究极超先端电视的技术奥秘

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  也许是人类史上电视发展的最后战役-超超高画质的电视,先是4K×2K然后是8K×4K,将人类的技术文明发展到最高境界之后,让硬件先巅峰造极,尔后即是软件面的竞赛了。而超高画质电视的背后支撑技术,在于面板进化、半导体技术双重大力推激之下,实际产品化并非遥远的事情。先掌握关键技术,乃是赢得视频光机的技术深思考。
  
  话说Sony在2006年三月所推出的消费性HDV摄影机,具有1080i的纪录功能,可是机身的重量仅仅有500g罢了,还将HDMI给做进去了呢。(注:该机采用了1/3英寸210万像素的CMOS Sensor。)随后,一堆的HD等级消费性摄影机,就陆陆续续在市场上出现了。如今,单眼相机具有HD录像已经毫不希奇。
  即使Full HD在卖场四处可见,真正进入普众家庭还是需要时间的慢熟。可是薄型电视的进化脚步,却重来也未曾停止过。也许脚步放缓慢了,也许绿色电视的需求更为迫切吧。总之,省电电视之争还要一阵激战要打。
  


  
  市场战局实况:
  
  然而,另一方面,比Full HD还要高出四倍像素的4000×2000等级的4K×2K电视之开发(甚至更高层次的8K×4K),台面上的角逐却持续进行着。一般的看法,4K×2K电视进入家庭的时间点,约在2010~2012年之间。
  2009年4月,日本高阶液晶显示厂商Nanao,预期推出56英寸的4K×2K(3840×2160)液晶显示器,“RadiForce LS560W”,系针对医疗手术房的用途。
  CES 2009,东芝展示利用Cell处理器所试作的56英寸“Cell TV”,也是该公司最高等级的电视产品线。Cell处理器乃是Sony,东芝与IBM所共同开发的先进处理器,使用于PS3而闻名。Cell TV概念,其实早在CEATEC 2008就已经提出。
  CES 2008,东芝展示其超解像度技术,将SD分辨率的影像向上提升到HD画质。
  CEATEC 2008,日本胜利与NHK放送技术研究所披露出所共同开发的8Kx4K前投影机雏型,显示像素8192×4320(约3 500万像素),对比110万:1。
  


  IBC 2008(欧洲最大广播放送机器展),NHK放送技术研究所于伦敦与阿姆斯特丹,阿姆斯特丹与杜林之间,进行的8Kx4K(7680x4320)影像传送实验的展示。前者是光纤有线IP传送,采用MPEG2格式,传送速度866Mbps。后者是卫星中继传送,采用MPEG4 AVC/H.264。
  国际通信的无线部门ITU-R以及美国影像电视技术者协会SMPTE(Society of Motion Picture anc Television Engineers)也在进行4K×2K与8K×4K的标准化。
  注:SMPTE所标准化的规格有3840×2160与7680×4320等两种类。
  由美国七大电影公司(迪斯尼Disney)、福斯(Fox)、米高梅(MGM)、派拉蒙(Paramount)、哥伦比亚(Sony Pictures Entertainment)、环球(Universal)、华纳兄弟(Warner Bros,)所成立的业界团体DCI(DigitaCinema Initiatives)就策划了数字电影院所欲采用的影像系统要求规格“Digital Cinema System Specification”2005年7月完成第一版,可以从网络中下载文件。其后,美国SMPTE(全美电影电视技术者协会)的底下组织DC28,接受DCI的要求规格,正式进行标准化作业。DCI所制定的要求规格,4096×2048(4K×2K)的格式乃是当前最高画质的格式。
  而NHK放送技术研究所,更是展示了Super Hi—vision,解像度7.680×4.320的450英寸银幕显示。在2005年爱知万国博览会中就已经公开亮相了。其实,在2002年,NHK放送技术研究所就已经有4000条分辨率的超高精细度的影像系统了。
  


