[Из песочницы] Чем отличаются дисплеи электронных книг от дисплеев смартфонов и планшетов?

В Интернете уже немало копий сломано по поводу того, отличаются ли с точки зрения пользователя экраны электронных книг (изготовленные по технологии E Ink) от экранов планшетов и смартфонов (по технологиям LCD и OLED), или же никакого существенного отличия нет? Свет – он и в Африке свет?!

Пришло время за долгие годы этих споров разобраться в этом вопросе и подвести жирную черту.

Сначала – расшифровка обозначений LCD, OLED и E Ink.
LCD — это Liquid Crystal Display, дисплей на основе жидких кристаллов. У них есть разновидности: TN, IPS, VA и др.

OLED – это дисплей на основе светоизлучающих органических диодов, Organic Light-Emitting Diode. У них тоже есть разновидности: AMOLED и Super AMOLED.

E Ink (Electronic Ink) – это дисплей на основе «электронных чернил» («электронной бумаги»), где изображение формируется микроскопическими частицами пигмента. Собственно, так же оно образуется и на «настоящей» бумаге, только измениться потом не может.

Их разновидности, в основном, обозначают смену их поколений (VizPlex, Pearl, Carta).

Сначала – вкратце несколько слов о технологических особенностях построения изображения на экранах этих типов, что и приводит к разнице для пользователя.

Экраны по технологиям LCD и OLED являются светоизлучающими, хотя делают это они по-разному.

По технологии LCD изображение (в виде пикселей) формируется в слое жидких кристаллов, прозрачность которых меняется под воздействием электрического поля (за счёт поворота оси поляризации жидких кристаллов, упрощенно говоря). Но сам этот слой жидких кристаллов свет не излучает; излучением света занимается лампа подсветки, расположенная позади этого слоя.

В экранах по технологии OLED – наоборот, излучает свет каждый пиксель, поскольку каждый пиксель – это и есть излучающий светодиод.

По технологии E Ink экран не содержит светоизлучающих элементов (подсветка, когда она есть, организуется особым образом, об этом будет рассказано позже); а изображение формируется физическим перемещением частиц пигмента.

Схематично принцип действия экранов E Ink представлен на следующем рисунке:

Что интересно, после снятия приложенного к электродам напряжения, все частицы остаются на своих местах, и изображение никуда не пропадает. Это – характерная особенность дисплеев E Ink – отсутствие потребления энергии при показе статических изображений. Но при смене изображения энергия всё-таки необходима для перемещения частиц.

Теперь рассмотрим микрофотографии этих типов экранов (сделаны с помощью цифрового микроскопа начального уровня, так что «что вышло – то вышло»).

Микрофотография экрана на «электронных чернилах» E Ink:

Некоторая «шероховатость» изображения связана с шероховатой (матовой) поверхностью экрана.

Микрофотография экрана LCD типа TN+Film:

Структура субпикселей – равномерная.

Микрофотография экрана LCD типа IPS:

Заметно наличие внутренней структуры субпикселей и их «косматые» границы.

Микрофотография экрана AMOLED:

Заметна различная форма субпикселей разных цветов (один из вариантов).

На что ещё надо обратить внимание?

На экранах LCD и OLED светящиеся пиксели занимают не всю поверхность экрана (между ними – чёрные промежутки); а на экране E Ink пиксели, формирующие изображение, занимают всю поверхность экрана. И в этом – ещё одно сходство с изображением на бумаге.

Причем, если на экранах LCD или OLED активным окажется только один цвет из трёх цветов субпикселей, то «тёмная» площадь экрана будет ещё в разы больше, чем при белом экране.

Если при этом наблюдать за изображением с такого расстояния, при котором пиксели гарантированно «сливаются» для наблюдателя, то это значения иметь не будет. Но для любителей смотреть с близкого расстояния ситуация будет другой – часть колбочек на сетчатке будет освещена слишком сильно, а другая часть – слишком слабо.

Но, как известно, «за всё надо платить». Более равномерная яркость на экране с «электронной бумагой» достигнута высокой ценой: все они – монохромные (черно-белые, и даже не с «50-ю оттенками серого», а только с 16-ю). Правда, в последнее время делаются попытки выпустить цветные экраны E Ink, но до массовых масштабов производства ещё далеко.

Также сближает E Ink по физическим свойствам с бумагой и матовая поверхность экранов («настоящая» бумага – тоже матовая). Причём она матовая – у всех выпускаемых сейчас экранов E Ink.

Экраны LCD и OLED тоже бывают матовыми, но только у наиболее дорогих планшетов. У смартфонов же, по традиции, делаются глянцевые экраны, в которых хорошо отражаются внешние источники света.

Теперь к вопросу о том, чем хороша похожесть экранов E Ink на бумагу?

Когда мы читаем бумажный документ, то, хотя мы это и не осознаём, работает мгновенная «автоматическая регулировка яркости» носителя. Как только мы вносим бумажный документ в более светлое место, так и он сразу становится светлее. И это – вполне естественно, ведь бумага «работает» на отраженном свете.

Точно также работает и экран на «электронной бумаге» — на отраженном свете.

