高清显示器件的原理、应用与选择

l 、前言

目前国内已陆续开播了多个高清频道，高清节目已经开始进入寻常百姓家。同时，专业节目制作机构也进入了高清制作设备普及期，各个电视台和制作公司都在纷纷采购高清制作设备，制作工艺也在逐渐转向高清方式。在采购高清设备的过程中，大家普遍把精力集中在摄像机、录相机、非线性编辑等费用比较高的“大件设备”上，对于显示设备的选择相对不够重视，而显示设备恰恰是凸现高清与标清信号差别的最终关卡，必须予以特别的关照与重视。通过多年高清节目的实际制作经验以及经过央视高清频道播出的验证，中视北方对高清显示器的使用与选择积累了一些经验，对现有专业、半专业显示设备进行了一些比对实验，从而归纳、总结出了部分显示设备的特色，并根据我们自己的实际工作经验提出了一些使用建议，对于设备选型也提出参考性的建议，在此进行简要的介绍，供大家一起探讨，希望各位专家、同行批评和指正。

2、高清信号的表现能力

从物理指标上看，标清信号与高清电视信号，分辨率从720X576上升到1920X1080，水平分辨率上升了近2.67倍。从实际效果看，不仅仅是图像细节更加清楚了，而是全面的、表现能力的大幅度提升。表现力这种说法似乎不够准确，从表面看高清节目只是物理指标的升级，表现能力是如何提升的呢？它与物理分辨率之间有怎样的关系呢？要说明这一点还是要从分辨率和清晰度的概念来分析。一般电视清晰度的概念是指：人眼宏观看到的图像的清晰程度，是由系统和设备的客观性能的综合结果造成的人们对最终图像的主观感觉。（虽然是主观感觉，但清晰度这种主观感觉是可以进行定量测试的，即可以用黑白相间的线条的粗细来衡量，并有标准的测试方法和测试图，其测量数据有明确的单位，即电视线TVL）。而分辨率与清晰度不同，它不是指人的主观感觉，而是指在摄录、传输和显示过程中所使用的图像质量记录指标，以及显示设备自身具有的表现图像细致程度的固有屏幕结构，说具体点就是指单幅图像信号的扫描格式和显示设备的像素规格。从上述概念可以看出，清晰度是人眼最终感觉到的图像效果，虽然不同于分辨率，但受到分辨率的制约。从另一个角度说，分辨率的提升必然带来清晰度的提升，清晰度的提升直接带给人眼更好的观赏效果。

上述概念中有一点需要引起大家注意：测量清晰度时使用的测试图是使用黑白相间的线条进行的，实际上只反映了极限条件下的图像内容，这种要么最白、要么最黑的图像是完全没有表现力可言的，它不能代表人眼对被观看物体进行欣赏所需求的全部信息。人眼要欣赏一幅图像不仅需要最白和最黑的信息，还需要捕捉到大量由亮到暗的过渡信息，才能感觉到被摄物体的质感。只有提供了均匀、细腻的中间层次，才能实现高水平图像的表现能力。那么清晰度的提升又是如何提升表现力的呢？我们知道，在拍摄相同的景物时，采用不同分辨率的摄像机形成的最终图像的细节不同，如图1和图2，

图1表现的是一个较低分辨率的图像，图中的曲线代表某一图像的明暗变化过程，竖条代表取样点位置。低分辨率在取样时只能获得三个像素点的数值，不仅分辨率低，亮度的变化层次也很少。图2表现的是高分辨率的图像，在同样的空间内可以取样八个点，分辨率提升了，同时在没有增加会读取样深度的条件下，灰度层次也大幅度增加，表现出了更加细腻的图像质感。同理，色度信号的取样细节也更加丰富了。可以说高清电视仅仅依靠增加分辨率，就实现了提高图像的清晰度，又增加亮度和色度层次的效果，实现了更加细腻、逼真的表现能力。

