從BenQ SW321C 到 Samsung S95B OLED:淺談明室對比Ambient contrast ratio

前言

不知道大家有沒有參觀過,每年一度顯示產業年度盛會「Touch Taiwan智慧顯示展覽會」?
筆者在2019的展會友達AUO展位上,第一次看到「ART – Advanced Reflectionless Technology」先進抗反光技術顯示器。令我印象深刻的是,當時應用ART技術展示數位畫作時,除了螢幕的高解析、高對比和色彩鮮豔外,令人吃驚的是,無論是展場複雜光源或是刻意安排投射到螢幕的聚光燈,竟然都沒有對顯示器產生生硬的反光、眩光,取而代之的是一種非常近似紙質、輸出品的質感。

筆者於展會現場拍攝,照片轉自HD CLUB https://www.hd.club.tw/thread-253096-1-1.html
筆者於展會現場拍攝,照片轉自HD CLUB https://www.hd.club.tw/thread-253096-1-1.html

看過展會中ART螢幕念念不忘,偶然發現原來BenQ最高階的專業攝影螢幕SW321C正搭載了使用這項技術的面板。爾後幾次實際觀看使用SW321C過程中,再次確認了ART技術的確能帶給人非常優異、獨特的觀看體驗,也引起我對於一般螢幕與ART螢幕間究竟有什麼差異,又更具體的說,是什麼肉眼觀看因素、硬體規格差異造成這種不同的感受。
讓我們從對比度開始談起。

  1. 前言
  2. Contrast Ratio對比度
  3. ACR 明室對比-更接近真實觀看的對比度評價
    1. 環境光對螢幕的影響
    2. ACR的計算公式
  4. 真實世界中的明室對比
  5. 現實中活中的應用-特殊抗反光、抗炫光電腦螢幕-BenQ SW321C
  6. 視覺對比度低於預期的Samsung S95B OLED
  7. 參考資料

Contrast Ratio對比度

Contrast Ratio對比度是構成影像階調的重要因素。一般定義的方式,是由儀器測量、計算顯示器所能呈現影像最亮(白點)與最暗(黑點)之比值。以常見IPS面板的顯示器為例子,常見對比度廠商標示為1000:1,意思是當螢幕亮度設定為100 cd/m2時,螢幕顯示黑色的區域,應該測量到的亮度是0.10 cd/m2

OLED近乎無限的對比

有使用過OLED顯示器的使用者,例如iPhoneX後的機種,應該有立體感特別好、特別生動的視覺印象的原因;OLED螢幕沒有背光,實際是各像素自發光特性,黑色部分理論上可以做到關閉像素單元、不發光,導致計算對比度的比值變為無限大infinity。實際上由於儀器測量的精度有其上限,以及OLED面板可能為了提高響應速度,不會完全關閉像素等因素,廠商通常會標示對比度為1M:1。

專業測評網站RTing上,針對OLED對比度的說明

但實際上OLED顯示器的觀看感受,在明亮的環境中與一般LCD螢幕相比,並不會讓人強烈感受到數值上「無限大」對比這麼誇張的描述。以電視為例,明亮客廳中如果放置新款OLED電視與LCD電視,後者的整體影像亮度通常是更高的,視覺上看起來對比與色彩感受會更強烈一些。

這其中一定有單純「對比度」無法反映的因素,或是其他干擾條件。為了研究上述的實際視覺感受的差異,以及設計出更好評價顯示器對比度的指標,所以有所謂「ACR明室對比度」的誕生。

ACR 明室對比

更接近真實觀看的對比度評價

Ambient contrast ratio, ACR 明室對比與一般對比度概念相同,但實際測量方式略有變化。
明室對比指的是在明亮光線下顯示器影像的對比表現能力,目的在於忠實反映顯示器在日常使用中,包含環境光源時,螢幕所能帶給人的視覺體驗。

