手機螢幕的2K、1080P、720P到底有什麼差別？

Posted on 2016-07-18 in 3C

從720P到1080P，再到現在的2K解析度，手機圈中關於螢幕解析度的爭論進行了幾年。

到今年為止，720P的手機新品已經基本消失，主流手機螢幕解析度都達到了1080P甚至更高的2K級別。雖然坊間關於手機搭載2K螢幕的爭論仍不絕於耳，裸視情況下1080P與2K屏看不出分別等觀點也被反覆論證，但是物理層面的分別卻是無法消弭的。那麼，720P、1080P、2K解析度的差別到底有多大呢？

上圖是一張三種解析度截屏對比。通過簡單的乘法我們可以得出，2K解析度的像素數為2560×1440=368.64萬，1080P解析度的像素數為1920×1080=207.36萬，720P解析度的像素數為1280×720=92萬。從對比圖中我們也可以看出2KK的截屏圖片面積幾乎達到了1080P的2倍，比720P手機更是大了3倍之多。

那麼，在同等大小情況下，差距到底有多大呢？

上方第二張對比圖中，截屏圖片維持原始尺寸，截屏圖片分別拉伸至於與第一張截屏圖片等大。通過手機或電腦在普通尺寸下似乎差別並不大，但在將紅圈中部分縮放至100%尺寸後，則很容易發現：2K截屏由於維持原始尺寸，圖片精細度未受影響；1080P截屏經過一定比例的放大，圖片精細度出現細微損失，但較難察覺；720P的截屏由於經過了較大比例的放大，文字部分已經出現了明顯的模糊和鋸齒。

當然，由於手機螢幕尺寸通常在6寸以下，所以這種差距在裸眼使用的情況下確實不夠明顯。同時，理論上來說，解析度越高的螢幕耗電量也越大，而智慧型手機的電量又一直是出奇寶貴，因此，手機螢幕2K無用論擁有很多擁護者。

但隨著VR等新技術的出現，2K屏的重要性真正體現了出來。目前主流的移動VR設備主要以手機作為顯像源，在使用過程中，由於雙眼與手機螢幕的距離更近，在加上透鏡的放大作用，用戶透過VR眼鏡看到的螢幕感受約為數十至上百英寸，因此，在使用VR設備時，對於手機螢幕的解析度更加敏感.就算是蘋果手機,用VR設備的話看到的都是很多的像素點,影響了VR設備的感官感受,所以要想得到一個好的VR體驗,2K,4K螢幕的手機是完全必要的.

4K引發行動設計大海嘯 GPU/影像處理技術翻新

新通訊 2015 年 2 月號 168 期《 封面故事 》
文．黃耀瑋

行動裝置引爆4K影像處理技術革命。行動裝置機皇規格大戰延燒至4K顯示器，引發影音頻寬不足、系統功耗大增等問題，因而也墊高SoC內建GPU和影像處理機制性能要求，刺激處理器和IP供應商全力研發多核心GPU、H.265影像編解碼、面板訊號運算方案，以及畫素補償等高階演算法，開闢新設計局面。

行動裝置品牌廠點燃2K(WQHD)、4K超高畫質(UHD)顯示器設計戰火。2014年9月，蘋果(Apple)一舉發布兩款大尺寸手機iPhone 6/6 Plus，並在後者導入1,080p(FHD)、畫素密度高達401ppi的視網膜螢幕(Retina Display)；不僅如此，其最新iPad系列平板裝置更全面升級成2K顯示器。這些發展無疑吹響行動裝置高解析度設計號角，刺激其他品牌業者跟進，甚至超前布局4K(UHD)解決方案。

事實上，除蘋果開始大玩新「顯」學外，三星(Samsung)、樂金(LG)、索尼(Sony)和宏達電等Android陣營手機廠也不斷在螢幕和影音功能下功夫，且規格戰更形激烈，目的皆是增添產品銷售亮點，並以更吸睛的功能抗衡以品牌魅力著稱的蘋果。其中，三星和樂金已搶先在2014下半年推出2K解析度顯示器的旗艦機種，並計畫在2015下半年將新一代機皇推升至4K等級，再添市場競爭利器。

