Living at the edge of the world

Když přišly na trh Android mobily s prvními displeji s tzv. pentile uspořádáním, tzn. Nexus One a HTC Desire, mluvilo se hodně o tom, jak odlišně na nich vypadá obraz (zdánlivě hrubší rastr) a také o tom, že nemají tak docela rozlišení, které je u nich udávané. Celý problém byl na zahraničních serverech mnohokrát probrán a vysvětlen a měl jsem dojem, že už všichni ti, které tahle věc zajímá, mají ve věci jasno. Jak se ale ukázalo před několika dny ve velmi bizarní diskusi na Androidfóru, kde několik osob (zejména jeden „rádobyodborník“) prezentovalo pod rouškou odborných znalostí naprosté nesmysly, zřejmě to není až tak úplně pravda. Usoudil jsem proto, že bych se mohl pokusit celý problém vysvětlit ještě jednou sám (a česky – pro ty, kteří neovládají angličtinu).

Že se počítačový obraz skládá z pixelů ví asi každý, přinejmenším pokud bude číst tenhle text. Nemá smysl to tedy příliš řešit – pixel je jeden obrazový bod. Nemusí být nezbytně nutně čtvercový, ale v naprosté většině případů je, protože to je alternativa, se kterou se nejsnáze pracuje. Pixel je tedy definován jednak rozměry (které ovšem jsou čistě relativní – záleží na zobrazovacím zařízení, které pro jeho zobrazení používáme, a samozřejmě také např. na rozlišení, s jakým pracujeme), a jednak barvou (případně dalšími vlastnostmi jako průhlednost a podobně, ale o ty nám v tuhle chvíli nejde). Je to zkrátka zjednodušeně řečeno „barevný čtvereček“, ze kterých se skládá jakýkoliv obraz, který grafický čip počítače nebo jiného zařízení generuje.

Pixel je víceméně imaginární věc, kterou musíme nějak zobrazit, pokud ji chceme vidět. Tady samozřejmě záleží na konkrétním prostředku – pixely nemusíme jen zobrazovat na displeji či monitoru, ale můžeme je například také tisknout. My se tu budeme držet pouze varianty, kdy je zobrazujeme na monitoru či displeji. U klasických obrazovek to bylo o něco abstraktnější – obrazovka neměla (jakožto víceméně analogové zařízení) žádné pevně definované pixelové rozlišení, měla definovanou pouze velikost nejmenšího bodu, jaký byla schopna zobrazit, ale stejně bezproblémově mohla bez větších problémů a obrazových artefaktů zobrazovat i bod o libovolných větších fyzických rozměrech (a „pixel“ také nemusel být čtvercový, ale klidně obdélníkový – zobrazil se vždy stejně kvalitně a bezproblémově).

U LCD displejů se objevila nová věc – takzvané „nativní rozlišení“. To je dáno tím, že u LCD displejů pixel v podstatě nabývá fyzické podoby. LCD displej je tvořen pevně danou mřížkou fyzických obrazových pixelů, které mají jasně definovanou velikost. Jakýkoliv obraz, který na LCD displeji chcete zobrazit, musí být rozložen do nativního rozlišení daného displeje – jinak to zkrátka nejde. To, že na displeji můžete zobrazit i rozlišení nižší než je jeho nativní, není (na rozdíl od klasické obrazovky) jeho přímou vlastností – to zajišťuje v podstatě externě nějaký dodatečný grafický čip, který dokáže vzít obraz s nižším rozlišením a „převzorkovat“ ho nějakým více či méně komplikovaným algoritmem do nativního rozlišení displeje, aby mohlo dojít k jeho zobrazení. Pokud k tomuto převzorkování nedojde, dochází k tomu, že obraz nevyplňuje celou plochu obrazovky – protože, jak už bylo řečeno, jeden pixel má na LCD displeji pevně dané rozměry. Asi to nevysvětluji zrovna nejlépe, ale snad většina čtenářů pochopí, jak to myslím.