那么，面对已经大幅度提升了表现能力的高清信号，使用什么样的监视器才能真正表现出这些效果，并且准确判断信号是否存在误差，目前正在使用的高清监视器都有哪些特点呢，我们将在下面加以介绍：

3、高清显示器件的分类及原理

a、专业显示器件的分类

我们在本篇文章中将重点讨论的是专业监视器，对民用电视机不做过多涉及，故我们只列出在专业领域使用较普遍的显示器，它们是以不同的显示件进行分类的，包括CRT（阴极射线管）、LCD液晶、PDP等离子。下面先分别简要介绍它们的工作原理。

b、CRT显示器的原理及特点

CRT又叫做阴极射线管显示器，主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、荧光粉和玻璃外壳五大部分组成，其原理是利用显像管内的电子枪，将电子束射出，经聚焦、偏转，穿过荫罩上的小孔，打在涂满了三原色荧光粉的内层玻璃层上，电子束的轰击会使得荧光粉发光，最终形成人眼所能看到的画面。CRT按种类分为黑白显像管和彩色显像管，彩色显像管又分为三枪三束和单枪三束等几种。三枪三束荫罩式显像管（原理图见图3）是较早期的技术，由三个电子枪品字形排列，分别发射电子束，经过聚焦、偏转，分别轰击红绿蓝三色荧光粉，使其发出红绿蓝三基色光。通过改变电子束的强度，控制荧光粉发光的明暗，改变三基色配比就可以组合出不同的光色效果。这种显像管的电子束必须非常精确的控制才能达到出色的画面效果。如果不能准确控制电子束，杂散的电子有可能打到相邻像素的荧光粉上，造成颜色不纯、细节下降等问题。解决的办法是在靠近荧光粉的一侧加上一块荫罩板，荫罩板上依据像素的分布打有很多的小孔，每个小孔对应一个由红绿蓝三基色荧光粉组成的像素。当电子束控制正确时，三束电子准确穿过小孔打在各自的荧光粉上，杂乱的电子会被荫罩板遮住，保证颜色的纯度。这类显像管的优点是技术简单、工艺成熟、成本较低，缺点是电子束受到抑制较多，穿透率较低，亮度、对比度受到限制，画面精度不够，有明显的颗粒感。为了改善这些缺点，一些厂家开发了单枪三束荫栅式显像管（原理图见图4），这种显像管的结构与三枪三束式有很大不同。它装有按红绿蓝一字排开的三组灯丝和其它共用的枪体称为单枪三束，而其结构上最大的不同在于将遮挡杂散电子的荫罩改为荫栅，荫栅的结构见附图，它是以垂直的条状金属丝组成栅栏状结构。水平相邻的像素之间电子束的扫描是连续进行的，这种栅栏式的遮罩结构既可以有效的阻挡相邻像素的杂散电子干扰，又可以提高垂直方向电子束的通过率，对于提高亮度、对比度有很大的帮助。

标清时代专业监视器大量使用CRT显示器件。

CRT显示器的优点是：亮度、对比度高，色彩鲜艳，色域宽，使用寿命长。

缺点是：容易磁化、耗电量大、有辐射。

C、LCD

LCD显示屏也叫液晶显示器，它是由不同部分组成的分层结构。主要由两块玻璃基板作骨架，其间均匀布满液晶材料，液晶层中的液滴都分布在细小的单元格结构中，（如果是彩色液晶显示器，则由三个单元格构成屏幕上的一个像素，每个单元格分别对应红、绿、蓝，在这些单元格上面粘贴了相应的彩色滤光片，用于发出三原色），上下两块玻璃基板上粘贴了相互垂直的两块偏振膜。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏背面设有作为光源的灯管，灯管背面还有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以反射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振片过滤后只剩下了单向振动的光线，根据光学原理，这时它只能穿过方向相同的偏振片；而后面一层偏振片与前一片垂直放置，如果光线直射到后一层偏光片上，会因为振动方向与偏光片方向垂直而无法通过。而液晶具有一种特殊的光电效应，对其施以不同的电压刺激会引起光学性质的改变，人们就利用这一特性来控制光线通过液晶的强弱以达到显示图像的目的。具体的办法是在液晶屏的每个细小的单元结构的两面都装有透明的电极，通过控制两个电极间的电压而改变液晶的通光状态（原理见图5），液晶材料会根据电极的电压改变摆列状态，光线在穿过液晶材料时随着液晶排列的角度转变了振动的方向，当它到达另一面时其振动方向已经与另一边的偏振片平行了，这样光线就能够穿出整个液晶面板了。LCD显示器具有轻薄、省电、亮度高、画面清晰等优点，同时也存在响应时间较长、观看视角较小、背光抑制不足等问题。作为专业显示器，LCD有着很明显的特色，它不是通过控制发光而是通过控制透光来实现图像的显示，其工作机制与CRT、PDP不同，观看效果与观看习惯也不尽相同。（无闪烁，）有关LCD与CRT、PDP特性的比较将在本文后面详细研究。