隨著高階機種朝4K邁進，價格較親民的平價高規手機也正加速由HD(720p)往FHD、2K設計方向發展，包括華碩、宏達電日前皆在2015年國際消費性電子展(CES)祭出FHD平價手機，而小米、酷派等中國大陸手機廠也競相揭櫫2K手機研發計畫，足見整個行動裝置市場已瀰漫一股高解析度設計風氣。

FHD不夠看　行動裝置將掀2K/4K大戰

IHS DisplaySearch表示，在iPhone 6/6 Plus熱賣的推波助瀾下，2015年採用HD與FHD顯示器的智慧型手機將大幅成長，因此主要中小尺寸面板廠皆規畫在2015年提供HD與FHD解析度的觸控整合型產品(In-cell或On-cell)，並大幅降價以拉攏系統業者。與此同時，手機廠為突顯旗艦機種功能差異，導入2K，甚至4K面板的比重將顯著攀升，預估2015年2K手機將達到約9%滲透率，而4K產品亦可望於下半年相繼問世。

IHS DisplaySearch最新市場訪查報告指出，2015年FHD以上解析度手機將占整體出貨量34%比重，其中，25%為FHD方案，近9%為2K以上的產品(圖1)。相較於2014年，2015年FHD和2K手機出貨比例皆將顯著增長，尤其下半年因零組件成本下降、系統設計趨成熟，且功能規格競賽更加白熱化，FHD與2K手機出貨量更將扶搖直上。


圖1　2012～2018年全球智慧型手機面板解析度分析
根據Android陣營手機廠的產品藍圖，2015年底前UHD機種也將登場亮相，包括面板廠、驅動IC業者都已投入布局6吋左右的UHD顯示器設計方案；同時高通(Qualcomm)、聯發科和輝達(NVIDIA)等處理器大廠，也紛紛發表支援4K顯示和影音編解碼功能的系統單晶片(SoC)。

搶發2K/4K財　面板廠投產動作頻頻


圖2　和輝光電亞太區市場銷售負責人卓建宏強調，因應未來可能發生的專利戰，該公司已布局近千個AMOLED技術專利。

工研院IEK研究員林研詩強調，隨著4K設計風潮由大尺寸電視蔓延至中小尺寸的筆電、平板和手機領域，顯示器產業正加速從量變到質變的過程，以面板解析度規格升級，取代不斷擴充產能的發展模式，進而因應市場潮流並降低營運風險。

也因此，包括台灣面板雙虎，以及中國大陸、日系及韓系面板大廠，皆傾力建置2K或4K中小尺寸液晶顯示(LCD)面板生產線，並積極導入新一代低溫多晶矽(LTPS)製程技術，以達成反應速度較快，且具高亮度、高解析度與低耗電量等優點。

與此同時，主動式矩陣有機發光二極體(AMOLED)市場新兵亦積極布局高解析度面板。由中國大陸上海市政府投資成立的和輝光電，近期成功量產5吋HD AMOLED面板，並開始出貨給大中華區多家手機廠；2015年第二、第三季更計畫再推出5.5吋FHD和2K解析度方案，期在年底前達到每月2.1萬片出貨量，搶分市場杯羹。

事實上，智慧型手機規格差異化愈來愈難突顯，因此品牌廠亟欲擺脫一般LCD面板，轉搭AMOLED方案。和輝光電亞太區市場銷售負責人卓建宏(圖2)表示，AMOLED具備反應速度快、色彩飽和度和對比度較高的特色，逐漸成為品牌廠開發獨特產品的重要武器，近來在中高階手機設計的能見度也快速攀升；為進一步突顯其應用價值，和輝光電更以專利製程技術濾除高能藍光波長，將能有效減輕手機用戶視覺疲勞感，以及眼球黃斑部病變的風險，為AMOLED更添護眼功能利基。

另一方面，卓建宏指出，大中華區4G網路陸續開台，帶動一波長程演進計畫(LTE)手機設計潮；然而，伴隨4G高速傳輸性能而來的則是耗電量遽增等問題，因此手機品牌廠紛紛希望以薄型、無背光源的AMOLED面板，取代現有厚度及耗電量較高的LCD螢幕，進而大幅降低系統功耗，並騰出更多空間擺放大容量電池，以延長4G裝置續航力。