Pixel ale ve skutečnosti není nejmenší jednotkou obrazu na LCD displeji. Z prostého důvodu – čtvercovému jednolitému fyzickému pixelu můžeme poměrně snadno měnit úroveň jasu (tedy v zásadě jeho odstín šedé, pokud mluvíme o bílém pixelu), ale nemůžeme měnit jeho barvu. Současná elektronika zkrátka nemá k dispozici materiál, který by dokázal na základě nějakého elektrického signálu svítit libovolným odstínem barev – umíme zatím vyrobit světlo jen jediné barvy. A abychom tohle omezení obešli a mohli pixelu LCD displeje přiřadit skutečně libovolnou barvu, musíme na to jít jinak. Každý fyzický pixel LCD displeje se tak skládá ještě z „menších pixelů“ v základních barvách – z takzvaných „subpixelů“. Těmito základními barvami jsou tradičně červená, zelená a modrá (red, green, blue – RGB). Princip je pak samozřejmě v zásadě prostý – pokud v rámci jednoho fyzického pixelu rozsvítíme na jeho maximální intenzitu pouze červený subpixel, získáme dojem, že celý pixel svítí červeně. Pokud rozsvítíme červený a zelený subpixel, bude se nám daný pixel zdát žlutý. A pokud rozsvítíme všechny na maximální intenzitu všechny tři subpixely, dostaneme ve výsledku bílou. Funguje to zkrátka zcela stejně jako aditivní míšení barev. Přesto stojí za zmínku skutečnost, že ke skutečnému aditivnímu míšení barev tu navzdory tomu v zásadě nedochází – jednotlivé barvy subpixelů se nikdy nesmíchají, pouze dochází k tomu, že se nám nedokonalostí oka a následkem malých rozměrů pixelů splynou dohromady, protože se zkrátka nacházejí pod rozlišovací schopností oka. To jen pro zajímavost.

Pokud není úplně jasné, jak to s uspořádáním subpixelů a pixelů v displejích je, snad pomůže obrázek, na kterém se konečně dostáváme i k rozdílu mezi klasickým displejem a pentile displejem:

Mimochodem, všechny obrázky v textu je možné rozkliknutím zvětšit na plnou velikost. Zejména u fotografií v druhé polovině textu to více než doporučuji.

Na obrázku je k vidění nejtradičnější uspořádání subpixelů na klasických RGB panelech (nahoře) a pentile panelech (dole). Obrazová plocha na ilustračním obrázku by byla široká čtyři pixely a vysoká tři. Jak je vidět, klasický RGB displej má každý pixel rozdělený na subpixely o třetinové šířce. U pentile displeje je ale celá situace mnohem komplikovanější a vyplývají z ní veškeré zmatky, které kolem rozlišení a principu fungování pentile displejů jsou – totiž skutečnost, že u pentile displeje je jeden fyzický pixel tvořený pouze DVĚMA subpixely – alternativně červeným a zeleným nebo modrým a zeleným. Zelený subpixel je v každém pixelu obsažený proto, protože lidské oko je v zelené oblasti spektra mnohem citlivější, zatímco jeho citlivost v červené či modré je výrazně nižší (zejména v modré), takže v nich mnohem snáz „přehlédne“ nedostatky (z podobného principu vychází také v oné výše zmíněné diskusi několikrát zcela mimo kontext zmíněná Bayerova maska, používaná v digitální fotografii – digitální fotoaparáty mají ze stejného důvodu také na svých snímačích mnohem větší množství zelených fotocitů oproti červeným a modrým). Červené a modré subpixely pentile displeje jsou navíc o něco větší, čímž se do jisté míry jejich menší množství kompenzuje. Takovéto uspořádání subpixelů působí zdánlivě nelogicky a je zdrojem mnoha nepochopení a několika nevýhod (viz dále), ale z hlediska výrobního procesu je výhodnější a minimálně teoreticky by měly mít pentile displeje o něco vyšší životnost.

Z hlediska tvorby obrazu tu ale nastává jeden zásadní problém, na jehož základě někteří dospívají k (naprosto scestným) závěrům typu „pentile displeje mají čtyři subpixely na pixel“ a podobně – fyzický pixel pentile displeje je tvořený pouze dvěma subpixely, což znamená, že pochopitelně nikdy nemůže plnohodnotně zobrazit odpovídající obrazový pixel. Nemá na to dostatek subpixelů – z kombinací dvou barev zkrátka například bílou nikdy nevytvoříte. Jak tedy zobrazování na pentile displeji funguje? Relativně jednoduše, byť se to nevysvětluje úplně nejsnáze – pentile displeje zkrátka nemají schopnost zobrazit obrazová data s přesností na jeden pixel.

