Мифы и правда о виртуальном пикселе

В последнее время фирмы, продающие большие электронные светодиодные экраны, особенно в Юго-Восточной Азии и в России, в целях продвижения своего товара на рынке заявляют о том, что их экраны используют технологию «виртуального пикселя», которая позволяет удвоить фактическое разрешение экрана, так например, экран с «обычным» - реальным разрешением в пикселях 320х240, превращается в экран с «виртуальным» разрешением 640х480.

При этом все ведущие мировые компании в настоящее время бьются за создание новых моделей с большим разрешением в РЕАЛЬНЫХ (или физических) пикселях и во всех своих новых моделях отказались от использования технологии «виртуального» пикселя, хотя в предыдущих моделях, они также заявляли, о ее использовании.

Итак, почему же ведущие разработчики и производители видеоэкранов от технологии «виртуального пикселя» отказываются?

Попытаемся пояснить данную ситуацию и разобраться, где и когда имеет смысл использовать технологию «виртуального пикселя» и правда ли, что «виртуальный» пиксель увеличивает реальное разрешение в два раза.

К сожалению, не всегда удается получить реальную информацию от поставщика о том, что именно обозначают слова «виртуальный пиксель» в каждом конкретном случае. Покупателя уверяют, что модель с «виртуальным пикселем» ничем не хуже, чем подобная же модель с реальным пикселем.

К сожалению, оказывается, что в большинстве случаев «виртуальный пиксель» - ловкий маркетинговый прием. Новизны в этом подходе нет, а небольшие преимущества уравновешиваются недостатками, о которых, разумеется, поставщики предпочитают умолчать.

Давайте разберемся.

В классическом случае это, обычно, означает следующее.

Основным элементом экрана является пиксель. Пиксель, составленный из светодиодов основных цветов (красный, зелёный и синий), называется реальным (физическим) пикселем, а экран, работающий на основе таких пикселей – экраном с реальными пикселями. Основным свойством экрана с реальными пикселями является то, что пиксель (световая точка) физически всегда находится на одном и том же месте экрана.

Надо отметить, что технология - «виртуального пикселя» в классическом виде применима лишь в матричных светодиодных экранах с пикселями, составленными из 4-х светодиодов, со светодиодами расположенными на равных расстояниях и не применима в экранах имеющих структуру пикселя из 3-х светодиодов или из светодиода 3 в 1-одном. Надо отметить, что экраны, имеющие структуру пикселя из 3-х светодиодов или из светодиода 3 в 1-одном – появились совсем недавно (1 – 2 года назад), т.к. используют сверхяркие светодиоды последних поколений или светодиоды на SMD технологии.

На рисунке внизу схематично показан фрагмент экрана, использующего технологию «виртуального» пикселя. Если обратить внимание на рисунок, то можно заметить, что его отдельные элементы (светодиоды) образуют матричную, симметричную, регулярную структуру, поэтому пять-шесть лет назад, когда цены на сверх яркие диоды были очень большие, многие фирмы-производители экранов начали применять технологию «виртуального» пикселя. Эта технология основана на том, что в отдельные моменты времени пиксели составляются из светодиодов по принципу реального пикселя (они выделены белым цветом), а в другие моменты времени пиксели составляются из соседних, близлежащих светодиодов (они выделены желтым цветом). Впервые данное свойство заметили инженеры фирмы Панасоник еще в 1996 году.

Обратите внимание на красный светодиод, выделенный более ярким (неоновым) цветом.

Он входит в один реальный (физический) пиксель и в 3 виртуальных. Таким образом один и тот же светодиод входит в 4 пикселя.

Кроме того, как видно из рисунка, шаг (расстояние) между «виртуальными» пикселями в два раза меньше, чем у реального, но структура «виртуального» пикселя отличается от структуры реального и многие фирмы-производители светодиодных экранов, не упоминая об этом, заявляют о шаге (т.е. расстоянии) между пикселями например 20 мм, хотя реальный физический шаг равен 40 мм, но самое главное так как слишком большая разница в структуре, то большинство цветов и картинок просто не возможно показать без искажений. Поясним это более подробно. На рисунке внизу приведены картинки изображающие букву «е» на экране с реальными пикселями (левая картинка) и на экране с виртуальным пикселем (правая картинка). Причем заметьте, что шаг между пикселями одинаков для обоих экранов. Конечно картинка справа выглядит несомненно лучше - более сглаженной. Но представьте себе, как будет выглядеть эта же правая картинка, если вдвое увеличить шаг между пикселями? А именно это и предлагают некоторые фирмы-производители! Или заметна ли будет разница между этими картинками при рассмотрении их на большом ( в несколько десятков метров) удалении?