LCD用于专业监视器时间不长，其优势与劣势并存，是一种需要谨慎对待的产品。

LCD显示器的优点是：清晰度高、轻便、省电、便于携带、不易受干扰。

缺点是：响应时间较长、有观看角度的限制、色域稍窄、饱和度不足。

D、PDP

等离子面板也叫气体放电显示面板，它由数量众多体积很小的玻璃气室组成一个平板，气室中通常充有惰性气体（一般是氙气和氖气的混合体），每三个气室排成一行组成一个像素，其中一个气室内壁涂有红色荧光粉，一个涂有绿色、一个蓝色。在每个气室的上下各有一条横向x和纵向y的电极导线，在驱动电路的控制下，每个气室的X、Y电极之间产生放电，而在惰性气体中放电产生的气体等离子体发射出紫外线，紫外线激发荧光粉发光，这就是等离子面板的工作原理。放电产生的紫外线强度与放电的频率有关，频率越高，该像素点的亮度越高，再根据三基色原理组合成想要的不同亮度和颜色。PDP面板因为与CRT显示器一样是由荧光粉发光形成的图像，其图像信号的特点与CRT器件很相似，观看效果与观看习惯相近。PDP器件本身具有轻薄、亮度高、对比度高、色彩丰富等特点，同时也因显示机理造成的成品尺寸较大，工作期间发热量高以及存在烧蚀现象等问题。

综合上述各类显示器件的特性，我们可以看出从物理指标上差距并不明显，各有优势。但是实际使用状况又如何呢？作为专业监视器能否满足使用要求呢？

4、高清环境下对专业监视器的使用需求

a、高清专业监视器的画幅要求

一般专业监视器在使用过程中，除了必须符合国标规定的电气指标外，会根据具体的环境，配置适当的画幅尺寸。标清时代技术监看时，为了准确发现图像中的问题工程师一般观看距离会比较近。对于这种接近监视器观看的方式，工程师一般会选择对角线长度为14或15英寸的监视器。其主要原因是在距离监视器很近的情况下，人眼的分辨率相对提高，有时甚至超过监视器的实际分辨率，以便更容易发现图像中的问题。以一般工作台的尺寸计算，工作人员距监视器的距离约为15英寸监视器对角线的2-3倍，根据人眼的生理特性，这样的观看距离上，如果保持眼睛不转动，视角涵盖的范围约为监视器面积的四分之一，视频工程师需要比一般观众更加注意细节，在这样的观看距离上更有利于发现问题。然而过大的监视器在这样的距离上将很难看到完整的图像，对于一些活动频繁的图像，工程师需要不断的更换观看位置及角度才能及时发现问题，予以修正，有时就会因观看角度不佳而错过关键的技术细节造成技术失误。选择15英寸的监视器，既可以比较容易看清图像各部分的细节又可以不必大幅度摇头，使用起来比较方便。

