Разрешение экрана смартфона для «чайников». А вы видите свыше 300 ppi?

Нужно ли при выборе смартфона ориентироваться на разрешение экрана? Есть ли смысл в покупке 4K или 8K телевизора? Является ли Retina-дисплей iPhone (с плотностью пикселей ~300 ppi) оптимальным выбором, если это уже предел человеческого зрения, как утверждает компания Apple?

На все эти вопросы вы получите исчерпывающие ответы в этой статье!

Однако следует помнить, что разрешение (как и ppi или плотность пикселей) — это далеко не единственный параметр, на который нужно обращать внимание при выборе любого экрана. Цветопередача, яркость, контрастность, цветовой охват, энергоэффективность — всё это не менее важно.

Кроме того, чем выше разрешение экрана, тем больше требуется вычислительных ресурсов, что, в свою очередь, влияет на время автономной работы устройства.

Но все эти нюансы не относятся к теме нашего разговора. Моя цель — дать однозначный и исчерпывающий ответ на вопрос о том, есть ли ощутимая разница в четкости картинки и до какого предела можно увеличивать количество пикселей, повышая воспринимаемую детализацию.

Минуты, секунды, углы…

Перед тем, как говорить о гаджетах, вначале нужно определиться в понятиях, чтобы не возникало никаких недоразумений. И для этого рассмотрим простой пример.

Представьте, что вы смотрите на две точки определенного размера с какого-то расстояния:

Сможете ли вы с точностью сказать, что перед вами две точки, а не одна? Судя по картинке, ответ очевиден. Мы можем в этом легко убедиться и проследить за тем, как свет от этих точек попадает на сетчатку — «матрицу» нашего глаза:

Каждая точка оставила четкий «след» на сетчатке и мы их легко различаем. Но когда эти точки начнут сближаться, в какой-то момент их «следы» на сетчатке начнут сливаться в одно пятно:

Если мы приблизим картинку, то увидим примерно следующее:

Так происходит по той причине, что свет имеет двойную природу. Это и маленькие «шарики» энергии, которые сталкиваются с предметами и отлетают от них в разные стороны, словно шары для бильярда. И в то же время это волны — как те, что мы привыкли видеть на воде.

Когда свет проходит через маленькое круглое отверстие (зрачок глаза или диафрагму объектива), он проявляет свойства волны и оставляет на сетчатке размытые следы от этих волн. Чем меньше отверстие, тем более размытыми будут точки. Это явление называется дифракцией.

Если расстояние между точками будет небольшим, в какой-то момент их образы просто сольются в одно пятно и глаз уже не будет их различать. Наступление этого момента хорошо описал британский физик Рэлей еще в 1879 году (так называемый критерий Рэлея).

А теперь давайте еще раз посмотрим на два предыдущих рисунка и обратим внимание на углы, под которыми сходятся лучи света в каждом случае:

Мы видим простую закономерность — чем ближе точки друг к другу, тем меньше угол между лучами, исходящими от них. На картинке слева лучи от двух точек сходятся под бóльшим углом (a), чем на примере справа (угол b).

Логично предположить, что существует такой угол между лучами, при котором на сетчатке уже не будет двух отдельных точек — они сольются в одно пятно. Другими словами, если угол между точками будет слишком маленьким, мы уже не сможем их различать.

Соответственно, сколько бы еще точек или объектов ни находилось между этими двумя точками — для нашего глаза они будут незаметными или неразличимыми.

Получается, мы можем оценивать расстояние между точками не только миллиметрами, но и углами, под которыми пересекаются лучи света. Таким же образом можно определять даже размеры самих объектов, а не только расстояние между ними.

Собственно, именно это мы и делаем постоянно в астрономии — измеряем углами размеры небесных тел. И здесь принцип точно такой же — лучи света, исходящие от краев наблюдаемого объекта будут пересекаться под разными углами в зависимости от размера объекта:

А если мы знаем расстояние до этого объекта, то можем легко высчитать и его реальный размер. Ведь это простой треугольник с одним известным углом (под которым пересекаются лучи света) и одной известной стороной (расстояние до объекта), а другая сторона (она и будет размером объекта) высчитывается по элементарной школьной формуле.

Это и есть основные понятия, которые нужны нам для дальнейшего разговора!

