Nejjednodušší e-ink se dvěma pigmenty
Nejstarším, nejlevnějším a technologicky nejjednodušším typem klasického e-inku je základní dvoubarevný displej. Jeho pixely tvoří drobné mikrokapsule, které jsou naplněné viskózní olejovou kapalinou a drobnými černými a bílým částečkami. Mají průměr zhruba jako lidský vlas a odlišný elektrický náboj.
E-ink s vertikálním dělením pigmentu
Horní plochu pokrývá vodivý film společné transparentní elektrody, která má zpravidla napětí 0 V. Spodní vrstvu pod mikrokapsulemi pak vyplňují řídící elektrody, na kterých ovládací obvod nastavuje napětí s polaritou, která má zajistit kýžený směr toku částic. Jednou z typických hodnot je -15 V a +15 V pro co nejrychlejší přeskupení.
Kladně nabité částice poté v buňce stečou k zápornému pólu, záporně nabité částice ke kladnému, a jelikož má pigment dostatečně sytou barvu, mikrokapsule se během okamžiku zbarví odstínem, který převládne v její horní části.
Nejlevnější doupigmentový e-ink pod lupou
Jakmile je separace pigmentu (tzv. elektroforéza) dokončená, můžeme napájení elektrod klidně vypnout a šetřit energii. Dostatečně viskózní kapalina v nitru mikrokapsule totiž částice udrží ve stejném stavu klidně i celé roky.
Podívejte se na separaci pigmentu pod lupou:
Ve videu se vykreslují dva čtverečky s rozměry 5×5 pixelů. Zapamatujte si tu rychlost, dvoupigmentové displeje jsou totiž díky své jednoduchosti zároveň zdaleka nejrychlejší.
E-ink s horizontálním dělením v mikrokapsuli
Základní dvoupigmentový displej sice funguje, samotné mikrokapsule jsou ale přece jen relativně rozměrné, a tak inženýry napadlo, že jejich konstrukci a řídící elektrody upraví takovým způsobem, aby se mohl pigment v nitru buňky přeskupovat nejen vertikálně, ale také horizontálně jako na schématu níže.
E-ink s vertikálním i horizontálním dělením pigmentu
Díky tomu může jedna mikrokapsule zobrazit na povrchu oba pigmenty, čímž lze dosáhnout ještě vyššího a jemnějšího rozlišení, no a pokud budou mikrokapsule dostatečně malé, střídáním černých a bílých ploch s různým odstupem lze pomocí ditheringu simulovat i různé odstíny šedi.
Stmívací e-ink
Horizontální dělení pigmentu se používá i ve speciálních stmívacích sklech na bázi elektronického inkoustu. Umí to třeba komerční E Ink JustTint. V tomto případě jsou řídící elektrody po stranách a displej by byl bez pigmentu prakticky průhledný.
Speciální typ e-inku pro stmavovací skla
On tam ten pigment ale je a integrovaný obvod nastavováním různých úrovní elektrického pole na elektrodách řídí rozprostření černých částiček v kapslích. Pokud se rozmístí do stran, displej bude téměř průhledný, no a pokud bude vyplňovat buňku, ztmavne.
Podívejte se na ukázku stmívacího e-inkového skla:
E-ink pro kreslící pero
Než se vrhneme na další typy klasických e-inků, představíme si ještě jeden způsob využití elektronického inkoustu s horizontálním dělením pigmentu, který používá třeba komerční vrstva E Ink JustWrite. V tomto případě způsobí přeskupení horní vrstvy pigmentu externí magnetický zdroj – hrot kreslícího pera.
Elektromagnetický e-ink pro kreslící tablety
Aktivní elektrická část s elektrodami se pak postará o to, aby se částečky opět přeskupily do původního stavu a kreslící plocha se tak vlastně vymazala.
Na obrázku vidíme klidový stav s bílým povrchem (vlevo) a vykreslení černé barvy v místě styku magnetického hrotu pera s displejem (vpravo). Bílý pigment se jednoduše odpudivou sílou přeskupil do stran a odkryl černý pigment pod ním.
Podívejte se na ukázku kreslícího e-inku (s opačně organizovanými pigmenty oproti schématu):
E-ink s mícháním odstínů šedi
Zpět ke klasickým zobrazovacím elektronickým inkoustům. Ukázali jsme si, že můžeme pigment elektricky nebo magnetický přeskupovat ve vertikálním i horizontálním směru, stejně tak ale můžeme pigment omezeně míchat. Míchání je mimochodem dalším způsobem, jak vytvořit různé úrovně šedi na černobílém e-inku.