Jak to zhruba funguje vysvětluje následující obrázek. Mám trochu obavy ho sem vložit, protože je ho možné velice snadno vytrhnout z kontextu a pochopit zcela špatně, ale zkusme to. Podotýkám tedy, že následující obrázek slouží čistě jako ilustrace základního principu, jak pentile displeje zacházejí s obrazovými daty. Skutečnost je složitější a v dalším textu ji ještě naznačím a ilustruji lépe.

Obrázek ilustruje vzorový příklad – obrazová data, která grafický čip displeji posílá, obsahují vedle sebe bílý pixel a tmavě šedý. Nic neobvyklého. Klasický RGB displej s tím nemá nejmenší problém – každý jeho fyzický pixel je tvořen třemi subpixely, takže bez problému oba obrazové pixely dokáže zobrazit. Pentile displej je na tom hůř – osamocený bílý ani šedý obrazový pixel zobrazit neumí, jeho fyzické pixely nemají potřebné subpixely (jak už bylo řečeno výše). Levý fyzický pixel (ten, který by měl být bílý) tedy rozsvítí naplno, zatímco ten pravý (tmavě šedý) trochu ztmaví. Oba sousedící pixely oku víceméně splynou dohromady a ačkoliv obrazová data obsahovala bílý pixel a tmavě šedý, ve výsledku na pentile displeji oko dostane (přibližně) dva středně šedé pixely vedle sebe. Přibližně. V podstatě dojde k „ořezání“ detailů.

Z obrázku je asi jasně patrné, proč je nesmysl říkat cokoliv byť jen vzdáleně ve smyslu, že „pentile displeje mají čtyři subpixely na pixel“ nebo dokonce násobit horizontální rozlišení displeje čtyřmi v domnění, že tak získám celkový počet subpixelů daného displeje v horizontálním směru. Jak můžete vidět na obrázku, není tomu tak (a nevěřící Tomášové, přesvědčeni stále ještě o tom, že u pentile displeje je jeden fyzický/obrazový pixel tvořen čtyřmi subpixely, nechť se podívají na fotografie pentile displejů v druhé polovině tohoto textu). Nejblíže se realitě snad můžeme dostat výrokem „pentile displeje mají čtyři subpixely na DVA pixely“, ale ani to nebude tak docela pravdivé. Problém je totiž v tom, že realita je ještě o něco komplikovanější a právě proto jsem u předchozího obrázku upozorňoval na skutečnost, že jde o velice schematickou ilustraci fungování pentile displeje a nelze ji vytrhnout z kontextu nebo se jí řídit příliš doslovně.

Na obrázku nám totiž chybí jedna zásadní věc – okolní pixely. Skutečný pentile displej nefunguje jako matice sousedících dvojic pixelů tak, jak by to snad mohlo působit z obrázku. V takovém případě by pochopitelně nemělo jeho použití žádný valný smysl – měli bychom v ruce displej, který by zkrátka měl horizontální rozlišení poloviční oproti rozlišení dat, která jsou do něj posílána. Vtip pentile displeje spočívá v tom, že ony fyzické pixely o dvou subpixelech mohou být poměrně komplikovaným algoritmem skládány do libovolných dvojic – levý RG pixel na našem obrázku by mohl být při vytváření výsledného obrazu „spojen“ s BG pixelem napravo od něj, jako je tomu na obrázku…ale stejně tak dobře by mohl být v případě, že je to pro zobrazení aktuálních obrazových dat výhodnější, „navázán“ na BG pixel NALEVO od něj (který na obrázku nevidíme). Ale stejně dobře by také mohl v případě potřeby navázán třeba na BG pixel nad ním nebo pod ním… Jinými slovy, skutečný pentile displej je poměrně sofistikovaná matice fyzických pixelů, které jsou schopny (prostřednictvím ovládacích obvodů) vzájemně „spolupracovat“ se všemi svými okolními pixely a vytvářet tak výsledný obraz.

