PenTile Matrixfamilie

Die PenTile-Matrix ist eine Familie patentierter Subpixel -Matrix-Verfahren, die in Displays elektronischer Geräte eingesetzt werden . PenTile ist eine Marke von Samsung . PenTile-Matrizen finden Verwendung in AMOLED- und LCD- Displays.

Diese Subpixel-Layouts sind speziell für den Betrieb mit proprietären Algorithmen für die Subpixel-Darstellung konzipiert , die im Displaytreiber eingebettet sind und somit eine Plug-and-Play- Kompatibilität mit herkömmlichen RGB- Streifenpanels (Rot-Grün-Blau) ermöglichen.

Die Bezeichnung „PenTile Matrix“ (ein Neologismus aus dem Griechischen „ penta- “ für „fünf“ und „Tile “) beschreibt die geometrische Anordnung der prototypischen Subpixel-Technologie, die Anfang der 1990er-Jahre entwickelt wurde. ^{[ 1 ]} Die Anordnung besteht aus einem Fünfeck mit jeweils zwei roten , zwei grünen und einem zentralen blauen Subpixel pro Einheitszelle. Sie ist der menschlichen Netzhaut nachempfunden , die nahezu gleich viele L- und M- Zapfen , aber deutlich weniger S-Zapfen besitzt. Da die S-Zapfen hauptsächlich für die Wahrnehmung von Blau zuständig sind und die Helligkeitswahrnehmung nicht wesentlich beeinflussen , führt eine Reduzierung der blauen Subpixel im Verhältnis zu den roten und grünen Subpixeln in einem Display nicht zu einer geringeren Bildqualität. ^{[ 2 ]} Allerdings kann die Anordnung zu Farbsäumen und Bildverzerrungen führen, die sich durch Filter reduzieren lassen. ^{[ 3 ] [ 4 ]} In einigen Fällen reduziert die Anordnung Moiré-Effekte und Blockartefakte im Vergleich zu herkömmlichen RGB-Anordnungen. ^{[ 5 ]} Das PenTile-Layout ist speziell für die Verwendung mit und die Nutzung von Subpixel-Rendering konzipiert, das im Durchschnitt nur eineinviertel Subpixel pro Pixel zur Bilddarstellung verwendet. Das heißt, jedes Eingabepixel wird entweder einem logischen Pixel mit rotem Zentrum oder einem logischen Pixel mit grünem Zentrum zugeordnet.

PenTile wurde von Candice H. Brown Elliott erfunden, wofür sie 2014 den Otto-Schade-Preis der Society for Information Display erhielt. ^{[ 6 ]} Die Technologie wurde von 2000 bis 2008 von der Firma Clairvoyante lizenziert. In dieser Zeit entwickelten mehrere asiatische Hersteller von Flüssigkristallanzeigen (LCDs) Prototypen von PenTile-Displays. Im März 2008 erwarb Samsung Electronics die geistigen Eigentumsrechte an PenTile von Clairvoyante. Anschließend gründete Samsung das Unternehmen Nouvoyance, Inc., um die Entwicklung der PenTile-Technologie fortzusetzen. ^{[ 7 ]}

Das in AMOLED- und Plasma- Displays ^{[ 8 ]} verwendete PenTile-RGBG-Layout nutzt grüne Pixel, die abwechselnd mit roten und blauen Pixeln verschachtelt sind. Das menschliche Auge ist besonders empfindlich für Grün, insbesondere bei hochauflösenden Luminanzinformationen. Die grünen Subpixel werden eins zu eins den Eingangspixeln zugeordnet. Die roten und blauen Subpixel werden unterabgetastet, wodurch das Chroma-Signal mit einer niedrigeren Auflösung rekonstruiert wird. Das Luminanzsignal wird mithilfe adaptiver Subpixel-Rendering-Filter verarbeitet, um die Rekonstruktion hoher Ortsfrequenzen aus dem Eingangsbild zu optimieren. Die grünen Subpixel tragen dabei den größten Teil zur Rekonstruktion bei. Die roten und blauen Subpixel können die horizontalen und vertikalen Ortsfrequenzen rekonstruieren, jedoch nicht die höchste der Diagonalen. Informationen zu hohen Ortsfrequenzen der Diagonalen in den roten und blauen Kanälen des Eingangsbildes werden zur Bildrekonstruktion an die grünen Subpixel übertragen. Das RG-BG-Verfahren erzeugt somit ein Farbdisplay mit einem Drittel weniger Subpixeln als ein herkömmliches RGB-RGB-Verfahren, jedoch mit der gleichen gemessenen Luminanzauflösung . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Dies ist vergleichbar mit dem Bayer-Filter, der üblicherweise in Digitalkameras verwendet wird .

