Вспомните, когда вы в последний раз держали в руках новенький флагманский смартфон с IPS-экраном? Кажется, будто производители насильно забирают у пользователей эталонные дисплеи, подсовывая им противные AMOLED-матрицы с перенасыщенными цветами.
И ладно бы проблема была только в цветах, так они же еще и мерцают с нарушением всех допустимых норм!
Чем же так не угодили IPS-экраны, что сегодня невозможно найти ни одного флагманского смартфона с жидкокристаллическим дисплеем?
Подумайте сами:
- Человеческий глаз даже по самым смелым подсчетам может различить не более 10 млн цветов, тогда как самый дешевый IPS-экран выдает их минимум в полтора раза больше!
- Ни для кого не секрет, что именно IPS-экраны имеют самую точную цветопередачу. Вы когда-нибудь слышали, чтобы профессиональной графикой занимались на AMOLED-мониторах?
- IPS-экраны не мерцают, от них даже не устают глаза и не портится зрение.
- IPS-экраны стоят дешевле, так как сам процесс производства не требует настолько сложных условий.
Уверен, кто-то найдет еще не одну причину, по которой стоило бы вернуть флагманам IPS-дисплеи. Но что толку жаловаться на сложившуюся ситуацию? Давайте лучше попробуем понять, в чем же проблема IPS-экранов, почему они проигрывают борьбу AMOLED-моделям и стоит ли ожидать возвращение жидкокристаллических дисплеев?
Сразу предупреждаю, что в статье не будет разговора о мерцающей подсветке, настоящем глубоком черном цвете OLED, экономии заряда, возможности использовать AMOLED-дисплеи в гибких смартфонах и прочих очевидных вещах. В этот раз я бы хотел обратить ваше внимание только на одну характеристику дисплеев — отображение цвета.
Минутка философии
Цвет — это одно из самых сложных и загадочных явлений в нашей природе.
Вот скажите, является ли цвет таким же неотъемлемым свойством любого материального объекта, как, скажем, масса или размер? Красный цветок обладает таким свойством, как «красный цвет»?
Очевидно, что само ощущение красного цвета — это чисто субъективное человеческое переживание. Ведь объективно в красном цветке не больше «цвета», чем в Bluetooth-сигнале или радиоэфире. Просто одни электромагнитные волны мы ощущаем, как цвет, другие — как тепло, а третьи вообще не замечаем без специального оборудования.
Тем не менее, красный цветок всегда будет отражать электромагнитные волны «красного цвета» или, другими словами, волны определенной длины, например, 650 нанометров. Поэтому можно сказать, что в каком-то смысле цветок действительно обладает «красным цветом», то есть, способностью поглощать все цвета, кроме красного.
Если мы возьмем прибор для измерения спектра, то он покажет, что от красного цветка исходят отраженные волны длиной 650 нм. Эту цифру мы и можем считать неотъемлемым свойством цветка.
И на этом можно было бы закончить философствование, если бы не… розовый цветок! Ведь розового цвета в природе вообще не существует. Нет даже электромагнитной волны, длина которой соответствовала бы розовому цвету. И прибор никогда не покажет, что от розового цветка отражаются «розовые» волны, так как ни одна электромагнитная волна какой-либо длины не способна вызвать ощущение этого цвета. А цвет всё равно есть.
В первом случае есть волна определенной длины и есть красный цвет, во втором случае нет электромагнитной волны определенной длины, но цвет есть. А вот вам еще один пример, когда нет ни конкретной волны, ни конкретного цвета, а вы всё равно видите по сути несуществующий цвет.
Посмотрите на этот кубик. Все его центральные клетки одного и того же коричневого цвета:
Буквально каждый пиксель каждой из трех коричневых клеток излучает один и тот же набор электромагнитных волн. Но вы, скорее всего, видите на затемненной стороне кубика вместо коричневой клетки — ярко оранжевую. Хотя в реальности такого цвета там нет, его «перекрасил» ваш мозг. Если мы уберем все окружающие клетки и оставим только центральные, то увидим одинаковые цвета:
Думаю, этих примеров достаточно, чтобы понять, что мы имеем дело с очень непростым явлением. И именно это явление стало одной из главных причин, по которой IPS-дисплеи уже практически не встречаются на дорогих смартфонах.
«Эталонная цветопередача» IPS-экранов — это миф?
На самом деле, все когда-либо выпущенные смартфоны с IPS-матрицами были не способны правильно передать весь спектр реальных цветов. Популярное мнение о том, что у IPS-экранов самая точная цветопередача — это в каком-то смысле недоразумение. И дальше вы поймете, почему.
