實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)的方法，竟然是把像素疊在一起？

無論是工作還是摸魚，毫不夸張地說，現(xiàn)在的“打工人”離不開面前這塊閃光的屏幕。不過，當(dāng)你使用它時(shí)，有沒有對屏幕上的“小點(diǎn)兒”產(chǎn)生過好奇呢？

這些“小點(diǎn)兒”其實(shí)是像素點(diǎn)，屏幕成像全靠它們出馬！

像素單元大小為 10 微米（0.01毫米）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

近日，麻省理工學(xué)院的博士團(tuán)隊(duì)制作出了一種全新的像素單元，如上圖所示。這種像素單元本身就是彩色的，不必再由多個單色子像素構(gòu)成一個彩色像素，不僅如此，還能夠通過垂直堆疊的方法減小像素的尺寸。這項(xiàng)成果為開發(fā)單個像素更小、更清晰的顯示屏提供了方案。

小小的屏幕

到底能發(fā)出多少種光？

借助放大鏡或是顯微鏡，能夠觀察到電腦以及手機(jī)顯示屏的細(xì)節(jié)是這樣的：

制圖：海里的咸魚

就像上邊的圖所顯示的，手機(jī)、電腦、電視顯示屏，是由大量紅、綠、藍(lán)三種顏色的“小燈珠”排列組成。那么問題來了，既然眼前的手機(jī)屏幕發(fā)出的光只有三種顏色，為什么我們所看見的屏幕，所能顯示的顏色卻多得多？就像下邊這幅圖，在我們看來，它所包含的顏色可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止三種。

制圖：海里的咸魚

問題的答案是：人眼的視覺是一種主觀感受。顏色是人類的大腦對眼睛所接收到的光刺激產(chǎn)生的一種主觀感受。

從紅綠藍(lán)到色彩繽紛

中間發(fā)生了什么？

先說說可見光，可見光是能夠被人眼感知到的電磁輻射，人們根據(jù)電磁輻射的波長特性對其進(jìn)行了細(xì)致的分類，可見光指的是波長在 400~700 納米的電磁輻射。這一范圍是個通俗的定義，人在年輕的時(shí)候，眼睛能夠探測到更大范圍的電磁輻射。

可見光譜圖，顏色下方為對應(yīng)的電磁輻射波長。圖片來源：wikipedia

人眼之所以能夠辨別顏色，是因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中有三種視錐細(xì)胞，分別是：L 細(xì)胞、M 細(xì)胞和 S 細(xì)胞。它們對不同波長光的敏感度不同。S 細(xì)胞對波長約為 450 納米的光最敏感；M 細(xì)胞對波長為 540 納米的光最敏感；L 細(xì)胞對波長為 570 納米的光最敏感。

不論眼睛接收到的光成分多么復(fù)雜，最終眼睛向大腦輸出的是三種視錐細(xì)胞根據(jù)刺激程度產(chǎn)生的電信號，這些電信號稱為“三刺激值”。大腦根據(jù)三刺激值的大小形成顏色感覺，所有三刺激值的集合決定了人類能夠分辨的色彩數(shù)量，人類可以分辨大約 1000 萬種不同的顏色。相比之下，狗只有兩種視錐細(xì)胞，只能感受到藍(lán)色和黃色。狗的世界里只有黃色、灰色和藍(lán)色。

沒想到吧，我們的眼睛居然這么厲害！

探究出人類產(chǎn)生色彩感覺的原理，就能對其加以利用。顏色感覺基于視錐細(xì)胞產(chǎn)生的三刺激值，對于不同成分的光，只要引起的三刺激值相同，那么在人眼看來，它們的顏色就是相同的。

光的成分不同，但在人眼看來它們顏色相同。制圖：海里的咸魚

兩個不同波長的光源，通過調(diào)節(jié)各自的發(fā)光強(qiáng)度，能夠改變其引發(fā)的三刺激值。這樣就能讓人腦感覺看到了許多顏色。兩個波長的光源雖然能夠產(chǎn)生的不同的顏色感覺，但還不夠豐富。三個波長的光源組合在一起，所能產(chǎn)生的顏色感覺足以覆蓋人類眼睛能感覺到的所有顏色種類。

我們將光源組合本身具備的顏色稱為三基色，屏幕的三基色是紅、綠、藍(lán)。這是根據(jù)人類視覺細(xì)胞的響應(yīng)特性決定的，人眼的視錐細(xì)胞對這三種顏色的敏感度較高，采用這三種顏色能夠在較低的功耗下實(shí)現(xiàn)高亮度的顯示（也可以是別的三種顏色組合，紅綠藍(lán)的組合常用于屏幕領(lǐng)域）。

光源尺寸很重要

量變產(chǎn)生質(zhì)變

三個波長的光源組合在一起，這其實(shí)還不夠，要想讓人眼看起來顏色千變?nèi)f化，還有一個很重要的參數(shù)：尺寸。

以電視機(jī)為例，看電視的時(shí)候人眼距離電視屏幕大約 3 米遠(yuǎn)，圖像是很清晰的，但當(dāng)我們近距離觀察電視屏幕時(shí)，就能觀察到組成屏幕的一個個彩色像素點(diǎn)。

類似的還有商場里擺放的大屏幕，近距離觀察會發(fā)現(xiàn)，屏幕是由一個個黃豆大小的彩色（紅、綠、藍(lán)三種）LED 燈珠組合而成的。遠(yuǎn)距離觀察這類屏幕，看到的是正常顯示的內(nèi)容，近距離觀看屏幕的局部，看見的就是許多小燈珠組成的彩色點(diǎn)陣。

