显示器技术的种类

2、新興電機科學技術科技發展日新月異，現代電機技術益趨多元與深化。

人類在日常生活環境中，無一不與電機科技產業相關，舉凡電力、電子、電腦、網路、半導體、通訊、控制等等電機相關技術，早已進入每一辦公室與每一家庭。

透過先進的電機科技，給人類帶來更方便與更舒適的生活。

並從實作中認識上述各種新興電機科學技術，期能讓學生更進一步了解與掌握新與電機科學技術的發展趨勢。

2-1顯示器技術的種類2-1-1液晶顯示器的基本原理由於液晶顯示器是以液晶分子材料為基本要素，將這白濁的液晶分子夾在經過配向處理的兩片玻璃板之間，即可組合成目前熱門而且與我們日常生活息息相關的液晶顯示器件。

這個介於固態與液態之間的中間態分子，不但具有液體易受外力作用而流動的特性，亦具有晶體特有的光學異方向性質，所以能夠利用外加電場來驅使液晶的排列狀態改變至其他指向，造成光線穿透液晶層時的光學特性發生改變，此即是利用外加的電場來產生光的調變現象，我們稱之為液晶的光電效應。

利用此效應可製作出各式的液晶顯示器，如扭轉向列型液晶顯示器、超扭轉向列型液晶顯示器、及薄膜電晶體液晶顯示器等。

我們舉扭轉向列型液晶顯示器的構造來加以說明。

扭轉向列型液晶顯示器的基本構造為：上下兩片導電玻璃基板，在導電膜上塗布一層經由摩擦而形成極細溝紋的配向膜，當向列型液晶灌注入上下兩片玻璃之間隙時，由於液晶分子具有液體的流動特性，因此很容易順著溝紋方向排列。

在接近基板溝紋位置時，液晶分子所受的束縛力較大，所以會沿著上下基板溝紋方向排列，而中間部分的液晶分子束縛力較小，在液晶盒內會形成扭轉排列。

因為在液晶盒內的向列型液晶分子共扭轉90度，故稱此工作模式為扭轉向列型。

另外，上下基板外側各加上一片偏光板。

圖表 1：液晶顯示器示意圖接著，我們進一步說明此顯示器的明暗對比顯示動作原理。

首先，由白色背面光源所射出的光通過第一偏光板後，自然光即被偏極化為線偏極光，在不施加電壓時，則此線偏極光進入液晶盒內，逐漸隨著液晶分子扭轉方向前進，因上下兩片偏光板的穿透軸和配向膜同向，即兩偏光板的穿透軸互相垂直，故光可通過第二片偏光板而形成亮的狀態。

相反地，若施加電壓時，液晶分子傾向於與施加電場方向呈平行，因此液晶分子一一垂直於玻璃基板表面，則線偏極光直接通過液晶盒到達第二片偏光板，這時光會被偏光板所吸收而無法通過，形成暗的狀態。

因此，利用適當驅動電壓即可得到亮暗對比顯示的效果，此顯示畫面即為一白底黑字的模式。

2-1-2液晶顯示器顯示模式與種類液晶顯示器依據驅動方式的差異可分為二大類：被動式驅動及主動式驅動技術二種。

前者的液晶顯示器面板乃單純地由電極與液晶所構成，並在上下基板配置行列矩陣式的掃描電極和資料電極，直接運用與掃描訊號同步的方式，由外部電壓來驅動各畫素內的液晶，以達到對比顯示之作用。

然而當畫面密度愈高時，掃描線數就愈多，則每一畫素所分配到的驅動時間愈短，此將造成顯示對比值的降低。

為改善對比問題，可利用主動矩陣的驅動方式，運用薄膜電晶體或金屬絕緣層金屬二極體的主動元件來達到每個畫素的開關動作。

當輸入一掃描訊號，使主動元件為選擇狀態（開）時，所要顯示的訊號就會經由該主動元件傳送到畫素上。

反之，若為非選擇狀態（關）時，顯示訊號被儲存保持在各畫素上，使得各畫素有記憶的動作，並隨時等待下一次的驅動。

因此，這種模式即使是在高的占空比情況下，也可以得到良好的顯示畫質。

一般而言，被動式的多工驅動顯示器畫質與響應速度，比同級的主動驅動產品要來得差，但由於其價格較為低廉，目前仍然是中低階消費市場的主導者。

另因液晶顯示器並不同於其他自發光性顯示器件，在整個顯示器件中，液晶盒扮演著光閥的作用，藉由不同的驅動電壓來改變液晶的配列狀態，進而控制通過此光閥的照明光亮度，以達到灰階的顯示效果。

