iPhone 4 Retina display: Μύθος ή πραγματικότητα;*,**

*Το παρόν άρθρο αποτελεί εργασία που υποβλήθηκε στα πλαίσια του μαθήματος ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΙΙΙ(Θ) και δημοσιεύεται με την άδεια του συγγραφέα.
**Άλλες αντίστοιχης θεματικής εργασίες, είναι επίσης διαθέσιμες εδώ και εδώ.

ΤΜΗΜΑ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑΣ & ΟΠΤΙΚΟΑΚΟΥΣΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΩΝ

Ε01-ΜΥΘΟΣ 'Η ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ;

μια εργασία του

ΠΕΤΡΟΥ ΒΕΡΩΝΗ-07007

για το θεωρητικό μέρος του μαθήματος ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑΣ ΙΙΙ

Διδάσκων: ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΟΚΚΟΡΗΣ

Εαρινό Εξάμηνο 2010-2011

Το iPhone 4 είναι μία συσκευή η οποία έχει ξεφύγει από τα πλαίσια μιας κινητής τηλεφωνικής συσκευής και έχει φτάσει στο επίπεδο ενός σύγχρονου υπολογιστή χειρός. Η οθόνη του iPhone 4 είναι ένα από τα βασικότερα εξαρτήματά του καθώς τα όποια δεδομένα οφείλουν να προβάλλονται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η Apple κατασκεύασε μία οθόνη για το iPhone 4, την αποκαλούμενη ως Retina display η οποία, πέραν των χαρακτηριστικών που αφορούν τη φωτεινότητα, την απόδοση των χρωμάτων και την αντίθεση, προσδοκά να πετύχει μία ανάλυση ισοδύναμη με αυτή του ανθρώπινου ματιού. Δηλαδή το ανθρώπινο μάτι να μην είναι σε θέση να διακρίνει το πλήθος των εικονοστοιχείων που την αποτελούν.
Οι προσδοκίες της Apple είναι αρκετά υψηλές και πέραν της σημαντικής της προσπάθειας να υλοποιήσει το στόχο της δέχτηκε πολλές αμφισβητήσεις. Μία από αυτές συναντάται στο άρθρο του Matt Buchanan στο gizmodo.com και στηρίζεται στα λεγόμενα των Raymond Soneira, William H.A. Beaudot και Ethan Rossi. Το άρθρο του Matt Buchanan καταλήγει με το γενικευμένο συμπέρασμο ότι ο παράγοντας ο οποίος καθορίζει το αν οι προσδοκίες τις Apple υλοποιήθηκαν είναι η απόσταση από την οποία ο παρατηρητής κοιτάζει την οθόνη.
Ωστόσο, τα αντικειμενικά χαρακτηριστικά της οθόνης Retina display είναι διαθέσιμα. Συγκρίνοντάς αυτά με τις ιδιότητες του ανθρώπινου ματιού οι οποίες προέκυψαν από βιολογικές και φυσικές έρευνες καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως η απεικόνιση Retina Display ανταποκρίνεται στις προσδοκίες της Apple για την κατασκευή μίας οθόνης όπου η ανάλυσή της ταυτίζεται με αυτή του ανθρώπινου ματιού κοιτάζοντας από μία δεδομένη απόσταση η οποία είναι η ιδανικότερη ώστε ο άνθρωπος να αντιλαμβάνεται την εικόνα φυσιολογικά. Παρά ταύτα το ανθρώπινο μάτι μπορεί να διακρίνει και σε κοντινότερη απόσταση ανεξαρτήτως αν η αντίληψη της εικόνας είναι περιορισμένη οπότε η ανάλυση της οθόνης του iPhone 4 θα μπορούσε σε ειδικές περιπτώσεις να θεωρηθεί μη επαρκής.

Λέξεις Κλειδιά: iPhone 4, Retina display, ανάλυση οθόνης, οπτική οξύτητα, ppi, visual acuity.

