Tìm hiểu cuộc đua PPI và những giá trị công nghệ của việc tăng điểm ảnh

Sau khi Apple ra mắt chuẩn màn hình “Retina” trên iPhone 4, các nhà sản xuất Android đã liên tục tham gia vào một cuộc đua độ sắc nét (tính bằng mật độ điểm ảnh/inch – PPI) trên smartphone. Trong cuộc chiến này, câu hỏi lớn nhất mà người dùng cần quan tâm là: màn hình siêu nét sẽ phải đánh đổi những gì và liệu mắt thường có cảm nhận được sự khác biệt về PPI hay không?

Thế nào gọi là “sắc nét”

Sự khác biệt của màn hình Retina và màn hình độ phân giải thấp của 3GS

Nếu như chúng ta có thể lựa chọn ra một con số làm “tham chiếu” cho tiêu chuẩn “sắc nét”, con số được lựa chọn sẽ chính là con số mà Apple dùng để quảng bá về màn hình Retina: 1 phút góc (đơn vị đo góc, 1 độ = 60 phút góc). Trên màn hình cách xa mắt người từ 25 – 30 cm, một phút góc tương đương với 300 PPI. Nói cách khác, tiêu chuẩn này tương đương với 60 pixel trên mỗi độ của góc nhìn (pixel per degree), hay còn gọi là 60 PPD.

PPD là đơn vị đo được tính dựa trên cả khoảng cách tới màn hình và cả độ phân giải của màn hình, do đó các thông tin dưới đây sẽ được áp dụng trên cả smartphone lẫn tablet và bất kì loại màn hình điện tử nào khác.

Hệ thống thị giác của con người

Con số 60 PPD nghe có vẻ khá dễ hiểu, nhưng trước khi phân tích sâu hơn về màn hình, chúng ta sẽ phải hiểu rõ hơn về hệ thống thị giác của mắt người.

Thông thường, hệ thống thị giác của chúng ta có khả năng phân giải cực tốt. Hệ thống thị giác có thể phân biệt 2 đường thẳng có trùng nhau hay không khi chúng cách nhau chỉ 2 giây góc (tức là chỉ tương đương 1/1800 độ). Nói cách khác, hệ thống thị giác có độ phân giải lên tới 1800 PPD.

Tuy vậy, trên lý thuyết độ phân giải tối đa hết mức có thể của (chỉ riêng) mắt người chỉ là vào khoảng 0,4 phút góc, tương đương với 150 PPD. Trong thực tế, trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng, mắt người chỉ có thể phân biệt 2 đường thẳng cách nhau khoảng 0,5 phút góc, tương đương với 120 PPD. Lưu ý rằng phút góc càng nhỏ thì khả năng phân giải tương ứng càng tốt, tương ứng với mức PPD cao hơn.

1800 PPD và 120 PPD là 2 con số cách nhau một trời một vực. Lý do dẫn đến các con số đối nghịch này là do não người sẽ chịu trách nhiệm xử lý hình ảnh được mắt thu lại. Do đó, trong khi độ phân giải tối đa của mắt người chỉ là vào khoảng 120 PPD, não bộ có thể kết hợp các hình ảnh với nhau để xác định được chính xác vị trí của vật thể mà bạn đang nhìn ở độ phân giải siêu cao 1800 PPD.

Minh chứng cho khả năng của não bộ là khá hiển nhiên: ngay tại thời điểm này, não bộ của bạn đang nhìn thấy hình ảnh từ màn hình máy tính/smartphone/tablet. Trong một số trường hợp đặc biệt, các nhà khoa học có thể thực hiện một số thí nghiệm đặc biệt để chứng minh khả năng xử lý hình ảnh truyền từ mắt, ví dụ như sử dụng đèn chiếu để thay đổi bóng do các mạch máu trên võng mạc gây ra. Các hình ảnh “nhiễu” do mạch máu và rất nhiều yếu tố “lỗi” khác của hình ảnh phản chiếu lên võng mạc sẽ được não bộ xử lý và loại bỏ; các tín hiệu hình ảnh từ mắt cũng sẽ được não xử lý để tạo ra khả năng phân giải cực tốt (của hệ thống thị giác). Bởi vậy, hệ thống thị giác nói chung và mắt người nói riêng mới có độ phân giải khác nhau tới vậy.

Khả năng phân giải thực tế của mắt người trong điều kiện thông thường

Như vậy, chúng ta có thể coi con số 0,5 phút góc ở khoảng cách 30cm là mức giới hạn “chuẩn” nhất đối với độ sắc nét của màn hình, bởi trong điều kiện lý tưởng mắt người cũng chỉ có thể phân giải đến mức độ này mà thôi. Để sản xuất ra màn hình có độ phân giải tương ứng với con số 0,5 phút góc, các nhà sản xuất sẽ phải tạo ra màn hình có mật độ điểm ảnh/inch lên tới 600 PPI. Điều này có nghĩa rằng việc sản xuất màn hình 600 PPI sẽ đảm bảo 100% (tất cả các trường hợp người dùng) rằng văn bản, hình ảnh không bị phân mảnh trên màn hình cách xa 30cm – bất kể bạn là ai, thị lực của bạn tốt đến mức nào và bạn đang xem màn hình trong điều kiện sáng như thế nào.

