速度与色彩里的玄机——LCD技术初探
硬件周刊
随着新一轮液晶显示器的降价狂潮，大众关注的焦点再一次转移到LCD上面来了。对于消费者来说，降价固然是好事，但“低价低质”的产品也不是我们所需要的。购买液晶显示器到底应该注意哪些问题呢？我们不妨从LCD应用层面的技术上分析一番，其中最值得关注的就是LCD的速度与色彩。
响应时间的基础知识
最近两年LCD的响应时间不断提高，从25ms到16ms已经有了较大的进步。但LCD显示器制造商并不满足于此，12ms响应时间的产品在市场上已经开始全面铺货，更有激进的厂商号称要全面普及8ms的响应时间。
我们先来看看液晶显示器的结构和原理。液晶面板结构，简单地说就是由两块偏振片夹着一层液晶构成。LCD在设计制造时主要是利用了液晶对电信号会产生有序反应的特性，这个特性简单地说就是，当LCD中的液晶分子收到电信号后就产生反应，经过和基板的摩擦后，沿着摩擦的方向旋转、扭曲排成规则队列。在两片偏振片之间的液晶分子排列方式，就决定了背光的通透量，也就是决定LCD显示器的色彩和亮度，这个过程可以参考图1。
现在再来看响应时间(也称反应速度)，通常我们看到的16ms、12ms等响应时间，其含义是像素点由亮转暗再由暗转亮，整个过程所需的总时间。这个过程是在电信号的支配下由液晶来完成的，如果有一些更详细的资料，我们则可以看到响应时间是由上升时间和下降时间两部分组成，而且对于前面说法中的“亮”和“暗”，不同厂家也略有差异。有的厂家指的并不是在最亮和最暗之间切换，而是在10%和90%的亮度之间切换，这之间的差异主要来源于对在示波器里看到液晶分子On/Off状态的认定。
对PM(Passive Matrix，被动矩阵)型面板来说，驱动电压从低电压变成高电压时，像素点由亮转暗所需时间就是上升时间，与之相对的是，PM面板驱动电压从高变低时，像素点由暗转亮所需的时间就是下降时间。对AM(Active Matrix，主动矩阵)型面板而言则正好相反，像素点由暗转亮所需的时间是上升时间，像素点由亮转暗所需时间是下降时间。需要注意的是，上升过程所需要的时间和下降过程所需要的时间是不相等的。比如16ms的响应时间的LCD，上升时间可能是12ms而下降时间只需要4ms。
从厂商传来的声音
图2是某液晶显示器厂商提供的LCD全程响应时间的近似计算公式，通过该公式我们来简单分析一下LCD响应时间和什么因素有关。
在图2的公式中，γ1指的是液晶材料的粘滞系数，d指的是液晶单元盒间距，V指的是液晶单元盒驱动电压，Δε指的是液晶材料的介电系数。
这四个参数中液晶材料的粘滞系数和液晶材料的介电系数是和液晶材料本身特性相关的。前面已经介绍过，液晶显示器是通过液晶分子在被电压推动后的转向来控制亮度进而控制色彩的。粘滞系数就可以形象地理解为推动液晶分子转过单位角度所费“力气”的程度，显然粘滞系数越小的液晶分子越容易被推动，则响应时间也就相对较短。而介电系数则可以理解为加电压到液晶分子上对它推动的效率，介电系数越高也就是加相同电压对液晶分子的推动效率越高，那么响应时间也会相应缩短。
液晶单元盒的间距是和液晶面板的制造工艺相关，我们可以将液晶单元盒的距离理解为推动液晶分子时需要经过的距离，距离越短自然响应时间也越短。不过液晶单元盒的间距可供调节的范围较小，而且已被面板生产厂家的下游厂家确定下来了，一般只有几个微米的调节余地。
前三个参数要取得改进都颇为不易。而驱动电压是四个参数中最好调节的，只需要加大驱动电压就可以直接缩短响应时间，不过这是以牺牲液晶材料的寿命换来的。
液晶面板生产商如何提高自己产品的响应时间，这属于各家的技术机密，特别是具体的实现手段更可能涉及专利，作为一般用户很难知道，图2的公式显然不可能是准确的计算公式。这个公式的目的是告诉用户实现更快的响应时间主要是通过改良液晶材料、提高制造工艺来实现的，而不是单纯的增加驱动电压，而事实真相如何用户可以自己去琢磨一下。
