，而AMVA面板的膚色表現幾乎與正視相近。
除了降低色偏之外，AMVA亦可將面板對比由800：1提升至2000：1。如(圖1-5)所示，色阻材料、畫素設計以及偏光片是影響面板對比的三大關鍵。
經由與上游廠商的密切合作，AMVA面板可導入色阻材料與偏光板材料新技術，大幅降低散射光（也就是暗態漏光）。另外，相關廠商改良畫素設計，降低暗態的畫素漏光，更經由減少液晶的錯誤排列，增加亮態的亮度。並且經由色阻、畫素與偏光板最佳化，可以成功提升對比，改善畫面品質，如(圖1-6)所示。
當前電視市場雖然成長快速，但也面臨持續跌價的嚴苛挑戰，唯有持續改善面板特性，才能維持市場的領先地位。
改善動態影像畫質技術
液晶的反應時間（Response Time）一直以來都是TFT-LCD的發展重點。因為若是反應時間不夠快速，在液晶尚未到達應該達到的灰階準位時，就要展現下一個畫面（Frame）所需的灰階，如此會產生所謂拖影的現象。於是廠商發展出所謂的OD（Over-Driving）的技術，來提升液晶的反應時間，目前市面上LCD螢幕已經可以宣稱達到2甚至 1ms的反應時間。然而在LCD電視的應用上，對於動態畫面的需求卻更是嚴苛的，不是只用OD就可以達到。
TFT-LCD的液晶操作模式，給予每個畫素（Pixel）一個灰階準位，讓該畫素在一個畫面的時間內，到達並維持該灰階準位，直到下一個畫面新的灰階準位充電到液晶電容為止，這個被稱為維持式（Hold-Type）顯示。人眼之所以能看到一個個靜態自動連結成為動態的畫面，是因為人眼具有視覺暫留的特性。一般而言，視覺暫留的最低限度大約為每秒16個畫面，例如人們看電影時每秒顯示24個畫面，當前一畫面的影像還在腦海中尚未消失前，新影像又被眼睛捕捉到進而在腦海中產生連續的感覺，這就是視覺暫留的魔力。
如(圖2-1)所示，在傳統CRT的脈衝式（Impulsed Type）顯示下，由於前一個畫面出現在眼前的時間只有短短的一瞬間，到下一個新的影像進入眼簾前，有足夠的時間釋放對前一個畫面的印象，只保留足夠連結成動態影像的記憶，卻不會太過於清晰而造成對新影像的干擾，所以不會發生動態模糊（Motion Blur）的現象。
但是在LCD維持式顯示模式下，由於在整個畫面的時間內，該影像都不會消失，所以當新的影像進來後，眼睛對於前一個畫面的影像依然非常清晰，新舊影像重疊的結果，以致會產生動態模糊的結果，如(圖2-2)所示。
| 《圖2-2 》 - BigPic:626x174 | 資料來源：AUO |
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當然，人類的視覺系統並不是如此單純的系統，除了視覺暫留外，很多實驗顯示，人眼會隨著物體移動的方向去追蹤，人眼是無法察覺太高頻的運動。由於在自然界，物體移動皆為連續動作，所以人眼看來不會有特殊之處。但是在LCD維持式顯示模式下，物體卻是會在停留固定一個位置一個畫面的時間後，跳躍到下一個位置再度停留一個畫面的時間。如此一來，若每個畫面的更新頻率低於人眼的取樣頻率，人眼隨著物體移動方向去追蹤，並把收到的畫面自動重疊，就會變成連續收到多次的畫面，而這些畫面在顯示端其實是固定不動的，但是因為眼球的運動，而使得看到的畫面便會模糊，如(圖2-3)所示。
由於人眼具有視覺暫留及沿著物體移動軌道的亮度進行積分的特性，使得動態畫面在LCD這種維持式顯示模式下，會產生動態模糊的結果，如(圖2-4)所示。
因此，要如何克服甚至消除動態模糊，便成為LCD在電視應用上的重點。目前業界在解決動態模糊這個議題上，有兩大主流，其一為類似CRT顯示原理的脈衝式顯示，其中又分為資料端處理或是背光源端處理兩個方面，此種方法可以同時改善人眼的兩種特性，如(圖2-5a)與(圖2-5b)所示。