Nhưng, trong khi người hoàn toàn có thể đạt tới các con số 120 hoặc 150 PPD (tức 0,5 hoặc 0,4 phút góc), thực tế là trường hợp này rất, rất hiếm khi xảy ra. Bài đo thị lực Snellen (bảng xếp các chữ cái có độ tương phản cao với kích cỡ ngày càng giảm) thường cho kết quả thị lực vào khoảng 1 phút góc (60 PPD) cho người lớn và 0,8 phút góc (75 PPD) cho trẻ em. Các bài thử nghiệm này được thực hiện trong các căn phòng sáng, có độ tương phản tốt, do đó khả năng phân giải thực tế của mắt người trong cuộc sống hàng ngày thậm chí sẽ còn thấp hơn.

Điều này có nghĩa rằng khi bạn đi đến các độ phân giải lớn hơn (tương ứng với phút góc nhỏ hơn), sự khác biệt sẽ không còn rõ ràng như ở các mức thấp nữa. Cụ thể hơn, tăng mật độ điểm ảnh/inch từ 300 PPI đến 400 PPI sẽ đem lại hiệu quả không thực sự rõ rệt như khi tăng từ 200 PPI lên 300 PPI, và tăng từ 400 PPI lên 600 PPI sẽ chỉ giúp chinh phục thêm rất, rất ít người dùng.

Nói tóm lại, con số mật độ điểm ảnh/inch hợp lý nhất sẽ rơi vào khoảng từ 300 PPI đến 600 PPI. Ở một mức nào đó trong khoảng này (300 – 600 PPI), màn hình di động nhìn từ khoảng cách 30cm sẽ trở nên sắc nét đến mức phần lớn, hoặc thậm chí là tất cả người dùng không thể phân biệt được khi sử dụng hàng ngày.

“Siêu nét” và cái giá phải trả

Có rất nhiều lý do khiến Apple chưa đưa iPhone lên độ sắc nét siêu cao (469PPI) như HTC One

Ở một độ sáng nhất định, bất kể là màn hình của bạn sử dụng công nghệ OLED hay LCD, việc tăng mật độ điểm ảnh/inch sẽ khiến điện thoại tiêu tốn nhiều pin hơn. Ví dụ, tăng mật độ điểm ảnh/inch từ 330 PPI lên 470 PPI sẽ khiến điện năng tiêu thụ của màn hình tăng lên 20%.

Mức tăng điện năng của màn hình có thể được giảm thiểu nếu các nhà sản xuất cho ra mắt các hê thông vi xư ly (SoC) hiệu quả hơn, pin dung lượng lớn hơn và cải thiện các linh kiện khác. Thực tế, Samsung đã liên tục đi theo hướng này: tăng độ phân giải và tăng dung lượng pin, giảm điện năng của vi xử lý (ví dụ như ra mắt chip Exynos có 2 bộ nhân khác nhau để sử dụng khi tải nặng và khi chờ). Tuy vậy, trong bất kì trường hợp nào, nếu như có cùng các linh kiện giống nhau, sử dụng cùng một công nghệ màn hình, màn hình nào có mức PPI cao hơn cũng sẽ tiêu tốn nhiều pin hơn các màn hình có mức PPI thấp.

Ví dụ, trên màn hình LCD, nhà sản xuất sẽ phải sử dụng đèn nền mạnh hơn do khi tăng số lượng pixel, các bóng bán dẫn cũng sẽ chiếm một tỉ lệ lớn hơn trên màn hình. Tương tự như vậy, trên OLED, số lượng phosphor ít hơn sẽ cần điện thế lớn hơn để giữ nguyên độ sáng.

Như vậy, để tiến sát đến độ sắc nét tối đa mà mắt người có thể cảm nhận được, các nhà sản xuất sẽ phải chấp nhận giảm mức hiệu quả tiêu thụ điện năng của thiết bị, đi kèm với đó là độ sáng tối đa của màn hình bị giảm sút. Khi độ sáng tối đa bị giảm, khả năng sử dụng smartphone trong trời nắng cũng sẽ bị hạ thấp.

Thế hệ iPad thứ 3, The New iPad (trái) có màn hình sắc nét hơn hẳn iPad 2 (phải), nhưng cũng nặng hơn và dày hơn đáng kể

Thực tế, việc tạo ra những màn hình siêu sắc nét (quá mức 400 PPI) luôn mang đậm màu sắc marketing: lý do là bởi các nhà sản xuất khó có thể thu hút người dùng bằng những thế mạnh khác của màn hình. Liệu người dùng có cảm thấy ấn tượng khi xem một mẩu quảng cáo nào đó nói về khả năng chống lóa của màn hình, độ chính xác của màu sắc hay tốc độ làm mới hay không? Câu trả lời rất có thể là không: chúng ta đã quá quen với việc đem so sánh độ phân giải với nhau rồi. So với các yếu tố khác – vốn đòi hỏi một lượng hiểu biết kỹ thuật nhất định, độ phân giải màn hình là một khái niệm rất dễ hình dung và cũng không đòi hỏi bạn phải hiểu biết về các công nghệ chuyên sâu hơn.

