實現高畫質的方法，竟然是把像素疊在一起？

今天小編分享的科學經驗：實現高畫質的方法，竟然是把像素疊在一起？，歡迎閲讀。

無論是工作還是摸魚，毫不誇張地説，現在的 " 打工人 " 離不開面前這塊閃光的螢幕。不過，當你使用它時，有沒有對螢幕上的 " 小點兒 " 產生過好奇呢？

這些 " 小點兒 " 其實是像素點，螢幕成像全靠它們出馬！

像素單元大小為 10 微米（0.01 毫米）。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]

近日，麻省理工學院的博士團隊制作出了一種全新的像素單元，如上圖所示。這種像素單元本身就是彩色的，不必再由多個單色子像素構成一個彩色像素，不僅如此，還能夠通過垂直堆疊的方法減小像素的尺寸。這項成果為開發單個像素更小、更清晰的顯示屏提供了方案。

小小的螢幕

到底能發出多少種光？

借助放大鏡或是顯微鏡，能夠觀察到電腦以及手機顯示屏的細節是這樣的：

制圖：海裏的鹹魚

就像上邊的圖所顯示的，手機、電腦、電視顯示屏，是由大量紅、綠、藍三種顏色的 " 小燈珠 " 排列組成。那麼問題來了，既然眼前的手機螢幕發出的光只有三種顏色，為什麼我們所看見的螢幕，所能顯示的顏色卻多得多？就像下邊這幅圖，在我們看來，它所包含的顏色可遠遠不止三種。

制圖：海裏的鹹魚

問題的答案是：人眼的視覺是一種主觀感受。顏色是人類的大腦對眼睛所接收到的光刺激產生的一種主觀感受。

從紅綠藍到色彩缤紛

中間發生了什麼？

先説説可見光，可見光是能夠被人眼感知到的電磁輻射，人們根據電磁輻射的波長特性對其進行了細致的分類，可見光指的是波長在 400~700 納米的電磁輻射。這一範圍是個通俗的定義，人在年輕的時候，眼睛能夠探測到更大範圍的電磁輻射。

可見光譜圖，顏色下方為對應的電磁輻射波長。圖片來源：wikipedia

人眼之所以能夠辨别顏色，是因為視網膜中有三種視錐細胞，分别是：L 細胞、M 細胞和 S 細胞。它們對不同波長光的敏感度不同。S 細胞對波長約為 450 納米的光最敏感；M 細胞對波長為 540 納米的光最敏感；L 細胞對波長為 570 納米的光最敏感。

不論眼睛接收到的光成分多麼復雜，最終眼睛向大腦輸出的是三種視錐細胞根據刺激程度產生的電信号，這些電信号稱為 " 三刺激值 "。大腦根據三刺激值的大小形成顏色感覺，所有三刺激值的集合決定了人類能夠分辨的色彩數量，人類可以分辨大約 1000 萬種不同的顏色。相比之下，狗只有兩種視錐細胞，只能感受到藍色和黃色。狗的世界裏只有黃色、灰色和藍色。

沒想到吧，我們的眼睛居然這麼厲害！

探究出人類產生色彩感覺的原理，就能對其加以利用。顏色感覺基于視錐細胞產生的三刺激值，對于不同成分的光，只要引起的三刺激值相同，那麼在人眼看來，它們的顏色就是相同的。

光的成分不同，但在人眼看來它們顏色相同。制圖：海裏的鹹魚

兩個不同波長的光源，通過調節各自的發光強度，能夠改變其引發的三刺激值。這樣就能讓人腦感覺看到了許多顏色。兩個波長的光源雖然能夠產生的不同的顏色感覺，但還不夠豐富。三個波長的光源組合在一起，所能產生的顏色感覺足以覆蓋人類眼睛能感覺到的所有顏色種類。

我們将光源組合本身具備的顏色稱為三基色，螢幕的三基色是紅、綠、藍。這是根據人類視覺細胞的響應特性決定的，人眼的視錐細胞對這三種顏色的敏感度較高，采用這三種顏色能夠在較低的功耗下實現高亮度的顯示（也可以是别的三種顏色組合，紅綠藍的組合常用于螢幕領網域）。