| 《圖2-5a 》 - BigPic:582x163 |
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其二為提高畫面的更新頻率，預測出原本不存在的畫面，在物體運動的路徑中插入創造出來的中間畫面，以降低動態模糊的模糊區域寬度，最具代表性的為倍頻畫面技術（Double Frame Rate），如(圖2-6)所示。
舉例來說，AUO的ASPD技術，即屬於第一類脈衝式顯示，藉由調整液晶畫素的驅動方式，特殊的驅動IC，配合調整背光模組的掃描方式，使得LCD螢幕能呈現出脈衝式的光學輸出，並調整整個畫面的亮度均勻度（Uniformity），ASPD亦能同時使用在HD（1366×768p）或是Full HD（1920×1080p）而不需更改架構及成本的技術。
高色彩飽和技術
以往影像廣播傳輸的內容多會考慮CRT電視的顯色能力，主要是以sRGB（ITU-R BT.709）規格為基礎。隨著高品質電視HDTV的日新月異，過去sRGB顯色範圍對於HDTV視訊而言，便顯得過於狹窄，無法滿足HDTV環境下的高畫質要求。不過隨著LED以及高演色性的CCFL的出現，就能突破先前CRT顯色能力的限制，達到高色彩飽和度的境界。
色彩飽和度的大小，可以1931年國際照明委員會所選的RGB光源三標準，在面板色品座標圖上所構成的面積作為NTSC 100％來表示，如此電視所能顯示RGB三種顏色在色品座標圖所形成的面積與NTSC 100％相除，就可表示該電視的NTSC值。NTSC值愈大，可顯示的色彩愈多，色彩飽和度也愈高。以往CRT顯色能力大約只在NTSC72％左右，目前大部份量產的液晶面板也約在NTSC72％左右。
液晶面板的色彩飽和度主要是由光源與彩色濾光片來決定，而目前大尺寸TV面板光源，主要還是以CCFL為主，雖然LED可以達到較高的色彩飽和度，但是LED背光模組仍須克服成本過高的問題。
目前顯色能力NTSC72％左右的CCFL光源，其螢光粉組成主要由Blue （BaMgAl10O17:Eu）--450nm、Green （LaPO4:Ce,Tb）--545nm、Red（Y2O3:Eu）--611nm混合而成，並搭配現有的彩色濾光片材料。為提高NTSC值，廠商必須尋找更紅、更藍、更綠的螢光粉材料，且其亮度以及壽命必須符合產業要求；或者調整彩色濾光片的色阻，達到更高的色彩飽和度。不過調整色阻並無法像調整螢光粉那般大範圍提高NTSC值。
因此廠商會先利用現有的色阻，去選擇新的高演色性螢光粉，來滿足高色彩飽和度的需求。新的CCFL螢光粉組成為Blue（Sr5(PO4)3Cl:Eu）--447nm、Green（BaMgAl10O17:Eu, Mn）--515nm、Red（Y(P,V)O4:Eu）--620nm。此搭配組合可將NTSC 值提高至92％。若以頻譜圖以及色品座標圖來表示，如(圖3-1)所示，研發人員將紅色螢光粉頻譜往更紅的方向移動（611nm--620nm），在(圖3-2)的色品座標圖上，便可看出包含更紅且更多紅色的區域，同理可證於綠色螢光粉（545nm--515nm）。然而由於藍色螢光粉頻譜會影響到藍色區域的顏色表現，研發人員必須將其寬度變窄、並略為往更藍方向移動，才可保持原有藍色的顯色能力，所以藍色部份的顯色能力並沒有增加。(圖3-3)為一般72％與92％的面板在顏色方面的示意圖。
採用高演色性的CCFL會讓燈管的亮度降低，且影響燈管壽命，因此必須增加一些film材料補足亮度，同時降低燈管的管電流，延續燈管的壽命表現，無疑地這些改良會增加面板的成本。目前面板廠商除了要求燈管材料夥伴提高亮度以及壽命外，也會尋求適當可搭配的彩色濾光片色阻，或者改良使用影響亮度及壽命較低的螢光粉材料，以提升NTSC值或是色彩飽和度，這樣便能減少面板成本，以符合面板市場價格激烈競爭的趨勢。
