视网膜屏幕的那些事 详解LCD的终极兵器
从iPhone 4开始，Retina视网膜屏幕带来的优秀视觉感受就让很多玩家沉醉其中，现在，新iPad同样延续了这一利器，更是引发了大家关于新iPad是否值得买的争论。那么，究竟视网膜屏幕为何如此命名，具体有哪些优势，带来了怎样的问题？本文将为你带来答案。
苹果在iPhone 4开始引入的Retina视网膜屏幕给业界带来了一股变革之风，这种屏幕拥有极高的像素密度，号称超越人类视网膜分辨能力的极限，可以提供平滑如镜的真实观感。不过此前这种屏幕也只是用在小尺寸的手机屏幕上，缺乏普遍性。直到新一代iPad发布，才真正意味着大尺寸视网膜屏幕的到来。不仅如此，据称苹果公司还打算在新一代Macbook Pro机型中全面导入超高分辨率的视网膜屏幕，而华硕等PC厂商也计划在新一代超极本中引入视网膜屏幕。毫无疑问，视网膜屏幕将成为下一代笔记本电脑和平板产品的升级热点。
然而，升级到高分辨率视网膜屏幕并不像以往常规硬件升级一样简单。在高分屏下，图像、文字等显示目标的尺度都会相应缩小。如果和以往采用同样的字号，视网膜屏幕的像素密度会导致文字小如蝇腿、观看的体验下降；而网页内容大多是1024×768分辨率设计，高分屏下如不缩放，内容区域的面积也会变小。当然，新iPad没有遭遇这个问题，这是因为苹果iOS系统本身为之作了优化，应用程序也都引入相应的Hippi放大模式；同样，新一代OS X——Mountain Lion系统也引入了这种模式，以便Macbook Pro机型不会遇到麻烦。
我们在新iPad上看到视网膜屏幕的优缺点：极高的画面细腻度，优越的视觉效果以及高分屏所导致的高功耗，那么这种屏幕会成为LCD业界的新热点么？对于这个问题，我们将会进行深入详尽的分析。
为何叫视网膜：LCD的分辨率极限与人眼的极限
人类的视觉系统，是将外部的光线收集于视网膜、形成图像，之后产生的神经刺激到达大脑的视觉中枢，由此产生视觉效应。视网膜（英文为Retina）居于眼球壁的内层，是一层透明的薄膜。视网膜由色素上皮层和视网膜感觉层组成——如果你通晓LCD显示屏的结构，便会发现这二者出奇相似：色素上皮层类似于LCD的色彩膜，感觉层则好比是负责光通断的TFT-LCD层。当然视网膜的精细度非人造的LCD可比，比如它一共拥有600万视锥细胞和1.25亿视柱细胞，相比之下，LCD的像素数可以说是“屈指可数”。
人眼的视觉系统，与照相机的成像原理非常类似。
我们先来看看视网膜成像的原理。有人把眼球比做一架活的照相机，这是较恰当的。照相机有镜头、光圈、暗箱、底片和调节装置。人眼的结构和照相机相似，角膜和晶状体相当于镜头，瞳孔相当于光圈，脉络膜相当于暗箱，视网膜则相当于底片。
自然界各种物体在光线的照射下，不同颜色可以反射出明暗不同的光线，这些光线透过角膜、晶状体、玻璃体的折射，在视网膜上显出景物的影景象（倒立的像），构成光刺激。视网膜上的感光细胞（圆锥和杆状细胞）受光的刺激后，经过一系列的物理化学变化，转换成神经冲动，由视神经传入大脑层的视觉中枢，经过大脑皮层的综合分析，产生视觉，人就看清了景物（正立的立体像）。
作为一种生物结构，人眼对微小事务的观察是有极限的。比如说人无法直接用肉眼看到分子、原子的运动，我们所能分辨出的微小尺度，也就是人眼的视觉极限。这个数值与观察距离也有关系，人们都有这样的经验，如果两个物体靠得太近，人眼就不能正确地区别它们了。这又是为什么呢？原因在于人眼的瞳孔直径是有限的（在1.4mm到8mm之间可以调节），而物体发出的光波在经过瞳孔时都会产生不同程度的衍射现象，每个物点都会在视网膜上形成一个弥散开的光斑，当两个物点在视网膜上各自形成的弥散光斑互相重迭到一定程度，人眼就无法分辨出这两个物点了。在正常情况下，眼睛的分辨物体细节的能力就叫分辨率。