Но вначале стоит вернуться к вопросу о том, сколько же цветов может увидеть наш глаз и сколько цветов отображает IPS-экран.
Ответ на первый вопрос был получен в 1931 году, когда Международная комиссия по освещению (CIE) буквально описала все цвета, которые способен увидеть среднестатистический человек. В результате появилось вот такое интересное цветное пятно, напоминающее по форме подкову, где у каждого конкретного цвета есть свои координаты x и y:
Какой бы цвет вы ни придумали, он в любом случае есть на этой диаграмме и у него есть свои простые координаты. Такая диаграмма получила название CIE 1931.
Обратите внимание на синие цифры по краям этой диаграммы (460, 480, 500,… 700):
Здесь находятся самые насыщенные и глубокие цвета, какие только можно увидеть. Каждому такому цвету соответствует реальная электромагнитная волна определенной длины. Цифры — это и есть длины волн, указанные в нанометрах. Например, свет с длиной волны 390 нм — это самый глубокий фиолетовый цвет из возможных, а 580 нм — самый насыщенный оранжевый цвет.
Такие цвета невозможно получить путем смешивания красного, зеленого или синего. Чтобы их увидеть, к нам в глаза должна попасть соответствующая электромагнитная волна. И такие цвета называются спектральными. Это самые «чистые» цвета из возможных в природе.
А вот внутри диаграммы находятся все остальные цвета и оттенки, получаемые именно путем смешивания друг с другом этих основных спектральных цветов.
Всё просто!
Но проблема с этими цветами заключается в том, что ни один экран, о каком бы устройстве ни шла речь, не способен отобразить их все без искажений. Поэтому, приведенная выше диаграмма — это лишь блеклое подобие той диаграммы, которую бы вы увидели, если бы ваш экран мог выдавать такие насыщенные и глубокие цвета.
В основном же, IPS-экраны отображают лишь часть этих цветов. И мы легко можем показать ее прямо на нашей диаграмме CIE 1931, выделив треугольником:
Все цвета, которые вы видите на своем IPS-экране, находятся внутри треугольника и действительно отображаются такими, какими они являются на самом деле. Но всё, что находится за пределами этого треугольника, уже не может быть отображено на IPS-дисплее.
Обратите внимание, насколько далеко находится самый насыщенный зеленый цвет IPS-экрана от того зеленого, который мы способны увидеть в реальности и который соответствует электромагнитной волне длиной 520 нм (повторюсь, на IPS-мониторе между этими цветами не будет разницы, так как экран не способен показать ничего за пределами треугольника):
Но если каждый дисплей будет показывать все цвета, как ему вздумается, мы не сможем добиться одного и того же цвета на разных устройствах. Из-за этого могут возникать различные проблемы. Например, вы выбираете в интернет-магазине цвет новенького смартфона на экране своего ноутбука, а затем получаете совершенно другой оттенок.
Чтобы как-то решить эту проблему, был придуман некий стандарт — набор цветов, который должен правильно отображать каждый экран, соответствующий этому стандарту. Так появилось понятие цветового охвата экрана.
Треугольник, который мы рассматривали, включает в себя весь набор цветов под названием sRGB. И в идеале каждый IPS-экран должен в точности отображать все цвета из этого набора.
Есть и другие цветовые охваты: Rec.709, DCI-P3, Rec.2020, Adobe RGB и так далее. Вот как некоторые из них выглядят на уже знакомой нам диаграмме CIE 1931:
Как видите, зеленый цвет в DCI-P3 намного зеленее аналогичного цвета в sRGB-пространстве, а зеленый в Rec.2020 еще более глубокий и насыщенный, чем в DCI-P3.
И не обращайте внимание на то, что смартфон отображает более 16 млн цветов и оттенков. От этого цветовой охват никак не увеличивается. Максимальная насыщенность и глубина красного цвета остается всегда на одном и том же уровне, просто между самым насыщенным и черным цветом появляется больше градаций/оттенков.
Пусть IPS-дисплей с цветовым охватом sRGB отображает даже миллиард цветов (10-битный цвет), толку от этого не будет никакого. Мы лишь добавляем градации (оттенки), большую часть которых человеческий глаз не сможет различить. Но насыщенность основных цветов остается неизменной и такой же ограниченной, как и при отображении 16 млн цветов.
Современные AMOLED-дисплеи легко выходят за рамки DCI-P3, в то время, как IPS-экраны, в основном, ограничены цветовым охватом sRGB. Так почему же тогда именно IPS-дисплеи считаются самыми точными в плане цветопередачи?