Bên cạnh vấn đề về điện năng, màn hình độ phân giải cao cũng đòi hỏi chip xử lý mạnh mẽ hơn. Xử lý đồ họa chắc chắn sẽ gây “nặng” hệ thống hơn, khiến giao diện trở nên kém mượt mà. Các GPU (vi xử lý đồ họa tích hợp trên SoC) không đủ mạnh mẽ sẽ khiến hệ điều hành trở nên ì ạch, chưa kể lượng điện năng do các GPU tiêu thụ cũng có thể làm giảm thời lượng pin một cách đáng kể.

Mật độ PPI nào là phù hợp?

Cải tiến từ S3 lên S4 đã là quá đủ. Samsung không cần phải lên 2K

Cần phải khẳng định rằng việc đạt tới độ phân giải 120 PPD (tức 600 PPI) ở khoảng cách cầm máy 30cm là hoàn toàn nằm trong tầm tay của các nhà sản xuất. Tuy vậy, càng tiến gần tới mức này thì càng có ít người phân biệt được độ sắc nét của màn hình. Chắc chắn, độ phân giải hợp lý nhất sẽ lớn hơn 60PPD. Vấn đề là từ 60 – 120PPD, đâu là lựa chọn hợp lý?

Chúng ta đã có câu trả lời ngay từ bây giờ: các mẫu smartphone 1080p đang đứng ở mốc 90 – 100PPD, và do đó ngừng lại ở độ phân giải này sẽ là lựa chọn hợp lý nhất.

Bố cục điểm ảnh

Tất cả các thông tin trên đều được áp dụng cho bố cục điểm ảnh RGB thông thường trên màn hình LCD truyền thống. Vấn đề là màn hình còn một yếu tố khác phải xét tới: các pixel con (subpixel). Mỗi subpixel trong một pixel trên màn hình thông thường sẽ hiển thị một màu khác nhau trong 3 màu RGB: đỏ, xanh lá và xanh da trời.

Bố cục RGB

Bố cục RGBG

Do mắt người nhạy nhất với dải màu xanh lá, một số màn hình AMOLED và Plasma sử dụng bố cục điểm ảnh RGBG (sắp xếp xen kẽ giữa một subpixel xanh lá và một subpixel màu đỏ/xanh da trời). So với màn hình RBG thông thường, màn hình RGBG chỉ cần một lượng subpixel bằng 2/3 để đạt tới cùng một độ phân giải.

Vấn đề là người dùng vẫn có thể nhận ra sự không đồng đều về màu sắc, đặc biệt là ở những vị trí dễ thấy như cạnh của màn hình. Vơi các màn hình sử dụng bố cục điểm ảnh RGBG, màn hình 5 inch độ phân giải 2560 x 1440 pixel sẽ chỉ có mật độ subpixel đỏ và xanh da trời là 415,4 SPPI (subpixel/inch), trong khi chỉ có subpixel xanh lá có mật độ 587 SPPI – tức gần với mốc “chuẩn tuyệt đối” 600 hơn. Để đạt tới mức 587 SPPI cho subpixel đỏ và xanh da trời, màn hình RGBG sẽ phải có độ phân giải 3616 x 2034 pixel. Mức này tương ứng với 881 PPI. Có thể khẳng định chắc chắn rằng trong năm 2014, sẽ không có chip SoC nào đủ sức mạnh để điều khiển một màn hình có mức PPI cao như vậy cả.

Kết luận

Galaxy S5 sẽ nối gót Vivo Xplay 3S với màn hình 2560 x 1440 pixel

Con người hoàn toàn có thể theo đuổi các mức PPD cao nếu như các thiết bị điện tử không cần phải lo lắng về điện năng. Tuy vậy, trên linh vưc di động, thời lượng pin là một vấn đề tối quan trọng. Do màn hình là linh kiện tiêu tốn nhiều điện năng nhất, các nhà sản xuất sẽ cần phải cân bằng giữa thời lượng pin và độ sắc nét màn hình.

Bởi vậy, sử dụng độ phân giải 2560 x 1440 pixel trên smartphone chỉ là một chiêu trò marketing của các nhà sản xuất smartphone. Không chỉ vượt ra ngoài khả năng phân biệt của mắt người, độ phân giải này còn mang tới quá nhiều cản trở về thời lượng pin và sức mạnh xử lý. 600 PPI là sắc nét quá mức cần thiết cho đại đa số người dùng và tăng mức PPI lên cao hơn 600 sẽ chỉ giúp các mẩu quảng cáo của Samsung thêm “bùi tai” mà thôi!

Theo Anandtech