Čím propracovanější je algoritmus filtrování původních obrazový dat pro zobrazení na pentile displeji, tím více z původních obrazových dat na displeji uživatel (alespoň zdánlivě) vidí. Nikdy na něm ale na rozdíl od klasického RGB displeje nebude schopen vidět stoprocentní kopii toho, co mu grafický čip poslal – vždycky to bude jen více či méně přesná „napodobenina“. Pokud bychom například pentile displeji poslali k zobrazení jediný bílý pixel na pozici např. 240,315 uprostřed zcela černé plochy (čili něco, s čím by neměl RGB displej nejmenší problém), dojde pravděpodobně k tomu, že fyzický RG nebo BG pixel na pozici 240,315 bude svítit naplno, ale v jeho okolí se např. na 10 % intenzity rozsvítí (ze všech stran) ještě několik pixelů doplňkových – tak, aby se výsledný obraz co nejvíc blížil obrazu, jaký by uživatel viděl, pokud by svítil pouze jediný bílý pixel displeje. Čím složitější obrazová data pentile displeji pošleme, tím sofistikovanější a složitější samozřejmě musí být vzájemná spolupráce jeho jednotlivých fyzických pixelů. Ovládací obvody pentile displeje jsou logicky mnohem komplikovanější než ovládací obvody klasického RGB displeje (kde zkrátka zjednodušeně řečeno stačí displeji říct „na pozici 240,315 rozsviť naplno všechny tři subpixely) – ale přesto nejsou tak složité, aby se takový postup výrobci nevyplatil.

Z výše uvedeného je asi už zřejmé, proč je tolik nejasností kolem toho, jaké mají vlastně pentile displeje doopravdy rozlišení. Pokud vezmeme obraz v rozlišení 480×800 pixelů a pošleme ho na pentile displej s fyzickým rozlišením taktéž 480×800, nebudeme zkrátka schopni zobrazit všechny jeho pixely – prostě to na pentile displeji není (na rozdíl od klasického RGB displeje) není fyzicky možné. Cokoliv, co na pentile displeji uživatel vidí, je jen aproximace původních obrazových dat, která má ve výsledku rozlišení nižší. Jaké toto rozlišení je, to není s ohledem na komplikovanost algoritmů pro zobrazování na pentile displeji tak jednoduché určit. Na serveru Ars Technica dospěli výpočtem k výsledku, že v případě telefonu Nexus One, jehož grafický čip posílá displeji obraz v rozlišení právě již mnokrát zmíněných 480×800 pixelů, je jeho pentile displej efektivně schopen zobrazit zhruba 392×653 pixelů, tedy přibližně o 20 procent méně. Jelikož v podstatě neexistuje způsob, jak výsledek tohoto výpočtu ověřit, je tento výsledek stejně věrohodný jako jakýkoliv jiný, ke kterému dojdete při snaze spočítat efektivní rozlišení RGBG displeje.

Co to pro uživatele pentile displeje znamená lze velice snadno předvést na screenshotu. V levé části je čtyřikrát zvětšený výřez obrazu v plném rozlišení 480×800, v pravé je pak nasimulováno ono virtuální rozlišení 392×653 pixelů:

Jistě si všimnete například na malých číslech na ikonce kalendáře, že k úbytku detailů zkrátka dochází. Není sice kdovíjak zásadní (například samotný popis ikony je takřka nezměněný, až na jisté rozmazání), ale je nezpochybnitelný. Proto uživatelé pentile displejů nikdy neuvidí na displeji tak jemnou grafiku, jakou je jejich zařízení schopno zobrazit. V současné době se RGBG matice používá u mobilních telefonů takřka výhradně u AMOLED a Super AMOLED displejů – týká se to tedy například uživatelů HTC Desire, Nexus One či Samsung Galaxy S. Je ale dlužno podotknout, že mezi pentile matici a AMOLED displej nelze položit rovnítko – taková je zkrátka jen aktuální situace. Nic nebrání tomu, aby vznikly LCD displeje s pentile maticí, stejně jako mohou vzniknout AMOLED displeje s klasickou RGB maticí. Je to jen otázka preferencí výrobců daných displejů (a patentů a podobných věcí).