Stand 2021 verwenden „fast alle“ OLED-Bildschirme in tragbaren Endgeräten irgendeine Form von Pentile-Subpixel-Anordnung. ^{[ 11 ]}

Die in LCDs verwendete PenTile RGBW-Technologie fügt den herkömmlichen roten, grünen und blauen Subpixeln ein zusätzliches Subpixel hinzu. Dieses Subpixel ist ein transparenter Bereich ohne Farbfiltermaterial, der ausschließlich die Hintergrundbeleuchtung durchlässt ^{[ 24 ]} , daher das „W“ für Weiß . Dadurch lässt sich im Vergleich zu einer RGB-Matrix bei gleichem Stromverbrauch ein helleres Bild erzeugen oder bei geringerem Stromverbrauch ein gleich helles Bild. ^{[ 25 ]}

Das PenTile RGBW-Layout nutzt jedes rote, grüne, blaue und weiße Subpixel, um hochauflösende Luminanzinformationen für die rot- und grünempfindlichen Zapfenzellen des menschlichen Auges bereitzustellen . Gleichzeitig wird die kombinierte Wirkung aller Farbsubpixel genutzt, um niedrigauflösende Farbinformationen für alle drei Zapfenzelltypen zu liefern . Dadurch wird die Anpassung der Displaytechnologie an die biologischen Mechanismen des menschlichen Sehens optimiert. ^{[ 26 ]} Das Layout benötigt trotz vier statt der üblichen drei Primärfarben ein Drittel weniger Subpixel für die gleiche Auflösung wie das RGB-Streifen-Layout (RGB-RGB). Dies wird durch die Kombination von Subpixel- und Metamer -Rendering erreicht. Metamer-Rendering optimiert die Energieverteilung zwischen dem weißen Subpixel und den kombinierten roten, grünen und blauen Subpixeln (W <> RGB), um die Bildschärfe zu verbessern.

Der Displaytreiberchip verfügt über einen RGB-zu-RGBW-Farbvektorraumkonverter und einen Gamut-Mapping- Algorithmus, gefolgt von Metamer- und Subpixel-Rendering- Algorithmen. Um die Farbsättigung zu erhalten, Kontrastfehler zwischen gesättigten Farben und maximaler Weißhelligkeit zu vermeiden und gleichzeitig den Stromverbrauch der Hintergrundbeleuchtung zu reduzieren, wird die Helligkeit der Display-Hintergrundbeleuchtung vom PenTile-Treiber gesteuert. ^{[ 27 ]} Bei überwiegend entsättigten Farben im Bild, also in der Nähe von Weiß oder Grau , wird die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung deutlich reduziert, oft auf unter 50 % des Spitzenwerts, während die LCD-Werte zum Ausgleich erhöht werden. Bei sehr hellen, gesättigten Farben im Bild wird die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung auf einem höheren Niveau gehalten. Der PenTile RGBW bietet außerdem einen optionalen Modus für hohe Helligkeit, der die Helligkeit der entsättigten Bildbereiche, wie z. B. Schwarzweiß-Text, verdoppelt, um die Lesbarkeit im Freien zu verbessern.

• Motorola MC65 ^{[ 28 ]}
• Motorola ES55 ^{[ 29 ]}
• Motorola ES400 ^{[ 30 ]}
• Motorola Atrix 4G ^{[ 31 ]}
• Samsung Galaxy Note 10.1 (2014er Version)
• Lenovo Yoga 2 Pro
• Lenovo Yoga 3 Pro
• HP ENVY TouchSmart 14-k022tx Sleekbook
• MSI GS60 Ghost Pro 4K
• Lenovo IdeaPad Y50 4K
• Asus ZenBook UX303LN 4K
• Asus ZenBook Pro UX501JW
• LG UH7500/6500/6100
• LG ThinQ G7/G7+
• Oculus Quest 1

Eine anhaltende Kontroverse um die Definition und Messung der Auflösung von farbigen, subpixelbasierten Flachbildschirmen veranlasste viele ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} , die Auflösungsangaben von PenTile-Displays infrage zu stellen. ^{[ 35 ]} Journalisten merkten an, dass bei „ praktisch jedem existierenden Flachbildfernseher jedes Pixel aus je einem roten, grünen und blauen Subpixel (RGB) einheitlicher Größe besteht “. ^{[ 8 ]} Bei herkömmlichen Flachbildschirmen wird die Auflösung durch die Anzahl der roten, grünen und blauen Subpixel in Dreiergruppen entlang jeder Achse definiert. Dadurch kann jedes Pixel bzw. jede Subpixelgruppe jede beliebige Farbe auf dem Bildschirm darstellen, unabhängig von benachbarten Pixeln. Dies ist bei PenTile-Bildschirmen nicht der Fall.