人眼的分辨率指标并不是由ppi（每英寸像素）来确定的，而是由分辨角决定—分辨角就是指刚好能分辨开的两个物点、对瞳孔中心形成的张角，它与光波的波长成正比，与瞳孔的直径成反比。在正常可见光下，眼睛的分辨角约为3分，这相当于在1k m远处相距为75cm的两个物点，也相当于在明视距离（一般的眼睛看眼前25cm处的物体是不费力的，称这个距离为明视距离）上、相距为0.2mm的两条线。因此，人眼在明视距离上的分辨率是每毫米范围内显示5对线，超过这个数就无法分辨。
如果显示屏的分辨率达到一定的尺度，在明视距离内，人眼再也无法观察出任何颗粒感，屏幕中所显示的画面，都是平滑如镜、与鲜活的真实完全一致——假如这块屏幕拥有同样超越人眼极限的色域，加上良好的亮度，就可以达到欺骗人眼的效果，让眼睛认为这就是真实物体的图片，而不会觉得画面不够细腻。我们认为，这种境界将是未来数十年里显示设备领域所追求的方向。
哪一种屏幕可以达到“视网膜”标准
苹果在带来iPhone 4的时候，向外界展示它拥有名为“Retina”的高分辨率液晶屏，这种屏幕在3.5英寸（对角线长度）的屏幕内做到了960×640的分辨率，显示精度达到326ppi，这不仅相当于上一代产品的四倍、更远超了常规的LCD显示产品。乔布斯将其称为“Retina”视网膜屏幕，苹果的公关介绍视频则表示这种屏幕的分辨率达到了人类视网膜的极限。
我们必须意识到一点，视网膜屏幕更多是产品宣传上的说辞，而非科学的结论。苹果对外界传达了这样的理念：这种屏幕分辨率远超于同类产品，超越了人眼视觉的极限。当然，他们并没有考虑视距的问题。对此，美国犹他大学的视网膜神经学家布莱恩?琼斯（Bryan Jones）有过深入的研究。布莱恩认为，对于健康无损的肉眼来说，我们的视网膜分辨极限，大约是每度120像素（针对白黑线条交织的图像）。假设眼球的名义焦距为16mm，那么，观察细节的佳视距（从眼球至物体）大约在 12 英寸（约30.5 厘米），而这个距离作为用户使用 iPhone 时距屏幕的通常视距亦是合理的。通过换算，可以得出正常人眼可以区分的像素密度约为287ppi。而iPhone 4的像素密度指标达到326ppi，显然远远超过了这一标准。
我们再来看看新iPad，它的像素密度指标为264ppi、比287ppi的指标有些差距，但人们在使用iPad时的距离一般较手机远不少，所以新iPad依然可以轻松地达到视网膜屏幕的学术标准。依照这样的算法，我们可以看看下列产品是否能符合Retina视网膜屏幕的标准：根据表1，我们其实可以看出，除了iPhone 4和新iPad外，还有许多产品能达到或接近视网膜屏幕的视觉效果，比如华硕的Transformer平板电脑。很多苹果电脑已经非常接近视网膜屏，例如27英寸iMac，17英寸Mac Book Pro，11英寸Mac Book Air。这些产品与同尺寸的P C产品在屏幕配置上其实没什么不同，目前市面上那些拥有高分辨率的产品，其实都能达到Retin a的视觉标准，比如联想Think Pad W520这样的，拥有1920×1080高分辨率、像素密度比17英寸Mac Book Pro还高的机型以及笔者所用的X61改装1400×1040 AFFS高分屏，其实都达到这个标准了。
因此，是否在学术上达到Retina分辨极限，其实无关紧要，苹果所传达的理念更多在于：拥有极致细腻程度的超高分辨率，提供更舒适的视觉体验，而普通用户对于这类直观的体验提升总是很买账。受到iPhone4和4S两代机型的带动，高端智能机产品也都纷纷配备了高分辨率的屏幕，提供清晰细腻的视觉效果。但在大尺寸的PC显示器领域，高分屏的应用依然被认为缺乏必要性——假如你熟悉联想ThinkPad W520这类旗舰机型，便知道高分屏意味着什么，它在带来细腻的图像效果的同时，也会让文字小如蝇腿，加重眼睛的负担。
