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手机全面屏LCD/AMOLED显示技术之PenTile

  随着全面屏的已成为手机标配的趋势日益明显,当屏幕越来越大,分辨率也越来越高,很多人在购买手机时,往往认为,分辨率越高,屏幕显示效果越清晰。实际上,这种想法是不全面的。屏幕的材质以及子像素的排列方式也是影响屏幕显示效果的重要因素。屏幕子像素的排列方式一般分为两种,一种是标准RGB排列方式,另一种是RGB PenTile排列方式,那么它们都是什么意思呢?采用哪种子像素排列方式的屏幕更好呢?接下来OLEDindustry为大家详细的解答。

  显示的基本原理,是由红绿蓝 (RGB) 三原色光条并列组成像素 (Pixel),任何色彩都可经 RGB 色光不同的深浅层次的搭配制造出来,放大看虽是分开的三个条状色光,但像素非常细小,肉眼的适当距离看上去则是三色的混合光。显示屏是由许许多多的像素构成的,而为了让每一个单独的像素可以显示出各种颜色,就需要把它分解为红绿蓝三个比像素更低一级的子像素。即,3个子像素构成一个整体,即彩色像素。当需要显示不同颜色的时候,三个子像素分别以不同的亮度发光,由于子像素的尺寸非常小,在视觉上就会混合成所需要的颜色。

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  了解了子像素概念,那么就进入今天的主题——子像素的排列,上面提到了子像素的设计分为两种一种是传统的RGB排列,一种是RGB PenTile排列方式,那这两种排列究竟是怎样的饿呢?

两种子像素排列的定义

RGB排列

  RGB排列是最标准的排列方式,它把一个方块形的像素,平均分成三等分,每一块赋予不同的颜色,这样就可以构成一个彩色像素。这也是绝大多数LCD所采用的子像素排列方法(当然,三个像素的顺序是随意的,不国一般都是红绿蓝或者蓝绿红)。

  因此,只要我们把足够多这样构造的像素排列到一起,就可以显示出我们所需要的图案了。

事实上,绝大多数的LCD,采用的都是标准RGB子像素排列。它的好处是像素独立性高,每一个像素都可以自己显示所有的颜色。但缺点是要制作m*n的显示器,总共需要制作3m*n个像素(在制造过程中,子像素是最基本的制造单位,它们本身没有颜色,颜色是靠滤光片而产生的)。这在液晶上是没什么问题的,因为LCD采用的是印刷工艺,制作多少个像素对成本的影响并不高。

RGB PenTile排列

  PenTile 是美国旧金山硅谷一家成立不久叫Clairvoyante的公司发明的,因为其突破了 RGB 的规格,除了 RGB 三色之外、增加一个白色 W (White),同时把 RGBW 四色各变成独立的像素,有可操纵的地址 (Addressable),所以每一色光可以单独运作,这就是 PenTile。而传统的 RGB,则是三色连在一起成为一个像素,是基本的地址单位,在应用层面不能单独显示其中任一彩色。

  而发展到如今,RGB PenTile排列现在成为一些采用OLED材质的手机RGB子像素的排列方式。它与标准RGB排列单个像素点是不一样的,标准RGB排列的像素点是由红绿蓝三个子像素组成的,而PenTile的单个像素点只有红绿或者蓝绿两个子像素点组成。图中左边就是RGB PenTile排列的子像素排列方法。可以看到,同样显示3x3个像素,RGB PenTile在水平方向只做了6个子像素,而标准RGB做了9个,子像素数量减少了1/3。在实际显示图像时,RGB PenTile的一个像素点会用与其相邻的像素点的另一种颜色来构成三基色。水平方向,每个像素和相邻的像素共享自己所不具备的那种颜色的子像素,共同达到白色显示。

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PenTile与标准RGB子像素排布对比

PenTile的优点

  下图是 PenTile 与传统结构在显示技术上的差别。传统的 RGB 像素,排列整齐一致,如图显示一条白线,每个像素里的 RGB 要开到最亮,要显示一条黑线,像素里的 RGB 全部关闭。PenTile 则每一色都是单独的像素,可以排列成棋盘状,因为色彩之间没有关连,所以每个像素都能与任何周遭像素结合显示,也就是 RGBW 白四色能任意结合,如图只用两色就能显示白线与黑线,而传统则需用三色。(下图中左侧为传统红绿蓝显示,上图为直线、下图为横线;图右侧则为 PenTile 结构,上图为直线、下图为横线。)

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  PenTile 结构最大的优势自省电。液晶显示效率极低,因为 RGB 色光是透过滤色镜制造出来的,滤色镜把背板光源遮住了大部分,甚至高达 90%,我们看到的仅是少部分透视过来的光线,所以看起来觉得阴暗。PenTile 增加

的白色光,则是从背板光源直接照射的光线,不需过滤,所以亮度极高,相对的可以使耗电量减低.