不過，目前AMOLED市場還是三星獨霸一方，此種情形手機品牌廠並不樂見，紛紛冀望市場能有第二、第三供應商的勢力崛起，以達到供需平衡，同時也獲得更多議價空間；因此和輝光電遂乘勢而起，在上海市政府等金主於第一階段投資約60∼70億人民幣下，已建置一座4.5代廠，並安裝完成每月足以生產1.5萬片中小尺寸面板的設備，正逐步開出產能。此外，和輝光電亦將馬不停蹄啟動第二階段投資計畫，以加速量產FHD、2K和可撓式手機面板。

2K/4K顯示設計掀革　手機SoC大添影像處理功能


圖3　ARM多媒體處理部事業開發經理蔡武男提到，虛擬影像、擴增實境可望成為行動裝置供應鏈下一階段的布局重點。

隨著LCD、AMOLED業者競相擴產，2K/4K中小尺寸面板的貨源可望逐一到位；然而，安謀國際(ARM)多媒體處理部事業開發經理蔡武男(圖3)表示，相較於目前配備1,080p解析度螢幕的旗艦級行動裝置，下一代搭載2K或4K顯示器的手機、平板，其內建SoC所需處理的影像資料量將暴增二至四倍，因而引發嚴重的頻寬不足及運算效率不佳等問題，驅動晶片商革新SoC內的GPU核心設計、影像處理軟硬體機制，以及OpenGL/CL應用程式介面(API)支援版本。

蔡武男更指出，由於平價手機規格更迭加速，螢幕解析度可望在2015年由HD、FHD逐漸躍升至2K水準，因而也刺激一線品牌朝2K解析度使用者介面(UI)與更多層堆疊設計，或更高階的4K規格邁進，以突顯差異。

據悉，手機顯示器從HD一路演進至4K，內建GPU架構也將由單核心(HD)、雙核心(FHD)推進至四核心(2K)、八核心(4K)，以擴增頻寬和效能。不過，蔡武男強調，單靠GPU升級還是不足以因應4K所需的超大頻寬，以及更複雜的演算法要求；因此，SoC內部亦須增添新的影像壓縮、編解碼和面板訊號控制設計，並搭配更先進的LPDDR 3/4記憶體，才能全面提升影音處理和電源效率。

對此，ARM遂祭出多媒體子系統方案，包含內建影音編解碼功能且可彈性配置單核至八核心的GPU IP、影像處理器(Video Processor)和顯示處理器(Display Processor)IP，以及幀緩衝補償(ARM Frame Buffer Compression, AFBC)等先進演算法。其中，影像處理器可支援多種影音格式，並進行編碼及壓縮，以節省GPU頻寬需求，而顯示處理器則可針對螢幕動態/靜態畫面執行各種節能或控制演算法；如此一來，SoC將能減輕大容量影像運算負擔，提升整體系統效率。

除影像處理機制翻新外，蔡武男也認為，SoC將加速邁向64位元、CPU/GPU協同運作的異質系統架構(HSA)，以迎合複雜多元的4K影音應用開發需求；至於系統周邊配置亦將改頭換面，包括H.265影音壓縮晶片、eDP高速影音介面，以及開放計算語言(OpenCL)2.0、OpenGL ES3.0/3.1 API皆已成為相關業者競逐焦點，將促進4K設計生態系統快速茁壯。

克服4K頻寬/功耗問題　H.265/HSA技術身價漲

圖4　Imagination多媒體技術行銷總監Peter McGuinness認為，該公司最新PowerVR GPU平台已可滿足大部分4K顯示功能設計需求。

Imagination多媒體技術行銷總監Peter McGuinness(圖4)表示，高解析度顯示設計最大挑戰在於功耗，特別是在周遭環境光線很亮的情況下，背光模組持續增加亮度更是造成系統電源快速消耗的元兇；因此，業界遂提出利用GPU演算法提升螢幕對比度的方法，進而節省整體系統功耗。此外，4K影像處理需要非常大的頻寬，所以SoC也須搭載更高效率的編解碼技術及記憶體內部(In-memory)壓縮方案，以減輕記憶體與空中傳輸介面(傳送/廣播)的頻寬負擔。