凸顯影像層次技術
隨著LCD產業成長重心逐漸由商業應用朝向數位家庭的方向發展，面板的顯示技術也從求真逐漸變成求美境界，新世代的時序控制器，便能發揮電視面板的相關色域表現能力或視覺細膩度。
LCD相較於其他顯示技術的優勢在於能提供清晰視訊輪廓的高解像能力，然而目前除藍光技術、新世代遊戲設備與部份國家的高解析廣播系統外，絕大多數的視訊來源，仍囿於頻寬或儲存能力，所提供的解析度明顯不足，若直接呈現在高解析電視中，將會造成程度不一的模糊畫面。所謂模糊訊源肇始於低解析度的訊源縮放與壓縮過程高頻訊號的保留程度。由於目前台灣的廣播訊號和相關視訊仍以標準解析度SDTV為基礎，輸入視訊均需藉由縮放方式點滿整個畫面，且常以內插（Interpolation）預測出中間之未知像素，若以混入低頻成份的數學模型分析，就顯示視覺較緩慢變化的結果。
再者，高畫質影像經常面臨高位元率傳輸頻寬或儲存媒體容量的限制，因此各類壓縮技術便應運而生，不過其基本概念仍不脫頻域分離的範疇，也就是說儘可能保留低頻成分、去除高頻資訊，不過此舉將會造成模糊的影像，如(圖4-1a)所示原始影像、(圖4-1b)所示為低頻成份影像，(圖4-1c)所示為高頻資訊影像，若濾除高頻資訊，雖可達到較高的壓縮比，但還原影像時將只收到模糊的畫面。
因此，目前的影像處理引擎均內建銳利強化的技術，其基本原理即在低頻影像中，設法加入高頻的刺激值（High Frequency Stimulus）。若以離散影像分析來看，高頻資訊強度可定義為H = ΔY/ΔX，(圖4-2a)為原始的邊緣資訊，若在兩側各別加上向下與向上的力（即增加ΔY之值），則可以形成更強烈的邊緣訊號，此法主要用於自然影像的處理。
另一種加強高頻方式則縮小ΔX，即如(圖4-2c)所示，則可增強畫面的銳利度，方法二常用於經縮放文字之補償，倘若將兩種方法對調使用，將形成文字的環邊效應，而自然影像對比將會過強，如同剪紙般的銳利化表現。
高解析面板除了有低解析視訊模糊技術問題尚待克服外，同時也有放大數位壓縮誤差所造成的雜訊問題。區塊雜訊（block noise）在以往的CRT或PDP電視多難以察覺而可被忽略，不過在液晶面板的高解析度環境，原始小區域的異色區塊，人眼便可察覺。異色區塊原是起因於低位元率的儲存或傳輸要求，現階段常用之MPEG II壓縮就是區塊為最小的處理單元，在過程中易形成區塊雜訊與量化誤差（Quantization Error）。當整張影像分割為數個小單位方塊處理時，分割的邊界可視為高頻資訊，若以?牲高頻資訊而達成高壓縮率，亦即頻域大量濾除高頻係數（High-Frequency Coefficient），將形成顯著的區塊效應。目前利用機率統計與紋理偵測等相關技巧，將銳利的區塊邊界加以模糊化，便能達到較佳的觀賞感受。(圖4-3a)即為原始影像，(圖4-3b)即為在低位率下的區域效應形成之異色方塊，若引入紋理與機率分析，可將其過濾為(圖4-3c)的影像，可有效降低雜訊的突兀感。
除了畫面的銳利度外，整體畫面的對比特性，也就是各個物件在畫面上的凸顯程度，會影響觀賞者對清晰度的感受。當對比愈強烈，整個畫面的差異度愈顯著，呈現較佳的立體感與層次感，觀賞者較易分辨不同物體；反之物體間的差別則不易凸顯，看來一片矇矓。常見增強對比的方法就透過機率重新分配的方式，把過度集中的像素分配到尚未使用的灰階，如(圖4-4a)所示，像素較暗淡且對比低，依據像素直方圖得知，數像素過度集中於低灰階，過多可用的閒置灰階，透過機率的重新分配，把較暗畫面調亮、提高對比，呈現較佳層次感表現的整體畫面。