Давайте еще раз подытожим:

• Наш глаз видит какой-то объект или расстояние между объектами только в том случае, если от них исходят лучи света и попадают к нам на сетчатку;
• Чем ближе объекты друг к другу или чем меньше сам объект, тем меньше будет угол, под которым пересекаются лучи света в нашем глазу;
• Существует минимальный угол (угловой размер), при котором наш глаз еще способен увидеть объект или различить два объекта на небольшом расстоянии друг от друга. Все, что меньше этого угла — либо неразличимо (если мы говорим о расстоянии между двумя объектами), либо вообще невидимо без приборов (если речь идет просто о маленьком объекте).

Теперь нужно разобраться с тем, какой же этот минимальный угол, определяющий границы наших физических возможностей.

Нормальное зрение

Помните школьную проверку зрения? Когда врач просил закрыть один глаз и назвать букву, которую он показывает на вот такой табличке:

Это так называемая таблица Сивцева для проверки зрения. Сами буквы и их размер здесь подобраны неслучайно.

К примеру, обратите внимание на букву Ш. Главное в этой букве — 3 вертикальных палочки определенной толщины. Если взять 10-й ряд сверху (очень мелкий шрифт), то ширина каждой палочки этой буквы и расстояние между палочками равняются 1.45 мм:

Если вы правильно назовете букву в 10-м ряду с 5 метров, тогда у вас нормальное зрение. Не лучшее, не идеальное, а просто нормальное. Получается, любой человек с обычным зрением способен увидеть с пяти метров две контрастные палочки толщиной 1.45 мм, которые находятся на расстоянии 1.45 мм друг от друга.

Если бы мы провели лучи света от двух палочек буквы Ш из 10-го ряда, то угол пересечения этих лучей с расстояния 5 метров был бы настолько маленьким, что изобразить его на экране просто не представляется возможным. Но для наглядности приведу грубый пример:

И теперь возникает вопрос — под каким же углом пересекаются эти лучи? Думаете это 1°? На самом деле — в 60 раз меньше!

То есть, мы способны различить два объекта, лучи от которых пересекаются под углом всего 0.0166° (1/60). И это не идеальное зрение и даже не выше среднего. Это просто нормальный показатель.

Конечно, пользоваться числом 1/60 градуса не очень удобно, поэтому для него придумали название — 1 угловая минута или просто 1′. Хотите нарисовать угловую минуту — нарисуйте транспортиром 1°, а затем разделите его на 60 ровных отрезков и вы получите нужный угол. В свою очередь, 1 угловая минута также состоит из 60 отрезков — угловых секунд.

Так вот, идеальное зрение — это способность различать две точки, если угловое расстояние между ними всего 28 угловых секунд или 0.47 угловых минут! Возвращаясь к примеру с буквой Ш, можно посчитать, что с 5 метров такой «идеальный глаз» способен различить 2 черточки, толщиной 0.68 мм каждая, на расстоянии 0.68 мм друг от друга!

Это и есть предел человеческого зрения. А дальше в игру вступают законы физики (дифракция света, критерий Рэлея) и наша физиология (диаметр одной колбочки на сетчатке и плотность их расположения).

Но в среднем, конечно, таким зрением могут похвастаться единицы. Для остальных людей более реальная граница — это что-то ближе к 0.8 угловым минутам.

И здесь важно упомянуть еще одну деталь. Думаю, вы обратили внимание на то, что я постоянно указываю расстояние до объекта. Делаю я это неспроста.

С какого расстояния будем разглядывать пиксели?

Очевидно, что различить 2 точки на расстоянии 1 мм друг от друга гораздо проще с двадцати сантиметров, чем с пяти метров. Почему тогда зрение проверяется с пяти метров? И почему 1 угловая минута равна толщине или расстоянию в 1.45 мм? Как интерпретировать угловые размеры, если мы смотрим в экран смартфона с 25 сантиметров?

На самом деле, все эти вопросы — бессмысленны. В этом и заключается прелесть угловых размеров — они учитывают расстояние до предмета.

Если острота зрения человека составляет 1 угловую минуту, то с 25 см он сможет разглядеть точку диаметром 0.07 мм, с 5 метров — точку 1.5 мм, а со 100 метров — точку 3 см:

Получается, нет никакой разницы, будет ли человек с пяти метров разглядывать картину, состоящую из точек диаметром 1.5 мм, или со ста метров — картину из точек диаметром 3 см, никакой разницы в детализации он физически не способен заметить.

Из этого следует один очень важный вывод: с определенного расстояния плотность пикселей (и разрешение экрана) не играют никакой роли. То есть, человек с хорошим зрением не сможет отличить 8K экран от FullHD или даже HD (720p), если смотреть на такие экраны с разного расстояния.