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας των τελευταίων ετών έχει επιβάλει ανάγκες στο σύγχρονο άνθρωπο. Πρωταρχικός στόχος των κατασκευαστών είναι να βελτιώνουν συνεχώς την τεχνολογία των κατασκευών τους ώστε να ανταγωνιστούν κατά μία έννοια τις ικανότητες της ίδιας της φύσης. Είναι αναπόφευκτο αυτή η τάση να μην αγγίξει το χώρο της εικόνας ο οποίος κατέχει ένα μεγάλο τμήμα στην αντίληψη του ανθρώπου για το περιβάλλον στο οποίο δρα και εξελίσσεται. Η αναπαραγόμενη εικόνα από τις συσκευές πρέπει να μοιάζει όσο το δυνατό περισσότερο με την πραγματικότητα που βρίσκεται μπροστά στα μάτια του ανθρώπου. Τα μέσα απεικόνισης πλέον είναι αρκετά, χάρις την είσοδο στην ψηφιακή εποχή, η απεικόνιση ξέφυγε από τα σχετικά στενά πλαίσια της εκτύπωσης και της προβολής. Εκτός από αυτά, τα οποία παρόλο που το τελικό αποτέλεσμα μοιάζει με την αναλογική τεχνική, ο τρόπος δημιουργίας τους έχει αλλάξει ριζικά. H δημιουργία νέας τεχνολογίας οθονών έχει φέρει μια επανάσταση. Πλέον υπάρχει η δυνατότητα μέσω της οθόνης ακόμη και κάθε καθημερινή χρηστική συσκευή να έχει τη δυνατότητα απεικόνισης. Συσκευές που συνοδεύουν τον άνθρωπο συνεχώς είναι πλέον απαραίτητες, τέτοιες συσκευές είναι τα κινητά τηλέφωνα, τα οποία πλέον δε λειτουργούν σαν απλά μέσα φωνητικής επικοινωνίας. Μπορούν να στηρίξουν όλες τις σύγχρονες μορφές μεταφοράς δεδομένων και να αναγάγουν την επικοινωνία σε ένα πολυδιάστατο επίπεδο δίνοντας τη δυνατότητα άμεσης επικοινωνίας και μέσω οπτικής επαφής. Επίσης είναι συσκευές ικανές να κάνουν ότι μπορεί να κάνει κι ένας σύγχρονος ηλεκτρονικός υπολογιστής, όπως να προσφέρουν ψυχαγωγία, τη δυνατότητα ανάγνωσης βιβλίων σε ψηφιακή μορφή, υπηρεσίες ίντερνετ, μπορούν να λειτουργήσουν σαν φωτογραφικές μηχανές ή βιντεοκάμερες και πολλές άλλες λειτουργίες. Μια τέτοιου είδους συσκευή πρέπει να μπορεί να απεικονίσει όσο το δυνατόν καλύτερα εικόνες, κείμενα κλπ. Οι κατασκευαστές προσπαθούν να κατασκευάσουν οθόνες κινητών τηλεφώνων οι οποίες γίνονται, όσο είναι εφικτό, μεγαλύτερες για τα δεδομένα μιας τέτοιου είδους συσκευής, φωτεινότερες, ευκρινέστερες.