Imagination業務開發總監Chris Longstaff進一步指出，目前看來，4K顯示器的功能甜蜜點應該是以60Hz畫面更新率(FPS)來實現，要滿足此一規格，同時兼顧較低系統功耗，高效率H.265編解碼技術絕對是必備元素；為此，Imagination新一代PowerVR GPU平台已內建支援多重影音格式標準的H.265編解碼器(圖5)，並大幅簡化軟體堆疊及DRAM串連設計，以幫助處理器和系統廠加速導入新方案。


圖5　H.265編解碼器電路架構圖
另一方面，長期以來GPU皆透過多管線(Pipeline)、多叢集(Cluster)及多核心設計，達到效能擴充目的；然而，此一發展也讓GPU在SoC中占據的面積逐漸擴大，至今已攀上首位，促使業者希望將GPU用在照相、攝影、顯示影像/視訊等更多資料密集型任務上，以發揮其平行運算架構的價值，並減輕中央處理器(CPU)負載。

因此，HSA基金會應運而生，並已在2014年8月發布暫訂標準(圖6)，將基於OpenCL架構實現CPU/GPU協同運作方案，並逐步建構成各類型IP的完整溝通介面標準，包括高通、聯發科、Imagination和ARM等主要成員正積極推廣。


圖6　HSA標準處理器設計架構圖
Imagination處理器技術行銷總監John Min(圖7)強調，HSA關鍵功能為達成SoC系統層面的一致性，進而精細管理SoC內建IP的任務分布。為提供較純CPU或GPU方案更高效率的處理方式，HSA基金會將以提供可編程平台標準為首要任務，利用SoC內部CPU、GPU和視訊編解碼器三種處理單元，分別執行4K影像處理、編解碼、演算法、繪圖和記憶體/影像介面橋接等功能。

無庸置疑，HSA將涉及大幅度的SoC及GPU架構設計轉變，包括改善SoC內部IP一致性(Coherency)，並以更靈活的韌體管理方案，即時調整CPU、GPU、視訊編解碼器或影像訊號處理器(ISP)的頻寬和功耗預算，同時擴大使用晶片上L3快取記憶體，以提高資料傳輸的電源效率。Min認為，這些功能須仰賴SoC內個別處理單元的協同作業，因此IP業者須提供適合的編程環境，同時還要透過管線設計，讓不同IP有效共享資料，以免除記憶體重覆的資料傳輸流程。


圖7　Imagination處理器技術行銷總監John Min表示，HSA架構涉及多種IP設計和軟體開發知識，必須由整個產業鏈共同推廣才能實現。
隨著原始設備製造商(OEM)必須在功耗限制日益嚴苛的行動裝置中，滿足4K顯示及影像運算需求，支援HSA架構的SoC重要性將與日俱增，從而協助系統廠將運算密集任務轉移到最適當的處理引擎執行，而視覺與計算攝影學等高度平行運算任務，如高動態範圍(HDR)、全景拼接(Panoramic Stitching)、手勢辨識與擴增實境(Augmented Reality)則交由GPU處理，不再處處占用高時脈、高耗電的CPU資源。

為加速實現4K行動顯示器設計，晶片商除搶攻新一代SoC技術外，亦另闢發展路線，期導入經驗證，且成功導入商用的PC級影像處理技術。其中，NVIDIA不僅於2015年CES發表內建高達256顆GPU核心的處理器，更計畫將G-SYNC顯示方案、CUDA平行運算架構等PC端GPU解決方案引進行動領域，以協助品牌廠加速實現畫面逼真且順暢的3D、4K行動裝置，進而帶動市場買氣。

PC級影像處理技術上身　3D/4K手機吸睛力大增

圖8　NVIDIA資深產品經理曹維明指出，手機遊戲畫面品質和操作順暢度已成為用戶購買的重要指標，此亦刺激業者加速採用3D/4K顯示方案。

NVIDIA資深產品經理曹維明(圖8)表示，繼大尺寸電視、顯示器接連導入4K螢幕後，PC也隨著蘋果iMac Retina 5K問世，正式邁向超越4K解析度的設計領域，而平板和手機更被產業鏈看好將引爆下一波4K需求商機，包括品牌商、面板廠、顯示器驅動IC和行動處理器業者皆已競相展開布局，以提供更優質的行動影音播放和遊戲體驗，持續為市場創造新的亮點。

