Wyświetlacze HiDPI i Retina – wszystko, co powinieneś wiedzieć o gęstości pikseli w epoce monitorów 4K

Obserwując trendy na rynku monitorów LCD w latach 2005-2010 można było zauważyć szybkie przejście z monitorów o tradycyjnych proporcjach na monitory szerokoekranowe. Obecnie panuje tendencja do produkowania monitorów o większych wyświetlaczach i wyższych rozdzielczościach.

W 2014 roku najlepiej sprzedającym się monitorem LCD był model o przekątnej 23″ z wyświetlaczem full HD w rozdzielczości 1920 x 1080. Monitory 4K o cztery razy większej rozdzielczości cieszą się jednak coraz większą popularnością. Ponadto pojawił się nowy trend polegający na zapewnieniu wyższej rozdzielczości (dzięki większej gęstości pikseli) bez zwiększania rozmiaru ekranu.

Ten artykuł omawia związek między rozdzielczością a rozmiarem ekranu, a także gęstość pikseli oraz najnowsze trendy w tej technologii.

Uwaga: poniższy tekst jest tłumaczeniem artykułu ITmedia zatytułowanego „ITmedia LCD Monitor Course III: Confused about HiDPI and Retina display? Understanding pixel density, an essential element in choosing displays in the age of 4K”, opublikowanego 11 grudnia 2014. Copyright 2014 ITmedia Inc. Wszystkie prawa zastrzeżone.

Co więcej, w niektórych przypadkach nawet przesyłanie obrazu 4K 60 Hz przez złącze  DisplayPort 1.2 może powodować problemy. Choć nie są one powszechnie znane, istnieją dwa systemy transmisji obsługujące wyświetlanie obrazu 4K z częstotliwością 60 Hz: MST (Multi Stream Transport) oraz SST (Single Stream Transport).

W przypadku systemu MST system operacyjny rozpoznaje sygnał 4K jako dwa ekrany w rozdzielczości 1920 x 2160, wobec czego potrzebny jest sterownik procesora graficznego, aby połączyć je w jeden. W zależności od wersji używanego procesora graficznego i sterownika mogą występować problemy takie jak długi czas renderowania po lewej i prawej stronie ekranu oraz brak możliwości pracy w środowisku wielomonitorowym.

Dawniej sygnał wideo był celowo dzielony na dwa ekrany na potrzeby transmisji, ponieważ zasób skalerów (chipów do przetwarzania wideo) przysyłających sygnał 4K 60 Hz jako pojedynczy ekran był mniejszy niż zasób paneli LCD 4K. Z tego powodu wczesne monitory 4K musiały korzystać z systemu MST.

Dla odmiany system SST (Single Stream Transport) potrafi przysłać obrazy w rozdzielczości 4K jako jedną całość, dlatego pozwala wyświetlać obraz 4K 60 Hz bez wewnętrznej syntezy obrazu lub innego przetwarzania. Choć system SST nie sprawia problemów wynikających z rozdzielenia sygnału na dwa ekrany, jak w przypadku MST, niektóre urządzenia ze złączem DisplayPort 1.2 mają karty graficzne, które go nie obsługują. Z tego powodu przed zakupem karty graficznej należy upewnić się, czy jest kompatybilna z systemem SST.

System SST został wykorzystany m.in. w monitorze EIZO FlexScan EV3237 31,5″ 4K.

Problemy związane z kompatybilnością prawdopodobnie rozwiążą się w niedalekiej przyszłości, kiedy monitory 4K wejdą do powszechnego użytku i zaczną być obsługiwane przez większość procesorów graficznych i sterowników. Oczywiście te ograniczenia dotyczą wyłącznie wyświetlania obrazów 4K z częstotliwością 60 Hz – bieżące standardy HDMI 1.4a i DVI Dual Link w zupełności wystarczą, aby wyświetlać obrazy 4K z częstotliwością 30 Hz.