  依据曾经经历者的体验,可以推断此类的产品初期的应用空间该是落在“Public Viewing”的领域。同时,大画面对于远距离的教育,甚至视听会议,都会有如临现场的感受,感受结果自然就不同啦。
  注:日本于2003年12月1日开始实施数字地上波HDTV的放送,也是电视服务满50年之后对于当地人民的一份珍贵献礼,也就带动数字AV家电的另一波发展。
  注:而手机带头所引爆的移动视频(电视),乃21世纪的街头电视。日本于2006年4月针对手机所展开的“One Segment”放送,正式将HD随处移动化。
  
  为什么需要超先端电视:
  
  那什么才能算是超先端电视,基本上来说,是泛指4K×2K或8K×4K等级的电视。高精细度、高分辨率是其特征。
  所谓4K×2K,乃是意指像素数达到4000×2000等级分辨率的电视。无论是液晶还是电浆电视的试作产品,常常发现有3840×2160或是4096×2160的两种类产品。前者是当前Full HD的垂直水平之两倍放大,也就是HD画质的四倍分辨率。后者则是对应于4K模式的数字剧院(Digital Cinema)。
  8K×4K模式,NHK的放送展示为7680×4320。JVC的试作投影机为8192×4320。
  4K×2K或8K×4K模式,皆可以称为究极超先端电视。而带动先端电视往前跑的牵引角色,该是画像处理技术的精进吧。
  


  有一个名词需要先行解释。“超解像(Super Resolution或称Resolution Plus)”的涵义是说针对数字化的影像数据,藉由画像处理技术,将输出信号作出超越输入信号分辨率的技术。比如说,将DVD、SDTV的画质对应到HD电视;或者是将行动电视的320×180提高到800×480的显示技术等。将蓝光Blu_ray的HDTV等级画质变换到4K×2K模式,也是超解像的一种手段。
  注:市面上贩卖的HD Up-converter装置,就是超解像技术的典型应用。
  那超先端电视究竟能带给用户怎样的好处呢?高精细大画面高画质,这是理所当然,临场感的享乐是其一,多画面的同时显示是其二(大量像素的活用法)。
  先来说“临场感”是怎么产生的。
  HDTV迈向“究极电视”的感受,其实可以从过去的使用经验来感同身受般的体悟。当初,从VHS/Beta转向LD(Laser Disc)时,令人感到莫名的兴奋。就如同很多人看VCD到DVD的转变过程一样。我且用风 景影片来举例,HDTV应该让您感到影像的美丽:但是,电视里所看到的景象与实际到现场的景象,是有很清楚的差别。毕竟,感受还是看电视。
  而“究极电视”的迫力,就是如临现场。为什么会使用“如临现场”这般的形容词来描述呢?
  其实,这点是可以用技术的观点来解读的。那就是观赏者水平方向的“视野角度”。根据日本NHK放送技术研究所的资料,我们可以将480条分辨率、HDTV的1080条以及2000条、4000条分辨率的水平方向视野角度,作一个整理。
  ·NTSC现在大多电视480条分辨率:视野角度约17度。
  ·HDTV等级1080条分辨率:视野角度约30度。
  