事實上，高通、聯發科、NVIDIA和邁威爾(Marvell)等一線處理器廠均已推出支援4K規格的行動SoC，可滿足4K影音播放，甚至錄影等功能。然而，行動裝置品牌、軟體開發商為突顯產品應用價值，已進一步投入發展4K UI，並重新掀起3D裸眼顯示熱潮，以改善手機操作和遊戲體驗，因而也再度墊高SoC內建GPU及演算法性能要求。

曹維明指出，3D/4K UI不僅增加GPU瞬時負載和面板訊號即時處理負擔，亦引發GPU/面板刷新率同步、影像雜訊濾除和優化等技術挑戰；再加上新產品研發時程和成本預算持續受到壓縮，因此NVIDIA研擬將應用於PC或顯示器的高端GPU技術下放至行動處理器，包括整合更多影像處理單元(或稱核心)的GPU、可實現CPU/GPU協同處理的CUDA平行運算架構，以及可消除螢幕撕裂、垂直同步輸入延遲及跳動等問題的G-SYNC顯示技術，進而快速滿足手機升級3D/4K顯示器的需求。

據悉，NVIDIA已在2015年CES發布新一代行動處理器--Tegra X1，將GPU核心數量推升至256顆，提供媲美PC GPU的Teraflops等級繪圖效能和電腦視覺應用功能。曹維明也透露，該公司計畫在2015∼2016年，逐步將G-SYNC和CUDA技術運用至行動處理器，以更先進的演算法克服3D/4K顯示中複雜光影效果、3D繪圖與立體畫素處理挑戰。

曹維明提到，由於3D/4K影像所需的頻寬非常驚人，因此SoC支援的影像介面及編解碼機制也須翻新，目前該公司已分別開發出新一代eDP、H.265 IP，未來將逐漸導入行動處理器設計，以提升大容量影像傳輸和壓縮效率。

顯而易見，4K顯示方案已成為行動裝置品牌廠產品規格角力的焦點，並牽動一連串行動SoC、GPU、演算法、影像介面和壓縮技術革命；因此，相關供應鏈業者正如火如荼研發新產品，準備在2015下半年大展身手，搶賺4K平板和手機設計第一桶金。

從 Retina Display 開始的解析度戰爭，談 4K、2K 手機螢幕大未來

作者 Blake | 發布日期 2013 年 12 月 30 日 1:29

Youtube從2010年開始推出4K影音服務後，正式與娛樂市場接軌，將人類的數位影音畫質標準，從1080P Full HD提升到4K Ultra HD。同時，美國 NPD市調集團旗下的Displaysearch日前發表市調，2013 年全球 OLED 出貨量從原先預估的 2 萬台下降至 5000 台，同時也將原本看好的2017年900萬台出貨量下修至 400 萬台。

然而在 OLED 市場萎縮的同時，4K 電視正在極速成長，繼 2013 年全球出貨量達 195 萬台後，預計 2017 年將會達到 6,065 萬台，佔整體液晶電視市場的 20％。也宣告了OLED的市場成為過去式，4K的時代已經來臨。

4K電視將帶領4K手機出現

在Full HD電視成為市場主流的數年後，Full HD畫質才開始在手機出現，像是大家耳熟能詳的htc Butterfly、Sony Xperia Z、Samsung Galaxy S4和Galaxy Note 3等等。我們可以說，從2013年開始，Full HD解析度已經被旗艦機型列為標準規格，同時，在4K解析度成為新興標準的現在，4K電視的出現，也代表著在手機螢幕上享受到4K解析度畫質，已經指日可待。

根據消息來源指出，Samsung已經開始著手研發4K手機，並預計在2014推出比現在市場上更高解析度的智慧型手機螢幕，接著計畫於2015年發表3840 x 2160解析度的手機螢幕產品。

