以像素为单位构建我们的数字世界
2021 年 11 月 17 日
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我们的数字显示器是如何工作的？ 深入了解微小像素的科学原理。
撰稿：Tara Yarlagadda
插图：Jorge Peña
我们正处于一场数字革命之中，这场革命影响着我们生活的方方面面，但真正了解推动这个新信息时代的技术的消费者却少之又少。
从电视上喋喋不休的广告到闪闪发光的电脑屏幕，数字显示屏几乎涵盖了现代生活的方方面面。即使是相对较新的技术，如智能手机或平板电脑，也要依靠数字显示屏才能访问互联网，并与世界其他地方相连。
但是，如果没有一项令人难以置信的微观壮举，这些非凡的技术都不可能实现。
什么是像素？
简而言之：你在电脑、智能手机或任何其他数字显示器上浏览时看到的每一幅图像，都可以用一个被称为像素的小点来解释。如果放大任何数字图像，你会看到组成图像的微小瓦片--像素。
大多数标准像素的宽度仅为几分之一英寸，甚至不到一毫米。一幅图像需要数千甚至数百万个像素。从我们的智能手机到我们的平板电脑，像素是所有数字显示器的基本组成部分。
像素的历史
"像素 "是英语中一个相对较新的术语。该词首次出现在美国工程师弗雷德里克-克罗克特-比林斯利 1965 年撰写的一篇文章中。
比林斯利被誉为 "像素之父"，在加州理工学院喷气推进实验室工作期间，他为新兴的美国太空探索计划研究并开发了图像处理技术。比林斯利在 1965 年的一篇论文中创造了像素（Pix）和元素（element）的组合词。像素 "是 "图片元素 "的简称。
自比林斯利的研究以来，我们已经取得了长足的进步--不仅仅是计算机科学家和工程师的工作依赖于像素。你在社交媒体上滚动浏览的每一则广告，你在线假日购物车中的每一件商品，背后都有无数的像素，通过你点击鼠标或轻扫手指，创造了我们的数字世界。
像素是所有数字显示器的基本组成部分......"
研究员理查德-里昂（Richard Lyon）曾报道过比林斯利的作品，他总结了这个小像素对人类的惊人影响：
"随后，像素在计算机制图、显示器、打印机、扫描仪、照相机和相关技术领域变得无处不在，并具有各种有时相互冲突的含义"。
像素是如何工作的？
不过，像素的概念比比林斯利二十世纪的研究还要久远。事实上，像素起源于光波与色谱之间的相互作用，德国光化学家赫尔曼-沃格尔早在 19 世纪末就对这一问题进行了探索。
沃格尔对绿色和红色等色彩敏感度的研究为彩色摄影铺平了道路。我们提到沃格尔有一个重要的原因：要了解像素在现实生活中是如何工作的，就必须了解色彩是如何相互作用的。
将像素放大到足够近的距离，你会发现它包含了 RGB 混合色，RGB 是 "红绿蓝 "的缩写。每个像素包含红、绿、蓝三种交替的颜色条纹。所有这些颜色都会在放大镜下显现出来，但人眼受到的限制要大得多，因此我们会将每个 R、G 和 B 子像素的光量感知为单一的合并颜色。
通过改变这三种基本颜色的亮度--光强水平，并将它们组合在一起，我们就可以创造出一个具有数十亿种颜色的像素。你可能想知道，为什么一个像素包含红、绿、蓝三种颜色，而不是其他任何一组颜色。
随后，像素在计算机制图、显示器、打印机、扫描仪、照相机和相关技术领域变得无处不在......"