  ·2000条分辨率:视野角度约60度。
  ·4000条分辨率:视野角度约110度。
  而视野角度与人类的视觉特性,存在着关系。当视野角度越是宽广时,尤其是30度~100长的程度,所谓的“诱导视野”就更加明显。HDTV可以达成“辨别视野”以及“有效视野”,消费者可以清晰地辨识到物体。当视野角度扩大后,现实空间从视界消失,沉入影像中:也就是鉴赏的对象物在现实空间浮出。“如临现场”的感受就出现了。
  注:阁下若是想体验临场感的感受,倒是有一个很简便的方式,到影片出租店找一部Sniper 3,其片头就是狙击手的射击,其实射击的背景就是投影出来的影像。
  其次,由于大画面高精细,各种信息情报可以在同一画面上显示,比如说,画面的空白部分可以作为WEB浏览或电子节目表。数字相机的画像更是可以如大型电子相簿并列,近距离观赏。
  以4K×2K模式而言,精细度超越100ppi,就接近于笔记本电脑。4K×2K的登场,有机会促进5。英寸以上的大型电视。依据Display Research的调查,美国有4成比例的消费者认为,只要价格滑落,在客厅摆置50英寸以上的电视是很理想的。
  再者,当电视银幕尺寸变大之后,像素识别就更明显。以Full HD对应的65英寸电视,精细度约在34ppi。与同样支援Full HD的37英寸来说,则有60ppi。也就是说65英寸仅有一半的精细程度。如果,将65英寸电视对应到4K×2K,精细度就会跳跃到70ppi。故,4K×2K电视的登场一举克服了精细度的课题,逼近笔电的精细度,多少也会唤起换购大型银幕的电视产品,也说不定呀。
  注:笔记本电脑12英寸支援1024×768(XGA)像素的精细度,约100ppi。
  总之,究极超先端电视的革命,该是“视听Style”会随之起了变化!
  若是仔细来探讨超先端电视背后的支撑技术,不难发现,支撑电视进化向前冲的关键技术,可以说是画像处理技术以及面板技术的两轮驱动。而实现4K×2K超解像技术,知名的电视厂商或半导体业者,都在强化进行式中。2008年已经有部分的电视开动。超解像技术的先行急先锋,或许是东芝与日立。其所开发的超解像技术,可以将数字地上波放送(1440×1080)或DVD影像(720×480),变换为Full HD(1920×1080)。
  新力(Sony)与先锋(Pioneer)也都有SDTV变换HDTV画像的Up-converter技术。比如PS3就具有这个功能。
  ·2008/10,东芝贩卖的REGZA液晶电视搭载了超解像处理LSI。可将数字地上波的1440×1080、DVD的720×480,提升到Full HD。
  ·2008/10,日立于CEATEC 2008披露了超解像处理的展示。
  


  ·2008/12,NEC开始贩卖专用LSI。可以将SDTV变换为1280×1024(SXGA)或1366×768。
  以上举例,东芝与日立的超解像技术,将数字地上波(1440×1080)、DVD影像(720×480)变换为FullHD(1920×1080):这些动作,只不过是开启超解像技术的序曲罢了。中长期目标还是瞄准了4K×2K。
  CES 2009,东芝展示了利用超解像技术,展示的56英寸Cell TV,将Full HD影像画质变换4K×2K(3840×2160)。这个超解像的处理是利用Cell处理器的强大性能,将Full HD的影像,实时划分成四块领域,各个领域有专司的LSI来处理。最后,才由Cell处理器来合成做出4K×2K(3840×2160)的影像。依据东芝的盘算,最快在2010年就能够将Cell TV投入美国市场。(此种电路结构的成本费用相当惊人,4颗画像处理LSI若是能够以45nm以下制程的设计法则来单芯片化,才有机会普及。否则,就会局限于超高阶的机种罢了。)
  
  超解像技术的处理方法
  
  其实,超解像技术并不是什么新技术,在10多年前的大学或研究中心就已经发展出来。而今日超解像技术会受到注目的主要理由,该是底下三个要素的因缘到来。
  ·面板技术的进化。
  ·影像内容的多样化。
  ·半导体制程技术的进步。
  超解像技术的处理方法,基本上有两大类,各有其优缺点:
  第一类,单一视框(Ftame)内的超解像处理。
  