而依據照明光的來源可將液晶顯示器的顯示效果模式分為穿透式、反射式、及半穿透反射式的顯示器件。

穿透式顯示器是由液晶面板與背光源所組成，整個顯示器的光量是由面板下方的背光源所提供。

反射式液晶顯示器則是以外界環境光為光源，並利用液晶面板下方的反射板將照明光予以反射，這種模式省去了提供光源的背光模組，所以降低整個液晶顯示器的製作成本，且大幅減少電源的消耗功率，當戶外光越強時，其所呈現的影像愈清晰。

因此，是故該省電的反射式顯示器的主要市場，就定位於可攜式的戶外用資訊產品上。

2-2、數位化影像處理系統的介紹2-2-1 數位化影像處理的基本架構影像處理可以簡單分為影像擷取、影像數位化、影像儲存、電腦處理及影像傳送等步驟，其介紹如下：影像擷取：透過數位相機擷取影像是最簡單的方法，其數位相機的功能是把三維空間的物體投影到二維的平面上，將這平面上所接收到的光線轉換成數位訊號，即完成影像擷取。

圖表 2：數位影像圖表 3：數位影像對應值影像數位化：利用掃描器掃瞄或是直接由數位影像擷取設備，如數位相機，將影像數位化後存放到電腦裡。

數位化的影像可以視為一個二維矩陣，在這個矩陣中每個行與列的值就代表影像點的位置，而它對應的數值就是影像點的顏色，這些影像點通常稱為像素（pixel）。

影像儲存：數位化後的影像需要儲存起來以便於後續的處理，以一張256 色（8 bit），影像大小為1024 × 1024 的影像，需要約一百萬位元組的儲存空間，它可以利用硬碟、軟碟或是任何數位儲存設備加以儲存。

一張影像中的顏色可以是黑白的，也可以是彩色的，這與擷取影像的器材有關。

電腦處理：數位化的影像在處理時較傳統的攝影暗房技巧，如放大、加減光與調色等，具有更大的便利性與彈性。

透過影像處理的技巧，可以使影像更為清晰或是強化局部影像，甚至可以使電腦具有與人類相同的視覺感官作用。

通常在電腦上透過軟體進行影像處理的演算，達到影像處理的效果。

大部分影像處理的演算法都是由軟體執行，在需要快速且即時處理影像資料時，則會透過硬體提供高速的運算。

影像傳送：影像處理完的結果通常輸出至顯示器提供使用者參考，影像傳送不一定是傳至本機的顯示器，也可透過影像壓縮的技術將資料壓縮後，再將影像傳送至不同的電腦。

2-2-2 影像處理的應用影像處理發展至今，除了開發出許多不同功能的影像處理軟體外，這些技術也應用於各個不同領域中，以幫助人類提高資訊處理的效率。

在此舉一些常見的例子說明影像處理的應用。

醫學影像：隨著醫學的發展，逐漸研發出各種診斷疾病的輔助機器，如X光機、超音波機、電腦輔助斷層掃描機、核磁共振掃描機等，這些機器提供了大量的影像供醫師診斷疾病。

而影像處理的技術，如增強影像對比度或自動偵測病灶位置，可進一步提供更佳的影像品質，以輔助醫師的診斷。

如上圖，全口數位影像，將幫助牙醫師診斷目前牙齒健康狀況。

圖表 4：全口數位影像機器人視覺：為了使機器人能與人類一樣具有視覺判斷環境的能力，通常會在機器人身上裝置攝影機，透過影像處理的技術，使機器人能自行分析環境。

例如，為使機器人能像人類一樣閱讀，除裝置攝影機外，尚須特殊的影像處理技術以擷取並辨識字元。

此外，機器人的視覺系統經由視覺演算法，可計算出適當的反應動作和分析周圍的訊息，並將必要的資料傳給機器人手臂，進而移動手臂抓取目標物。

甚至可以透過環境資料的分析，預先告知機器人前方是否有障礙物，以輔助機器人移動。

天文與地理資料：由太空或地面的望遠鏡觀測宇宙中各種現象所得的影像，資料量極為龐大，如何有效處理這些龐大的資料，對分析與判讀均極為重要，而在影像處理的方法中，影像對比度的增強、影像分割與影像辨識更是其中重要的技術。