然而，高清环境下的监视器尺寸就无法依照这个规律进行监视器尺寸的选择了。本文的前面介绍了高清信号的特点，不仅仅是分辨率提升了，信号的层次也大幅地增加了。为了在监视器上显现出这些特点来，就必须加大屏幕尺寸。我们假设监视器上的象素点尺寸不变（如果像素尺寸变化，那么观看距离也要相应变化，才能保证人眼的分辨率保持不变），那么高清监视器的水平尺寸将是标清监视器的2.67倍，垂直尺寸也扩大到了接近2倍，整个监视器的面积将是标清监视器的5倍。如果观看距离仍然保持不变，那么工程师在原来的位置上能看到的屏幕面积只有整个屏幕的二十分之一了。从控制图像质量的角度出发，这种状态无法保证技术工作的顺利进行。从实际使用的角度分析，高清监视器的尺寸，既要能够表现高清信号的细节，又要照顾到工作人员的实际需求。

另一方面，从实际使用情况看，小尺寸的高清监视器（包括9、14、15、17英寸）虽然电路部分都可以处理高清信号，但在屏幕上由于每个像素过小，是无法达到真正的高清水平的。当然不是说监视器的绝对指标无法做到，这里面包含两个方面的问题：一是以现有的工艺水平生产这么小尺寸的高规格显示器，会因为过于复杂的加工工艺形成过高成本，绝大多数客户无法承担；二是在这么小的尺度范围内，人眼的生理指标也无法实现这么高的分辨率。经过我们的实践表明，对角线长度小于17英寸的专业监视器是无法达到监视高清节目的目的的。这一点我们可以从不同的显示器的指标得以证明。CRT显示器的最小点距为0.23mm左右，如果要做到1920X1080的分辨率，至少要做到对角线尺寸大于20英寸才能做到。液晶显示器目前的工艺水平20英寸的分辨率也只能达到1366X768。等离子由于器件本身的限制，最小的屏幕尺寸也达到了25英寸以上，要达到高清标准就要达到50英寸以上了。

根据上述分析，我们可以得出以下结论：在高清节目制作环节，要达到真正显示完整高清信号的目的，显示器的对角线长度尺寸至少不小于20英寸，最好不低于24英寸。作为技术监看和审查级别的监视器，最好选择大于30英寸。如果可能尽量使用大尺寸屏幕。

b、专业监视器的指标要求

1993年广电总局对广播用图像监视器出台了行业标准，其中对32项电气指标进行了数值规定，只有符合这些要求才能满足对电视节目制作的要求。这个标准已经出台十余年了，随着技术的不断进步，现有的标清设备都已经能够满足这个标准的要求了。但是对于高清节目，这里面的一些指标又出现了一些新的问题。例如：对于标清监视器，白场的色度不均匀性和亮度不均匀性指标都不是很高，标清监视器尺寸不大，指标容易控制。到了高清节目后，屏幕尺寸大幅度增加，这些不均匀性指标控制起来就要困难许多，比如：高清CRT显示器的磁化现象比标清监视器严重得多，消磁很困难。液晶显示器使用背光板作发光源，背光板是由灯管和反光板共同组成的，使用一段时间后就会出现灯管亮度不匀的现象，这些现象影响了屏幕亮度的均匀性。另一些指标如：中央分辨率、会聚误差等指标对于液晶、等离子等点阵显示器件基本失去了意义。而等离子屏幕的烧蚀现象、液晶屏幕的响应时间等问题也很难套用现有指标进行约束和测量。对于这些现象和问题我们采取的办法是：综合考虑不同的使用环境和节目形式，选配适当的显示器。如：对于经常需要变动地点的制作系统进行综合的匹配，不仅使用图像监视器查看图像质量，同时使用其它技术手段共同保证节目的信号质量。对于技审系统，要对各项技术指标进行综合考虑。

c、使用环境的适应性要求

电视制作的环境大体上可以分为两类：室内与室外。室内环境相对较好，温度、湿度、环境光线、电源供给、电磁辐射等都可以控制，在室内使用的监视器对环境适应性的要求不高。室外环境就很难控制了，温度、湿度和照明情况随时都可能发生变化，如果是在野外拍摄可能供电的状况也是不稳定的。这些条件的变化有可能带来显示器性能的变化，下面我们逐个进行分析，看看变化的环境会带来哪些现象。