  基本理念是使用一枚的视框来处理。以影像输入的亮度信号为基础,来推测高分辨率的信息而作出像素。在实施超解像处理之际,可以不需要保存视框的内存,在成本面比较有利。东芝、日立,NEC实用化的技术,多是采用这个手法。毕竟,薄型电视的价格战异常激烈,一分钱都要节省。不过,这个技术的最大问题,若是手法不够细腻精准,有可能造出的像素不是很正确的像素。
  一般来说,单一视框内的超解像处理流程是这样子的,
  首先,将影像信号变换为数字信号,也就是取样标本化。然后,由周围像素来推断所要造出的像素,而且,可以恢复原来的波形凹凸再现。其实,这就是“内插法”的方式。
  注:一般,使用线型滤波器的像素插入方式。其最终的影像信号波形,较为平滑。
  此种的超解像技术,并非万能,若是应用于全画面,远近感会消失。因此,各家都会有它自己的一套功夫与Know How来处理。以东芝、日立的开发技术来说,多是解析输入信号的亮度,限定实施超解像处理的个所范围。
  就以东芝的REGZA为例,该公司解析输入信号的亮度信号:然后,将影像分成三类,“纹理(Texture)部”,“边缘(Edge)部”、“平坦部”。
  “纹理(Texture)部”会实施超解像处理,提高精细度。“边缘(Edge)部”利用其新型的LTI(LuminanceTangent Improver)线路,呈现更自然的轮廓。“平坦部”则自然再现,不做额外处理。
  总之,视框内超解像 处理的最重要之处,就在于“正确地”造出输入影像所没有的信号。一般公司有其Know How的秘技,都不会公开。东芝的REGZA超解像技术,乃是运用了所谓地“再构成法”的手段。
  东芝的“再构成法”的手段,基本概念如下:此倒是将1440×1080变换为1920×1080。
  ·先用线型滤波器做Up-Converter的处理,造出临时的1920×1080像素。
  ·将临时的Full HD再Down—Converter到1440×1080。
  ●Down-Converter得到的1440×1080与输入信号的亮度做比较,取得差动信息。若是亮度值一样,表示Up—Converter的像素是正确的。
  ·差动产生的像素,利用接近理想状态的补偿方式输出。第二类,复数视框间的超解像处理。
  诚如其名,基本理念是使用两枚以上的视框来处理。对照复数视框内特定对象物像素的位置,来取得输入信号倍数的取样点。画质面的效果较为卓越:当然,保存复数视框的内存就免不了,也会增加处理量,要做到实时的超解像处理,并非那么容易。位置的对照是这个技术的关键。
  由于这种方法,成本上对于当前的局势不利。反而是大学或研究机关相当有兴趣,可以看见的成果是将QVGA放大9倍。日本东大将320×240每秒15视框的影像,变换为960×720。
  面板技术或是薄型电视的竞争从台韩日的激烈争斗,可见一斑。无论是画面尺寸、像素、色再现范围、对比度、薄度甚至倍速显示等,都已经到了一定的阶段。产品的差异化除了1D造型,其实并不大。现在还能进攻的目标不外乎绿色电视的争夺,省电的技术还是各家的Know How本领所在,目前正在拼战中。
  另外一个可以着墨的地方,就属超解像技术的进展。而这个进展也颇符合市场当前的需求,BS数字放送、蓝光片的视听者,毕竟是小众。多数人拥有的也许有1440×1080的数字地上波,不过还是以DVD的SDTV拥有者为大宗。加上,在YouTube或网络上看影片的机会,尔后会渐渐增加。面板显示与影像内容的像素差,就浮现出来了。这个像素差的补偿之道,当属超解像技术的发扬擅长之处。
  利用先进的65nm以下的设计准则,画像处理LSI的处理能力强化、价格压低到厂商与消费者都可以接受的范围时,搭载超解像技术的电视投入市场,不难期盼。
  当然,面板厂商也在进行4K×2K液晶面板、PDP的开发。此举一定要先走在前头,研发完成、生产整备完毕,一旦市场到来,马上进攻。此乃面板产业的无情杀戮,若是没有真功夫,马上被杀出。
  ·台湾奇美,早在2005/10,就已经试作出56英寸的3840x21 60显示面板。2006/10开始贩卖在业务上的特殊用途。
  ·日商夏普,2006/10,发表64英寸的4096×2160试作品。
  ·日商Panasonic,2008/1,发表150英寸的PDP,4096×2160试作品。 ·韩商Samsung,2008/10,发表63英寸的4096×2160试作品。
  ·日商夏普,200 9预计开始量产4K×2K液晶面板。