Dvoubarevný e-ink, který mícháním pigmentu dokáže vytvářet různé úrovně šedé
Různé napětí na řídících elektrodách způsobí různé převrstvení opačně nabitého pigmentu. Pokud bude v horní části více bílého pigmentu (vlevo), kapsle bude světlejší. Pokud bude převažovat černý pigment, kapsle bude tmavší.
Míchání čtyř odstínů pod lupou
Tímto způsobem lze zpravidla namíchat až několik stabilních a diskrétních odstínů šedé škály. Na snímku pod mikroskopem vidíme čtyři hotové barvy. Krajní bílý a černý pigment doplňují právě dva odstíny šedi vytvořené jejich smícháním.
Odstíny šedi pomocí softwarového ditheringu
Pokud má e-inkový displej dostatečně vysoké rozlišení a DPI, vedle hardwarového ditheringu (horizontální dělení pigmentu přímo v buňce) a míchání černého a bílého pigmentu z předchozí kapitoly může výrobce zkusit štěstí ještě se softwarovým ditheringem – tedy už na úrovni obrazových dat, které do něj teprve pošleme.
Dvoupigmentový e-ink pod redakční lupou a černobílá fotografie bez ditheringu
Dvoupigmentový e-ink pod redakční lupou a simulace odstínů šedi pomocí ditheringu
Na obrázku výše vidíte pod lupou a v praxi přepočet barevné RGB fotografie na BW fotografii pomocí techniky Floyd-Steinberg, kterou e-ink mohl vykreslil jen jako bitmapu chytře rozložených a naprosto diskrétních tmavých a světlých pixelů.
Použitý 2,9" e-ink má k dispozici 296×128 pixelů, což stačí pro hrubou kresbu
V tomto případě jsem jako zobrazovací plátno použil dvoupigmentový 2,9“ displej s elektronickým inkoustem, který dokáže rozlišit pouze 296×128 pixelů. Na simulaci jemných odstínů šedi a vyhlazenou typografii je to samozřejmě příliš málo – pixely by musely být o řád menší –, k zobrazení hrubé fotografie to ale stačí.
Původní fotografie z Wikipedie v plných barvách RGB
Barevný e-ink s RGB filtrem
Černobílé e-inky postupem času doplnily i barevné. Na schématu níže vidíte dvoupigmentový černobílý displej s transparentní vrstvou CFA (Color Filter Array) v konfiguraci RGB+W. Pod ní se nachází běžný dvoupigmentový inkoust, který bude sloužit jako základní reflexní vrstva. Tato technologie je k dispozici třeba pod obchodním označením Kaleido.
E-ink s RGBW filtrem v rozsvíceném stavu
Když na povrch přeskupíme bílé částečky, světlo se od nich snáze odrazí a při cestě zpět se obarví filtrem stejným způsobem, jako byste na čtvrtku bílého papíru položili třeba červené sklíčko. Uvidíte červenou.
Přesouváním bílého a tmavého pigmentu pod různě barevné části filtru tedy e-ink s CFA rozsvěcuje a zhasíná subpixely podobným způsobem jako displej vašeho mobilu.
E-ink s RGBW filtrem pod lupou
Co se stane, pokud pod zelený, modrý a čirý (bílý) filtr přesuneme tmavý pigment? To si ukážeme v další kapitole.
Barevný e-ink s RGB filtrem
Zatímco v předchozí kapitole nám RGBW filtr zářil všemi barvami, protože jsme k povrchu přesunuli bílý pigment, na schématu níže vidíte situaci, pokud budeme chtít rozsvítit pouze červený kanál. Pod ostatními odstíny filtru tedy k povrchu přesuneme černý pigment s minimální světelnou odrazivostí.
E-ink s RGBW filtrem ve zhasnutém stavu až na červený kanál
Má to ale jedno úskalí. E-ink je z povahy věci stejně jako čtvrtka bílého papíru typ reflexního displeje, takže jen odráží ambientní světlo, které na něj dopadá. Z toho důvodu nemáme ani moc možností, jak si pohrát s intenzitou každého z kanálů. Sice jsme si ukázali, že můžeme míchat bílý pigment s černým a vytvářet šedou, schopnost reflexe světla ale i tak dramaticky klesne.
E-ink s RGBW filtrem pod lupou
Suma sumárum, prakticky všechny e-inky s CFA trpí omezeným gamutem a z toho plynoucím horším kontrastem a nižším jasem (i samotný filtr pohltí část fotonů). Na stranu druhou ale může být překreslení i velké plochy poměrně rychlé, protože na elektroforetické úrovni i nadále přeskupujeme jen dva pigmenty.
