雷克斯の生活日誌

顯示器Dithering的工作原理與技術分析

1.為什麼需要Dithering?

(1) 廠商可以省錢，例如要做到10bit色深的效果(10.7億色)，使用8bit色深的面板+ dithering就可以做到，可以大幅減少硬體上的成本。
(2) 考慮TN面板的特性，在超過8bit以上色深的使用上，可能會造成反應速度變慢，而出現拖影的現象。

2.Dithering的原理

人眼視覺對於不同兩點間的解析能力，受限於兩點與眼睛之間所形成之夾角
(即視角)大小。 如下圖所示，當視角小於人眼能分辨的最小視角時，在視覺上便
如同兩點的混色結果。

              
當使用者在一般視距下，顯示器上相鄰兩點所形成的視角小於人眼可辨識的範圍，
Dithering便是利用此視覺效果，利用相鄰點的視覺混色來增加顯示器的色
彩表現深度(Color depth, 色深)。

                     
圖：Dithering利用人眼的視覺特性，達到混色的效果。

以只能顯示全黑及全白的顯示器為例，其色彩深度為 1 bit (0 ~1, 2-levels)。當輸入
的影像含五階變化(0 ~ 4, 5-level)，在沒有Dithering處理下的色彩表現如下圖所示。輸入像素的值由最黑到最白以0~4表示 (0表示全黑，4表示全白)，由於顯示器只有兩階變化，不是全黑就是全白，所以只能將輸入像素值0~1以全黑顯示，2~4以全白顯示，如下圖所示。

 
圖：沒有dithering時，5-level的image data只能在2-level的顯示器上呈現兩種顏色效果。

如果我們利用Dithering的作法,，將相鄰四個像素構成的組合視為一個Dithering的最小單位，如下圖所示，當顯示之像素值為0時，以四點全黑來顯示，為1時以一白三黑顯示，為2時以兩白兩黑顯示，為3時以三白一黑顯示，為4時以四點全白來顯示，如此一來，便可以表現出五種色階變化。

我們可以用2x2矩陣來描述此 Dithering(dithering matrix)，當相鄰四點像素與該2x2矩陣的相加結果大於等於4時，該點以全白表示，小於4時以全黑表示。

圖：有dithering時，5-level的image data可以在2-level的顯示器上呈現五種顏色效果。

 
圖：以Dithering達成的5-level灰階表現。

3.FRC

前面提到的Dithering作法，是以Dithering矩陣與影像data相加後得到增加色階的效果，
然而當使用者以較短的視距(即較大的視角)觀看顯示器畫面時，會發現有固定的格式化現象， 以2-level色階為例，放大後格式如下圖。若要去除此現象，需考慮以時變性的Dithering矩陣來取代原先固定的Dithering矩陣，此方法稱為Temporal Dithering，也叫做Frame Rate Control (FRC)。

圖：色階只有2階的圖形。

下圖的四組Dithering矩陣，是將第一組矩陣係數作順時鐘旋轉產生的，
當循序不斷的以這四組矩陣對畫面作Dithering，會使得色階1到3的格式不斷
的改變，當畫面不斷地更新，因人眼視覺暫留的效應，使用者即使在較近的距
離下，仍不易察覺出固定的格式。

圖：FRC示意圖。

4.Hi-FRC

我們再來分析一下上述提到的Temporal Dithering(FRC)的色彩效果。理論上6-bit的顯示器，可以在套用Temporal Dithering後呈現8-bit的色彩效果，也就是28x28x28 = 16.7百萬色的效果，實際上真的是這樣嗎?

我們來列舉一下，6-bit對應到8-bit的情形：

圖：FRC遇到的色彩飽和(掉色階)問題。

6-bit的1階對應到8-bit的4階，6-bit的63階對應到8-bit的252、253、254、255階，從上面的圖表可以看到，其實6-bit對應到8-bit的情況，在8-bit第252、253、254、255階時，對應的是相同的顏色，都是6-bit的第63階，也就是過第252階後就達到色彩飽和(saturation)了，並不會完整的呈現28x28x28 = 16.7百萬色的效果，而是 (28-3)x (28-3)x (28-3) = 16.2百萬色的效果，比16.7百萬色的效果少了50多萬色。

為了解決以上遇到的色彩損失問題，Hi-FRC出現了。

既然6-bit轉到8-bit會有階數不夠用的問題，那就先轉到9-bit以增加階數，如下表。

先將6-bit的最大值63乘以23對應到9-bit的504階， 此時對應到8-bit的252階，我們的目標是要完整呈現8-bit色彩，所以需要將8-bit的255階對應到6-bit的63階。

6-bit的62、63階，對應到了9-bit的496、504階，此時的8-bit的248~255階可以用9-bit的496、504階dithering混色而成，如下表，此時可以解決在8-bit第253、254、255階時色彩飽和的問題。

圖：利用9-bit多出的3-bit補色階。

5.小結

雖然6bit + Hi-FRC可以達到16.7百萬色，但和原生8-bit的顏色是不完全一樣的，有些顯示器廠商會號稱有支援10-bit色深(color depth)，但可能面板只有支援到8-bit色深。Dithering利用人眼視角和視覺暫留的特性，透過FRC的功能達到欺騙人眼的目的，現在的螢幕更新率(frame rate)都很快，有些甚至高達240Hz，使用者更難看出顯示器到底有沒有在做「Temporal Dithering(FRC)」了。

6.資料來源

什么是抖色Dithering?——节选自《高兴说显示进阶篇之三》