Связано это именно с угловым разрешением глаз. Если брать пример выше, то вместо одной точки диаметром 3 см на расстоянии в 100 метров может быть 3 точки диаметром 1 см каждая, но для нашего глаза это не будет играть никакой роли:

Мы все равно увидим одно зеленое пятно без каких-либо деталей. Так как всё, что не выходит за пределы минимального угла, не различимо для глаза.

Теперь, когда мы разобрались со всем этим, давайте перейдем к экранам.

Разрешение экрана и плотность пикселей (ppi)

Разрешение экрана — это количество светящихся точек (пикселей) по горизонтали и вертикали. К примеру, разрешение экрана iPhone 8 составляет 750 x 1334 пикселя:

Зная это число, а также зная физический размер экрана в дюймах, мы можем легко посчитать плотность пикселей или ppi (количество пикселей на один дюйм). Для этого делим количество пикселей по горизонтали на ширину экрана в дюймах: 750/2.3 (ширина экрана — 2.3 дюйма). Получаем 326 ppi или 326 пикселей на дюйм.

Можно поступить еще проще, ведь обычно мы знаем только разрешение экрана и его диагональ в дюймах, а не ширину и высоту. Поэтому для определения ppi нужно диагональ экрана в пикселях разделить на диагональ в дюймах. А чтобы узнать диагональ в пикселях достаточно представить вот такой треугольник:

Длины катетов мы знаем (это разрешение по горизонтали и вертикали), а гипотенузу находим по теореме Пифагора (квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов). Для нашего iPhone 8 диагональ²=750²+1334², отсюда диагональ = 1530 пикселей. Теперь делим это число на диагональ экрана в дюймах (4.7) и получаем 326 ppi.

Если бы мы взяли тонкую полосочку толщиной в 1 пиксель и длиной в 1 дюйм (2.54 см), то эта полоска состояла бы ровно из 326 светящихся точек. Это и есть ppi.

Из этого следует, что размер одной точки (одного пикселя) составляет примерно 0.078 мм или 78 мкм (25.4 мм делим на 326 точек). Можем ли мы заметить на таком экране отдельные точки? Способен ли наш глаз различить пиксели размером примерно 0.08 мм?

Как вы уже понимаете, вопрос поставлен не совсем корректно. Ведь угловое разрешение глаза учитывает расстояние до предмета. Если мы берем нормальное зрение (1 угловую минуту), тогда с расстояния 50 см глаз способен различить точку диаметром 145 мкм (0.145 мм), что почти вдвое превышает размер пикселя iPhone.

Даже если брать человека с очень хорошим зрением (0.8 угловых минут), то его глаз способен различить на таком расстоянии точку в 116 мкм (0.116 мм), что снова гораздо больше точки на экране iPhone (78 мкм).

Однако многие люди смотрят в экран с расстояния 20-25 см (например, когда мы читаем книгу на смартфоне). И вот здесь всё становится гораздо интереснее.

Знаменитые 300 ppi

На презентации первого смартфона с экраном высокой четкости, Стив Джобс дословно сказал, что 300 точек на дюйм (300 ppi) — это предел сетчатки человека, если смотреть в экран с расстояния 25-30 см.

Давайте проверим это заявление. К слову, если кому-то интересно, как именно я определяю угловые размеры, то в двух словах объясню. Вначале нужно на калькуляторе посчитать тангенс нужного угла, а затем умножить его на расстояние до объекта.

Если мы берем среднестатистическое зрение, то это 1 угловая минута или 1/60° (0.0166). Смотрим на калькуляторе, чему равняется tg(0.0166). Это будет 2.9*10^-4. Теперь умножаем это число на 30 см и получаем 0.0087 см или 0.087 мм, или 87 мкм.

Действительно, человек с обычным зрением с расстояния 30 см тоже не сможет различить отдельные точки на экране с плотностью пикселей 326 ppi, где каждая точка имеет размер 78 мкм.

Но уже с 25 см глаз среднестатистического человека различает предметы 72 мкм. А если брать хорошее зрение (0.8 угловых минут), то такой человек способен с 25 см увидеть отдельные точки размером 58 мкм, что значительно меньше точек iPhone.

