高動態範圍(HD)顯示器最初設計的目的是為了呈現比標準動態範圍(SDR)顯示器更栩栩如生的影像畫質,亦即提高亮度、對比值與更寬廣的色域範圍,可以想成「更黑」的黑色色調與「更耀眼」的白色色調。在過去幾年內,即使HDR顯示器在電視消費市場已經取得相當顯著的成績,但現今消費者在選購HDR電視機時,對於他們可獲得怎樣的效能水準仍然沒有概念。

感覺上HDR標誌與標準的數目似乎與顯示器品牌一樣多,但卻沒有品牌告知消費者其產品在HDR效能上的細節,且目前也沒有完全透明的效能測試方法及全面公開的效能衡量標準。通常消費者看到的就是顯示裝置上的一張貼紙,卻不知其背後真正代表的意義。

個人電腦(PC)產業在採用HDR方面雖比電視產業落後,但過去幾年內也經歷了迅速增加導入HDR顯示器產品的時期。為了避免對HDR產生混淆,支援DisplayPort、顯示串流壓縮(Display Stream Compression)與其他電子顯示標準的「美國視訊電子標準協會」(VESA),在2017年12月制定了一個全新的HDR相容測試分級規範「DisplayHDR」。此規範針對筆記型電腦與桌上型PC顯示器提供非常簡單易懂的標誌系統來代表不同的效能水準。

DisplayHDR針對HDR的顯示效能定義了八個關鍵特性,包括:黑階與白階(兩者結合即是對比度)、位元深度(bit depth)與色域(color gamut),以及顯示設備從全黑到全白的反應效能與速度。與HDR效能無關的功能則被排除在DisplayHDR的規格之外,如解析度、音訊與畫面長寬比例。

朝建立真正生態系統努力

超過20家公司參與DisplayHDR規範的發展,包含生產顯示器、繪圖卡與中央處理器(CPU)的各大主要OEM廠商。截至目前為止,有12間具領導性的製造商已經開發出符合這些標準的PC顯示器產品,其中超過四十項已取得正式認證,並預計在COMPUTEX 2019期間推出更多產品。此標準為完全開放且可從DisplayHDR官網下載。此外,官網上也提供如何測試此標準及每項測試的目的之資訊,若消費者有興趣的話,甚至還能得知如何建立測試檔案以打造測試流程的數學模型。

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圖1:超過20家VESA活躍會員共同促成DisplayHDR規範的制定。

測試DisplayHDR

制定一個定義清楚的標準與標誌系統來表示HDR效能並讓消費者容易理解,是改善HDR PC顯示器的消費者體驗重要的一步。然而,部份消費者希望能自行驗證手中HDR顯示器的效能,而不是只被動接受顯示器製造商允諾的HDR效能。

得知這些考量後,VESA與微軟(Microsoft)共同合作在2018年推出一款自動測試app,可協助自動開啟驗證全新顯示器DisplayHDR效能的測試程序。此DisplayHDR測試工具能在微軟應用程式商店或DisplayHDR官網上免費下載。透過在Windows 10平台上運作的DisplayHDR測試app,使用者可將公開發表的VESA DisplayHDR認證測試定義的測試圖案投影在螢幕上,接著將消費級的色度計(需另行購買)指向測試圖案,並使用色度計的軟體來測量與記錄顯示器的各項能力,測試的結果可以與DisplayHDR標誌等級所需的效能值互相比對。

各種HDR效能等級

DisplayHDR目前涵蓋四個效能等級:DisplayHDR 400、500、600與1000。儘管其中每一個等級的數字對應的是峰值亮度水準(亮度量測也稱為nits,以每平方公尺幾燭光cd/m2為單位),但它們仍透過其它不同特性來定義並區分各個等級,如表1所示。例如,顯示器不僅必須在長時間測試呈現10%區域(Patch)時,畫面達到400、500、600或1000的亮度水準,還必須能短暫顯示同樣亮度水準的全螢幕閃光。對於遊戲玩家或是想欣賞電影中爆炸或閃光場景的人來說,它可以達到極度真實的呈現,而這也是其它大多數顯示器在原本的設計上無法達成的。

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表1:DisplayHDR效能分級總表。

DisplayHDR 400是入門效能等級,目的是在成本不會大幅增加的前題下,提供與SDR顯示器相比、可測量的效能提升,同時促進HDR的大量採用。符合DisplayHDR 400標準的顯示器亮度通常比現今市面上大多數SDR顯示器高50%,而DisplayHDR 400顯示器也是真正8位元的顯示器,許多甚至還有10位元模擬功能;相較之下,常見的SDR顯示器都是6位元加上模擬的8位元。此外,所有DisplayHDR認證的顯示器都必須支援HDR10的訊號輸入。

