Vědecké okénko: Potřebujeme 4K(+) displeje? Rozhodně

Vítejte u dalšího dílu seriálu Vědecké okénko, kde rozšiřujeme vaše i naše obzory. Ještě deset let zpátky by použití HD displeje v telefonu málokomu dalo smysl. Jenže stalo se. Pak přišlo Full HD, diskuze, jestli potřebujeme Quad HD a opatrné našlápnutí do 4K, kam se zatím odvážilo jen Sony. Většina výrobců přešlapuje na místě, někteří dokonce šli zpět k Full HD. Bude se ještě rozlišení displejů zvětšovat?

Nepřehlédněte: Vědecké okénko: Proč se bojíme elektromagnetického záření?

Jako první má smysl si definovat, co je schopný člověk okem zaznamenat. Obvykle se definuje standardní rozlišovací schopnost, tzv. zrak 20/20 (USA, ve stopách), u nás 6/6 (v metrech). Mnoho z nás zná důvěrně tabule u očního lékaře, ze kterých předčítáte. Čitatel zlomku je vaše vzdálenost od textu a jmenovatel vzdálenost, kterou potřebují ostatní, aby text také přečetli. Pokud vám výsledek zlomku vyjde při testu výrazně nad 1, vidíte ostře, kolem 1 průměrně, nižší hodnoty svědčí o krátkozrakosti nebo jiné vadě zraku.

Sejdeme se na očním

Právě průměrný uživatel se používá jako reference pro výrobce displejů, jak mají být pixely nahuštěné, aby to běžné oko nerozpoznalo. Oči majitele se zrakem 6/6 rozpoznají dva body od sebe v úhlové velikosti jedné minuty. Jenže jsou i lidé, kteří rozpoznají dva body viditelné v zorném poli pod úhlem třiceti úhlových vteřin. Co je ale ta úhlová velikost a jak se tu vzala?

Pro představu úhlové minuty: odpovídá pozorování fotbalového míče o průměru 22 cm ze vzdálenosti 775 metrů. Obrázek není v měřítku, ale pro představu je ideální. Když vezmeme krajní body nějakého objektu a vedeme jimi ramena úhlu do vrcholu, kterým je zde naše oko, vzniklý úhel nazveme úhlovou velikostí δ a představuje výseč zorného pole. Opačným procesem lze naopak získat vzdálenost, což se v praxi používá při výpočtech např. vzdálených objektů. Vzorečky na výpočet vypadají takto:

Platí, že δ je úhlová velikost, arctan je inverzní funkce k tangens úhlu (stačí, když tohle tlačítko nebo tan^-1 najdete na kalkulačce), d je vzdálenost měřených bodů a D je vzdálenost pozorovatele. Nemusíte použít základní jednotky, ale musíte je poté dodržet.

A teď zpátky k displejům

Přes okliku jsme se dostali zpět k displejům a tahle vychytávka může být užitečná. Pojďme si tedy vypočítat pár ideálních hodnot jemnosti ppi (pixelů na palec) pro různé pozorovací vzdálenosti. (Mimochodem, napadlo vás, že jste ještě nikdy neviděli třeba ppmm nebo ppcm a kvůli tomu to musíme všichni přepočítávat na palce?)

Při D=1 m je d=0,29 mm. Tedy, pixely by měly být od sebe ani ne třetinu milimetru a ppi ≈ 87.
Při D=0,5 m je d=0,145 mm, tedy poloviční a jemnost musí být dvojnásobná, ≈ 175.

Jelikož se jedná o nepřímou úměru, narůstá požadovaná jemnost velmi rychle. Při D=20 cm již přesahuje 436 a na vzdálenost 10 cm, což je běžná zaostřovací schopnost čočky oka, by i průměrný člověk potřeboval 873 ppi! Legendární předpoklad Steva Jobse, že 300 pixelů na palec pro displej stačí byl správný, pokud dodáme, že máme mít telefon 30 cm daleko.

Aby toho nebylo málo, není displej jako displej. Kromě pár výjimek AMOLED používá 4 subpixely na 2 pixely (PenTile uspořádání), ale standardní uspořádání RGB má 3 subpixely na pixel. Se stejnými parametry se nám tedy AMOLED může zdát o něco hrubší.

873 by mohlo stačit, ale jedeme dál

Když zajdeme do extrému, jsou lidé, kteří rozliší i body vzdálené 0,4 úhlové minuty neboli 24 úhlových vteřin. Když aplikujeme předchozí vzoreček, vyjde, že by potřebovali 2 183 ppi, což nedokáže nabídnout žádný běžný zobrazovač. A nemusíte mít jen ostříží zrak: díky populárním systémům virtuální reality jsme obrazu doslova blíž. Přídavná sada spojných čoček zmenšuje zaostřovací vzdálenost oka výrazně pod 10 cm a i stále málo nasazované Quad HD může mít viditelný rastr, nemluvě o Full HD.

Omezení rozlišení jsou v zásadě dvě: co zvládnou továrny vyrobit a baterie uživit. Pochopitelně, čím vyšší rozlišení, tím má větší výpočetní nároky. Zatímco s rozlišením HD počítá grafika ani ne jeden milion pixelů, u 4K je to devětkrát tolik!

Přitom opticky je rozdíl jen trojnásobný, což souvisí s tím, že musíme vynásobit šířku krát výšku. Druhý, spíš technologický problém se týká zejména AMOLED displejů, kdy je každý pixel tvořený organickou vrstvou a tranzistory, přičemž miniaturizace značně prodražuje výrobu.

Minimálně výkonový kompromis je přitom dost dobře řešitelný: dnes je již běžné, že lze při běžném používání rozlišení displeje v nastavení snížit a nechat si ho právě jako rezervu pro případy, kdy se může hodit. A u telefonů s cenou vysoko nad 20 tisíc korun je pochopitelné, že jejich majitelé chtějí to nejlepší, co výrobci umí vyrobit a nespokojí se s tím, co už tady pár let je.

A na závěr patří moje pochvala těm, kteří v minulých letech posouvali hranice dál.

Smartphony

HTC s modely Butterfly (první komerčně prodávaný s Full HD, těsně předběhl Oppo) a One (první nad 450 ppi) na přelomu let 2012/2013.
Vivu za první Quad HD displej v modelu Xplay 3S v březnu 2014.
Samsungu za první Quad HD AMOLED displej v Galaxy S5 LTE-A. Od července 2014 držel rok i nejvyšší dosažené ppi (577).
Sony za nejvyšší dosud dosažené rozlišení v mobilu (4K UHD). Od listopadu 2015 dodnes rekord drží Xperia Z5 Premium s jemností 806 ppi! Žádný jiný výrobce toho zatím nedosáhl. Sony mimo jiné drží i rekord za nejjemnější mobilní OLED displej – Xperia 1 z letošního dubna nabídne 643 ppi.

VR a speciální displeje

Sony za speciální miniaturní displej pro lékaře a vojáky z roku 2012 a jemností 2098 ppi.
Googlu a LG za prototyp OLED displeje pro virtuální realitu další generace s jemností 1443 ppi.
INT za vývoj „zvlášť zahuštěného“ VR displeje, 2228 ppi.
Téměř neznámému startupu Mojo Vision – v květnu představili nejjemnější displej dosud. Je tvořený pomocí mikroskopických LED a má spotřebovat 10 % energie LCD, přitom se srovnatelným jasem a jemností těžko uvěřitelných 14 000 ppi a velikostí pixelu 1,8 μm. Vývojářům se již podařilo nasbírat 108 milionů dolarů (2,51 miliardy korun). Významným omezením je ale to, že se jedná o monochromatický displej.