比如这一代W520机型的15.6英寸屏幕拥有1920×1080的分辨率，文字已经十分细小。而苹果拥有软硬一体的优势，可以在系统配合上完美解决这个问题。新一代iPad在区区9.7英寸屏幕中做到2048×1536的超高分辨率，但文字显示大小保持不变，只是同样的文字由更多的像素点构成，体现在视觉上就是画面变得更为平滑精致。
有消息表明，苹果即将发布的下一代Mac book Pro机型将全面采用Retina高分屏，配套的OSX Mountain Lion系统也引入高ppi模式，并实现对高分屏的支持。显然，苹果这一代打算继续引领风潮，创造更多的与众不同，以继承从乔布斯以来不从众的风范。
为何视网膜屏幕难以制造？
Retina级别的高分屏固然可以做到更细腻的显示效果，但它也存在许多致命的弊端。首先，这种高分屏需要专门定制，成本颇为高昂，只有财大气粗如苹果，才有能力抛出大单让LCD制造商唯其马首是瞻。寻常的PC厂商，因为产品价格的限制，大多数只能被动地接受普通LCD产品。其次，这种高分屏的良率相对更低，很难保证足够的产量，这也在某种角度推高了成本。不过，大的麻烦还不是这两点，高分屏由于结构的限制，往往很难实现满意的亮度指标，功耗又比常规产品高出许多——在缺乏强有力需求的情况下，LCD制造商显然不会花费心力朝视网膜屏幕领域进军。所以，直到苹果需求的到来，产品格局的版图才被改变。
视网膜屏幕具有更小的像素点，图像细腻度显著提升，但付出代价就是需要更大尺寸的图像源处理器，对硬件系统的处理能力带来更大的负担。
在了解高分屏为何难以制造之前，我们有必要简单阐述LCD像素的结构—关于LCD的结构原理，之前本刊已经有过大量的介绍，此处就不再赘述，我们直接从像素入手。LCD的像素实际上是人为划分的，每个像素就好比一个个方格子，一个方格子中又包含红、绿、蓝三个小格。屏幕的分辨率越高，容纳的格子数量就越多，每个格子的尺寸就越微小，这应该很容易理解。
单个LCD像素，分为红、绿、蓝三个像素格，而薄膜电极和线路则在其后，像素点越小，相对来说薄膜电极和线路所占的面积比越大，对亮度的影响也越大。
那么，这种“格子”是如何产生的呢？我们知道，LCD本身是不发光的，它只能在电压的作用下，打开或者关闭，让光线投射或者不透射。为了控制每个一格子，这些格子都必须对应独立的控制电路——红、绿、蓝小格各自都拥有一个控制器。现行的LCD都采用TFT（Thin Film Transistor，薄膜场效应晶体管）技术，显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜电极进行控制。
然而，薄膜电极本身必须占据一定的面积，而它又会对光线起到遮挡作用，如果在一个像素点中，薄膜电极占据的面积越大，能透过的光线比例就越低，对应来讲就是屏幕越暗。另一方面，像素点越小，每个薄膜电极与信号线的距离就越近，很容易产生各种型号干扰问题。因此，像素点的尺寸，不可能无限制的缩小，而受到制造工艺的制约，薄膜电极的尺寸在过去这些年都没有太大的改观。所以我们可以看见，LCD显示器虽然变得越来越廉价，但它们的分辨率指标几乎是停步不前的。
倘若要做到高分辨率，那就意味着要减少单个像素点的尺寸，薄膜电极的尺寸也必须尽可能降低，如此才可能获得理想的显示性能。那么在苹果的Retina显示屏中，又是采取哪一种技术方案呢？
苹果视网膜屏幕的关键技术