DisplayHDR 600與DisplayHDR 400等級相比,除了提升50%的亮度外,最顯著的差異是在規格需求上,600比400的對比值高出六倍。為了達成如此高的對比值,所有DisplayHDR 600認證顯示器一律採用局部調光技術,這意謂著將液晶面板上的背光區分成許多可被獨立控制的小區域,而最常見的結果是顯示出來的畫面對比值比DisplayHDR 400高出六倍以上。除了亮度與對比的提升,DisplayHDR 600是第一個在色域上跨出SDR典型之sRGB/Rec.709色域的等級,達到DCI-P3色域且需要涵蓋九成DCI-P3色域。

DisplayHDR 1000效能等級代表目前最先進的PC顯示器。1000除了比600具備更顯著的亮度差異外,還被規範要能達到更高的全螢幕亮度;此外,1000等級的對比要求是600的兩倍。增加可控制區域就可以提升局部調光的效能,因此許多顯示器製造商選擇增加局部調光區域的數量以提升對比值。

根據在電視市場中所看到的HDR相關效能特性的行銷訊息,某些消費者可能會認為1000 nits是HDR PC顯示器必須達到的最低亮度門檻,任何低於這個數值的都不是真的HDR。但當他們得知許多HDR電視甚至連DisplayHDR 600的規格都達不到時,可能會大吃一驚。此外,瞭解觀看HDR PC與HDR TV顯示器的方式有所不同也是很重要的,因此完全依據亮度進行比較是不夠的。例如,4K解析度顯示器理想的觀看距離只有螢幕對角線的1.5倍。對於電腦螢幕使用者來說,這是可以實際坐下來觀看的距離;但對於電視使用者而言,其觀看距離幾乎總遠超過螢幕對角線的1.5倍,也因此無法完整受惠於高解析螢幕能提供的對比與細節。

最近,VESA新增了DisplayHDR 500的效能等級,以解決針對輕薄型與超輕量HDR筆記型電腦的需求。新的500等級包括局部調光及與600和1000等級相當的色域、黑階與位元深度需求。此等級比600的亮度稍低一些,以便讓超薄型筆電的顯示器能達到更佳的散熱控制。雖然新的500等級是針對非常小型的超薄顯示器進行優化,但它也可以應用在所有解析度與螢幕尺寸,包括監視器上的螢幕。

運用True Black效能超越LCD顯示器

當制定DisplayHDR標準時,市面上超過99.5%的PC顯示器都是採用LCD液晶顯示技術,也因此,首次發表的DisplayHDR也是針對LCD面板優化。自此之後,新顯示技術的開發已取得更多的進展,現在也已導入PC市場。VESA因預期到此一發展,在2018年初便針對有機發光二極體(OLED)與microLED這類的自發光顯示技術發展全新的DisplayHDR規格,並於2019年1月正式發表DisplayHDR True Black新標準。相較於VESA的DisplayHDR 1000效能等級,DisplayHDR True Black除了能提供更大的動態範圍,還能顯示最高達100倍的黑階度,且畫面由全黑變成全白所需的時間(rise time)也有四倍的改善。

儘管LCD顯示器與OLED顯示器相比,比較容易具備更高的亮度(白階),但OLED顯示器能提供卓越的黑階表現,而這也是定義顯示器最黑能到多黑的標準。在LCD顯示器上,被認為是黑色的地方實際上是深灰色,原因是此類顯示器常見的輕微漏光。反觀OLED顯示器則能完全關閉每一個像素,並呈現真正完美的黑階。VESA在定義DisplayHDR True Black規格時,就有考慮到自發光顯示器,因此將可容許的黑階程度降至0.0005 cd/m2,這也是工業級色度計可有效測量到的最低界限。對於在柔和燈光環境下的遊戲玩家與電影觀賞者而言,遵循DisplayHDR True Black規格的顯示器可以提供極為精準的陰影細節,並大幅提升動態範圍(依據照明條件最高可提升50倍),提供真正出色的視覺體驗。

總結

與PC市場的標準顯示器相比,HDR帶來顯著改善的畫質,包括更生動的色彩、更高的對比與亮度。不過,儘管市面上有許多關於HDR的宣傳,消費者依然對它一知半解。PC製造商與消費者一樣,都需要一個可以比較的標準,來評斷不同螢幕的HDR畫質表現。有了VESA的DisplayHDR與DisplayHDR True Black規範,PC製造商終於擁有一致且可測量的HDR效能參數可用於產品開發;同時,消費者則擁有具實質意義且能真實反映效能的HDR分級數字與標誌系統。超過20間的電子供應鏈市場領導業者已共同建立此一PC產業共享並公開的HDR標準,以確保所有與HDR功能相關的關鍵顯示元件能共同產生效用。隨著數十種PC顯示器產品取得DisplayHDR認證,且每個月皆有新的認證產品陸續推出,消費者將擁有更多經DisplayHDR認證的產品可選擇。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年5月號