為什么會這樣呢？這跟人眼分辨物體的極限能力有關(guān)。

光源對人眼形成的角度要小于人眼的最小分辨角。人的最小分辨角度大約為 0.0167 度，在不同的觀察距離下，人眼的最小橫向分辨距離如下圖。當(dāng)屏幕距離人眼比較遠(yuǎn)時(shí)，人眼無法分辨不同顏色的單個燈珠。三種顏色的燈珠在人眼看來只是一個彩色的亮點(diǎn)，亮點(diǎn)顏色由三種顏色燈珠各自的亮度共同決定。

制圖：海里的咸魚

舉個例子，如果手機(jī)標(biāo)注的分辨率是 2400×1080，意味著手機(jī)的長邊有 2400 個像素（每個像素由紅、綠、藍(lán)三種可以發(fā)光的子像素組成），短邊有 1080 個像素。像素本身大小需要小于人眼最小橫向分辨距離，才能有比較好的顯示效果。

制圖：海里的咸魚

上圖顯示的屏幕顯微照片中，一個像素由 4 個子像素組成，每個子像素的發(fā)光強(qiáng)弱都可以單獨(dú)控制，像素的大小決定了屏幕顯示內(nèi)容的細(xì)膩程度。

更小的像素

更細(xì)膩的虛擬世界

屏幕的像素越小，所能夠顯示的圖像細(xì)節(jié)也就越清晰，同樣的形狀，使用像素大小不一致的屏幕進(jìn)行顯示，在像素點(diǎn)尺寸小的屏幕上，圖案會顯得更加細(xì)膩，觀感會更好。

在顯示圖像時(shí)，像素點(diǎn)越?。ㄗ髨D），圖像的邊緣越銳利。制圖：海里的咸魚

VR 眼鏡的出現(xiàn)，使人能夠身臨其境沉浸于虛擬的世界當(dāng)中，VR 能夠顯示立體的內(nèi)容，觀感十分接近真實(shí)的世界。1968 年，第一臺 VR 顯示器誕生于實(shí)驗(yàn)室中，不過受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，VR 顯示設(shè)備體積非常大，成本高昂，無法大規(guī)模應(yīng)用。

直到 2014 年，谷歌的工程師推出了 Cardboard——一個把手機(jī)放進(jìn)去即可體驗(yàn) VR 顯示的簡單設(shè)備，許多人經(jīng)由這個小盒子感受到了 VR 顯示技術(shù)的巨大優(yōu)勢。現(xiàn)在，得益于屏幕制造技術(shù)的飛速進(jìn)步，三千元就能買到顯示效果很不錯的 VR 顯示器，放在三年前，性能相當(dāng)?shù)?VR 顯示器要花費(fèi)上萬元呢。

圖片來源：wikipedia

VR 顯示器的屏幕結(jié)構(gòu)就是兩塊貼近眼睛的小型顯示器以及一些光學(xué)鏡片。顯示器越接近人眼，就越加面臨考驗(yàn)，正如前文所說，離眼睛近了，人就能夠觀察到更細(xì)微的結(jié)構(gòu)。Cardboard 讓人們沉浸式地體驗(yàn)到了虛擬世界，但也暴露出了一個缺陷：手機(jī)的像素太大了，所觀察到的景物雖然立體，但是不細(xì)膩，有顆粒感，好像是在看計(jì)算器屏幕。

屏幕顯示技術(shù)歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，像素尺寸越來越小，但在 VR 顯示設(shè)備的風(fēng)潮中，現(xiàn)有技術(shù)還是顯得捉襟見肘，在可預(yù)見的未來將難以滿足人們的要求。好在科學(xué)家們已經(jīng)給出了一種新思路——如果讓子像素變得能夠全彩顯示，每個子像素都能是一個獨(dú)立的像素單元，這將使像素尺寸立即縮小一半以上。

豎直堆疊在一起的顯示屏截面顯微圖像。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

單一像素就能夠?qū)崿F(xiàn)全彩顯示的關(guān)鍵在于——疊羅漢。將紅綠藍(lán)三種像素點(diǎn)重疊在一塊，大大減小了橫向尺寸。通過這一方法，團(tuán)隊(duì)制作出了創(chuàng)紀(jì)錄的高像素密度顯示屏，性能參數(shù)能夠滿足 AR\VR 設(shè)備的嚴(yán)苛要求。

知易行難，顯示技術(shù)的每一次迭代都涉及大量資金投入以及眾多技術(shù)攻關(guān)。人類依靠眼睛接收多達(dá)百分之八十的外界信息，顯示器的出現(xiàn)讓我們能夠足不出戶就能觀看世界范圍內(nèi)的事與景。現(xiàn)代人在醒著的時(shí)候，大部分的時(shí)間都是盯著各種各樣的屏幕，盯著大片閃爍著的紅綠藍(lán)。

看完這篇文章，想必屏幕前的你一定知道，這塊小小的屏幕之中，暗藏著大學(xué)問呢！

參考資料

[1] Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer[J]. Nature.

[2] Davson Hugh. 1972. The Physiology of the Eye. Burlington: Elsevier Science.

[3] 郁道銀, 談恒英. 工程光學(xué)基礎(chǔ)教程[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[4] Gross H . Handbook of Optical Systems. Wiley-VCH, 2008.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality#

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Google_Cardboard

策劃制作

出品丨科普中國

制作丨海里的咸魚 中國科學(xué)院長春光機(jī)所光學(xué)碩士

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨崔瀛昊