Różnice w gęstości pikseli powodują różnice w wyglądzie wyświetlanych obrazów. Pokazana powyżej grafika to powiększona czcionka w rozmiarze 10pt, a grafika pod spodem to powiększona miniatura zdjęcia. Przy gęstości 96 ppi piksele obrazu są bardzo niewyraźne, natomiast przy gęstości 192 ppi widać znaczną poprawę jakości. Przy gęstości 384 ppi obraz jest regularny i nie widać na nim ziarnistych pikseli czy postrzępionych krawędzi.

Obecnie panuje tendencja do zwiększania gęstości pikseli, a jednym z najmodniejszych ostatnio tematów są wyświetlacze ekranowe o wyjątkowo wysokiej gęstości pikseli z wysoką rozdzielczością 4K i ekranem o przekątnej 24-27 cali. Z początku ten rodzaj wyświetlaczy interesował wyłącznie klientów szukających rozwiązań z najwyższej półki, ale w 2014 roku do sklepów zaczęły trafiać tańsze urządzenia tego typu, przyciągając uwagę szerszej grupy zwykłych użytkowników.

Przy wyborze takiego monitora należy wziąć pod uwagę nowe podejście do pojęcia rozdzielczości, wynikające z dynamicznego zwiększania gęstości pikseli.

Większość monitorów komputerowych ma gęstość pikseli 96 ppi, pasującą do standardowej gęstości 96 dpi (dots per inch), z jaką wyświetlany jest interfejs pulpitu Windows. Standardowa gęstość nowego ekranu startowego i innych elementów interfejsu Modern UI dla Windows 8 i nowszych wersji to 135 dpi (z automatycznym przełączaniem między 100%, 140% i 180% w zależności od gęstości pikseli wyświetlacza), ale standardowa gęstość dla interfejsu pulpitu to nadal 96 dpi.

Do tej pory monitory tworzono przy założeniu, że system operacyjny i aplikacje będą wyświetlane ze stałą gęstością 96 ppi (dla Windows). To założenie opierało się na standardzie 96 dpi, a ponieważ rozmiar ekranu zwiększył się wraz z rozdzielczością paneli LCD, łatwo było dojść do wniosku, że im większa rozdzielczość, tym większa powinna być przestrzeń robocza.

Przyjęto więc zasadę, że im większa gęstość pikseli, tym większa ostrość przy wyświetlaniu systemu operacyjnego i aplikacji. Nie zdarzyła się sytuacja, w której gęstość pikseli byłaby za wysoka, by stosować ją w praktyce, więc nie pojawiły się żadne problemy. W zależności od gęstości pikseli ikony i tekst były większe lub mniejsze, ale wystarczająco ostre, by użytkownik mógł je bez problemu odczytać.

Tak wygląda tradycyjne podejście do wyświetlaczy LCD. Rozmiar ekranu zwiększył się wraz z rozdzielczością paneli LCD – w efekcie większa rozdzielczość oznaczała, że przestrzeń robocza i ilość danych wyświetlanych jednocześnie na ekranie były większe.

Po lewej stronie znajduje się kwadratowy ekran SXGA 17” (1280 x 1024), a po prawej szeroki ekran WUXGA 24,1″ (1920 x 1200). Jak widać, wyższa rozdzielczość i większy ekran dają dużo większą przestrzeń roboczą. Jednak w przypadku monitorów 4K o wysokiej gęstości pikseli wyższa rozdzielczość (liczba pikseli) nie zawsze oznacza większą przestrzeń roboczą. Gęstość ekranu (dpi) dla interfejsu Modern UI, systemu operacyjnego i aplikacji w Windows 8 i nowszych wersjach nie jest stała. Innymi słowy, można ją zmienić nawet przy jednakowym rozmiarze ekranu. Funkcja skalowania systemu operacyjnego pozwala bez problemu powiększyć wyświetlany obraz.