Εντός όλου αυτού του κλίματος βελτιστοποίησης η Apple κατασκεύασε και έδωσε στην αγορά την τελευταία γενιά του κινητού τηλεφώνου της, iPhone 4 για το οποίο προβάλει ως το δυναμικότερο χαρακτηριστικό του την οθόνη του, Retina Display. Για την οποία αναφέρει χαρακτηριστικά πως πρόκειται για την "[...] ευκρινέστερη, πιο ζωντανή, υψηλής ανάλυσης οθόνη τηλεφώνου που υπήρξε ποτέ". Επίσης στην αρχική σελίδα του προϊόντος αναφέρεται ότι "[...] χάρη στην οθόνη Retina, ό, τι δείτε και κάνετε στο iPhone 4 μοιάζει καταπληκτικό. Αυτό συμβαίνει γιατί η πυκνότητα των εικονοστοιχείων στην οθόνη Retina είναι τόσο υψηλή, που τα μάτια σας δεν είναι σε θέση να διακρίνουν τα μεμονωμένα εικονοστοιχεία. Που σημαίνει, το κείμενο σε βιβλία, ιστοσελίδες, και το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο είναι ομαλά σε οποιοδήποτε μέγεθος. Εικόνες σε παιχνίδια, ταινίες και φωτογραφίες “βγαίνουν” από την οθόνη. Και τα πάντα είναι πιο ευκρινή". Η Appple ισχυρίζεται πως το ανθρώπινο μάτι δε μπορεί να διακρίνει τα εικονοστοιχεία τα οποία αποτελούν την οθόνη οπότε η εικόνα που προβάλεται είναι σαν μία εικόνα του πραγματικού κόσμου. Ουσιαστικά πρόκειται για μία οθόνη 3,5 ιντσών η οποία αποτελείται από 614.400 εικονοστοιχεία, 960 στον ένα άξονα και 640 στον άλλο. Αυτό σημαίνει πως η ανάλυση της οθόνης φτάνει τα 326 ppi με το πλάτος κάθε εικονοστοιχείου της οθόνης να είναι 78 μικρόμετρα. Η Apple βασιζόμενη στη φυσιολογία του ματιού πως η μέγιστη ανάλυση κατά την οποία το μάτι δεν μπορεί να διακρίνει τα όρια των εικονοστοιχείων που απαρτίζουν την οθόνη είναι τα 300 ppi σε συνάρτηση με την φυσιολογική απόσταση θέασης από τη συσκευή, στήριξε τον ισχυρισμό της.

Αυτός ο φαινομενικά ακραίος ισχυρισμός όπως είναι λογικό γέννησε αρκετές αμφισβητήσεις. Μία από αυτές αναρτήθηκε από τον Matt Buchanan στο gizmodo.com και αναφέρεται στην επιστολή του Raymond Soneira, πρόεδρου του DisplayMate, γνωστού για τις αναλύσεις περί οθονών, ο οποίος θεωρεί τον ισχυρισμό της Apple ένα marketing τρυκ και μόνο, διότι δε στηρίζεται σε υπαρκτά χαρακτηριστικά. Τεκμηριώνει λέγοντας πως η ανάλυση του αμφιβληστροειδούς χιτώνα του ανθρώπινου ματιού μετράται με γωνιακή μονάδα μέτρησης η οποία είναι 50 κύκλοι ανά μοίρα. Ένας κύκλος είναι ένα ζεύγος γραμμών, το οποίο αντιστοιχίζεται με δύο εικονοστοιχεία, οπότε η γωνιακή ανάλυση του ματιού είναι 0.6 λεπτά του τόξου ανά εικονοστοιχείο. Έτσι, αν κρατάτε ένα iPhone στην τυπική απόσταση των 12 ιντσών από τα μάτια, για να είναι αληθής ο ισχυρισμός της Apple, η ανάλυση θα έπρεπε να ήταν 716 ppi. Για να είναι αρκετή η ανάλυση των 318 ppi, η απόσταση θα έπρεπε να έφτανε τις 18 ίντες. Οπότε, η οθόνη του iPhone 4 έχει σημαντικά χαμηλότερη ανάλυση από αυτήν του αμφιβληστροειδούς. Χρειάζεται μια ανάλυση σημαντικά υψηλότερη από αυτή του αμφιβληστροειδή για να φαίνεται τέλεια μια εικόνα σε αυτόν. Επίσης πρόσθεσε πως στις 12 ίντσες η μονοδιάστατη διαφορά είναι 326/477=68%. Αλλά όσον αφορά το εικονοστοιχείο το οποίο είναι δισδιάστατο, η τιμή στο τετράγωνο είναι 0.47, οπότε το iPhone απέχει περισσότερο από δύο φορές στο να αγγίζει την ανάλυση του αμφιβληστροειδούς στην απόσταση των 12 ιντσών. Με άλλα λόγια, η οθόνη θα έπρεπε να ήταν 1.3 μεγαπίξελ, αντί των 0.6, ώστε να θεωρείται μια οθόνη αντίστοιχης ανάλυσης με αυτή του αμφιβληστροειδή.