最近一份註明為Samsung SM-G900S的手機評測報告顯示，這款傳聞中的Samsung新機擁有1440p的螢幕解析度，它會是Galaxy S5、Galaxy F或是Galaxy Note 4嗎？雖然目前仍不得而知，但在2014年2月的MWC中，Samsung肯定會有讓世人驚訝的產品展現。這也代表著，4K手機已經離我們不遠了。

4K手機的先天不足：容量、頻寬、電力尺寸

首先是容量的問題，連單片藍光光碟（單層25GB／雙層50GB）都裝不下4K影片的時候，要在手機上享受4K影片，記憶體容量就是最大的問題，就算透過Youtube或其他線上影音服務觀看，以現有行動網路頻寬來看，線上觀看可能只會像看超高解析度的幻燈片一樣令人不耐。

在內容上，目前的4K電影，只有少數用4K攝影機拍攝的電影如：《地球過後》、《遺落戰境》等等，或是使用像是Samsung Galaxy Note 3、Galaxy J等支援4K錄影的手機自行拍攝。

另一方面，播放4K影片需要大量的CPU和GPU運算，現有的電池技術是否能夠在不外接行動電源的情況下，讓我們看完一部完整的4K影片仍不得而知；更不用說還有散熱等等細部問題需要解決。更何況，用手機螢幕的尺寸看4K影片，你真的覺得那還稱得上是一種享受嗎？

你真的需要4K嗎？

現在，讓我們來談談PPI。在Steve Jobs向世人展示了iPhone 4上的Retina Display技術後，大家突然開始注意起PPI對手機畫質的影響，相較於其他手機大廠強調Full HD解析度，Apple反其道而行，推出解析度只有1136 x 640的iPhone 5s，強調「畫質」的Apple，用326PPI的Retina Display突破盲點，讓消費者再次驚艷。

但，只有Apple注意到PPI的重要嗎？Samsung Galaxy S4在5寸1080p的螢幕上，也擁有441的高PPI，接下來如果真如傳聞所說推出1440p的5.4寸螢幕，PPI更將高達543，這已經超越人類肉眼所能辨示的等級，你在手機螢幕上將再也看不到一個一個的「畫素」。

很明顯的，Retina Display比起技術實力，更像是一種廣告效果，但不可否認的是，在畫質表現上，超過300PPI的手機螢幕確實比其他螢幕看起來更為細膩，精緻。簡單地說，只要在同樣尺寸的手機螢幕中「塞」進更高的解析度，PPI就有可能突破天際，剩下的只是UI、介面和你在手機上觀看的內容，是不是能展現出高PPI所呈現的畫質。

回到最原始的使用者需求這件事上，你上一次在手機裡看完一部Full HD的電影是什麼時候？在記憶體和電池續航力的限制下，你能用手機看完一部完整的4K電影嗎？4K是手機顯示螢幕的大未來，但你真的需要4K手機嗎？

名詞解釋：

PPI：每英寸像素密度，和印刷常用的DPI類似，數值越高，代表螢幕顯示越精細。研究指出，人的肉眼所能分辨的最高像素密度為300PPI，因此超過300PPI的顯示螢幕被通稱為Retina(視網膜)顯示器。但是，人眼能否分辨兩個像素與觀察影像的距離和人的視力也有很大的關聯。另外，根據顯示亮度的不同，抑或是影像由不同的介值顯示（紙張或顯示器），人眼的分辨能力也會改變。因此，「人眼像素的分辨上限為300PPI」有一定的廣告宣傳成分。（資料來源：Wikipedia－每英寸像素）

2K：泛指2048 x 1080、2048 x 1152這兩種解析度。

2KHD：2560 x 1440解析度

4K：4K是一種新興的超高解析度標準（3840 x 2160和4096 × 2160），是目前1920 x 1080解析度的4倍，2012年底CEA（Consumer Electronics Association）規定，必須達到3840 x 2160以上，才能稱為4K。另外，各家廠商也為4K解析度想了不同代稱，包括QHD（Quad HD）、UHD、Ultra HD和2160P等等。但由於QHD容易與代表960 x 450的qHD（Quarter HD）混肴，目前傾向以UHD做為4K解析度的代稱。