Всё дело в том, что графика (фото, картинки, видео) создается именно под цветовой охват sRGB. То есть, когда профессиональный фотограф обрабатывает снимок на своем откалиброванном мониторе, он делает так, чтобы оттенок кожи выглядел максимально естественным именно в цветовом охвате sRGB.
Поэтому и создается впечатление, что у IPS-экранов самая точная цветопередача. Хотя в реальности отобразить все возможные оттенки при таком ограниченном наборе цветов невозможно.
Если бы тот же фотограф обработал снимок для цветового пространства DCI-P3, у него было бы больше цветов в распоряжении для передачи всех нюансов.
К слову, именно это и происходит при отображении контента в HDR, так как при его производстве используется широкий цветовой охват, в результате чего картинка в HDR на AMOLED-экране выглядит более естественной и натуральной, чем на любой IPS-матрице.
Так что же мешает IPS-экрану отображать широкий цветовой охват? Вы когда-нибудь задумывались над этим вопросом? Многие просто воспринимают насыщенность AMOLED-цветов, как данность, подсознательно объясняя всё «органическими светодиодами».
Почему IPS-экраны не могут выдать такие глубокие и насыщенные цвета, как AMOLED?
Для начала задайте себе очень простой вопрос — как отобразить на экране точку самого насыщенного зеленого цвета, соответствующего электромагнитной волне длиной 520 нм? Ответ очевиден — нужно просто излучить такую волну!
И на первый взгляд задача кажется очень простой. Мы берем светодиодную подсветку, которая излучает белый цвет (белый — это совокупность всех цветов), и пропускаем его через один пиксель, накрытый зеленым цветным фильтром, блокирующим волны всех длин, кроме 520 нм:
Если всё так просто, почему тогда ни один экран не может отобразить цвет с длиной волны 520 нм?
На самом деле здесь масса проблем, начиная с первой — подсветка экрана.
Что не так с подсветкой IPS-дисплея?
Буквально чуть выше я сказал, что белый цвет — это совокупность всех цветов. Так действительно когда-то считалось. Но в реальности белый цвет, как и любой другой, можно получить самыми разными способами.
Например, можно смешать «красные» (650 нм), «зеленые» (520 нм) и «синие» (450 нм) электромагнитные волны. Мы увидим белый цвет. Можно смешивать эти цвета в самых разных пропорциях, а можно и вовсе выбросить электромагнитные волны красного цвета и смешать только синие (450 нм) и желтые (570 нм). Мы всё равно увидим тот же белый цвет, только в нём уже не будет «красных» электромагнитных волн.
Такое свойство нашего зрения называется метамерией. По сути, для воссоздания любого цвета, нам совершенно не нужно знать, из чего состоял оригинал (волны каких длин и в каких пропорциях были смешаны). Можно подбирать волны совершенно других длин и в других пропорциях, и получать точно тот же результат. Собственно, это еще один камень в огород тех, кто считает цвет объективно существующим.
Если мы захотим отобразить точку красного цвета, пропустив наш новый «белый свет» (состоящий из желтого и синего) через красный фильтр, он уже ничего не покажет. Ведь в самом белом свете изначально уже не было красной составляющей:
Итак, для максимально широкого цветового охвата подсветка должна содержать в себе электромагнитные волны всех длин.
На IPS-дисплеях самой популярной подсветкой являются так называемые белые светодиоды. Это специальный полупроводник нитрид галлия, который светится синим цветом. То есть, такая лампочка в принципе не способа дать никаких цветов, кроме синего.
Но чтобы получить белый цвет, нужно дополнительно нанести на диод люминофор. Это такое вещество, которое поглощает энергию и преобразовывает ее в видимое излучение. К примеру, на люминофор можно светить невидимым ультрафиолетовым цветом и он начнет поглощать его энергию, а затем избавляться от нее, испуская видимый свет.
В LED-подсветке используется люминофор иттрий-алюминиевый гранат с добавлением церия. Такой люминофор поглощает синий свет от светодиода и переизлучает его в виде целого набора цветов с максимумом в области желтого цвета.
Получается, какая-то часть синего света от светодиода поглощается люминофором и переизлучается в других цветах, а какая-то часть проходит сквозь люминофор без изменений. В итоге мы имеем примерно вот такой белый свет на IPS-экране, состоящий из целого набора различных волн:
А теперь представим, что мы хотим показать на таком IPS-экране самый насыщенный красный цвет среди всех существующих — с длиной волны 700 нм. Как видим на картинке выше, подсветка IPS-экрана излучает такой свет, хотя его и очень мало (на диаграмме по горизонтали показаны длины волн, а по вертикале — мощность излучения).