Реальные (физические) пиксели	Виртуальные пиксели

В режиме же «виртуального пикселя» каждый пиксель исходного изображения отображается уже не на пиксель экрана, а на световой элемент (то есть на часть пикселя). При этом исходное изображение берется удвоенного разрешения, чтобы каждый пиксель изображения в точности соответствовал какому-либо одному световому элементу экрана (но не цвету).

Таким образом, в режиме «виртуального пикселя» получается, что в одном пикселе экрана собрана информация о четырех пикселях исходного изображения. При этом выводимое на экран исходное изображение имеет удвоенное разрешение по каждому измерению, по сравнению с «физическим» разрешением экрана. Из этого обычно делается вывод, что разрешение экрана также удваивается. Однако это не совсем так. Дело в том, что в этом случае в пикселе экрана собрана не вся информация о четырех пикселях исходного. Остальная информация теряется.

Проявиться это может следующим образом. Пусть исходное изображение (а оно имеет удвоенное разрешение по сравнению с пиксельным разрешением экрана) выглядит так: ровно половина, например – верхняя, залита белым цветом, а нижняя половина – черным. При выводе на экран картина получается такой же: верхняя половина – белая (все световые элементы светятся), нижняя – черная (все световые элементы погашены). Если теперь исходное изображение немного изменится – белая заливка сдвинется на 1 пиксель вниз, то на экране вдоль нижнего края светящейся половины появится искажение (=артефакт) - полоска из горящих световых элементов красного и зеленого цвета. Если изначальная заливка была не белой, а чисто синей, то при сдвиге заливки в исходном изображении на 1 пиксель, изображение на экране не изменится вовсе (информация утеряна). Общими словами проблема выражается в том, что на резких переходах цвета появляются цветовые искажения (артефакты), которые отсутствовали на исходном изображении.

Есть ли у этой технологии достоинства? Да. Она позволяет в некоторых случаях немного повысить детализацию изображения (правда, ценой внесения цветовых искажений в эти самые детали). Обычно это может быть полезно для изображений с плавными цветовыми переходами или же, наоборот, если изображение настолько пестрое, что цветовые искажения на переходах просто не заметны.

В некотором смысле можно говорить только об удвоении разрешения для черного цвета, так как только при черном цвете все световые элементы выглядят одинаково, то есть, не светят совсем.

В целом же общее впечатление от применения «виртуального пикселя» в рутинном рабочем процессе обычно приводит к выводу о необходимости отключения этой технологии (если система управления экраном позволяет сделать это), поскольку не всегда есть возможность при подготовке исходных материалов внимательно отслеживать появление артефактов и бороться с ними. Если же отключить «виртуальный пиксель» невозможно, а артефакты слишком явно бросаются в глаза, то можно пытаться бороться с артефактами, немного размывая (фильтрами типа “blur”) выводимые на экран изображения (что, конечно, лишает смысла применение технологии «виртуального пикселя», поскольку при размытии утрачиваются детали, поэтому здесь главное – не перестараться).

Все вышесказанное относится к экранам с равномерным заполнением полотна экрана световыми элементами, то есть когда расстояние между всеми световыми элементами одного цвета (в том числе и разных пикселей) одно и то же по всему экрану. Иначе говоря, световые элементы одного пикселя не сгруппированы вместе таким образом, что между пикселями остаются большие промежутки. В случае сгруппированных пикселей также есть алгоритмы «виртуализации», при этом исходное изображение может потребоваться еще большего (например, утроенного) разрешения по сравнению с пиксельным разрешением экрана, однако это, конечно, не означает, что разрешение экрана возрастает в соответствующей пропорции (в три раза и более).

Кроме того, встречаются ошибочные реализации «виртуального пикселя», когда теряется еще больше информации, что приводит к совершенно неприемлемым результатам.

Собственно технология «виртуального пикселя» в больших электронных экранах достаточно старая. Она ведет свое происхождение от ламповых экранов, где она называлась «режим лампочек» (bulb-mode). Разрешение ламповых экранов было значительно меньше разрешения современных светодиодных экранов, а размер световых элементов и пикселей – значительно больше, поэтому предпринимались попытки сгладить выводимое на экран изображение. Все вышесказанное в полной мере относится и к этому случаю.

Таким образом экраны имеющие реальное разрешением равное «виртуальному» всегда имеют более качественное изображение и никак нельзя говорить об реальном удвоении разрешения в «виртуальном» случае, т.к. искажения в цвете все «выигрыши» сводят на нет. А подготовка специальных материалов для технологии «виртуального» пикселя неоправданно усложняет и удорожает всю процедуру изготовления материалов для трансляции и делает практически невозможным использование видео материалов подготовленных для других носителей (ТВ, видео) без специальной адаптации. Именно поэтому большинство ведущих производителей экранов отказалось даже от маркетингового использования данной технологии в своих современных решениях .