夏普和日本JSR（全球大TFT-LCD用彩色光阻制造集团）在几年前开发的超高孔径技术（Super High Aperture）居功至伟。这项技术的作用就是，通过降低薄膜电极占用的空间，来提高像素格的开口率，做到高分辨率就成为可能。
我们知道，在传统的液晶面板中，信号传输的线路和控制液晶的氧化铟锡透明电极处于同一个平面上，随着像素密度的提升，信号线路和电极间的距离就会越来越靠近，信号干扰问题也就随之出现。而SHA技术采用立体的方式来解决问题：信号线紧贴着LCD像素格，然后在信号线之上再覆盖一层透明的树脂层，再利用光蚀刻技术绘制出透明电极。如此一来，信号层与透明电极层就被树脂所分隔，这样做可以显著降低薄膜电极的占用空间，加强每个像素的透光率，同时也避免了信号干扰。
视网膜屏幕的像素排列，新技术使之拥有超高孔径，做到高密度成为可能。
即便对于非高分屏，SHA超高孔径技术也有积极的意义，起码的一点，它可以让显示器变得更加明亮，这样我们可以降低背光的功率就达到相同的显示效果，也就是制造出更为节能的显示器。同理，超高孔径允许像素点变得更小，并做到超高分辨率。
除了SHA技术外，夏普还采用IGZO技术来制造新iPad的视网膜屏幕——IGZO(indium gallium zinc oxide) 是一种含有铟、镓和锌的非晶氧化物，载流子迁移率是非晶硅的20～30倍，可以大大提高TFT对像素电极的充放电速率，提高像素的响应速度，实现更快的刷新率，同时更快的响应也大大提高了像素的行扫描速率，使得超高分辨率在TFT-LCD中成为可能。另外，由于晶体管数量减少和提高了每个像素的透光率，IGZO显示器具有更高的能效水平，而且效率更高。整体而言，IGZO-TFT面板在技术上看来相当完美：它的功耗接近OLED，成本则比它更低；厚度也只比OLED只高出25%，将LCD的性能指标推向终极。
日本东京工业大学细野秀雄先提出将IGZO材料用于薄膜晶体管中，夏普公司则将这种构想变成现实。到目前为止，除夏普之外，大多数台湾面板厂商也有能力生产IGZO面板，只是由于目前技术工序繁杂，在现有普通非晶硅TFT-LCD工艺下，IGZO-TFT面板的良品率仍然不高。因此仅仅是夏普的产能也无法满足苹果新iPad的庞大需求。
因为担忧这个因素，苹果还为新iPad选择了其他的LCD供应商：韩国的LG和三星。LG的IPS屏幕技术在移动领域占据50%的份额，三星公司则占据35%的市场，不过它们为新iPad生产的屏幕依然基于传统的a-Si非晶硅TFT技术，而视网膜屏幕要求的256ppi像素密度也要求达到a-Si非晶硅TFT技术的密度上限。
苹果A5X处理器，芯片规模增大、性能提升，但更多是为了让新iPad能流畅显示图像。
无论是哪一套解决方案，都无法避免屏幕输出亮度锐减的事实。为了获得良好的显示效果，苹果不得不为新iPad的屏幕配备了两倍数量的LED光源，这也意味着显示屏将消耗更多的电力，电池续航力受到威胁——苹果的解决方案就是将电池容量从iPad2的6944mAh提升到新iPad的11666mAh，几乎翻了一倍。
在这三套复杂的措施合力下，苹果新iPad做到了256ppi的高分辨率、同样的亮度输出以及相当的电池续航力。付出的代价则包括：较高的成本以及新iPad机体号称可以煎蛋的发热量。当然，高热量的来源不仅仅是屏幕本身，更大电池、芯片等部分带来的热量也是其中的一部分。而在实际使用中，如果并非持续3D游戏或者其它高负载应用，其实也并没有网上说的那么夸张。
视网膜屏幕风潮带来的挑战
新iPad和Macbook Pro的视网膜屏幕无疑将给业界带来一场追逐高分辨率的风潮，这显然也是“勇敢者的游戏”。高昂的成本、过高的功耗、不够稳定的品质都考验着用户的耐心和设计者的实力。