  在像素精细度方面,32英寸的Full HD与64英寸的4K×2K,像素间距约在0.35μm的程度。这点不是问题,在推向电视应用的场合,要展开的课题反而是面板的更快速驱动以及驱动电路的价格。
  4K×2K的液晶面板像素约是Full HD的4倍。当然需要更高速的驱动,采用约四倍的驱动IC,固然可以解决,但是IC的数量费用增加:面板要区分多个领域来驱动,电路的构造变复杂,也会增加成本。即使,采用新一代的玻璃基板(Mother Glass)与提高良率,可以降低面板成本。但是,整体的加算成本,还是不划算。
  注:一边3000mm的第十世代玻璃基板,可以产出8枚的57英寸面板;第八世代玻璃基板,仅能产出6枚。
  此外,在连续的视框间插入新的视框,也就是厂商所言的120Hz驱动或240Hz驱动,使得面板高速驱动的技术开发是当务之急。奇美与夏普的4K×2K产品是60Hz驱动,卓卓逼人的三星于2008/6发表120Hz驱动82英寸的试作品。这个试作品是将面板切分成四块领域,以920×2160像素为单位来驱动。因此,可以看出面板高速驱动的课题,就在于成本费用高昂。而解决的方法呢。
  依照目前的技术,要同时兼故高速驱动与降低成本,可能有两条快捷方式可以来因应这个问题。
  第一,降低面板配线的延迟。此点是说将目前所使用的铝配线,换成阻抗率更低的铜配线。现在铝配线的阻抗率约在4μΩcm,而铜配线仅有2μΩcm,一半的程度。话虽然如此,可是铜单体并不能做为面板配线。铜与玻璃基板、非结晶硅的密着性低,会扩散到非结晶硅层,容易断线。半导体的特性就会往下滑落。其实,现行的液晶面板也有着同样的问题。故,在铝膜的上下会积层高熔点的锰金属。铜配线固然也可以在铜的上下来积层:采用喷镀法(Sputtering),也要积层3回。而锰金属的材料费很贵,成本面相当不利。为了克服这个难题,唯有开发低价铜配线的材料与因应的处理流程。目前的局势,材料厂商与学术研究团队尚在努力开发中。
  第二,提高半导体载子(Carrier)的移动度。有力的候补者是采用非结晶氧化物半导体IGZO(In-Ga-Zn-O)材料的TFT组件。IGZO TFT的载子移动度座落于10cm2/Vs~100cm2/Vs,相当高。IGZO成膜,利用喷镀法(Sputtering)的处理方式,可以在低于摄氏200度下来制作。
  由此可知,面板厂商在4K×2K的开发技术不是问题:尔后会逐渐磨练量产技术与培育提升良率的秘技,从专业的商业用途逐步反攻进入消费性市场。
  4Kv2K的显示器,不难见到。那,对应的摄影机呢?其实,因应4K模式数字剧院的摄影机,往往局限于专业用途。目前,比较受到内容制作者或是同业者所注目的产品,也许该是美商RED Cinema Camera的“RED ONE”。4K×2K的本体价格约在17500美金。若是包含镜头等一堆外围配件,约在50000美元。这对于业者来说,其实并不昂贵。据称,已经有数千台的出货纪录。根据该公司的产品蓝图,陆续会有5120×2700,6000×4000、9334×7000像素的产品企划,最大的该是28K×9334的超水平视野的计划。
  建立了这个观念之后,就可以来思考”器件”的开发了。以4K×2K影像来说,其中的基干组件当然就是800万像素以上的取像组件了。有了组件的完成,其次是组件英寸法缩小的实践,然后才是谈论价格的时机。
  组件开发的竞争有反射型液晶、透过型液晶、DMD等组件在角逐。无论何者会赢,固体取像组件,光的“利用效率”课题如何提升会是很重要的关键。依据NHK以及JVC的看法,CMOS传感器将凌越CCD之上,是最佳的选择。原因很简单就是“消耗电力”的问题。NHK早在2002年就已经试作出8K×4K(共3200万像素)的摄影机,使用四个800万像素的CCD组件。因此,光是热就耗掉40W,没有强力的风扇来散热是行不通的。但是改换成800万像素的CMOS传感器之后,每一颗组件的电力消耗不会超过760mW。而JVC所开发的800万像素CMOS传感器约是2瓦的程度。后来,Sony领先推出民生用HDV摄影机,也果真验证了这个预测。
  2008年,日本胜利开发1.75英寸8K×4K(3500万像素)的D-ILA(Direct-Drive Image Light Amplifier)组件。约是Full HD的16~17倍。
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