相對於明室條件,過去一般測量平面顯示器的Contrast Ratio對比度時,常採用暗室對比(沒有刻意標示的即是暗室對比),測量時,不會考慮環境光線對於螢幕的影響。現實中,照射到螢幕的光線,實際上是會和顯示器表面產生反射、散射,甚至還會穿透表層與內部面板進行更多層次的反射等。

居家的真實場景

想像在一間放置電視機的起居室中,房間大燈開啟時的光線,在無遮蔽下自然會照射到電視螢幕上,大燈的光線還會照射到牆面或是其他物體,造成光線反射、散射,這些光線也會再次照射到螢幕上。

各種方向、來源的光線交互下,真實觀影環境中,一般顯示器並沒有辦法得到於暗室測量對比時相同的高水準表現。

IDMS-HDR: A Modern Guide to HDR Display Metrology
https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/msid.1242
環境光對螢幕的影響

下圖來自於「Ambient contrast ratio of LCDs and OLED displays」這篇論文,圖中舉例LCD與OLED顯示器,在外部光線照射到螢幕表面時會產生的現象。

LCD螢幕反射主要發生在顯示器的表面,進入液晶面板的環境光,又大部分會被線偏光片和其他光學元件吸收。OLED上則因為面板本身使用金屬作為電極,本身具有高反射性,為了阻擋來自面板陰極的反射光,則會使用broadband circular polarizer寬帶圓偏振(包含線偏振片、半波片、1/4波片的組合)來消除反射。


ACR的計算公式

根據來自AUO友達研究人員撰寫的「Advanced Reflectionless Technology for Reflected Glare Reduction」這份論文資料,明室對比ACR計算考慮複雜環境光下,公式可歸納為:

其中的許多標示記號,不用完全看懂沒關係,這邊可以參考另一篇討論文章「Evaluating Display Reflections in Reflective Displays and Beyond」。裡面對於不同種類的反射光做出區分,並根據其特性加以公式化,最後預測環境光下顯示性能的ACR計算,就是綜合考慮的結果。兩篇文獻的公式可以互相參考對照,就不難"初淺"理解其中的參數代表的變因。這部分我也非專家,提供文獻連結給有興趣的朋友做更進一步的探究。


真實世界中的明室對比

下圖是考慮不同環境光線明暗下,擁有不同對比度,不同最高量度的顯示器,實際計算明室對比的結果。

考慮環境光線時,會發現低亮度下,一般暗室對比測量下,高對比的顯示器的確也能帶來更高的ACR對比度,但當環境光增強時超高亮度的螢幕,即便是原生對比度不怎麼高,也可能會反超那些低亮度/高原生對比度的顯示器。

意味著在室內、較昏暗的環境下,OLED這類顯示器雖然最高亮度不高,但因為夠黑所以觀看上能夠提供很棒的視覺對比,但在明亮、戶外的環境中,只有原生高亮度的顯示器,才能夠提供足夠的明室對比,視覺上感受更好。

底下測量以手機為例,常見的OLED、LCD兩種螢幕,亮度則預設為最高800nits的LCD與同樣最高亮度為600nits的OLED與LCD。OLED的原生對比可以知道是比LCD更高的。

計算後發現,只有在暗度低於100nits的環境下,OLED才會發揮出比LCD螢幕更好/更高對比的表現;一旦到更亮的環境下,大約200nits的環境中,LCD、OLED螢幕的實際明室對比ACR表現就差不多了。

意思就是在光線充足的室內環境中,OLED的顯示高對比效果,其實沒有大家想像那樣好,可能更多時候是在昏暗甚至無光的環境中(睡覺前躺在床上?),才會實際享受到OLED螢幕的效果。

而接下來的圖表,則是模擬大型電視的表現。一台是峰值亮度達1500nits,暗室對比度大約5000的LCD電視(大概是目前高階VA面板電視機的規格),另一台則是峰值亮度達800nits的OLED電視(也符合目前市售LG WOLED面板普遍能達到的亮度)

同樣的,亮度為800nits的OLED電視機,雖然擁有超高的原生對比,但計算ACR下只有在70nits左右的暗房中能提供比1500nits高亮度LCD電視更高的明室對比度。