Największą zaletą tego rozwiązania jest możliwość uzyskania bardzo wysokiej ostrości obrazu. Można np. powiększyć obraz wyświetlany na monitorze 24” UHD 4K tak, aby przestrzeń robocza odpowiadała standardowi 24″ full HD. UHD 4K (3840 x 2160) ma dwa razy większą rozdzielczość w pionie i w poziomie niż full HD (1920 x 1080), a więc w tym wypadku potrzebne jest skalowanie do 200%.
Jeden piksel systemu operacyjnego, które tradycyjnie był wyświetlany jako jeden piksel na panelu LCD, jest tu reprodukowany jako 4 piksele i w połączeniu z funkcją skalowania pokazuje dobrej jakości, płynne obrazy.

Monitor EIZO FlexScan EV3237 31,5″ obsługuje standard UHD 4K i oferuje wysoką gęstość pikseli (ok. 140 ppi), która gwarantuje płynne, ostre obrazy na dużych, zewnętrznych wyświetlaczach.  Ma także szeroki ekran o przekątnej 31,5″, który zapewnia dużą przestrzeń roboczą. Obrazy wyświetlane na monitorach 4K o przekątnych 23,8″ i 28″ są jednak zbyt małe, dlatego trzeba je powiększyć korzystając z funkcji skalowania system operacyjnego.

Tak wygląda różnica w wyglądzie obrazu spowodowana użyciem funkcji skalowania monitora FlexScan EV3237 (31,5″, 3840 x 2160, ok. 140 ppi). Obraz po lewej stronie jest w normalnym rozmiarze 100%, natomiast obraz po prawej został przeskalowany do rozmiaru 150%.

Powyżej pokazano przykładowy widok pulpitu na ekranie monitora FlexScan EV3237. Obraz w rozmiarze 100% pozwala w pełni wykorzystać rozdzielczość 3840 x 2160 w standardzie UHD 4K, ale gęstość pikseli wynosi ok. 140 ppi, a rozmiar piksela ok. 0,18 mm, wobec czego obraz oglądany z normalnej odległości wydaje się bardzo mały.(zdjęcie po lewej). Po przeskalowaniu obrazu do rozmiaru 150% przestrzeń robocza staje się mniejsza, ale tekst i ikony stają się lepiej widoczne (zdjęcie po prawej).

Należy jednak pamiętać, że zmniejszenie współczynnika powiększenia w celu uzyskania większej przestrzeni roboczej podlega pewnym ograniczeniom.

Po lewej pokazano monitor FlexScan EV3237 (31,5″, 3840 x 2160, ok.140 ppi), a po prawej FlexScan EV2436W (24,1″, 1920 x 1200, ok. 94 ppi). Gdy obraz monitora FlexScan EV3237 jest przeskalowany do 150%, tekst i ikony wyglądają mniej więcej tak samo jak na nieprzeskalowanym monitorze FlexScan EV2436W. Ten wygląd jest zbliżony do standardu Windows Desktop UI, czyli ok. 96 dpi, co zapewnia równowagę między ostrością obrazu a przestrzenią roboczą. Nawet po przeskalowaniu obrazu do 150%, aby w pełni wykorzystać szeroką przekątną ekranu 31,5″, użytkownik nadal ma do swojej dyspozycji dużą przestrzeń roboczą.

Powyżej widać okno ustawień funkcji skalowania w systemie Windows 8.1. Jeśli użytkownik wybierze opcję „Extra large – 200%” dla UHD 4K, tekst I ikony będą miały taki sam rozmiar jak dla standardu full HD wyświetlanego na ekranie o identycznych wymiarach. Można również ustawić rozmiar tekstu niektórych elementów ekranu zamiast zmieniać rozmiar całego pulpitu.

Pojawienie się monitorów 4K i innych wyświetlaczy o wysokiej gęstości pikseli oraz obalenie mitu, że wyższa rozdzielczość oznacza większą przestrzeń roboczą nie zmieniło faktu, że rozmiar ekranu nadal ma na tą przestrzeń duży wpływ. Porównanie wymiarów papieru pozwala łatwiej zrozumieć to zagadnienie w odniesieniu do wydajności pracy. Poniżej podano najbardziej popularne rozmiary stron, które można przyłożyć do ekranu dla porównania.