  另外 PenTile 每一像素可与邻近像素搭配,不受传统 RGB 同时运作的限制,许多色彩可两色即可组成,不必一定要三色组合,像上图的线条即是以两色搭配的,比传统三色减少一色显示,但效果相同。这样使得整个面板用的色彩条块(不是像素数目),PenTile RGBW 色彩条块,就会比传统的 RGB 色彩条块减少三分之一,因此 PenTile 可以把 RGBW 每个色彩条块面积放大,增加像素的透光度,让整个面板亮度增加。初步估算,白色像素加上像素面积放大,可以让面板亮度加倍,如果维持原来的亮度,耗电量就减半。

  除了增加亮度,或节省电能,如果PenTile 的色彩条块(像素)面积不放大,与传统 RGB 的色彩条块数目相同,PenTile 的分辨率无形就增加了三分之一(如上图 PenTile 用两个色与传统三个色显示效果相同),对于多媒体的展现更为清晰。像手机的多媒体使用越来越普遍,但目前的亮度都嫌不够,所以亮度可能比省电更重要,PenTile 就可以在节省电源与增加亮度上调整。亮度增加、分辨率增加,显示的细节也更清晰,最明显的是笔画单纯的字体,会更容易阅读。

  除了硬件,PenTile 在软件上也作了许多调节。PenTile 的显示虽然大多清晰亮丽,但部分图形的色彩偏向饱和,显得不自然,这时候就用软件把白色像素亮度减低,用别的色彩调节,使得图画自然一些。PenTile 最近在一个会议上展示分析影视的画面色彩,用这一画面的色彩数值,来调解显示下一画面的背板光源,让眼睛看起来画面没变,但用的电源却大量减少,估计用到目前百分之四、五十的电量,就能观看影视。

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  Pentile子像素排列利用邻近的子像素来模拟一个像素点,这种投机取巧的方式能明显降低子像素点的数量,打个比方,某屏幕用正常RGB像素排列会有总共1500万的子像素点,但是如果换为Pentile就只会有1000万的子像素点。

  这相对于GPU来说是非常有利的情况,降低子像素的数量能直接降低GPU的负荷,这个不解释了,某论坛某网友将游戏尘埃3”的分辨率提高到5760*1080,结果只有用580SLI才能流畅运行!

  粗略算了下,sa720P屏幕总像素点为1280*720*0.66=6082569100800*480=384000)是9100屏幕清晰度158.4%左右,我所说的清晰度,其实就是指子像素的数量。

  顺便说说,这里是直接用像素点算的,不是用像素密度,假设在相同大小的屏幕下。如果换成4.65寸,估计会在130%左右。

  其实用总像素数除以面积更能体现像素点的密度,PPI相对来说已经不能很好地比较Pentile的像素密度,何况从来在物理学上,密度的表现经常是以面积、体积为分子的。

其实pentile真正的缺点就在于模拟出来的像素点太少了,I9000pentile屏幕模拟出来的像素点只有910066.6%,文字边缘发虚、网格样黑点是肯定的,必然的,但如果将子像素点数量直接提升,就能掩盖这些肉眼能看出的缺陷。

Pentile排列的AMOLED屏硬伤

  很多工程师纠结于i9000屏幕的颗粒感的,但为什么i9000以及其他用大部分AMOLED的手机屏幕会显现出颗粒感呢?

  首先要说明的是,颗粒感和AMOLED材质本身无关,而它完全和屏幕本身的子像素排列有关系。

  首先是最简单的情况,也就是把一个方块形的像素,平均分成三等分,每一块赋予不同的颜色,这样就可以构成一个彩色像素。这也是绝大多数液晶显示器所采用的子像素排列方法(当然,三个像素的顺序是随意的,不国一般都是【红绿蓝】或者【蓝绿红】)。

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  这样,只要我们把足够多这样构造的像素排列到一起,就可以显示出我们所需要的图案了。

  事实上,绝大多数的LCD显示器,采用的都是这种子像素排列。它的好处是像素独立性高,每一个像素都可以自己显示所有的颜色。但缺点是要制作m*n的显示器,总共需要制作3m*n个像素(在制造过程中,子像素是最基本的制造单位,它们本身没有颜色,颜色是靠滤光片而产生的)。这在LCD上是没什么问题的,因为LCD采用的是印刷工艺,制作多少个像素对成本的影响并不高。