E-ink se třemi skutečnými pigmenty
Displeje s CFA sice dokážou namíchat stovky až tisíce relativně věrných odstínů RGB, ale jak už jsme si řekli, to vše za cenu snížení jasu a kontrastu. Řešením je další technologie s obchodním označením ACeP (Advanced Color ePaper), která konečně používá pigment s více odstíny. Rozdíl je propastný, červený e-ink totiž vypadá opravdu stejně, jako byste vzali do ruky rudý fix a začali s ním čmárat po papíře.
Základní e-ink typu ACeP se třemi diskrétními pigmenty
ACeP sice dokáže zobrazit jasné a vysoce kontrastní základní barvy, není ale automatickou náhradou za CFA, protože cenou za jasné odstíny je čas. Tento typ barevného e-inku je totiž opravdu tak trochu magie. V buňce se v různých úrovních vznášejí barevné vrstvy pigmentu, které ale neprohodíme několika málo elektrickými pulzy jako u dvoupigmentového displeje.
Namísto toho jich musí řídící jednotka provést celou sérii, přičemž po každém z nich se pigmenty s různými charakteristikami postupně dolují z hlubin na povrch a řadí sebe.
Vzorek se třemi pigmenty vedle sebe pod lupou
Doba překreslování podobného displeje se proto odvíjí od počtu barev a plocha může i desítky sekund, zdánlivě nelogicky a divoce blikat, jak se po každém pulzu citlivější část pigmentu vynoří na hladinu a zase zanoří. V tu chvíli se ale zároveň v nitru posunula o kousek výše i vrstvička méně citlivého pigmentu, kterou potřebujeme v co nejvyšším množství částic dostat až na povrch, no a zároveň chceme zachovat nějaké předvídatelné pořadí pigmentů pod sebou.
Podívejte se na video pod lupou, jak se vykresloval tříbarevný vzor:
Všimněte si, jak divoce displej bliká a jako by některé operace prováděl vícekrát po sobě, protože je v průběhu zdánlivě smaže (na povrch se dostane na pár okamžiků opět bílý pigment). Je třeba si ale uvědomit, že v tu chvíli se zároveň řadí pigmenty pod tímto bílým, který na závěr bez jejich porušení proteče do pozadí.
E-ink se sedmi skutečnými pigmenty
Jakmile se podařilo inženýrům zkrotit tři pigmenty, bylo jen otázkou času, kdy přibydou další. Dnes jsou tak v nabídce základní ACePy i se čtyřmi diskrétními pigmenty, anebo tento na obrázku, který jich zvládne vykouzlit rovnou sedm!
Vzorek se sedmi pigmenty vedle sebe pod lupou
Všimněte si, že vedle bílé, černé a červené pracuje ještě se zelenou, modrou, žlutou a oranžovou. Jsou to typické barvy mnoha reklamních poutačů a štítků, ke kterým je tento model určený.
Na snímku z redakční lupy si zároveň všimněte, že nám prakticky pod všemi diskrétními pigmenty trošku prosvítá žlutý. Jeho přítomnost potvrdí opět video, které ukazuje, jak komplexně a zdlouhavě se vykresloval vzorec s pěti barevnými čtverečky. Mimochodem, každý z nich má opět rozměry 5×5 pixelů.
Podívejte se na video pod lupou, jak se vykresloval sedmibarevný vzor:
Stovky odstínů pomocí barevného ditheringu
Stejně jako u dvoupigmentového inkoustu můžeme další odstíny dopočítat pomocí ditheringu, který použije rovnou sedm různých odstínů. Takže když se vrátíme k našemu záběru brněnského orloje, na 4“ ACePu se sedmi diskrétními pigmenty bude vypadat jako na snímku níže.
Sedmibarevný dithering na 4" e-inku ACeP
Pomocí ditheringu můžeme simulovat hromadu dalších odstínů, chtělo by to ale lepší algoritmus psaný na míru chování tohoto konkrétního displeje.
Výřez ze vstupního obrázku přepočítaného na sedmiodstínový dithering. Obsahuje pouze barvy, které dokáže zobrazit tento konkrétní e-ink
Právě při častém střídání různě pigmentovaných pixelů se totiž projevuje onen neduh prosvítající žluté (viz předchozí kapitola) , což se projeví zesílením zelené a úbytkem modré. Stručně řečeno, ditherovaný snímek má punc zažloutlé staré fotografie.
Podívejte se na video, jak složitě se vykreslovala scéna na fotografii:
E-ink s transparentním pigmentem CMYK
ACePy s několika diskrétními pigmenty to ale neskončilo, nejpokročilejší verze technologie původní nápad zcela přepracovala a umožňuje míchat tisíce odstínů.