Таким образом, в обоих случаях яркостно-контрастные параметры носителей мгновенно и оптимально подстраиваются под внешнее световое окружение. В этом и заключается ещё одна их полезность для зрения. Вспомним, что медики крайне не рекомендуют смотреть телевизор в полной темноте: высокие контрастные перепады светового окружения раздражают зрение.

У экранов LCD и OLED тоже бывает автоматическая регулировка яркости (аппаратная, а не естественная), но работает «не так и не сразу».

Из сходства экранов E Ink с бумагой проистекает и ещё одно их уникальное преимущество: чем выше яркость внешнего света, тем изображение на них видно лучше; в то время как для экранов LCD/OLED ситуация диаметрально противоположная. Вдобавок, чтобы что-то разглядеть на экранах LCD/OLED на прямом солнечном свете, приходится ещё и яркость включать на максимум, что быстро разряжает аккумуляторы мобильных устройств.

Очередной позитивный фактор экранов на «электронных чернилах» — «абсолютные» углы обзора (тоже как у бумаги).

У экранов LCD яркость довольно сильно падает при отклонении угла зрения от вертикали (особенно – у экранов типа TN+Film). Правда, экранам OLED в значительной степени удалось эту проблему решить.

Очередная проблема экранов LCD и OLED – мерцающая подсветка. Её существование связано с тем, что регулировка яркости в них осуществляется с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с частотой 60-200 Гц (больше – лучше).

Она имеет разную заметность при разных уровнях яркости; максимально-заметной бывает обычно при яркости около 50%.

Обнаружить такой тип подсветки можно давно известным «карандашно-стробоскопическим методом»; то есть, веерообразно размахивая перед экраном карандашом, зажатым между двумя пальцами. У «мерцающих» экранов карандаш образует целый ряд силуэтов; у «немерцающих» они видны только в крайних положениях карандаша (в моменты смены направления движения).

У экранов E Ink нет подсветки — нет и проблемы!

Но, что интересно, хотя уже появились экраны E Ink с подсветкой, такой проблемы у них всё равно нет. Решена она за счет значительного повышения частоты ШИМ.

Техническая организация подсветки у E Ink экранов совершенно другая, чем у экранов LCD (а у OLED нет подсветки как отдельной функциональной части экранов).

У экранов LCD подсветка осуществляется лампой позади слоя, в котором формируется изображение. Но для экранов E Ink такая подсветка не подходит: это всё равно, что читать страницы книги «на просвет».

В связи с этим подсветка для экранов E Ink работает во внешнем слое экрана. Распространяющийся в этом узком слое свет освещает сформированное изображение «скользящим» светом сверху; благодаря чему эта подсветка работает точно так же, как если бы это был внешний свет.

А теперь, уважаемые читатели, позвольте нанести коварный и злодейский удар ножом в спину таким хорошим экранам на «электронных чернилах».

Из-за того, что формирование изображения на них производится путем механического перемещения частиц, быстродействие таких экранов оказывается низким. Для большинства экранов E Ink время полного обновления экрана составляет около 0.45 секунды (из технических данных, до 0.2 секунды в реальных условиях). Кино на таких экранах невозможно посмотреть в принципе, даже чёрно-белое.

Ещё одна проблема, но менее значительная, — так называемые «артефакты изображения», представляющие собой бледные следы на экране от предыдущего изображения. Правда, для текстов эту проблему решить удалось (технология Snow Field); но для «крупногабаритных» изображений (рисунков и другой графики) проблема так и «зависла».

С целью борьбы с артефактами обычно периодически проводится полный «сброс» экрана, т.е. он полностью зачерняется, а уже затем на нём прорисовывается новое изображение. Рекомендуемая обычно частота «сброса» — один раз на 5-10 листаний страниц.

На этом пришла пора подвести итоги («плюсы» и «минусы» E Ink) и определить возможную область применения экранов E Ink.

«Плюсы» экранов E Ink по сравнению с LCD/OLED экранами:

• работа на отраженном свете, отсутствие потерь качества изображения при высоком внешнем освещении (вплоть до прямого солнечного света);
• «абсолютные» углы обзора;
• малое потребление энергии (с падением до нуля при передаче статичных изображений);
• пиксели изображения покрывают всю площадь экрана без промежутков;
• матовое покрытие экранов, «размывающее» отражения от источников света;
• отсутствие мерцания экрана из-за ШИМ-подсветки;
• сходство по оптическим свойствам с «настоящей» бумагой на физическом уровне.

«Минусы» экранов E Ink по сравнению с LCD/OLED экранами:

• невозможность (на данный момент) передать изображение в цвете (не считая экспериментальных образцов);
• возможность передать только 16 градаций яркости серого цвета;
• наличие артефактов на изображении (следов предыдущего изображения);
• низкое быстродействие экрана.

Именно последний недостаток и будет решающим для ассортимента возможных областей применения экранов E Ink. Они могут применяться только там, где не требуется быстрая смена изображения на экране (и допустимо чёрно-белое изображение, конечно):

• электронные книги;
• электронные часы;
• электронные ценники;
• электронные доски объявлений и информационные указатели.

Была ещё и попытка встроить E Ink экран в телефон (нашумевший YotaPhone), но распространения такое использование не получило.

Всем спасибо за внимание!