不過這邊我想更進一步的討論,這邊的計算很明顯是單純的模擬並非真實世界的情況。
首先,雖然目前一般OLED電視機都擁有大約800nits的峰值亮度,但實際全螢幕顯示時,考慮ABL保護作用OLED全螢幕亮度會更低,通常只剩下2、300nits。相同的,超高亮度的LCD螢幕,也不是時時呈現最高1500nits的影像,一般正常裝況下SDR內容可能會設定200~500nits,參考使用環境的亮度決定,而觀看HDR影像時,則多半時候可能最高亮度只會呈現約2、300nits。

另外,考慮到多數高階LCD螢幕尚需使用Local Dimming分區控光技術來增強影像視覺感受,觀看HDR影片時,光影的對比過渡,肯定還是比不上像素級別控光的OLED顯示器。這邊的對比度測試,是做特性條件下的性能測試,而非實際觀看的視覺感受測試(有點有趣的是ACR原本的設計正是要排除單純暗室下的對比性能與實際觀看的差異)

考慮上述種種內容,可以理解這邊是單純模擬不同對比、亮度的顯示器,計算明室對比的差異比較圖表,可以作為理解ACR效應的參考之用。


現實中活中的應用

介紹完所謂對比度/明室對比度的差異後,來看一下相關概念的實踐應用產品,

特殊抗反光、抗炫光電腦螢幕-BenQ SW321C
https://www.benq.com/zh-tw/knowledge-center/review/monitor-sw321c-review-from-isaho.html

BenQ在2019年就推出針對專業攝影師的電腦螢幕BenQ SW321C,雖然至今已經過了兩、三年,卻依舊是該品牌的最頂規產品。作為一款頂規產品,這台螢幕有什麼特別之處呢?

螢幕採用友達AUO製造的32吋4K解析度廣色域面板,該面板還採用了非常特殊的表面處理,稱之為A.R.T. (Advanced Reflectionless Technology)的超低反射、抗炫光技術。A.R.T.表面處理包含兩個重點,一個是具有能改變反射光方向,特殊設計結構的高度粗糙表面。另一個則是能減少反射光量的特殊鍍膜技術。它結合了傳統防眩光膜 (AG) 和防反射膜 (AR)的優點,能夠最高程度的模擬/還原一般紙張材質輸出品帶給人舒服、柔和不反光的視覺效果。

對比度

BenQ SW321C電腦螢幕使用IPS面板,廠商標示的對比度為1000:1,這是目前多數IPS顯示器所能提供的暗室對比。需要留意,實際使用時如果顯示器本身帶有面板均勻功能,那開啟功能後會更一步降低對比度,有可能讓顯示器的最高亮度下降,以及暗部的黑位略微提升,用以換取整體更均勻的視覺效果。以BenQ SW321C為例,實際測量對比度大概是600:1的性能。

https://www.benq.com/zh-tw/monitor/photographer/sw321c.html

而明室對比度ACR的測量,根據來自AUO友達研究人員撰寫的「Advanced Reflectionless Technology for Reflected Glare Reduction」這份論文資料,在四種不同的混合光源下(包含擴散光與反射光),新的ART技術都能帶來比傳統AG或AR膜更好、數倍的明室對比度。(螢幕亮度設置為250nits)

另外根據AUO的這份報告,不只對比度,連色度/色域覆蓋率也會受到環境光的影響,導致實際明室測量值低於暗室。詳細的計算與討論請參考「Advanced Reflectionless Technology for Reflected Glare Reduction」。


討論完擁有良好ARC對比度的產品後,再來說一下最近關於顯示器新品有點有趣的新聞。

視覺對比度低於預期的Samsung S95B OLED

先說明這個標題有點標題殺人,實際上Samsung S95B OLED依舊擁有非常優異的暗室對比,以及與競品WOLED相似的ACR明室對比。請接著看介紹這款螢幕的特殊之處,就會瞭解為何標題這樣描述。