光源尺寸很重要

量變產生質變

三個波長的光源組合在一起，這其實還不夠，要想讓人眼看起來顏色千變萬化，還有一個很重要的參數：尺寸。

以電視機為例，看電視的時候人眼距離電視螢幕大約 3 米遠，影像是很清晰的，但當我們近距離觀察電視螢幕時，就能觀察到組成螢幕的一個個彩色像素點。

類似的還有商場裏擺放的大螢幕，近距離觀察會發現，螢幕是由一個個黃豆大小的彩色（紅、綠、藍三種）LED 燈珠組合而成的。遠距離觀察這類螢幕，看到的是正常顯示的内容，近距離觀看螢幕的局部，看見的就是許多小燈珠組成的彩色點陣。

為什麼會這樣呢？這跟人眼分辨物體的極限能力有關。

光源對人眼形成的角度要小于人眼的最小分辨角。人的最小分辨角度大約為 0.0167 度，在不同的觀察距離下，人眼的最小橫向分辨距離如下圖。當螢幕距離人眼比較遠時，人眼無法分辨不同顏色的單個燈珠。三種顏色的燈珠在人眼看來只是一個彩色的亮點，亮點顏色由三種顏色燈珠各自的亮度共同決定。

制圖：海裏的鹹魚

舉個例子，如果手機标注的分辨率是 2400×1080，意味着手機的長邊有 2400 個像素（每個像素由紅、綠、藍三種可以發光的子像素組成），短邊有 1080 個像素。像素本身大小需要小于人眼最小橫向分辨距離，才能有比較好的顯示效果。

制圖：海裏的鹹魚

上圖顯示的螢幕顯微照片中，一個像素由 4 個子像素組成，每個子像素的發光強弱都可以單獨控制，像素的大小決定了螢幕顯示内容的細膩程度。

更小的像素

更細膩的虛拟世界

螢幕的像素越小，所能夠顯示的影像細節也就越清晰，同樣的形狀，使用像素大小不一致的螢幕進行顯示，在像素點尺寸小的螢幕上，圖案會顯得更加細膩，觀感會更好。

在顯示影像時，像素點越小（左圖），影像的邊緣越鋭利。制圖：海裏的鹹魚

VR 眼鏡的出現，使人能夠身臨其境沉浸于虛拟的世界當中，VR 能夠顯示立體的内容，觀感十分接近真實的世界。1968 年，第一台 VR 顯示器誕生于實驗室中，不過受制于當時的技術條件，VR 顯示設備體積非常大，成本高昂，無法大規模應用。

直到 2014 年，谷歌的工程師推出了 Cardboard ——一個把手機放進去即可體驗 VR 顯示的簡單設備，許多人經由這個小盒子感受到了 VR 顯示技術的巨大優勢。現在，得益于螢幕制造技術的飛速進步，三千元就能買到顯示效果很不錯的 VR 顯示器，放在三年前，性能相當的 VR 顯示器要花費上萬元呢。

圖片來源：wikipedia

VR 顯示器的螢幕結構就是兩塊貼近眼睛的小型顯示器以及一些光學鏡片。顯示器越接近人眼，就越加面臨考驗，正如前文所説，離眼睛近了，人就能夠觀察到更細微的結構。Cardboard 讓人們沉浸式地體驗到了虛拟世界，但也暴露出了一個缺陷：手機的像素太大了，所觀察到的景物雖然立體，但是不細膩，有顆粒感，好像是在看計算器螢幕。

螢幕顯示技術歷經數十年的發展，像素尺寸越來越小，但在 VR 顯示設備的風潮中，現有技術還是顯得捉襟見肘，在可預見的未來将難以滿足人們的要求。好在科學家們已經給出了一種新思路——如果讓子像素變得能夠全彩顯示，每個子像素都能是一個獨立的像素單元，這将使像素尺寸立即縮小一半以上。