Это приводит нас к следующему очень серьезному ограничению любого IPS-дисплея.
Цветной фильтр
Чтобы IPS-экран мог показывать самый глубокий красный цвет, он должен иметь возможность испускать монохроматический свет, то есть, свет, состоящий из волн всего одной длины.
А для этого нужно, чтобы не только подсветка содержала в своем спектре нужную волну (и мощность этого излучения была достаточно высокой), но чтобы и красный фильтр пропускал только красный свет с длиной волны 700 нм.
И тут мы заходим в тупик. Если установить такие фильтры, можно вообще забыть о слове «яркость». У нас изначально в белой подсветке практически не было волн чистого красного цвета (700 нм), так мы еще блокируем и все оттенки красного. То же касается и остальных цветов.
Если бы фильтры пропускали только монохроматический свет, спектр IPS-экрана выглядел бы так:
Фактически в этом случае каждый пиксель превратился бы в лазер. Основные цвета были бы максимально насыщенными, но мы бы потеряли 99.9% яркости, ведь фильтр оставил только 3 узкие полоски вместо широкого спектра.
Более того, у нас получился серьезный дисбаланс цветов. С такими пропорциями мы бы не могли точно воспроизводить все цвета, так как даже для получения самого обычного желтого цвета нужно взять много красного и намного меньше зеленого, а у нас практически нет красного.
Именно поэтому мы не можем использовать фильтры, пропускающие только очень узкие полоски света.
Если вернуться к IPS-дисплею упомянутого iPhone, то через его красный фильтр проходит целая «свалка» из волн красного оттенка:
То есть, «чистый» красный цвет в понимании IPS-дисплея — это целый набор волн от 580 до 740 нм, да еще и с щепоткой фиолетового цвета в придачу. О каком широком цветовом охвате может идти речь, если при попытке отобразить цвет 700 нм, экран засияет радугой из сотни различных цветов?
То же касается и зеленого цвета (фильтра):
Мы снова видим, что при попытке отобразить самый насыщенный зеленый цвет (волны одной длины — 520 нм), IPS-экран выдаст множество электромагнитных волн в диапазоне от 440 до 600 нм. Дальше всё это смешается и вместо чистого насыщенного зеленого цвета мы увидим его блеклое подобие из треугольника sRGB:
Это и является основной причиной того, что IPS-дисплеи не могут отображать настолько широкий цветовой охват, как их OLED-варианты. Точнее, на IPS можно получить любой цветовой охват, но чем он шире, тем ниже будет яркость дисплея. Так как фильтры будут блокировать значительную часть света.
С другой стороны, в OLED-экранах нет никаких цветных фильтров и каждый пиксель уже излучает свой цвет. Но даже несмотря на это, OLED-пикселям еще очень далеко до лазеров, излучающих монохроматический свет.
Если говорить техническим языком, то именно полуширина спектральной линии (ширина спектра, измеряемая на половине мощности) играет ключевую роль в количестве отображаемых цветов на том или ином дисплеи. Если мы еще раз посмотрим на зеленый цвет IPS-экрана, то увидим очень широкую спектральную линию:
И чем у́же она будет, тем больше цветов сможет отобразить экран, так как каждый из 3 основных цветов будет чище, насыщеннее, без примеси других оттенков. В идеале полуширина должна быть меньше 1 нанометра!
Для этого необходимо улучшать как подсветку (чтобы белый цвет состоял из максимально узких спектров), так и цветные фильтры. Или вовсе изменить подход к технологии фильтров, чтобы они не пропускали свет, а переизлучали его.
Собственно, это и делают производители. Можно вспомнить, к примеру, набирающую популярность технологию QLED на квантовых точках. Это те же жидкокристаллические дисплеи, только с подсветкой, полуширина спектральных линий которой составляет всего 25-30 нанометров. Сравните это со 120 нанометрами текущих белых светодиодов с люминофором!
О дисплеях на квантовых точках мы поговорим в другой раз, а эту статью хотелось бы завершить рассмотрением еще одного важного вопроса.
А нужны ли нам вообще эти неуловимые цвета?
Мы на самом деле способны увидеть гораздо больше цветов, чем могут отобразить самые дорогие и качественные дисплеи. Но иметь возможность увидеть что-то и непосредственно видеть — это разные вещи.
Встречаются ли эти глубокие насыщенные цвета в повседневной жизни или мы хотим получить не максимально точную цветопередачу, а новые ощущения?
Прежде всего, нужно понимать, что невозможно получить все видимые цвета смешиванием 3 основных. Даже если каждый пиксель будет состоять из 3 лазеров, каждый из которых будет излучать самый чистый глубокий монохроматический цвет, такой экран сможет показать не более 70% всех существующих цветов.
