Виртуальный пиксель: Рекламный трюк или улучшение качества изображения светодиодного экрана
Выпуск 4/2004
Главный редактор - Владимир Крылов
Зам. главного редактора - Сергей Гагарин
(20.04.2004)
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 светодиодного экрана, то есть экран с "обычным" - реальным разрешением в пикселях 320х240, превращается в экран с "виртуальным" разрешением 640х480.
При этом все ведущие компании - Дактроникс, Оптотех, Барко, Лайтхауз и др. в настоящее время бьются за создание новых моделей светодиодных экранов и электронных табло с большим разрешением в реальных 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 светодиодного экрана в два раза. Не всегда удается получить реальную информацию от поставщика о том, что именно обозначают слова "виртуальный пиксель" в каждом конкретном случае. Покупателя уверяют, что модель светодиодного экрана 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.
Возьмем светодиодный экран с пикселями, состоящими из световых элементов (неважно, что это за элементы - светодиоды, лампочки накаливания или что-либо еще) расположенных в виде квадрата. Каждый из световых элементов излучает свет определенной длины волны (или узкого диапазона), то есть, проще говоря, каждый элемент светит своим цветом. Например, пиксель может выглядеть так.
При выводе какого-нибудь изображения на светодиодный экран в "нормальном" режиме каждый пиксель исходного изображения отображается на соответствующий пиксель экрана. Например, если пиксель в левом верхнем углу изображения имел цвет R,G,B, то пиксель (в указанной выше конфигурации) в левом верхнем углу экрана будет выглядеть так. При этом предполагается, что световые элементы в пикселе уже сбалансированы по яркости и никакой дополнительной коррекции не делается.
В режиме же "виртуального пикселя" каждый пиксель исходного изображения отображается уже не на пиксель светодиодного 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. Например, 4 пикселя левого верхнего угла исходного изображения (рисунок слева), отобразятся в результате "виртуализации" на один пиксель светодиодного экрана следующим образом (рисунок внизу).
Таким образом, в режиме "виртуального пикселя" получается, что в одном пикселе светодиодного экрана собрана информация о четырех пикселях исходного изображения. При этом выводимое на светодиодный экран исходное изображение имеет удвоенное разрешение по каждому измерению, по сравнению с "физическим" разрешением экрана. Из этого обычно делается вывод, что разрешение светодиодного экрана также удваивается. Однако это не совсем так. Дело в том, что 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: на черном фоне проведена горизонтальная линия зеленого цвета толщиной в 1 пиксель. При выводе на светодиодный экран картина получается такой: если эта линия находится в четном ряду пикселей, то на светодиодном экране получается соответствующая зеленая линия, если же линия находится в нечетном ряду, то линии на светодиодном экране нет, то есть экран остается черным. Общими словами проблема выражается в том, что на мелких деталях и 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 будут 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.
Сказанное выше относилось к простейшей реализации "виртуального пикселя". Этот подход может быть модифицирован. Обычно такие модификации идут по пути вывода некоторого усредненного значения. Усреднение может быть пространственным или временным. При простом пространственном усреднении вместо четырех пикселей исходного изображения на экран выводится один пиксель, получающийся по какому-то алгоритму усреднения (например, просто среднее арифметическое исходных пикселей).
При простом временном усреднении в одном пикселе светодиодного экрана выводится с большей частотой (например, с удвоенной или учетверенной) один из четырех пикселей исходного изображения. Возможны также комбинации этих подходов. Вопрос об "оптической эквивалентности" (т.е. отличается ли для человеческого глаза изображение на светодиодном экране при использовании разных подходов) пространственного и временного усреднения, к сожалению, в настоящий момент нерешен.
В целом же общее впечатление от применения "виртуального пикселя" в рутинном рабочем процессе на практике обычно приводит к выводу о необходимости отключения этой технологии (если система управления светодиодным 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 (например, фильтрами типа "blur") выводимые на светодиодный экран изображения (что, конечно, лишает смысла применение технологии "виртуального пикселя", поскольку при размытии утрачиваются детали, поэтому здесь главное - не перестараться).
По своему смыслу различные варианты "виртуального пикселя" у разных производителей являются реализациями некоторых алгоритмов сглаживания (интерполяции) изображений "в железе". Однако ввиду того, что не существует универсальных алгоритмов интерполяции (разные типы изображений требуют разных алгоритмов), использование "виртуального пикселя" во всех случаях нецелесообразно.
Вместо этого можно рекомендовать следующий подход: подготовленные исходные материалы в удвоенном разрешении приводить к "реальному" разрешению программным путем с использованием подходящего именно для данного типа материала алгоритма интерполяции (программы, в которых готовятся исходные материалы, обычно имеют неплохой выбор подобных алгоритмов). Такой подход позволит получать предсказуемые результаты, то есть на светодиодный экран будет выведено такое же изображение, которое видно на дисплее компьютера, без дополнительных артефактов.
Все вышесказанное относится к светодиодным 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 светодиодного экрана возрастает в соответствующей пропорции (в три раза и более). Также можно придумать алгоритмы реализации "виртуального пикселя" для случаев, когда световые элементы расположены не в виде прямоугольного массива (например, пиксель может состоять из 3 элементов R,G,B, расположенных в виде равностороннего треугольника).
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 и электронных табло достаточно старая. Она ведет свое происхождение от ламповых экранов, где она называлась "режим лампочек" (bulb-режим). 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.
