细谈显示器的百年发展史,技术变迁带来视觉观感的提升

细谈显示器的百年发展史,技术变迁带来视觉观感的提升

一梦 / 2022-09-23 11:26:1415813

显示器如今已成为日常办公、娱乐不可或缺的一部分,它是人们与机器之间交互的窗口,随着显示器技术的不断发展,也让人机交互体验提升了一个又一个新的台阶。时至今日,历经超100年的发展,显示器行业已经发生了翻天覆地的改变,本篇文章和大家聊一聊显示器的发展历史。

屏幕显示技术的改变

CRT显示器

显示器的诞生与阴极射线有着直接关系,在19世界工业革命影响之下,科学技术迎来了突飞猛进的发展,诞生了许多划时代的发明,其中就包括于1897年发明的阴极射线管(CRT),后被用于显示器。CRT的全称是Cathode Ray Tube,是一个特制的真空管,其中包括电子枪,通过电子枪发射出来的电子光束撞击到荧光屏幕上,从而得以显示图像。

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在1907年,俄国科学家Boris Rosing运用CRT将简单的几何图像显示到屏幕上,而真正的第一台显示器诞生于1922年,由Apple I使用CRT组成。CRT起初应用于电视,在1936年,第11届柏林奥运会首次实现电视实况转播,促进了CRT电视的普及。在1973年,第一台配备显示器的奥托电脑发布。小时候,大家看到的“大屁股”电脑、电视就是采用CRT显示器,显示屏幕也是弯曲弧形的。

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而之所以是“大屁股”的形状以及“弧面”屏幕,主要是由于起初阴极射线需保证发射点到屏幕任何一点半径需等长,所以屏幕就必须得是一个弧形,而为了屏幕做大,显示器的厚度也就越厚。随后厂商们也在不断改进CRT显示技术,随着CRT技术的不断成熟,CRT显示器也逐渐进入更多人的视野。记得初中电脑课,使用的电脑就是“大屁股”的CRT显示器。

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LCD显示器

在CRT显示器飞速发展的几年期间,也诞生了LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示技术,由液态晶体组成的显示屏,LCD诞生于1964年,在1968年LCD被用作静态图片显示器,1973年,LCD被用作电子计算器的数字显示。但是由于当时CRT的技术比较成熟,不仅价格更低,而且响应时间、色彩还原度、分辨率等方面都更有优势,因而LCD显示器在当时并没有引起多大反响。

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不过,后来随着LCD技术的不断成熟,CRT显示器一直存在“大屁股”的厚重问题,而LCD显示器由于超薄的机身设计以及省电等特性,渐渐取代了CRT显示器,成为显示领域的新宠儿。

TFT

在20世纪80年代,TFT-LCD(Thin Film Transistor LCD)薄膜晶体管液晶显示器技术出现,TFT-LCD是一种主动式矩阵LCD,将微电子技术与液晶显示技术巧妙结合在一起,与TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同,TFT-LCD在液晶显示屏每一个像素都设置了一个薄膜晶体管(TFT),有效地克服非选通时的串扰,使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关,因此大大提高了图像质量。

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而TFT-LCD在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件,到了80年代末90年代初,TFT-LCD由于具有显示面积大、显示质量好、适用范围广等优势,随着制造成本的降低,也开始大规模生产,逐渐取代其它液晶显示屏以及CRT显示器,在电视、手机、笔记本电脑、显示器等产品上得到广泛应用,成为如今显示器的主流选择。

LED显示器

首个人眼可见LED灯最早在1962年由通用电器的工程师Nick Holonyack发现,Nick Holonyack也被称之为“LED之父”,在1969年,惠普推出了世界上第一个智能LED显示屏。

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而LED显示器其实就是LCD显示器的一种,主要的区别就是背光源不同,将LCD的CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp,冷阴极荧光灯管等)发光源更换为“发光二极管”,相比之下,LED背光可以实现局部调光,能够带来更好的对比度以及亮度,同时LED显示器消耗电量更低。在色彩纯度方面,LED显示器也要优于LCD显示器。

