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分辨率,多高才够用?

原始场景信息的光学再现是显示技术的核心功能,画质作为显示质量优劣的评价内容一直以来都是技术发展改进的核心。为此我们乐此不疲的提升与画质相关的各个指标。现在口袋里的手机分辨率超过了电视,QD/OLED可以呈现你在自然界中很少见到的颜色,屏幕刷新率几乎以倍数的形式递增,我们仿佛坐在了一辆没有终点的加速列车上,难免会有疑问:高画质究竟多高才够用?

Retina的概念

显示技术的出现打破了视觉信息的时空限制,它充分利用了人类视觉系统的局限性,在时间、空间和色彩三个方面成功的欺骗了我们的大脑,让我们自以为看到了物体“真实的样子”。你没有意识到在屏幕上看到的连续图案实际上是由离散的像素格子拼起来的,因为你识别静止物体的视力是有限的。目前约定俗成“普通”人的视力水平大约是视力表中的1.0,可以理解为能够分辨空间频率为30 CPD (Cycle per Degree) 的明暗相间条纹,也就是常说的1/60°视锐度。这一点对于显示技术来说至关重要,它直接决定了屏幕应该具备的最低分辨率,或者说最低像素密度PPI (Pixel per Inch),对于满足最低像素密度的设备我们将其冠以Retina屏幕的称号。由于人眼的视力是用角度来描述的,当涉及到具体的设备PPI时我们需要进行换算,而换算需要的另一个重要参数就是观看距离。如果以观看距离作为横坐标,Retina屏幕应当具备的最低像素密度为纵坐标,并通过公式:

retina PPI=1/(2×观看距离×tan⁡(极限视力/2) )

可以得到关系曲线如图1所示。

fig-1-ppi-vs-resolution

图1的目的是要说明两点:

  1. Retina PPI随着距离的增加而快速下降,因此观看距离越近的设备,对PPI的要求就越高。在距离小于15cm左右时人眼已经开始出现聚焦困难的情况,因此对于VR/AR需要的PPI需要另外讨论。
  2. 不同的人具有不同的视力,对于视力1.2的人来讲,“普通”人眼中的retina显示屏仍然没有达到他所需要的最低PPI值。

除此以外,人眼对静态物体的辨识力还与环境亮度、物体的色彩甚至人的生理状态有关,更别提独特的“游标视力”现象[1]。所以Retina显示屏的概念更多的是大规模量产的工业产品在面对千差万别用户时的一个折衷标准。但是对于显示行业来讲,这确实是一个直观且关键的技术指标。在明确了Retina的概念,我们就可以来讨论下具体的产品应当具备什么样的分辨率。

TV,追求临场感,视域优先

显示屏本身具有显示动态与静态画面的功能,但是TV这类产品从诞生那天开始就注定主要向观众呈现动态画面。对于早期的电视节目来讲,让观众在观看时体验到 “身临其境”变得至关重要。接下来的问题是:如何增强用户在观看TV时的临场感?

在继续讨论前我们需要了解一个概念:人眼的视域 (Field of View),即当你双眼目视前方时,能够感知到的场景范围。这个范围同样是通过角度来定义的,对于人类来讲水平方向的视域覆盖范围大约为114°[2]。但是,在这个范围内的视觉感知能力是不均匀的,大致可以分为4个部分,如图2所示:

fig-2-human-field-of-view

图2. 人眼的水平视域分布

  • a) The discriminatory visual field. 大约3°左右,对应视网膜的中央凹,是人眼视锐度最高的地方。
  • b) The effective visual field. 大约30°,在此范围内人眼的辨识能力下降,但是仍然可以在较短时间内识别画面中的物体。
  • c) The induced visual field. 大约100°,观察者可以感受到视觉刺激,并且与观察者对自身所处环境的了解有关。
  • d)  The supplementary visual field. 大约100~200°,这部分的突发视觉刺激会吸引到观察者的余光。

实验证明,在观看距离一定时,观察者的临场感会随着显示屏覆盖的视域范围增大而增大[3]。而增大视域覆盖范围最有效的方法就是增大显示屏的面积。因此在HDTV标准制定的时候,除了将16:9的宽银幕比例写入了ITU-R BT.709[4]的画面格式中,还推荐了与显示屏垂直边尺寸相关的观看距离建议,而在这个距离观看时屏幕正好覆盖了30°的视域范围,此时FHD (1920*1080)的屏幕分辨率也刚好满足Retina显示的需求。HDTV标准建议是在1993年完成第一版的制定,但是技术的发展已经使得更大尺寸显示面板的制造成为可能,因此在观看距离不变的情况下,进一步的增大屏幕尺寸可以进一步提升观看者的临场感,但是为了保证retina显示,我们需要在变大的屏幕内塞进更多的像素,于是便会有4K分辨率的TV,即UHD的标准。当TV的分辨率上升至4K时,它所覆盖的视域角度已经超过了HDTV的30°达到55°,几乎超过了iMax电影所能覆盖的视域范围。但是这并不是终点,目前更高分辨率的8K电视也已经有样机展示,而且它覆盖的视域范围更是高达100°,几乎完整的覆盖了与临场感相关的全部视域范围。