Snížené efektivní rozlišení ale není jedinou spornou vlastností pentile displejů. Mnoho uživatelů si u nich také stěžuje na rozmazání písma či mnohem výraznější „rastr“. Obojí je naprosto logické a vyplývá to z konstrukce pentile matice. Červené a modré subpixely jsou u RGBG matice totiž jednak větší a jednak jsou rozmístěný „cik cak“ z důvodů výše zmíněné „spolupráce“ jednotlivých fyzických pixelů. Větší velikost subpixelů má pochopitelně za následek i nápadnější černou plochu v případě, že daný subpixel právě nesvítí či svítí jen málo, a jejich šacovnicové rozmístění má zase za následek to, že na pentile displeji nelze zobrazit souvislou jednobarevnou čáru.

Pojďme si to celé ale konečně ukázat zcela konkrétně v praxi. Omlouvám se za horší kvalitu následujících fotografií – nejsem na makrofotografii vůbec vybaven a musel jsem tak improvizovat. Současně je třeba říci, že nemám k dispozici WVGA mobily jak s RGB, tak s RGBG maticí, takže RGB snímky jsou z QVGA rozlišení, tedy 320×240. Konkrétně jsou na snímcích displeje telefonů Vodafone 845 a Samsung Galaxy S. Levný displej telefonu VF845 nám bohužel vše komplikuje ještě trochu jinak – neumí zobrazit potřebný počet barev, takže se uchyluje k ditheringu. Na fotografiích je to vidět, ale na hlavní pointu oněch fotografií nemá tato skutečnost zásadní vliv – jen je zkrátka dobré si uvědomit, že (a proč) ani na fotografiích RGB displeje nevidíme úplně přesně to, co bylo na vstupu.

Nejprve tedy klasický RGB displej. Takto vypadá místo, které budeme zkoumat, při menším zvětšení (v levém rohu pak je ukázka při ještě menším zvětšení):

Pokud si displej ještě více přiblížíme, bez problémů uvidíme jednotlivé subpixely (žlutá mřížka naznačuje hranice jednotlivých fyzických pixelů a ve skutečnosti na displeji samozřejmě není):

Pro představu – na této fotografii se ve skutečnosti díváme na plochu o fyzických rozměrech zhruba 5×5 milimetrů.

Displej přitom z grafického čipu dostává takováto grafická data:

Z fotografií je myslím dobře vidět, jak jsou na klasickém RGB displeji jasně patrné jednotlivé pixely obrazu a jak ostře ohraničené jsou svislice například u písmen.

Teď stejná série obrázků, ale z pentile displeje:

Každý si patrně snadno všimne pravého opaku toho, co jsem zmiňoval u RGB displeje – poměrně silně viditelný „šachovnicový“ rastr (zejména si ho můžete všimnout v červené ploše ikonky Opery, kde svítí logicky jen červené subpixely, žádné jiné), a samozřejmě také skutečnosti, že svislice vlastně vůbec nejsou svislice, ale spíše „schody“ (a navíc barevné). Pokud si ale důkladně prohlédnete grafická data, která telefon displeji posílá, a porovnáte je s tím, co displej skutečně zobrazuje, jistě si všimnete i dalších odlišností – například toho, že dvoupixelová mezera mezi „e“ a „r“ má ve skutečnosti blíže spíše k jednopixelové. To je způsobeno právě výše popsaným „rozmazáním“ displeje následkem použití RGBG matice. Pro pořádek – oblast, na kterou se na zvětšeném snímku díváme, má rozměry zhruba 4×4 milimetry.

Pokud se chcete podívat ještě na několik ukázek, nahrál jsem je do galerie na Picasa Webu.