Это можно наглядно увидеть на диаграмме CIE 1931, расставив 3 лампочки на соответствующие координаты:
Смешивая эти 3 цвета (435 нм голубой, 546 нм зеленый и 700 нм красный), мы будем получать всё разнообразие цветов внутри треугольника. Да, это очень большой треугольник, но за его пределами всё еще находится немало цветов.
Такой треугольник — это теоретический предел цветового охвата экрана при условии использования 3 основных цветов. Дальше нам придется изменять принцип работы пикселей, чтобы они состояли из 4 или 5 основных цветов.
Но вернемся к вопросу о необходимости широкого охвата.
В 1980 году одному ученому по имени Майкл Пойнтер пришла в голову идея составить список всех цветов, которые могут быть получены путем отражения от любой поверхности. Не важно, картина ли это, листок на дереве или цвет нового автомобиля, он обязательно должен быть включен в список отраженных цветов.
По сути, Пойнтер собрал все цвета, которые можно получить при субтрактивном синтезе. То есть, когда цвет получается не смешиванием каких-то основных цветов, а вычитанием из общей массы цветов (белого света).
Он собрал тысячи различных образцов, определил их координаты на диаграмме CIE 1931 и вот, что у него получилось:
Область, ограниченная белой линией — это и есть всё то разнообразие цветов, что встречается в нашей природе при отражении света.
Мы видим, что отраженный свет покрывает менее 50% всех возможных цветов. Именно поэтому в обычной жизни мы так редко сталкиваемся с самыми чистыми и насыщенными цветами — они находятся за пределами цветового охвата Пойнтера.
Кроме того, можно заметить еще одну очень интересную особенность. Как бы мы ни старались увеличивать цветовой охват экрана с использованием 3 основных цветов, мы никогда не сможем покрыть все цвета из гаммы Пойнтера на диаграмме CIE 1931. Просто невозможно нарисовать треугольник, включающий все цвета Пойнтера.
Другими словами, если использовать в дисплеях 3 цвета, мы не создадим экран, который бы со 100% точностью передавал цвет товаров в интернет-магазинах.
Здесь стоит упомянуть тот факт, что существует более правильная и точная диаграмма цветности — CIE 1976 (обновленный и улучшенный вариант CIE 1931), и там такой трюк сделать удастся, если создать экран с максимально возможным цветовым охватом.
Когда мы сравним цветовую палитру, составленную Пойнтером, с цветовым охватом sRGB, то увидим, что современные IPS-экраны могут отобразить только 70% этих цветов:
Поэтому есть практический смысл увеличивать цветовой охват экранов. Это не просто желание получить новые ощущения, а попытка отобразить окружающие нас цвета без значительных искажений.
AMOLED-дисплеи с цветовым охватом DCI-P3 покрывают уже около 90% гаммы Пойнтера:
То есть, AMOLED-экраны способны гораздо точнее передавать все реальные цвета и оттенки. Проблема только в контенте. И она будет решаться, так как технология становится популярной и доступной даже на недорогих смартфонах.
Но цвета, полученные при отражении света — это не единственный источник цвета. Вспомните о таком красочном явлении, как фейерверк:
Дело в том, что атомы веществ, используемых для «раскраски» взрывов, излучают энергию в виде монохроматического света. Более того, на диаграмме CIE 1931 такие цвета находятся по краям, то есть, имеют максимально возможную насыщенность.
Например, хлорид стронция излучает глубокий красный свет с длиной волны 682 нм, а хлорид бария дает зеленый цвет с длиной волны 532 нм, что является недостижимым результатом для любого современного экрана. Поэтому просмотр фейерверка на дисплее не отражает его реальной красоты и величия.
Широкий цветовой охват играет очень важную роль в современных экранах и IPS-матрицы в этом плане уступают. Хотя на смену им приходят похожие технологии, но с использованием других источников света и цветных фильтров.
Лучше современные IPS-экраны могут иметь цветовой охват DCI-P3. В основном это достигается путем замены желтого люминофора на красный + зеленый, а также использованием более качественных цветных фильтров. Но это всё это сказывается на общей яркости дисплея. Поэтому и нужны новые технологии подсветок или фильтров.
Если вам казалось, что экраны уже давно достигли пика своего развития, то на самом деле мы находимся только в начале интересного будущего, в котором дисплеи станут «прозрачными окнами» и отличить реальность от картинки будет крайне тяжело.
А может мы и вовсе предпочтем картинку реальности? Но это уже тема для другого разговора.
Алексей, глав. ред. Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