根据液晶分子扭转的方向不同,诞生了TN、IPS、VA三大类面板,TN的特点是高响应速度但对比度偏低,VA面板则是高对比度但响应速度低,而IPS则夹在它们中间,是最均衡的面板,属于万精油,具备优秀的可视角度,目前被广泛应用于显示器。

TN

起初的LCD是TN-LCD面板(Twisted Nematic-Liquid Crystal Display),主要用在数字显示以及简单的字符显示。工作原理是通过电压的方式将偏光片之间的液晶分子扭转90°,实现亮度明暗变化的显示器,不添加色板的TN只能显示黑白,大家使用的电子计算器就是采用的TN面板,按压会出现水波纹。

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随后在1984年,超扭曲双折射效应并发明了STN-LCD(Super Twisted Nematic--LCD)超扭曲向列相液晶显示器技术,可以将液晶分子扭转到180°-270°,改善了TN-LCD显示视角等问题,具有视角宽、分辨率高、对比度好等优势,90年代初期彩色STN液晶问世,加入了彩色滤光板,通过电压控制液晶单元的亮度产生颜色。

而TN-LCD具有制造成本低、响应速度快等优势,所以TN-LCD的屏幕现在一般常被用来电竞显示器,而缺点主要在于输出的灰阶少,色彩不够丰富,显示效果一般,所以不太适合设计、剪辑类内容创作的工作场景使用。

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IPS

IPS的英文全称是In-Plane Switching,是一种平面转换屏幕技术,属于TFT屏幕的一种,俗称“Super TFT”,最早出现在1996年,由日立在改善TN面板不良视角以及色再现性发展出来,随后研发出IPS、S-IPS、AS-IPS、IPS-PRO等衍生出来的屏幕技术。随后三星、LG等也在其基础上发展了自己IPS技术。

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IPS屏属于“硬”屏,按压屏幕时很难出现变色,主要的优势在于屏幕色彩准以及可视角广,理论可视角度在178°,在不同的角度观看都不会产生明显的偏色,而且色彩鲜明且饱满自然,同时还能展现出无拖影、拖尾的动态高清画面,一般常被用于专业影像的显示器,适用于专业的摄影、设计、视频剪辑等工作内容。

比如ThinkVision 第二代E28u-20(以下简称E28u)4K高端商务办公显示器就是采用的IPS技术面板,拥有90%的DCI-P3以及99%sRGB广色域,并且在任何角度都可以看到鲜明立体、精准的色彩效果,非常适合设计师、摄影师、剪辑视频工作者等专业办公人士使用。

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除此之外,这款E28u显示器还配备的是4K UHD超清分辨率,28英寸的屏幕,相比常规的1080P分辨率的显示器来说,画面在细节上更为清晰,可以获得比FHD多4倍的细节,可以解决在低分辨率下无法查看更多细节的痛点。

不过IPS屏幕增加了可视角度但是减少了光线的穿透性,而为了更好的显示效果不得增加背光的亮度,而这对于做工不是特别好的IPS显示器容易出现漏光现象,专业屏幕生产商会对该问题进行更规范的把控,漏光的问题相对也会得到改善,而IPS同时也缺失了高对比度的特性,比较明显的就是在黑色场景时不够黑。

VA

VA面板的诞生最早要追溯到20世纪70年代,由夏普开发,但是初期由于视野窄、实用性不高等问题,研究被终止。直至1996年,富士通推出了兼顾视角和反应时间两个方面的一种宽视界技术,解决了这个问题,VA显示屏重新回到了大家的视野。

与TN一样,VA面板也属于软屏,可以通过弯曲制作成曲面屏,按压面板会出现类似梅花纹的形状,主要的特点在于拥有比较高的宽容度与对比度,黑色与白色会更加纯粹,但是缺点在于响应速度较慢,功耗相对也会更高,现在一般用于中高端显示器,市面上大多数曲面屏都采用的VA面板。

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不过随着Fast VA面板的问世,解决了VA面板响应速度低的问题,所以Fast VA面板现在也被用于中高端显示器,市面上大多数曲面屏都采用的VA面板。

OLED显示器

在1987年,Eastman Kodak公司的两位化学家邓青云和Steven Van Slyke共同开发了第一台OLED(Organic Light-emitting Diode)设备。