Samsung S95B OLED是市面上第一款採用量子點Quantum Dot技術製作而成的OLED顯示器。它不使用LG所設計、目前大宗OLED電視機的WRGB圖元排列,而是單純的RGB排列。

WOLED的發光設計,是採用白光OLED輔以RGB Color Filter彩色濾鏡作為子圖元的顯色方式。底層OLED發光元件是由不同波長(Geen-Yellow+Blue)複合式的OLED組成白光,爾後根據子像素位置,分配不同的白、紅、綠與藍色濾片產生不同的色光。由於彩色濾鏡作為波長篩選元件,實際上將大幅度降低亮度輸出,所以特別增加一個額外的White子像素,作為高亮度影像的輔助輸出。這樣配置會造成高亮度色域縮減(因為加入白光)的問題。下圖左側為WOLED的結構示意。

Samsung S95B OLED的QD-OLED則採用高能藍光OLED作為發光源,搭配量子點薄膜,激發完整R、G、B三種波長的光線作為子圖元使用,避免了WOLED的問題,又同時保有OLED高對比的優勢。

但實際上Samsung S95B OLED產品上市後,使用者卻發現螢幕看起來比想像中更「灰」,放置在開燈的房間中看起來略顯得不若傳統螢幕來的黑。實際關閉燈光後,這台OLED顯示器還是能呈現OLED的絕對黑色。

Samsung S95B Review – Stunning QD-OLED TV Debut!
https://www.youtube.com/watch?v=VpDBAZ0vNuo

原因是三星基於某些原因,移除了OLED一般會使用來降低環境光影響的偏振光薄膜。這種偏振光薄膜,能夠避免照射到螢幕的光線,被OLED面板反射回觀看者的眼睛中。

Samsung S95B Review – Stunning QD-OLED TV Debut!
https://www.youtube.com/watch?v=VpDBAZ0vNuo

這類移除偏振光片的OLED稱為POL-LESS OLED,好處是拿掉偏振光片後,透光率可以大幅度上升,產品實際功耗也能降低。以三星Galaxy Z Fold 4手機為例,採用無偏振光的Eco² OLED Plus技術可將功耗降低37%,透光率則突破性提高160%。

下圖是同樣使用QD-OLED面板的Alienware AW3423DW,同樣因為沒有偏光層設計,導致開燈下螢幕容易發灰;但只要降低環境光(例如關閉上方大燈)就能夠改善狀況。

回到Samsung S95B OLED上,因為沒有了這層偏振光片,導致螢幕在有環境光下,多少還是會有些微的光線穿透螢幕表面,被底層面板反射、最後散射導致螢幕略為發灰。

考慮到這是拿掉偏振光片的結果,並且比對LG OLED 競品面對直射光的呈現,也許可以重新理解三星在這台螢幕上,其實做到了非常不錯的防眩光效果。實際上開啟電視後,影像呈現的電視機上的時候,不再是全黑狀態的Samsung S95B看起來就不會有發灰的的感覺了。

參考資料

Advanced Reflectionless Technology for Reflected Glare Reduction
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-25-26-33643&id=380371

Ambient contrast ratio of LCDs and OLED displays
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-25-26-33643&id=380371

IDMS-HDR: A Modern Guide to HDR Display Metrology
https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/msid.1242

Evaluating Display Reflections in Reflective Displays and Beyond
https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/msid.1099

Leaked more facts about the A95K, Sony’s QD-OLED:
more brightness, better anti-reflection filter and longer lifespan
https://crast.net/15319/leaked-more-facts-about-the-a95k-sonys-qd-oled-more-brightness-better-anti-reflection-filter-and-longer-lifespan/

AUO AmLED
https://amled.auo.com/en/

發表者:Miles 林

色彩管理顧問 之前任職影像後期/DIT 剪輯 調光 美國 ISF影像標準協會 認證校正員 通過 經濟部IPAS色彩計畫/色彩工程鑑定 印刷色管顧問 T-Lab 東煦色研所 合作夥伴

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