首先看温度变化时对显示器产生的影响。广播级设备在设计时都会考虑到工作环境温度变化时对设备产生的影响，所以在产品手册上一般会标明工作温度的范围和贮藏温度的范围。当工作温度接近或达到手册标称值时，设备的性能指标一般不会发生改变。这是因为厂家在设计产品时都会留有余量，手册上标称的数值是产品工作环境要求的最低限，实际可以忍受的数值范围肯定会大于标称值的。当然制作节目时也会出现极端条件的，笔者就曾经在夏日酷热的沙漠、戈壁中进行过直播，当时的地表温度超过了55℃，这种环境下就要事先考虑到温度升高时，设备可能出现的问题。对于不同类型的监视器，极端温度条件造成的影响是不同的，环境温度过热时，CRT类的监视器容易出现屏幕磁化、电子束散焦、电源额定功率下降造成偏转电压降低，画幅尺寸收缩等现象。环境温度过低时，LCD类的监视器会因为液晶分子活性降低出现响应时间延长，拖尾现象加重；PDP类监视器会因为低温而导致放电效率下降，屏幕亮度下降。

湿度的变化对各种类型的监视器造成影响是相似的，过于潮湿的环境主要是造成电器线路的短路，引发元件烧毁，或是潮湿环境造成材料的锈蚀导致是设备失效。

三种器件中最容易受到电磁辐射干扰的就是CRT类的显示器了，工作环境中的电信号、磁信号都可能对其产生影响，例如电梯、日光灯甚至于相邻的监视器之间都可能成为干扰源。对于高清监视器，由于屏幕尺寸的增大，地磁的影响也明显高于普通标清监视器，这些干扰造成色散、磁化、图像扭曲、偏色、闪烁等现象，严重影响图像质量。而这些干扰基本上无法对LCD和PDP显示器造成影响。

环境光线对监视器的影响因发光机制的不同分为两类：一类是自身不发光的LCD，另一类是自发光的CRT和PDP。LCD的原理已经在前面做过介绍，它的图像是经过对液晶的控制，达到控制背光通过量形成图像的明暗变化的。目前大多数的液晶显示器在全白色图像下背光的透过率大约仅为6-7%，所以液晶显示器的总亮度不高，加上液晶器件自身存在观看视角较小的缺陷，更容易受到环境光线的干扰，对最终观看效果的影响还是较大的。CRT和PDP显示器都是在屏幕的内表面涂有荧光粉，荧光粉受激发发光。它们的亮度较高，不容易受到环境光线的影响。但是，由于这两种器件都是负压真空器件，屏幕外壳的玻璃较厚，容易在屏幕表面形成清晰的环境映像，对光看效果造成影响。

电压的变化一般不会对LCD和PDP显示器造成影响，除非电压过低设备无法启动。CRT显示器的偏转、扫描对电压的要求比较高，过低的电压可能造成扫描电压过低，画幅尺寸收缩，图像不能满屏。

5、高清环境中三种显示器件使用情况的比较

a、分辨率与画幅尺寸的比较

根据前面的讨论，要想清晰的显示高清信号，显示器必须具有一定的屏幕尺寸。

三种显示器件中CRT是以电子束扫描方式进行显像的，实际上是一种模拟方式实现的图像还原，这种显示器的指标是以清晰度表示的，单位是电视线，LCD、PDP类逐点显示的指标是以分辨率表示的，单位是像素，两种指标之间无法直接比较。如果作为定性比较可以将LCD、PDP的垂直分辨率乘以科尔系数0.75，当作清晰度数据与CRT显示器进行定性比较，无法进行定量比较。在此我们只进行定性的屏幕尺寸比较，随着技术的发展，这些指标会很快发生变化的。