Pokud si tedy vezmeme do ruky například starší model HTC Desire s AMOLED displejem, který používá pentile matici, a novější model HTC Desire s SLCD displejem, který má klasickou RGB matici, lze si velice snadno všimnout toho, že SLCD displej působí jemněji, má mnohem méně výrazný rastr a písmena působí tak nějak ostřeji. To je způsobeno právě tím, co jsem se výše snažil demonstrovat – totiž že to není dojem, ale fakt. Pentile RGBG displej zkrátka skutečně má o něco nižší efektivní rozlišení, skutečně má výraznější rastr a skutečně nemá tak ostré písmo – je to jeho vlastnost, nikoliv chyba. To, jak jeho nedostatky budou komu vadit, je samozřejmě do značné míry velice subjektivní – někoho zmíněné nedostatky pentile displeje uhodí do očí, někdo si jich ani nevšimne. Vliv na to ale samozřejmě mají také fyzické rozměry pixelů konkrétního displeje – pokud bychom si vedle sebe položili dva mobilní telefony s rozlišením 480×800 pixelů, které oba používají pentile RGBG displeje, ale jeden z nich má displej o úhlopříčce 3.7″ a druhý 4.3″, a dívali se na oba ze stejné vzdálenosti, pak je samozřejmě naprosto logické, že ten s větší úhlopříčkou bude působit „rozmazaněji“ a bude mít viditelnější onen šachovnicový rastr – protože fyzické rozměry jeho pixelů budou větší a oku tak budou méně splývat. Nicméně je ještě třeba zdůraznit jednu věc, kterou jsem v předchozím textu spíš jen tak naznačil, ale asi není zcela jasná – může také nastat situace, kdy v téhle situaci vyjde větší displej vítězně. To proto, že, jak bylo řečeno, pro kvalitu zobrazení na pentile displeji je naprosto klíčová sofistikovanost obslužných obvodů a algoritmů, které provádějí rozklad zdrojového obrazu do RGBG matice. Může se tedy stát, že onen mobil s větším displejem bude používat pokročilejší algoritmy pro rozklad obrazu a ve výsledku tak bude jeho obraz příjemnější a jemnější, přestože by tomu na základě čistě fyzických vlastností jeho displeje mělo být naopak. Není to zkrátka úplně triviální záležitost. Díky Johnymu_G za připomenutí skutečnosti, že jsem tuhle poznámku do textu zapomněl dopsat.

Nicméně pentile displeje, jak už bylo naznačeno v textu, mají i své výhody (jinak by se nepoužívaly). Tou nejzásadnější jsou nižší výrobní náklady (i když, přiznejme si, tuhle výhodu v dnešní době koncový uživatel stejně moc nepozná) – máme co do činění s displejem, který má oproti svému RGB kolegovi pro stejné rozlišení o nezanedbatelný počet fyzických pixelů a subpixelů méně, a čím méně jich je, tím nižší jsou náklady na výrobu takového displeje. Další výhodou (kterou ale vlastně uživatel dnes také moc nevyužije, s ohledem na spotřební charakter mobilních telefonů a průměrnou dobu jejich vlastnictví) je údajná vyšší životnost RGBG displejů, která jednak opět souvisí s nižším počtem subpixelů (čím méně jich je, tím menší pravděpodobnost, že některý přestane fungovat), ale také s tím, že modré a červené subpixely jsou větší. Údajně totiž s plochou subpixelu stoupá jeho výdrž (ale nic konkrétního k tomu nejsem schopen říci). Na a konečně – pentile matice má sice o něco větší problémy s ostrostí textů, ale zase je oproti klasické RGB matici svým uspořádáním vhodnější např. k zobrazování reálných scén, tzn. například filmů, fotografií a podobně. Takže se rozhodně nedá říci, že jedno uspořádání displeje je lepší než druhé – každé z nich má zkrátka svoje výhody i nevýhody a jasného „vítěze“ určit nelze. A pokud mohu čistě osobní poznámku – já s například na pentile SAMOLED svého Galaxy S opravdu nemohu stěžovat. Rastr sice vnímám, ale rozhodně ne natolik, aby mě dokázal významněji rušit.

Tolik tedy můj pokus vnést světlo do problematiky RGBG displejů. Netuším, zda se mi to podařilo – záludnost tohoto tématu je v tom, že pokud víte, o čem je řeč, je na pochopení víceméně triviální, ale pokud ne, je dost těžké vysvětlit ho nějak dostatečně srozumitelně (tested on humans). Ale pokud tenhle text někomu pomohl a třeba teď pochopil, že ne všichni ti, kteří kolem sebe metají odbornými termíny, doopravdy vědí, o čem mluví, pak budu spokojený a text alespoň do jisté míry splnil svůj účel.

Pokud jsou nějaké doplňující dotazy nebo jsem snad něco spletl (upřímně doufám, že ne), pak se samozřejmě obojí rád dozvím v komentářích (a v případě dotazů se pokusím odpovědět, pokud budu odpověď znát).