例如，大多数用于报纸和杂志的打印机都依赖于青色、品红色、黄色和黑色--如果你曾经为打印机购买过墨盒，你就会认识这四种颜色。但是，像素依赖 RGB 有两个具体原因，我们有必要解释一下这些原因，这样你就能掌握像素是如何工作的了。
首先：我们眼睛上对颜色敏感的锥状体在进化过程中，能比其他颜色更好地捕捉到与红、绿、蓝三色相对应的波长。
第二：当你把特定色调的红、绿、蓝混合在一起时，就会产生白光。将这三种颜色混合在一起，是制造白光和自然界中所有其他颜色的最有效方法。
你在屏幕上看到的每一样东西都可以归结为这三种颜色的某种组合。无论你是在玩电子游戏，还是在电子表格中编辑工作项目，你都依赖于一组从 RGB 分解并重新创建的颜色来显示在你的屏幕上。
因此，RGB 是像素的自然设置--我们视觉显示的蓝图。
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像素构成显示器分辨率
但为什么需要了解这些有关像素的信息呢？因为像素可以解释所有现代数字显示器的分辨率。
分辨率可以用每英寸像素表示，也称为 ppi 或 dpi。例如，500 ppi 表示每英寸 500 个像素。
无论是电脑屏幕还是 iPhone，摄影师和设计师都会调整图像大小，以适应特定的显示屏。实际上，显示器的像素越高，图像就越清晰。
从逻辑上讲，我们可以理解这一概念。一张包含一千个像素的猫的图像，其清晰度不如包含五千个像素的图像，后者能提供更多细节。换一种说法：对于特定尺寸的显示器来说，像素越多，像素密度或分辨率就越高。
......像素可以解释所有现代数字显示器的分辨率"。
例如，一台廉价的 13 英寸 Windows 笔记本电脑的分辨率可能是 1366 x 768 像素，而更好的笔记本电脑的分辨率为 1920 x 1080 像素。更进一步说，如果将 2,500 万个红、绿、蓝子像素混合在一起，那么 RGB 像素总数将达到 830 万个，这对于一台现代超高清电视来说已经足够了。
如果您仍然感到困惑，研究员理查德-里昂（Richard Lyon）用这样一句简单的话有效地概括了分辨率和像素之间的区别："分辨率是你应该测量的东西，而像素是你应该计算的东西"。
有哪些不同类型的显示器？
所有数字显示器都依靠像素的 RGB 框架工作，但并非所有显示器的工作方式都相同。这些显示器中的技术有几十种令人困惑的简称，包括 LED、OLED、QLED、CRT 和 LCD。
您不需要了解所有这些技术背后的具体细节，但了解大多数消费产品中的两种基本显示器还是很有帮助的：透射式显示器（LCD、LED、QLED）和发射式显示器（等离子、OLED、microLED）。
构成显示器的技术各不相同，但这两种显示器都依靠像素来完成工作，让我们在屏幕上看到图像。
在透射式显示器中，像素可调节背光--像素背后的光源--使其能够阻挡或允许光线通过。透射式显示器中像素的功能就像房屋的百叶窗，可以打开和关闭，阻挡和允许光线通过，从而形成图像。
分辨率是你应该测量的东西，像素是你应该计算的东西"。
另一方面，发射式显示器无需背光源即可自行发光。
想象一下打开和关闭电灯开关的情形，这与像素在发射型显示器中的功能非常相似。
数字显示屏是如何变化的？
透射式显示器在阻隔光线方面并非百分之百有效，会让一些光线透过。但发射型显示器在像素关闭时会完全变黑，从而在屏幕上形成更好的对比度--更清晰的视觉显示。
但是，像 MiniLED 这样的现代穿透式显示器还有一个优势，那就是可以根据需要打开或关闭背光灯。通过有选择地调暗背光，透射式显示器可以产生与发射式显示器类似的暗对比视觉效果。
无论是哪种类型的显示器，最重要的一个因素就是光线质量。光线质量差会导致图像不清晰。如果你曾经坐在电视屏幕前看到模糊的图像，你就会明白这种感觉。根据 RGB 标准，显示器最好只产生红、绿、蓝三种颜色的光。
这就是为什么蓝色发光二极管不能带来理想的电视观看体验。LED 中的蓝光与一种材料混合，使人的眼睛看到的是白光。因此，白光必须通过滤光片才能产生独立的红、绿、蓝三色。最终的效果是：橙红或黄绿等不太精确的颜色。
透射式显示器的像素功能就像房屋的百叶窗......"
如果您想获得更好的观看体验和纯正的 RGB 色彩，最好选择透射式 LCD 显示器。这种显示屏背光源的全蓝色 LED 发出的光不经过滤光片，而是与称为量子点的功能混合，产生真正纯净的 RGB 白光。液晶像素中的液晶进一步增强了像素精确控制光线的能力。
一些发射式显示器也能为现代消费者提供相对良好的观看体验。2021 辐射式 OLED 电视最初使用蓝光和黄光，然后将这些光通过滤光片，生成 RGB，这与 LED 液晶显示器非常相似。
但与 LED 电视不同的是，OLED 电视增加了一个白色子像素，从而使光线更亮，效率更高，但在此过程中有时会牺牲精确的色彩。虽然理论上发射式显示器效率更高，显示的视觉对比度更好，但在现实世界中，透射式和发射式显示器各有优缺点。
随着量子点技术的进步，我们的数字显示器也将不可避免地发生变化。但只要你了解图像背后的像素工作原理，你就能跟上不断变化的技术。
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