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灰階顯示器的定義
灰階顯示器是指畫面中的每一個畫素，除了可以顯示「全黑」或「全白」兩種顏色，還可以顯示不同程度的「灰色」，一般用來顯示黑白圖片或黑白影片，如＜圖一（a）＞所示；當我們將圖中的拱橋放大，可以看出拱橋是由一個一個灰階的畫素排列而成，如＜圖一（b）＞所示。畫素通常很小，用眼睛無法分辨，最重要的是，灰階顯示器的每個畫素除了顯示黑、白兩色以外，還要能夠顯示不同程度的灰色，才能組合成真實的影像。
「灰階（Grayscale）」就是指「不同程度的灰色」，顯示器一定要能夠顯示不同程度的灰色才能夠顯示真實的景物，例如：真實的人、樹木、花草、山水等，也才能應用在顯示具有真實景物的照片、電視、電影等。
灰階（不同程度的灰色）在顯示器裡都是利用「亮度（Brightness）」來顯示，如＜圖一（c）＞所示，當畫素全黑時，眼睛就會看成是「黑色」；當畫素的亮度逐漸增加時，眼睛就會看成是「不同程度的灰色」；當畫素全亮時，眼睛就會看成是「白色」。
圖一、灰階顯示器（資料來源：www.ntu.edu.tw）
灰階的定義
顯示器可以顯示灰階的數目就是指可以顯示多少種不同程度的灰色，一般而言，人類的眼睛可以分辨灰階的數目大約為 256 種，也就是我們經常聽到的「256 灰階」，為什麼是 256 而不取整數 200 或 300 呢？
主要是由於電腦是使用二進位在運算與儲存，因此使用的單位一定是 2 的倍數，電腦常用的「8 bit（位元）」等於「1 Byte（位元組）」，恰好有 28＝256 種排列組合，可以對應到不同程度的灰色，如＜圖二＞所示，也就是說我們利用 8 位元（1 位元組）來儲存一個畫素的灰階。
例如：在數位訊號裡，「00000000」代表黑色；「00000001」代表有一點亮的灰色；「00000010」代表更亮的灰色；「00000011」代表再亮的灰色，總共有 256 種灰色，依此類推；「11111111」代表白色。
當然，有的人眼睛比較敏感，可以分辨更多灰階的數目，因此也有所謂的「4,096 灰階」，特別是醫學用的黑白照片。大家應該注意到 4,096 也是 2 的倍數，但是灰階的數目愈多，代表由全黑到全白之間等分的「灰色」數目愈多，因此相鄰兩個灰色會非常接近，使得眼睛不易分辨，因此一般只要使用「256 灰階」就已經很足夠了。
圖二、灰階與數位訊號的關係
直接電壓調變法
直接電壓調變法是直接利用「電壓大小」來控制眼睛看到的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」。假設顯示器上的每一個畫素當成一個燈泡，當我們對燈泡施加不同大小的電壓，則燈泡會有不同的亮度，眼睛就會看成是不同程度的灰色。
如＜圖三（a）＞所示，當我們對燈泡施加電壓 0V（伏特）時，燈泡全關（OFF），眼睛就會當成是「黑色（最暗）」；當我們對燈泡施加電壓 0.3V 時，燈泡有一點亮，眼睛就會當成是「有一點亮的灰色」；當我們對燈泡施加電壓 0.6V 時，燈泡更亮，眼睛就會當成是「更亮的灰色」；以此類推，當我們對燈泡施加電壓 1.2V 時，燈泡全開（ON），眼睛就會當成是「白色（最亮）」。
使用直接電壓調變法的顯示器很多，例如：傳統電視（陰極射線管顯示器）、薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD）等。
圖三、灰階顯示器的控制方法
次畫素法（空間調變法）
次畫素法是將一個畫素再切割成數個大小不同的「次畫素」，利用次畫素的全關（OFF）或全開（ON）來控制發光的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」。
如＜圖三（b）＞所示。假設將 1 個畫素切割成 4 個大小不同的次畫素，由於畫素原本就已經很小了，次畫素就更小了，眼睛當然無法分辨。當 4 個次畫素全關（OFF）則混合起來眼睛會看成是「黑色（最暗）」；當 1 個次畫素全開（ON）則混合起來眼睛會看成是「有一點亮的灰色」；當 2 個次畫素全開（ON）則混合起來眼睛會看成是「更亮的灰色」；以此類推，當 4 個次畫素全開（ON）則混合起來眼睛會看成是「白色（最亮）」。
次畫素法是利用眼睛對「微小的空間」無法分辨的原理來顯示灰階，故又稱為「空間調變法」。因為只有全關（OFF）或全開（ON）而不需要控制不同的電壓大小，因此使用這種方法最大的優點是驅動電路比較簡單，但是如果要維持解析度不變，則必須切割成許多次畫素，顯示面板的製作比較困難，而且要使用這種方法來顯示 256 灰階，必須切割成十幾個大小不同的次畫素來排列組合。
因為「畫素」原本就已經很小了，要再將畫素切割成十幾個「次畫素」幾乎是不可能的事，因此目前已經很少顯示器使用這種方法來顯示灰階了。
驅動電壓調變法（時間調變法）
驅動電壓調變法是直接利用「時間長短」來控制發光的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」，如＜圖三（c）＞所示。假設以時間 30ms（等於 0.03 秒）為一個單位（剎那間），人類的眼睛在這麼短的時間內無法分辨畫素是亮還是暗。
➤黑色：當驅動電壓在 30ms 的時間內全關（OFF）時，剎那間我們的眼睛會看成是「黑色（最暗）」。
➤亮些的灰色：當驅動電壓在 30ms 的時間內前 1ms 為全開（ON），後 29ms 為全關（OFF）時，剎那間我們的眼睛會看成是「有一點亮的灰色」。
➤更亮的灰色：當驅動電壓在 30ms 的時間內前 2ms 為全開（ON），後 28ms 為全關（OFF）時，剎那間我們的眼睛會看成是「更亮的灰色」。
➤白色：當驅動電壓在 30ms 的時間內全開（ON）時，剎那間我們的眼睛會看成是「白色（最亮）」。
驅動電壓調變法是利用眼睛在「極短的時間」內無法分辨亮暗的原理來顯示灰階，故又稱為「時間調變法」。這種方法最大的優點是不需要製作微小的次畫素，顯示面板的製作比較容易；缺點則是控制每個畫素開（ON）或關（OFF）的驅動電路比較複雜。
使用驅動電壓調變法的顯示器很多，例如：超扭轉向列型液晶顯示器（STN-LCD）等。上述的方法也可以混合使用，例如：將驅動電壓調變法配合次畫數法一起使用，則可以顯示更多不同程度的灰色。
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《知識力》授權轉載
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