不止一个响应时间
在正常使用中，很少需要在黑白之间切换，更多的时候是需要在不同的灰阶之间切换。结合液晶显示器的原理和响应时间的构成，很容易想到如下的问题：在黑白之间切换所花费的时间(以下为了区分，将通常说的响应时间称为全程响应时间)是不是在所有灰阶切换中最长的呢？
在纯白和纯黑之间切换虽然是跨度最大的灰阶切换，而且需要计算一个来回的切换时间，但因为液晶分子的特性，如果给予较高的电压，那么切换速度也可能是较快的。可以用一个比方形象地加以说明：乘飞机从重庆到北京一个来回和乘火车从重庆到成都一个来回，论距离前者比后者远了很多，但论花费的时间前者却不比后者更多。
很显然，即使没有任何技术或者制造工艺上的进步，只要在黑白切换时增大电压就可以缩短响应时间。但此时，灰阶切换的时间并不见得有所缩短，因为在灰阶间切换的电压和在黑白极限状态之间切换不同，一般来说会更低。这就是在实际使用中，有的25ms的LCD和16ms的LCD相比并不逊色，甚至还有更好表现的原因。而且只有更低的电压才有利于精确控制灰阶的切换，而且可以保证液晶面板的寿命，如果都是用高电压来加快响应时间，那就是拿寿命换速度了。
正基于上述原因，GTG(Grey To Grey，灰阶切换)响应时间这个概念现在越来越受到重视，GTG的响应时间中最值得重视的是所有灰阶切换中最长的响应时间，有时候GTG响应时间就是指所有灰阶切换中最长的那个时间。由此看来，响应时间并不是只有通常认为的全程响应时间这一个。
液晶面板的色彩显示能力
从色彩的角度来说，不管是CRT还是LCD都有真彩显示这样一个概念，其含义是指在R.G.B(红绿蓝)三个色彩通道都具有在物理上显示256级灰阶的能力。CRT显示器都能实现真彩显示，在LCD显示器方面则不尽然。能具备在物理上显示真彩显示的液晶面板，我们就称其为真彩面板，具有在物理上显示16777216种颜色的能力。
对液晶面板的色彩物理显示能力，我们通常用在每一个色彩通道上液晶面板能显示灰阶的位数来加以描述。如果在每个色彩通道上能显示256(28=256)级灰阶，我们就称其为8bit面板，这也就是真彩面板；如果每个通道上只能显示64(26=64)级灰阶，那么我们就称其为6bit面板，这也就是伪真彩面板。现在主流桌面LCD产品，选用6bit和8bit两类面板的都有，在中低端产品中采用6bit面板的产品较多。
液晶面板的位数，可以从液晶显示器驱动IC最大驱动路数的角度来理解，比如6bit的面板最大驱动路数只能是64路，这并不能达到真彩显示的硬件要求。但驱动路数少也有好处，比如说可以减少占空比，进而降低在可视角度以及对比度等方面的设计难度。从液晶面板的物理结构上来理解，6bit面板也就是液晶分子在纯黑到纯白之间只有64种可被控制的状态，这样少的状态自然易于控制，前面提及的加电压提高响应时间的方法也容易实现。
现在中低端液晶显示器采用的6bit面板，只能显示262144种色彩，其在物理上能显示的色彩数目还不到8bit面板的2%。不过在实际使用中，显示色彩数目有几十倍差距的两种面板，在很多用户的眼里却几乎没什么差别，这个原因需要从用户自身这一面来找。
从用户这个角度来看，很多图片看上去色彩缤纷，其实一幅图画或者一段视频使用的色彩数目并不是很多，很可能只有几万或者几十万种色彩，1677万种色彩是很难在同一处出现的。而且对色彩的感觉，受用户的使用环境与用户对色彩感觉敏锐度的影响很大，对于没有受过一定专业训练的普通用户而言，显示26万色和能显示1677万色的差别并不大。
色彩增强技术
尽管6bit面板无法和8bit面板相比，但一下子全部转为8bit面板从经济学的角度来看也不合适。面对用户不断提高的要求，各大LCD生产厂对于6bit的面板就推出了自己独家的色彩增强技术。