Die Video Electronics Standards Association ( VESA ) definiert die Auflösung von Farbdisplays anhand des Kontrasts von Linienpaaren. Für Displays, die zur Textdarstellung vorgesehen sind, wird ein Michelson-Kontrast von mindestens 50 % gefordert. ^{[ 36 ]} Die Entwickler von PenTile-Displays verwenden dieses VESA-Kriterium zur Berechnung der angegebenen Auflösungen. ^{[ 37 ]} Im RGBG-Layout werden die abwechselnden roten und blauen Subpixel mit benachbarten Pixeln geteilt oder unterabgetastet. Aufgrund der um ein Drittel geringeren Subpixeldichte bei PenTile-Displays ^{[ 38 ]} kann die Pixelstruktur im Vergleich zu RGB-Streifendisplays mit derselben Pixeldichte deutlicher sichtbar sein. ^{[ 39 ] [ 40 ] Der Verlust an Subpixeln bei einer gegebenen Auflösungsspezifikation hat einige Journalisten dazu veranlasst, die Verwendung von PenTile als „fragwürdige Praxis“ [ 41 ]} und „eine Art Betrug“ ^{[ 42 ]} zu bezeichnen .

Bei gleicher Größe und Auflösung kann das PenTile-Display im Vergleich zu RGB-Streifenfarben körnig, pixelig und gesprenkelt wirken, wobei Text auf manchen gesättigten Farben und Hintergründen unscharf erscheint. ^{[ 43 ]} Dieser Effekt wird auf die begrenzte Anzahl an Subpixeln zurückgeführt, die bei der Bildrekonstruktion mit hoher Primärfarbensättigung zur Verfügung stehen. Im RGBW-Fall liegt dies daran, dass das W-Subpixel nicht zur Aufrechterhaltung der Sättigung zur Verfügung steht. Im RGBG-Fall tritt dieser Effekt auf, wenn die Farbgrenze hauptsächlich rot oder blau ist, da das vollständig belegte Subpixel (ein Grün pro Pixel) nicht beitragen kann. In allen anderen Fällen werden Text und insbesondere Vollfarbbilder effektiv rekonstruiert. ^{[ 27 ]}

Das PenTile-Layout reduziert die Anzahl der Subpixel, die für eine bestimmte Auflösung benötigt werden. Dadurch lässt sich eine HD-Auflösung auf einem PenTile-AMOLED-Bildschirm kostengünstiger realisieren als mit anderen Technologien. Die meisten Tester weisen darauf hin, dass der PenTile-Effekt bei Displays mit 300 ppi (gemäß VESA-Norm – nicht volle Pixelanzahl), wie beispielsweise dem Samsung Galaxy S III , weniger deutlich sichtbar ist als bei PenTile-Displays mit niedrigerer Auflösung ( z . B. Droid Razr ). Ein weiterer Vorteil ist der geringere Stromverbrauch: Dank des PenTile-Displays ist das HTC One S energieeffizienter und dünner als vergleichbare LCD-Bildschirme und bietet somit eine längere Akkulaufzeit als das IPS-LCD des HTC One X. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} Ein PenTile-AMOLED-Bildschirm ist zudem günstiger als ein RGB-Streifen-AMOLED-Bildschirm. ^{[ 48 ]}

Laut Samsung weisen PenTile-AMOLED-Displays aufgrund der geringeren Anzahl blauer Subpixel eine längere Lebensdauer auf. ^{[ 49 ]}

Die meisten PenTile-Displays verwenden rechteckige Raster aus abwechselnd grünen und blau/roten Pixeln. Das Samsung Galaxy S4 hingegen nutzt ein PenTile-Diamond-Pixel-Array, bei dem die grünen Pixel oval sind und sich in einer einzigen Zeile wiederholen, während die roten und blauen Pixel größer sind und sich zwischen den grünen Zeilen abwechseln. Dies sorgt für gleichmäßigere Farben mit weniger Farbfehlern im Vergleich zum PenTile-Display der vorherigen Generation im Galaxy S III. ^{[ 50 ]}

PenTile-Displays für Smartphones wurden unterschiedlich aufgenommen. So wies beispielsweise das Display des Motorola Atrix 4G „ungenaue Farben und schlechte Betrachtungswinkel auf, ganz zu schweigen von praktisch unlesbarem Text bei maximalem Zoom“. Auch im Vergleich zwischen dem ursprünglichen Droid Razr und dem günstigeren RAZR V erwies sich das TN-TFT-LCD des RAZR V (ein Low-End-LCD im Vergleich zum höherwertigen IPS-Panel- LCD) als deutlich schärfer als das Super-AMOLED-Advanced-PenTile-Display des Droid Razr, obwohl beide Bildschirme die gleiche Auflösung aufwiesen. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

• Quattron – RGB-Wiedergabe über RGBY
• RGBE-Filter – RGB mit einem zusätzlichen smaragdgrünen Subpixel
• Bayer-Filter – RGGB-Filter, die in Bildsensoren verwendet werden