与LED的被动发光有所不同,OLED是利用自发光有机电激发光二极管主动发光,不需要背光源。与LED显示器相比,OLED拥有更广的色域,色彩更为丰富且鲜艳,同时还有更高的对比度、反应速度快等优势,不过OLED屏存在PWM低频调光屏闪以及烧屏等问题。

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如果OLED屏当作显示器使用,类如任务栏、桌面图标等显示区域内容,由于长时间一直显示在一个屏幕位置,很容易出现烧屏,所以市面上OLED显示器比较少,主要还是以LED显示器为主。

显示器视频接口的变化

而显示器呈现出来的画面质量好坏,除了与显示器有关以外,与视频接口也有直接关系,随着视频技术的发展,人们对于视频画面质量的显示也提出了更高的要求,而这也促进了显示器视频接口的发展。

VGA前时代

在1976年的Apple I与Sol-20是第一批内置视频输出端口的计算机,需要外接电视机当作显示器才可以使用,外观看起来就像一个打字机,具有纪念与收藏意义,带有苹果联合创始人史蒂夫・沃兹尼亚克的签名Apple I电脑在今年的6月份还被以34万美元拍卖。

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人们印象中电脑的接口最早可能是VGA,但是其实在此之前还诞生过CVBS(又称为AV接口或Video接口)、S-Video接口以及YPbPr /YCbCr色差接口,不过常用于电视、DVD等产品。

其中CVBS接口是将音频、视频分离的视频接口,一般由三个颜色组成,黄色的“V”代表连接混合视频信号,白色的“L”代表左声道音频信号,红色的“R”代表右声道的音频信号,这种接口常出现在老电视背后的接口。

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S-Video的全称是Separate Video,又称Super Video,将视频的色度、亮度分离的视频信号分离出来,减少视频内部信号串扰造成的图像失真,提高了图像的清晰度,是一种五芯接口,其中两路信号为视频的色度信号,两路信号为视频的亮度信号,同时还有一路公共屏蔽地线。

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而YPbPr /YCbCr色差接口则是在S-Video接口的基础上,将S-Video传输的色度信号的蓝色与红色分开发送,其中YPbPr代表的是逐行扫描色差输出,YCbCr则代表的是隔行扫描色差输出,好处就是保持了色度信道的最大带宽,避免色差混合译码时带来的图像失真,色彩相对更为准确。

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 VGA接口

到了1987年,第一台带有VGA接口的显示器由IBM发布,是一种模拟信号接口,可以提供640 x 480分辨率的彩色显示屏,一次可以显示16种颜色,当把分辨率降低到320 x 200,则显示256种颜色,不但是CRT显示设备的接口,也是LCD显示器的接口,是应用时间最长且最广泛的视频接口,即便到现在,依然有不少显示器保留了VGA接口输入。

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DVI接口

由于VGA采用的是模拟信号传输,在模拟CRT显示器时可以直接生成图像,在LCD等数字显示设备传输时,需要配置A/D(模拟/数字)转换器,将模拟信号转换成数字信号,而在这来回转换的过程中,不可避免缺失一些图像细节。所以DVI接口随之面市,DVI接口是1999年由Intel开发者论坛的数字显示工作小组发明的高速传输数字信号接口,设计的初衷是用来传输未经压缩的数字化视频,相比VGA来说,视频传输的清晰度更高。

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DVI接口有多种规格,其中包括DVI-A、DVI-D、DVI-I接口,其中DVI-A接口就是VGA接口的标准,采用模拟信号传输。而DVI-D则是数字信号传输,DVI-I则是DVI-A与DVI-D接口的结合,即可以实现模拟信号传输,又可以实现数字信号传输,随着LCD显示器的快速发展,DVI口也逐渐被广泛应用。

HDMI接口

而HDMI接口是高清多媒体接口,也是现在的主流显示器接口,由电视制造商发起,先在影视领域普及,可以发送未被压缩的音频、视频信号,由于可以同时传输视频、音频信号,更简单、更方便,节省了线材和优化了安装体验,被广泛用在显示器、机顶盒、电视、游戏主机、电脑等。