Στη συνέχεια του άρθρου έρχεται ο αντίλογος από τον William H.A. Beaudot, πρόεδρο του KyberVision, ο οποίος υποστηρίζει πως ο ισχυρισμός της Apple δεν είναι απλά ένα διαφημιστικό κόλπο αλλά μια θεωρία η οποία βασίζεται στην οπτική οξύτητα 20/20. Οπτική οξύτητα 20/20 σημαίνει πως ένα μέσο φυσιολογικό ανθρώπινο μάτι δύναται να διακρίνει δύο σημεία τα οποία χωρίζονται από ένα λεπτό του τόξου (1/60 μοίρες). Μία οπτική γωνία του ενός λεπτού του τόξου φαίνεται από απόσταση ενός ποδιού (12 ίντσες) που αντιστοιχεί σε μέγεθος μιας κουκίδας μεγέθους 89 μικρόμετρων ή ένα εικονοστοιχείο μεγέθους αντίστοιχο ανάλυσης 286.5 ppi. Ενώ στην οθόνη του iPhone 4 έχουμε 326 ppi, το οποίο είναι 14% υψηλότερο από αυτό που θα περίμενε κανείς από ένα μέσο φυσιολογικό μάτι οπτικής οξύτητας 20/20. Θα ήταν άδικο και παραπλανητικό να κατακριθεί το marketing της apple με τέτοια βάση. Δεδομένου ότι αυτή η οθόνη είναι σε θέση να παρέχει στον αμφιβληστροειδή μια εικόνα με χωρική συχνότητα που φτάνει τους 50 κύκλους ανά μοίρα όταν βρίσκεται σε απόσταση 18 ιντσών, ταυτίζεται σχεδόν με την ανάλυση του αμφιβληστροειδούς σύμφωνα με το θεώρημα του Nyquist- Shannon περί δειγματοληψίας ανέφερε ο William H.A. Beaudot. Τέλος στο άρθρο παρατίθεται η γνώμη του Ethan Rossi από το Κέντρο Οπτικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ ο οποίος λέει πως “το iPhone 4 ξεπερνά τις ικανότητες του μέσου τυπικού ανθρώπινου ματιού οπτικής οξύτητας 20/20” από απόσταση 16 και 12 ιντσών. Αν φτάσετε σε απόσταση 3 ιντσών θα δείτε τα εικονοστοιχεία. Επίσης διευκρίνισε πως σε απόσταση 10 ιντσών τα εικονοστοιχεία θα είναι μεγαλύτερα από 1 λεπτό του τόξου, το οποίο είναι ισοδύναμο με όραση 20/20. Το άρθρο του Matt Buchanan καταλήγει στο συμπέρασμα πως τελικώς το όλο θέμα εξαρτάται από την απόσταση στην οποία βρίσκεται η συσκευή από το πρόσωπό μας.