  但是这个问题到了AMOLED时代就不一样了,AMOLED面临2个问题:第一个是像素总个数直接决定生产成本,第二个是AMOLED的发光效率并不高。如果采用和LCD一样的工艺,就需要更高的发光亮度,才能得到和LCD一样的观感,同时也会增加制造成本,所以三星在制造AMOLED面板的时候,采用了一种不同于上面的子像素排列方法,这种子像素排列方式叫做RGB Pentile,有许多变种。

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  图中左边就是i9000所采用的Pentile RGB排列子像素的子像素排列方法。可以看到,同样显示3x3个像素,Pentile在水平方向只做了6个子像素,而标准RGB做了9个,子像素数量减少了1/3。也就是说,Pentile技术下一个像素只包含两个子像素,要么是绿+红,要么是绿+蓝。大家可能要奇怪了,Pentile为什么可以缩减1/3的子像素而保持总像素不变呢?既然缺少一种子像素,那它又是怎么达到依然显示3x3全彩色像素的结果的呢?这里面的关键在于相邻像素之间的共用子像素

  接下来聚焦Pentile在工作时的子像素点亮情况。

  首先是显示水平间隔的白色线条。

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  可以看到,水平方向,每个像素和相邻的像素共享自己所不具备的那种颜色的子像素,共同达到白色显示。

然后是现实垂直间隔的白色线条。

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  公用情况也是一样的。下面来显示黑白点阵。图片关键词

  注意,问题来了:应该有的蓝色像素不见了!这是因为每一个像素都失去了邻居,无法公用,所以Pentile屏幕无法精确显示这样的图案。这个问题非常麻烦,为了让显示的结果仍然为白色,就需要把原本应该熄灭的蓝色像素重新点亮,结果就是显示白色点阵失败。

  现在我们知道了,Pentile技术的精髓就是要做到相邻像素的子像素公用。这要求屏幕上显示的任何像素都需要有相邻像素的存在,但实际情况中,并不是时时刻刻都可以满足这点的,比如下面我们可以在实际中可能遇到的情况就是。这些情况下会出现什么问题呢?

  首先,是显示垂直方向的黑白交界线。可能出现的位置:文字边缘。

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  可以看到,在最左边一条,出现了红蓝红蓝像素的垂直交替排列。这在视觉上会导致明显的彩边现象。

然后,是45度倾斜的黑白分界线。可能出现位置:文字边缘。

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   可以看到,边缘期待的白色变成了红色。

  更多的情况就不一一分析了,在这些情况下,会出现的问题都是屏幕上会出现非白色的边缘,这和我们要求的想去甚远,毕竟谁都不希望把黑白照片显示的花花绿绿吧?所以Pentile技术会对这些情况作出一定的修正,那就是把一些本该熄灭的子像素点亮,人为的制造一些相邻像素,来实现颜色的正常显示。但这就带来了一个问题,那就是本来平整的边缘变得不再平整,成为了锯齿状。这也是Pentile之所以会出现边缘毛刺的原因。具体的图我就不画了。

  上述的讨论都是在显示黑色和白色的基础上进行的,实际显示彩色画面的时候Pentile还会遇到一些更奇怪的问题。举例来说,当我们需要显示纯黄色的时候,就需要把屏幕上所有蓝色的像素都关闭。但由于红色像素是间隔排列,而不是紧密排列的,所以导致肉眼可以轻易看出其间夹杂的黑色斑点,它们之间的距离是两倍于像素距离的,导致出现网纹。而当显示淡橙色的时候,红色和绿色像素会100%发光,而蓝色像素则以50%亮度发光,此时这些不发光的蓝色像素会构成暗点,导致本来应该是纯净的颜色表面出现两倍于像素距离程斜向分布的颗粒感

   追其根本,Pentile是一种通过相邻像素公用子像素的方式,减少子像素个数,从而达到以低分辨率去模拟高分辨率的效果。优点是同样亮度下视觉亮度更高,以及成本更低,但缺点也不言而喻——模拟的自然比不过真货。一旦需要显示精细内容的时候,Pentile的本质就会显露无遗,清晰度会大幅下降,导致小号字体无法清晰显示;而为了弥补色彩问题,所以在Pentile技术下显示色彩分割区的时候,分割线会产生两倍于实际像素点距的锯齿状纹路,也就是会产生锯齿状边缘。

  最后一点就是只要显示的内容不是白色,就会出现两倍于点距的网格状斑点。所以说,Pentile技术的显示屏必须需要拥有足够高的分辨率,才可以弥补由于会产生两倍点距纹理带来的视觉效果下降。因此在i9000这样的4寸显示屏上使用Pentile技术的AMOLED显示屏,这样的问题还是蛮明显的,虽然不会导致明显的问题,但对屏幕颗粒感有要求的同学,最好还是先看真机再决定。


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