舉例來說，美國哈柏太空望遠鏡拍攝到的天文影像，可以透過強化影像對比度的方式將某些特殊的星系凸顯出來。

同樣地，許多遙測所得的地理資料，如土地的利用及水資源的分布，也可以透過影像分割與影像辨識的方式，將河川、森林、建築物等逐一分割出來提供專家研判。

而透過衛星所拍攝的影像，也可利用影像處理技術取得所需的資訊。

工商業應用：現在有許多利用影像處理的方式檢查產品是否有瑕疵，或分析材料的成分與結構，例如布匹線上檢測系統、射出成型產品的應力測量、生產工件形狀檢測、沖壓元件的曲面測量、熱軋鋼板尺寸及瑕疵檢測等。

產品的檢測若以人工的方式進行，除了耗費人力資源外，且會降低生產效率。

透過影像處理系統則可實施自動化檢測，若與監控系統結合，更可提高生產效率。

在日常生活中，像讀取條碼、指紋與瞳孔的身分辨識系統、郵遞區號讀取系統、數位監視系統等，也都利用到影像處理的技術。

多媒體應用：現在許多影片規格如MPEG 與影像規格JPEG 等，都是應用影像處理中的影像壓縮技術降低儲存空間。

像視訊會議、影像電話等，為節省網路的頻寬，都採用影像處理中的影像壓縮技術，以減少傳輸的資料量。

另外，現在也有結合影像與聲音搜尋，形成類似文字搜尋引擎的多媒體資料檢索系統，這些也需要影像處理中特徵擷取的技巧，以提高搜尋的效率與準確度。

2-2-3 影像處理過程中運用到的基本技術我們在前面簡單說明了一些常見的影像處理的應用，接下來探討常見的影像處理技術。

其實大多數的影像處理演算法，都是為了要強化影像所提供給人類的資訊，進而處理並分析影像，在此簡單介紹一些基礎的影像處理技術。

圖表 5：原始影像圖表 6：強化處理後之影像影像強化：影像強化主要是使影像中的某些特徵，根據使用者的需要凸顯出來。

通常因為攝影時環境的影響或數位化的關係，所得到的數位影像無法將特定區域凸顯出來時，則必須使用影像強化，把所需要特定的區域顯示出來。

舉例來說，圖中是使用行動電話上的數位照相機所拍攝，拍攝時間是在晚上。

由於行動電話上的數位攝影機能調整的功能有限，所以拍出來的照片中可以發現總統府是清晰可見，但是其餘光線較弱之處無法判讀圖中之影像，但是若圖片經過影像等化後，黑暗的地方出現人群，解開了黑暗處之謎。

影像還原：影像還原主要是移除或改善導致影像品質惡化的因素，例如拍攝時相機的震動、環境的影響、拍攝物體的運動等所造成的影響。

舉例來說，拍攝時因物體與攝影機間的相對移動會造成影像模糊的現象，若透過對物體相對運動的分析，對影像做還原的動作，便可以獲得清晰的影像。

影像壓縮：影像壓縮主要在減少儲存數位影像所需要的空間，同時，減少傳輸影像檔案所需要的時間。

影像壓縮主要分成兩類，一是非破壞壓縮，另一種是破壞壓縮。

目前，最常見的影像壓縮規格就是JPEG，JPEG 是屬於失真壓縮的一種，以2160 × 1440大小的影像（存成bmp 格式）為例，經過JPEG 壓縮後，檔案大小約為429 千位元組；但未經壓縮的影像檔案大小，約為9,113 千位元組，兩者之間相差達21倍。

利用JPEG壓縮技術時，若不同的影像會有不同的大小，顏色變化多，則壓縮後檔案大；若影像顏色變化少，則壓縮後檔案小。

影像分割：影像分割的目的，在於根據影像構成的物件來分割影像，以使電腦像人類一樣具有分析影像特徵的能力。