Το ανθρώπινο μάτι έχει ένα όριο οπτικής οξύτητας κάτω από το οποίο ένα αντικείμενο περνά απαρατήρητο. Το όριο αυτό διαφέρει από άνθρωπο σε άνθρωπο αλλά ως βάση θα θεωρήσουμε την περίπτωση ενός μέσου φυσιολογικού ματιού με οπτική οξύτητα 20/20. Το φως εισέρχεται στο μάτι περνώντας από την κόρη διασχίζει το φακό και προβάλλεται στον αμφιβληστροειδή στο πίσω μέρος του ματιού. Οι εξοφθάλμιοι μύες κινούν το βολβό του ματιού ώστε να μπορεί να εστιάζει μιας και το μάτι μπορεί να εστιάζει μόνο στο κέντρο του αμφιβληστροειδούς, του ονομαζόμενου βοθρίου.
Ο αμφιβληστροειδής είναι ένα μωσαϊκό το οποίο αποτελείται από δυο βασικούς τύπους φωτοϋποδοχείς: Τα κωνία και τα ραβδία. Τα ραβδία είναι ευαίσθητα στο μπλέ και πράσινο φως με μέγιστη ευαισθησία από τα 498 nm, χρησιμοποιούνται για την όραση σε χαμηλές φωτιστικές συνθήκες. Επίσης υπάρχουν τρεις τύποι κωνίων οι οποίοι μας δίνουν την αντίληψη των χρωμάτων: L-κόκκινο, με μέγιστη ευαισθησία από 564 nm, Μ-Πράσινο με μέγιστη ευαισθησία από 533 nm και S-μπλε με μέγιστη ευαισθησία από 437 nm.
Τα κωνία είναι συγκεντρωμένα κυρίως σε μία περιοχή κοντά στο κέντρο του αμφιβληστροειδούς η οποία ονομάζεται περιοχή του βοθρίου. Η μέγιστη συγκέντρωση των κωνίων είναι περίπου 180.000 ανά τετραγωνικό χιλιοστό στην περιοχή του βοθρίου ενώ αυτή η πυκνότητα μειώνεται γρήγορα έξω από αυτή την περιοχή και φτάνει στη συγκέντρωση των 5.000 ανά τετραγωνικό χιλιοστό. Επίσης υπάρχει και ένα τυφλό σημείο για το οποίο ευθύνεται το οπτικό νεύρο πάνω στο οποίο δεν υπάρχουν φωτοϋποδοχείς.

Ο τυπικός ορισμός της οπτικής οξύτητας είναι (20/20) η δυνατότητα να επιλυθεί ένα χωρικό πρότυπο σχέδιο διαχωρισμένο από μία οπτική γωνία του ενός λεπτού του τόξου. Αφού μία μοίρα περιέχει 60 λεπτά, μία οπτική γωνία ενός λεπτού του τόξου είναι 1/60 της μοίρας. Το όριο της χωρικής ανάλυσης προέρχεται από το γεγονός ότι μία μοίρα μιας σκηνής προβάλλεται σε 288 μm του αμφιβληστροειδούς του ματιού. Σε αυτά τα 288 μm Υπάρχουν 120 αισθητήρια κωνικά κύτταρα συγκεντρωμένα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αν περισσότερες από 120 εναλλασώμενες μαύρες και άσπρες γραμμές είναι μαζεμένες δίπλα δίπλα σε μία συγκεκριμένη μοίρα σημείου προβολής, στο ανθρώπινο μάτι θα εμφανιστεί σαν να είναι ένα γκρι χρώμα. Με τριγωνομετρία είναι εφικτό να υπολογιστεί η ανάλυση του ματιού για τη συγκεκριμένη απόσταση από το φακό του ματιού.

Για την περίπτωση της μέσης φυσιολογικής οπτικής οξύτητας η γωνία θ είναι 1/60 της μοίρας. Με τη διχοτόμηση αυτής της γωνίας έχουμε ένα ορθογώνιο τρίγωνο με γωνία θ/2 η οποία είναι 1/120 της μοίρας. Χρησιμοποιώντας αυτό το ορθογώνιο τρίγωνο είναι εύκολο να υπολογίσουμε το μήκος Χ/2 για μια δεδομένη απόσταση d.

X/2=d (εφθ/2)

Η απόσταση d από το μάτι μας και ένα αντικείμενο, στο οποίο προσπαθούμε να εντοπίσουμε μια πάρα πολύ λεπτή γραμμή σαν γρατσουνιά, είναι περίπου 12 ίντσες, μία άνετη απόσταση για να μπορούμε να δούμε. Στην απόσταση των 12 ιντσών, η κανονική οπτική οξύτητα είναι 0,00349 ίντσες (88,646 μικρόμετρα), Αυτό σημαίνει πως αν είχαμε εναλλασώμενες μαύρες και άσπρες γραμμές οι οποίες είχαν πάχος 0,00349 ίντσες στους περισσότερους ανθρώπους θα φαινόταν σαν ένα τόνο του γκρι.