ACeP s částečně průhlednými pigmenty CMY a reflexním bílým pigmentem
Jak je vidět na schématu výše, namísto RGB a několika dedikovaných pigmentů se používá standardní tiskařská svatá trojice CMY (Cyan – tyrkysová, Magenta – purpurová, Yellow – žlutá). Pigmenty C, M a Y jsou zároveň průhledné – plní roli filtru – a jako reflexní prvek slouží až jimi obarvený bílý pigment v pozadí.
Když tedy budeme potřebovat bílý pixel, bílý pigment se přesune nahoru. Když ale budeme chtít vidět žlutý pixel, přesune se do svrchní pozice žlutý pigment a pod něj se nasune reflexní bílý.
Když budeme potřebovat zelenou barvu, k povrchu se přesune tyrkysový a purpurový pigment, no a když černou, která nám v základním výčtu pigmentů chybí, přesunou se k povrchu všechny částečně transparentní částečky, jejichž smícháním natolik klesne průchod světla až k reflexnímu bílému pigmentu, že se nám bude pixel jevit jako černý.
Tento pokročilý ACeP se proto už svojí schopností míchat barvy CMYK reálně přibližuje barevnému tisku a je vhodný pro kresbu grafiky a pestrobarevných rastrů. Podle výrobce namíchá s pomocí ditheringu až několik desítek tisíc odstínů.
E-ink Solchroma s CMY inkoustem a pumpami
Zajímavým dokladem, že e-ink rozhodně není žádná strnulá a hotová technologie, která nikdy nepřekročí stín Kindlu a dalších knižních čteček, je nakonec relativně nová technologie Solchroma. Na první pohled se podobá ACePům s transparentním pigmentem.
Technologie Solchroma schopná míchat inkousty CMY
Původní částice nabitého pigmentu v oleji ale nahradil inkoust a soustava miniaturních lineárních aktuátorů, které do buňky vtlačí konkrétní barvu CMY, která je zrovna potřeba. Cílem mají být už větší plochy a reklamní poutače, na kterých prý bude Solchroma vypadat jako na papíře.
No, a to vše opět bez potřeby trvalého napájení, stejně jako u klasického elektroforetického displeje s e-inkem se totiž elektřina spaluje jen při změně – pohybu aktuátorů.
Na co jsme se to vlastně dívali?
Jelikož jsme se v článku věnovali především detailních záběrům pod lupou, v závěrečných kapitolách se podívejte na fotografie několika kompletních displejů, se kterými jsme dnes pracovali.
Základní dvoupigmentový 2,9" displej
Na tento displej jste se dívali hned v první kapitole. Jedná se o základní a laciný dvoupigmentový e-ink s úhlopříčkou 2,9" a rozlišením 296×128 pixelů na prototypovacím modulu od Wavesharu.
Kaleido s RGB filtrem CFA
Příkladem dvoupigmentového e-inku s povrchovým RGB filtrem CFA jsou zase displeje prodávané pod obchodní značkou Kaleido.
Dvoupigmentový e-ink s RGB filtrem Kaleido
ACeP s třemi diskrétními pigmenty
Pro simulaci odstínů šedi pomocí dvoupigmentového ditheringu a pro zobrazení trojice čtverečků s bílým, černým a červeným pigmentem jsme použili 2,9" třípigmentový e-ink typu ACeP s rozlišením 296×128 pixelů na prototypovacím modulu od Wavesharu.
Třípigmentový 2,9" displej ACeP
ACeP se sedmi diskrétními pigmenty
Technologii sedmi diskrétních pigmentů jsme si vyzkoušeli na 4,01" e-inku ACeP s černým, bílým, modrým, zeleným, červeným, oranžovým a žlutým pigmentem a rozlišením 640×400 pixelů. I v tomto případě se jedná o prototypovací modul pro snadné připojení třeba k Raspberry Pi od asijského Wavesharu.
Sedmipigmentový 4,01" displej ACeP
ACeP s transparentním pigmentem CMY
Špičkou mezi e-inky, co se věrnosti barev týče, je konečně nejvyšší řada ACeP s bílým pigmentem, který slouží jako reflexní vrstva, a trojicí částečně transparentních pigmentů C,M a Y, které společně slouží k míchání a ditheringu až 32 000 odstínů tiskového modelu CMYK.
Nejpokročilejší verze technologie ACeP
Jak funguje e-ink, aby to pochopila i vaše babička. Ten barevný je už na hraně magie - Živě.cz
Read More
No comments:
Post a Comment