fig-3-being-there

在2012年的伦敦奥运会,日本NHK与英国BBC合力启用了最新的Super Hi-Vision (即8K) 超高清技术。当被问及实际观看效果怎样时,国外评测媒体用了简单的两个词:“绝对震惊!”[5]。据描述当开幕式的全景画面出现时你甚至可以看清楚看台上每个观众的面容。如此之高的分辨率再配合22声道音频几乎完全骗过了你的大脑,耳边的观众欢呼声以及种种细节让你不由自主的认为自己身处远在伦敦的看台之上..身边坐满了观众。

可以这么认为:TV的高分辨率趋势的背后其实是对人眼视域高覆盖率的追求,为此我们必须增大显示屏的面积,而为了同时保证retina显示,我们不得不去提升TV的分辨率。所以与接下来我们要讨论的Monitor类产品相比,TV可谓从HDTV年代开始就已经全面retina化。只不过TV追求的是更高的临场感,因而视域增加直接带动了分辨率的提升。可惜的是普通消费者并不清楚分辨率翻倍是为了什么,更别提家中连FHD信号都无法输出的机顶盒了。

Monitor、Notebook、Tablet、Mobile与Wearable,追求清晰度,视距优先

也许你会奇怪为什么TV以外的产品类别都放在这里一起讨论,原因其实很简单:这些产品类别从用途上看其实都属于Monitor,只不过是大小不同、所处位置不同而已。如果从显示的内容及追求来看,主要以静态文本、图像和图形为主,并不期望观察者在使用时在视觉上有“身临其境”的感觉。因此这类大小不同的Monitor只需要满足retina显示这一个条件即可,而决定他们PPI的观看距离也与视域无关,而是取决于应用场景。

例如Desktop Monitor,我们可以认为放置在桌面的屏幕与人眼之间的距离大约是40~60cm,对应Retina PPI为218,那么一款常见的19” LCD大概需要4K的分辨率才能达成retina显示;对于27”的一体机来说则需要5K的分辨率,也就是Apple的Retina 5K iMac所具有的5120x2880。Notebook产品可以理解为便携式Monitor,因此在PPI上的要求相同,12”的产品需要2560x1440分辨率。

Tablet、Mobile以及Wearable放在一起处理,因为他们具有较好的手持性,大部分时间用户会手持查看,因此距离的变化范围更大。第一个将retina概念推至公众视野的公司恐怕是Apple了,iPhone 4的PPI值为326,对应视距约为27cm。不过JDI在2014年IDW上发表的论文[6]表明,当用户躺着使用手机时,视距的平均值大约是25cm,对应PPI为349;但是如果是视力较好的年轻人,视力可达60 CPD,此时需要的retina PPI值为699。考虑到这类设备在实际使用过程中都与用户非常的接近,所以25cm理论上可以作为视距参考值。

未来依旧不确定

上述讨论的全部内容其实都有一个前提: 以视力1.0的观察者为基准,以一定距离外的平面显示为目标。这些都是非常非常基础的平面显示技术的应用。但是未来的显示技术需要以什么样的形态出现,会有什么样的应用,目前仍然是个未知数。也许随着技术进步在未来我们有能力制造超高PPI的显示设备,真正意义上超过人眼的识别能力,我们可以用它做什么有趣的事情?现在或许是一个思考的好时机。

参考:
[1]    郝允祥 等, 光度学.  (中国科学出版社, 2010).

[2]    Howard, Ian P.; Rogers, Brian J. (1995). Binocular vision and stereopsis. New York: Oxford University Press. p. 32. ISBN 0-19-508476-4.

[3]    HATADA, T., SAKATA, H. & KUSAKA, H. 1980. Psychophysical analysis of the “sensation of reality” induced by a visual wide-field display. Smpte Journal, 89, 560-569.

[4]    http://www.itu.int/rec/R-REC-BT.709-1

[5]    http://www.pocket-lint.com/news/116499-super-hi-vision-olympic-broadcast

[6]    YUZO HISATAKE, M. T., SATORU KUBOTA 2014. Required Performances of Electronic Displays for Smartphones Revealed by the Survey Results. IDW ’14.

Yin Guobing

Yin Guobing

BOE技术研发工程师🔬,业余码农😳,蓝猫铲屎官🐈。曾独立开发了一款iOS APP并上线🎉。现居北京,正在为了理想中的生活而奋斗..

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