挑战1：这到底是不是用户关心的？
即便超高分辨率有着细腻度优势，但我们并不认为桌面PC一定会跟进。绝大多数的用户并不会觉得当前的显示产品分辨率过低，更多的不满集中于LCD产品低劣的色彩品质，这也是当前显示产品亟需改进的方面。对平板厂商来说，既然跟风视网膜屏幕可能并不是个好主意，传统的IPS屏无疑是更务实的选择。当然，平板厂商可以选择比往常略高一些的分辨率，更宽广的色域空间、以提供更丰富的色彩，同时可以做到更出色的亮度显示——用户一般会在户外更频繁地使用平板，高亮度对于使用体验有着显著的提升，这也远比新iPad的Retina超高分屏幕来得有用。
我们可以看到，这一轮新iPad的上市，并没有引发往日排队膜拜的热潮，冷清的反应与前两代产品上市时构成鲜明的对比。其原因便在于，面对新iPad的Retina超高分屏幕，我们在30cm距离并不细致地观看时，细腻度并不会比iPad2有明显的优胜，两者的区别更多是在微观层面，这就很难对用户构成实际体验上的吸引力。国外的盲测已经表明，用户在面对iPad2时，甚至以为那就是新iPad。
挑战2：产能跟得上么？
然而，对于高端定位的Android和Windows 8平板而言，Retina高分屏将是一个强大的壁垒。在短时间内，夏普、三星、LG三家公司的产能，恐怕也只能勉强满足苹果的需求，不会有太多的余量可以供给其他厂商。在这种局面下，我们认为平板厂商强上视网膜屏幕、同苹果正面对抗并不是一个好主意。再者，视网膜屏幕自身的不足在短时间内也是不可能缓解，比如功耗大、发热量高，这对于注重电池续航能力、手持使用舒适度的平板电脑而言都是必须去解决的问题。
挑战3：硬件跟得上么？有啥副作用？
Retina的使用，还给新iPad的硬件系统带来巨大的额外负荷——要在2048×1536超高分辨率环境下提供同样的视觉效果，苹果必须动用性能更强大的高分辨率图像处理器，同时为了保证系统的流畅性，新iPad的硬件系统必须获得大幅度升级。我们可以看到，新iPad的A5X处理器尺寸便增大许多，虽然它的硬件性能获得相当大的提升，但也仅仅是提供了与iPad2相当的应用体验而已。
总结：LCD的后一次革命
视网膜屏幕的确带来了更加清晰和细腻的显示效果，但它对于设备的综合使用体验提升有限，只有在全神贯注对比的时候，用户能够感受到细微的差异。而在大多数常规使用情况下，相信用户很难察觉。
但苹果在业界的巨大影响力注定了视网膜屏幕不会被忽视，高分辨率的产品将会不断涌现—当然，这里的高分辨率并不是对视觉极限的盲目追求，而是在现行基础上的适度提升，以求获得更好的使用体验。问题在于，苹果自身拥有操作系统，并控制着整个生态体系，可以解决各种问题。而PC厂商都依赖于微软的Windows和谷歌的Android操作系统。假如操作系统端的生态链没有做好配合的准备，那么这类视网膜屏幕在平板或者PC端恐怕仍然不乐观。
当然，现在来看微软在Windows 8中是不甘落后的，近日也在与众多OEM厂商密谋反击苹果，推出针对Windows 8的高分屏产品。微软计划在Windows 8中采用100%、140%和180%三种缩放比例，软件开发人员可以使用矢量图形或CSS3来加载不同缩放比例的图像。微软希望Windows 8缩放技术可以让应用程序横跨不同的屏幕分辨率，使之在各种设备下都能提供相同或相似的显示效果。而以苹果为竞争目标的P C厂商们自然也会勇于尝试，华硕已经决定率先在新一代超极本中引入视网膜屏幕以抢占先机，相信未来会有更多的PC厂商加入战团。
无论怎么看，视网膜屏幕都给LCD业界带来一场革命，这或许也是L C D的后一次技术革命，在这之后，OLED恐怕将会完全取代LCD成为主导。