经过对多家专业监视器厂商的调查发现，CRT类监视器17英寸最高可以达到700电视线的清晰度，19英寸大约900电视线，32英寸能够达到1000线以上。

LCD监视器目前也只有20英寸以上才能做到1920×1080的高清分辨率。PDP监视器的尺寸则50英寸以上才能达到高清分辨率。CRT监视器目前能够见到的最大尺寸为32英寸。

综合上述情况可以看出，真正达到1920×1080分辨率的监视器LCD最小尺寸至少20英寸，PDP最小50英寸，CRT至少20英寸以上。

b、实际使用效果的比较

CRT器件以它的亮度高、反差大、色彩还原好、图像细腻等优势，一直保持着高指标、高质量的水平，是三种器件中观看效果最好的。由于受到自身重量的影响，CRT监视器一般用于技术监看，适用于对图像总体质量的最终把握。LCD、PDP器件由于是采用逐点显示方式，没有回扫线，具有图像细腻、无闪烁现象，不易造成视觉疲劳等特点。其中，LCD监视器以轻薄、省电为特色，PDP以高亮度、大尺寸闻名。LCD监视器一般会用于节目内容的监看，PDP监视器一般用于嘈杂环境的内容展示。

除了上述优点外，各种显示器件也都存在各自的缺点。CRT最主要的问题是体积庞大、耗电高、容易磁化。这是由于CRT器件本身决定的，尺寸越大，重量越大，偏转电压越高，耗电越大。同时，高清信号的分辨率提高了，要求电子束更细，阴栅缝隙更细，电子束的扫描也更容易受到干扰。

PDP的问题主要是小尺寸屏幕加工困难、屏幕发热、有烧蚀。PDP的发光原理导致其像素尺寸很难缩小，故分辨率越高，屏幕尺寸越大。惰性气体放电的同时也产生热量，造成屏幕整体发热。烧蚀问题是所有荧光粉都存在的问题，但是PDP会比CRT严重，原因是由于CRT器件采用电子束扫描方式，每一个像素在一场画面中受到轰击的时间非常短暂，其余时间是依靠荧光粉的余辉效应保持亮度的；而PDP采用的是短余辉荧光粉，在一个电视场时间内，每个像素大部分时间都依靠维持电极保持着发光，荧光粉受到激发的时间较长，因此，其老化较快，屏幕中的某一部分长期显示相同内容，形成局部老化，就造成了烧蚀现象。

LCD的主要问题是亮度不高、有延时以及观看缺陷。亮度不高和延时问题已经在前面有过讨论，这里重点讨论观看缺陷问题，主要包含两个方面：器件固有缺陷和观看习惯的差别。器件固有缺陷指的是液晶屏幕对于背光抑制不够，造成图像信号中黑色部分不够黑，整体图像偏灰的现象。这一缺陷直接导致图像观看时灰度层次不准确，对于摄像师判断曝光量造成误导。这种情况尤其对拍摄夜景最为不力，在图像大面积较暗的情况下，无法判断暗部的曝光数据。观看习惯的差别指的是在图像的高光和过曝光部分与CRT显示器不同，传统的CRT显示器处理高光图像时会因为电子束发射过强，造成电子束散焦而轰击到了相邻的像素，同时还会引起电子的外溢，这些因素共同作用，使得过曝光部分的图像及其周围的图像发生虚化和灰度增加，其现象与肉眼直接观看过亮的物体时产生的晕光接近，使人更容易接受的方式；而LCD因为是透射式发光，在过曝光的图像部分不会出现特殊的表现，因而曝光过渡也不易引起观看者的主意，这一点与传统的CRT显示器不同，形成了不同的观看习惯，如果不加注意，就会造成节目质量的损失。

6、小结

a、高清节目的表现能力大大高于标清节目，无论从观赏的角度、还是从制作的角度都要重视对显示器的选择和调教，重视监看手段才能及时发现问题。

b、高清的效果必须使用大尺寸的显示器才能表现出来。

c、作为专业级的显示器CRT器件还是效果最好的。

d、LCD、PDP尽量不作为节目质量最终评价的依据。

（发表于《中国数字电视》2007.11期，被删改，这里放个完整版）