Με βάση τη φυσιολογία του ανθρώπινου ματιού σε συνάρτηση με τα τεχνικά χαρακτηριστικά της οθόνης Retina display του iPhone 4, δε μπορεί να γίνει διάκριση των εικονοστοιχείων που την αποτελούν μιας και το όριο διάκρισης μεταξύ δυο γραμμών, άσπρης και μαύρης, είναι το πάχος των 88,5 μικρόμετρων ενώ το πλάτος των εικονοστοιχείων της οθόνης Retina είναι μόλις 78 μικρόμετρα, αυτό ισχύει σε απόσταση θέασης 12 ιντσών. Οι 12 ίντσες έχουν αποδειχθεί μέσω πειραματικών διαδικασιών, πως είναι η ιδανική απόσταση για να μπορούμε να εστιάζουμε ομαλά χωρίς να πιέζονται οι εξοφθάλμιοι μύες και το οπτικό μας πεδίο να μην περιορίζει την αντίληψη κατά την μεταφορά των ερεθισμάτων στον εγκέφαλο παρόλο που μπορούμε να δούμε, πολύ περιορισμένα, και σε αρκετά μικρότερη απόσταση. Το ότι μπορεί το ανθρώπινο μάτι να διακρίνει τα εικονοστοιχεία της οθόνης του iPhone 4 δεν είναι εσφαλμένη εικασία, πιθανότατα μπορεί, αλλά σε μία απόσταση η οποία θα αρκούσε μόνο για τη θέαση των εικονοστοιχείων. Το κρίσιμο σημείο επομένως είναι η απόσταση από την οποία βρίσκεται η οθόνη από τα μάτια, αυτό και μόνο δίνει μία βάση υποκειμενικότητας μιας και υπάρχουν μεταβολές από άνθρωπο σε άνθρωπο και διαφέρει πολλές φορές η προσέγγιση με την οποία κοιτάζει κανείς κάθε φορά μία εικόνα. Από την άλλη πλευρά ο βαρύγδουπος ισχυρισμός της Apple ήταν υπερβολικός, καθότι η συσχέτιση μίας συσκευής απεικόνισης με την αντίληψη του ανθρώπινου ματιού με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα δεν έχει ιδιαίτερη βάση. Ναι μεν τα το ανθρώπινο μάτι έχει όρια αλλά είναι αρκετά υψηλά ώστε να έρθουν σε αντιπαράθεση με την υπάρχουσα τεχνολογία.

Πηγές:

1. Matt Buchanan (2010): The iPhone 4 Retina Display Controversy,  <http://gizmodo.com/5561351/the-iphone-4-retina-display-controversy>
2. Chris Brandrick (2010): iPhone 4ʼs Retina Display Explained,  <http://www.pcworld.com/article/198201/iphone_4s_retina_display_explained.html>
3. William H.A Beaudot (2010): Apple “Retina Display” in iPhone 4: a Vision Scientist Perspective,  <http://www.kybervision.com/Blog/files/AppleRetinaDisplay.html>
4. Brian X. Chen (2010): iPhone 4ʼs “Retina” Display Claims Are False Marketing, <http://www.wired.com/gadgetlab/2010/06/iphone-4-retina/>
5. R. N. Clark (2005): Notes on the Resolution and Other Details of the Human Eye,  <http://www.clarkvision.com/articles/eye-resolution.html>
6. NDT Resource Center, Iowa State University: Visual Acuity of the Human Eye, <http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/PenetrantTest/ Introduction/visualacuity.htm>
7. John Blaha: Limit to Human Vision & Effect on Optimum Digital Image Resolution,  <http://www.blaha.net/Main%20Visual%20Acuity.php>
8. Popular Mechanics: Does the iPhone 4ʼs Retina Display Ignore the Science of Optics? <http://www.popularmechanics.com/technology/gadgets/reviews/iphone-4-retinal-display- optics?click=pm_news>
9. Apple: iPhone Retina Display, <http://www.apple.com/iphone/features/retina-display.html>