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HDMI接口最早出现在2002年,由索尼、日立、松下、飞利浦、东芝、Siliconimage、Thomson等7家公司共同发起。诞生之初,主要是为了取代传统的DVD、电视等视频输出设备的接口,主要就是为了电视开发,提供高速且无损的音视频信号传输,HDMI1可以传输1080@60Hz全高清的影像输出,带宽达到4.85Gbps。

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到了2013年,HDMI2.0版本推出,带宽达到18Gbps,可以支持4K@60FPS画面输出,进入真4K时代。现在HDMI已经进入了2.1接口,可提供48Gbps的带宽,并且支持8K@60Hz以及4K@120Hz视频传输,现阶段主要用于电竞显示器,满足4K 120FPS的游戏体验,对于大部分显示器来说,HDMI2.1现在还没有被广泛应用,主要还是以HDMI2.0为主。

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ThinkVision 第二代E28u-20 4K高端商务办公显示器就配备了2个HDMI2.0接口,可以传输显示4K UHD超清的分辨率,带来细腻的视觉观感。同时ThinkVision E28u显示器还配备了1个DP接口,提供了多种的连接方式,那DP接口又是什么呢?

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DP接口

DP接口的全称是DisplayPort接口,由PC及芯片制造商联盟开发,视频电子标准协会(VESA)标准化的数字式视频接口标准,支持视频、音频、USB等数据的连接,主要用来取代VGA、DVI等接口,DP1.0于2006年发布,带宽10.8Gbps。

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相比HDMI接口,DP接口拥有更大的带宽,2009年的DP1.2接口的带宽达到21.6bps,2016年推出的DP1.4接口带宽已经达到了32.4Gbps,接近HDMI2.0接口带宽的2倍,可以支持8K@60Hz以及4K@120Hz输出,现在DP1.4接口已成为大部分显示器的标配接口。到了2019年,DP2.0推出,带宽达到80Gbps,速度是HDMI2.1的1.6倍左右。

虽然现在HDMI2.1接口已经发布,但是部分电脑显卡不支持或者显示器也没有配备,所以当HDMI2.0接口与DP1.4接口同时出现时,如果对于显示画质有更高的要求,显然DP接口是首要的选择,比如DP1.4接口可以支持4K@120Hz,但是HDMI2.0接口支持4K输出,但是120Hz的高刷新率就不支持。同时DP接口带锁,相比HDMI连接也会更为稳定。

雷电接口

2009年英特尔倡导的雷电(Thunderbolt)接口诞生,到了2011年以mini DP接口的形态出现在苹果Mac设备中。

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2015年USB Type-C接口出现,雷电3接口同年诞生,不仅兼容USB、DisplayPort、PCI-E几种接口/协议,而且速度快、供电强,拥有40Gbps的传输速率,即可以传输数据又可以供电,还可以连接外置显卡、显示器,功能齐全。

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2019年,英特尔向USB Promoter Group提供的Thunderbolt协议规范,随后便发布了USB4规范,兼容USB 3.2,USB 2.0和Thunderbolt 3主机与设备,支持高达40 Gbps的数据传输。

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 结语:

如今显示器已成为人们生活、办公中不可或缺的一部分,作为人与机器的交互窗口,显示器的好坏直接决定了给人们带来的直接视觉观感,从CRT到LCD,从VA到IPS,从VGA到HDMI/DP,每一项的变化都促进了显示器进一步发展,也为人们带来了更多的显示器选择,满足人们不同的使用需求。

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从显示技术来说,对于电竞游戏玩家,TN显示屏由于响应速度快的优势,将会是首要选择,而对于设计师等专业工作者来说,拥有更精准屏幕色彩的IPS显示屏排在首选,比如ThinkVision 第二代E28u-20高端商务办公显示器,同时配备的HDMI2.0接口以及DP接口,提供两个选择,充分发挥4K屏细腻画质以及精准色彩的优势。

当然显示器的进化,远不仅显示技术以及视频接口那么简单,在分辨率、尺寸、刷新率、色彩等方面都有了很大的进步,我们也期待未来的显示器厂商能够带来更多惊艳的产品。


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