这一类LCD色彩增强技术，主要目的是缩小6bit面板和8bit面板的差距，延长6bit面板的寿命。从实现技术上来看，其主要是利用了PD(Pixel Dithering，像素抖动)算法和FRC(Frame Rate Control，帧速率控制)技术。这两项技术，如果从色彩学的角度来看，都是很容易理解的。
先看静帧图像的混色(图3)，这是一个交错放着纯的黑色和白色的2×2方格。图3的像素分辨率是128×128，如果在电脑上将图3的像素分辨率缩小为2×2的话，那么我们直接看到的就是中性灰而不是黑色和白色了。
而对于动画而言，所谓FRC技术主要是利用了视觉惰性这样一个人的生理特性，这个特性大致指的就是人眼的亮度感觉并不会随着物体亮度的消失而立即消失。图4就是视觉惰性的一个好例子，图片里面没有一个黑点，但我们的眼睛却能“看到”到不少黑点。
FRC技术和图4所显示的原理是一致的，我们还可以打一个比方来帮助读者理解。大家可以试着先把电脑屏幕(最好是CRT显示器)调成满屏纯红色，再一键切换到满屏纯黄色。在刚切换的那一刹那，我们在屏幕上“看到”的不是红色也不是黄色，而是橙色。原因就是，开始的红色还因为视觉惰性暂留在我们的眼里，而新进来的黄光与暂留着的红光感觉叠加，我们就“看到”了橙色。
适当的控制帧速率，再加上对相邻帧之间的颜色进行一定的控制，这样我们在LCD显示器观看动态画面时，同样可以看到LCD显示器从物理性质上来说本不能显示的颜色。当然，各大LCD生产厂对于PD、FRC技术，在具体实现方式和细节上还是有差别的，所以它们各自就有一些对自己专有技术的不同命名。在色彩增强这方面，夏普公司的功力比较深，采用同样的面板，夏普公司的产品色彩会比大多数对手更好，原因就在于此。
对于一般用户而言，现在6bit面板LCD显示器的18位色彩已经是基本够用了，而通过PD算法和FRC技术还能进一步缩小其与8bit面板的差距。但是我们也要看到，这种软件级别的增强和8bit面板实实在在的硬件级别显示24位色彩相比，差别还是很明显的，在专业一些的场合6bit面板的LCD显示器是不符合需求的。
而且在现在看来，8bit面板也不是LCD在色彩显示数目上发展的终点，10bit的驱动IC已经开始成熟。而从需求上来说，Photoshop早就支持R.G.B每通道16位的精度了。24位色的真彩定义，在未来也有被更高标准所淘汰的可能。
消费时的小建议
如果厂家既要兼顾液晶显示器的寿命和功耗，又要用较短的全程响应时间来作为卖点，那么只需要增大黑白极限状态之间切换的驱动电压即可。这样，即使GTG响应时间没有丝毫的进步，厂家也可以用全程响应时间的进步作为卖点，来“谋杀”用户口袋里面的银子。
这种GTG响应时间没有进步的产品，更短的全程响应时间除了作为一种炫耀的资本以外，在实际使用中不会给用户带来丝毫好处。所以在购买LCD显示器时，GTG响应时间最大值才是最值得用户关注的。
在色彩方面，现在使用6bit面板的LCD生产厂家都在尽量扬长避短，一般在产品规格中都不直接标明自己产品是选用的6bit面板，与此同时却大力宣传自己的色彩增强技术。这到底是一种商业运作的手段，还是不太厚道的误导，那么就是各位见仁见智的问题了。但对于我们一般用户来说，厂商虽然一般不标注面板是6bit还是8bit的，但这也并不是完全无迹可寻的。对采用6bit面板的产品，大多数LCD厂商在产品显示色彩数这一项上，都标注能显示16.2M种色彩，而采用8bit面板的LCD显示器，在显示色彩数这一项上都标注为16.7M种色彩。
16.2M是软件增强后的色彩显示能力，而16.7M是实打实的物理显示能力，其间的差距不是区区50万种色彩。对色彩比较在意或者有往专业设计方向发展意图的用户，笔者还是建议考虑8bit面板的LCD显示器。