自然影像的分佈常具有局部性，例如(圖4-5a)房子處的對比，就明顯比船的對比高，而且兩者直方圖分佈相去甚遠，若使用相同的轉移函數，勢將無法達到最佳的處理效果。因此進階的影像處理引擎，具有依據區域特性即時修正的能力，如(圖4-5b)在小船處則提高暗態對比，在房屋處則傾向保留原始效果。
顏色三大屬性包括亮度（Intensity）、色相（Hue）與飽和度（Saturation），其中色相即代表人眼感受的顏色外相，譬如紅色或綠色的差別；飽和度則代表色澤鮮豔度與純正度。透過調整色相比例，可以修正顏色的表現，例如將略顯枯黃草地修正為鮮綠色，或將過度偏黃的東方臉孔修正為粉嫩色調。由於色相的修正牽涉到觀賞者的心理層次，傾向喜好色（Prefer Color）的問題，已非單純的功能性修正可滿足，因此顯示產品均內建可供使用者自行調整的機制，觀賞者可依喜好任意調整。現階段的面板色域表現度極佳，不過播放中的視訊往往僅集中小部份的色域，部份時序控制器已內建可增強色飽和度的電路，依畫面內容自動增強色彩表現度，以充份應用面板所提供的色彩選擇。
| 《圖4-6b 色相/飽和修正影像 》 | 資料來源：AUO |
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液晶面板的顯示原理是透過薄膜電晶體調變背光模組，來達到不同的灰階表現。不過隨著面板尺寸不斷擴張，相關廣視角像素設計更顯重要，液晶電視的暗態漏光效應（Light Leakage）將更為嚴重。暗態漏光係指在送出黑色資料時，液晶分子應轉向調變極性光，使光源關閉以呈現純黑的資料內容，卻由於實際面板的像素無法完全遮蔽光源，導致黑色仍透出部份亮度，顯著降低視覺表現，這包括降低黑色純淨度或是側視角對比，影響在暗室環境的觀賞感受，如(圖4-7b)所示。
所以在技術上，調整背光模組可以降低暗態漏光，在整體畫面偏暗時，把背光調降並提高資料數值可增強畫面對比性，側視角狀態如(圖4-7c)所示，可達成較佳的觀賞感受，並有效提昇數萬至百萬之譜的對比效果。
況且大尺寸背光模組的耗電量日益攀升，若透過時序控制器內建的圖像分析電路，只要輸入較偏暗的視訊內容，藉由降低背光強度，則可減緩漏光效應並降低電源消耗。除了降低背光外，時序控制器也能同步把資料強度放大，提高像素本身的穿透率，抵消由於背光降低所造成亮度下降的作用。
目前由於LED背光技術逐漸成熟，開始有取代部份冷陰極燈管的態勢。特別是LED顯著改善區域控制能力，以往模組僅能進行全域／掃瞄式的背光調變，只要整體畫面中有部份較亮的像素，背光模組則必須維持一定亮度，因此限制動態調整的彈性。LED背光模組的好處在於區域的控制能力與即時的反應時間，背光的角色也由單純的照明，蛻變為低解析度的顯示設備，承擔高動態範圍（High Dynamic Range；HDR）的顯示能力。
LED背光可以分為64個明暗階調，面板的解析能力為256階調，整體的顯示能力則為64×256＝16384個階調，相當於傳統面板的16bit解析度。此類具有高解析能力的面板，能滿足醫學影像的判讀要求之外，整體對比能力也大幅提昇，也可降低電能消耗。(圖4-8)即為LED背光模組在各種影像的對比與省電效果，動態對比可高達數萬之外，功率消耗也只有以往面板的70％至40％，模組發熱狀況也有效改善。
結論
凸顯影像層次、提高色彩飽和、改善動態影像畫質與超廣視角這四大部分，是面板廠商在革新高畫質電視技術與品質的重要關鍵。若將這四大技術妥善地應用於液晶電視面板市場，相信能讓台灣面板廠商在競爭激烈的戰役中脫穎而出，並且在朝向提高技術競爭門檻的目標中，能夠有個好的開始，與日韓競爭對手一較高下。（作者何宇璽、陳政傳、張庭瑞、周明忠、謝曜任 、廖上嘉、楊又先、黃嘉宏、簡民峰、汪德美均任職於友達光電科技中心）
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