Говорить об идеальном зрении (0.47 угловых минут) и вовсе неуместно. Такой «эталонный глаз» теоретически способен различить точку 34 мкм с расстояния в 25 см! Естественно, для обладателя такого глаза пикселизация Retina-экрана будет ужасающей.

Рассчитываем лучшее разрешение

Итак, мы убедились, что с расстояния в 25 см даже самый обычный глаз с разрешением в 1 угловую минуту способен различить пиксели на экране с плотностью 326 ppi. А человек с хорошим зрением (0.8′) — и подавно!

Но здесь важен не только сам факт того, заметите ли вы сознательно отдельные пиксели или нет. Я прекрасно помню, с каким удовольствием в начале нулевых читал книги на своем КПК iPAQ 1940. Четкость его экрана с разрешением 240 на 320 точек казалась мне исключительной, хотя объективно размер этих точек был просто огромным.

И только переходя на новые устройства с более качественными экранами, я осознавал, насколько плохими и нечеткими были экраны предыдущих гаджетов.

Конечно, нельзя сравнивать старые 240p-экраны с новыми дисплеями даже бюджетных аппаратов. Но когда вы переходите с того же iPhone 8 (с экраном 326 ppi) на устройство с экраном 400 ppi, вы вполне можете ощутить разницу в четкости изображения (например при чтении текста), даже не обращая внимания на отдельные пиксели.

Если же брать верхнюю границу, за которой уже нет смысла повышать количество точек на дюйм (ppi), то мы можем составить такую таблицу (в первой колонке До экрана указано расстояние, с которого мы смотрим в экран):

Из этого следует, что если человек с отличным зрением смотрит в экран своего устройства с расстояния в 40 см, он не заметит никакой разницы между дисплеем с плотностью точек 552 ppi, 328 ppi или 273 ppi. Во всех этих случаях картинка будет идентичной по четкости и смысла в более высоком разрешении нет никакого.

Конечно, есть области применения экранов, где даже самой высокой плотности из таблицы будет недостаточно — это виртуальная реальность, когда экран находится на расстоянии в пару сантиметров от глаз. Здесь нужно говорить о другой детализации.

OLED против IPS

Кроме того, нужно учитывать еще один важный момент — всё, что было сказано выше, справедливо только для IPS-экранов, у которых «один пиксель» физически состоит из 3 субпикселей одинакового размера — красного, зеленого и синего:

Если мы говорим, что плотность пикселей IPS-экрана составляет 326 ppi, это значит, в 1 дюйме помещается 326 синих, 326 зеленых и 326 красных субпикселей.

Но когда речь идет об AMOLED-экранах, здесь ситуация сильно отличается, так как практически в любом AMOLED-экране количество красных и синих субпикселей в 2 раза меньше количества зеленых субпикселей:

Поэтому, когда вы видите, что экран iPhone 12 Pro имеет плотность пикселей 458 ppi, не обольщайтесь. Это значит, что в этом экране 458 зеленых субпикселей на 1 дюйм. Но когда мы посчитаем количество красных или синих субпикселей, то их окажется заметно меньше — 324 ppi.

Повторюсь, это касается практически любого AMOLED-экрана. И по этой причине приведенная выше таблица будет выглядеть несколько иначе для AMOLED-экранов. Так как иногда на контрастных границах изображения человек даже с обычным зрением (1′) сможет с 25 сантиметров заметить неровность шрифтов на AMOLED-экране с плотностью пикселей 450 ppi.

Что же касается телевизоров, то здесь работает тот же принцип. При выборе оптимального разрешения нужно учитывать физический размер экрана и расстояние, с которого вы будете на него смотреть.

Вместо выводов

Я еще раз хочу подчеркнуть основную мысль, которую пытался донести в этой статье. Вы можете выбирать любой экран, игнорируя его разрешение.

Многие люди предпочтут автономность небольшой разнице в четкости. Кому-то вообще безразлично, видны ли пиксели, если очень вглядываться и выискивать недостатки.

Эта статья отвечает лишь на один конкретный вопрос — есть ли смысл в увеличении разрешения экрана и до каких пределов можно увеличивать плотность пикселей, замечая (при желании) разницу в четкости картинки.

Как мы разобрались, для того, чтобы глаз спутал изображение на экране с реальностью, нужна достаточно высокая плотность пикселей, которая пока не встречается повсеместно даже на флагманских смартфонах.

Конечно, детализация — это лишь часть общей картины, но для многих она важна. И 300 ppi — это далеко не предел человеческого зрения.

Алексей, глав. редактор Deep-Review