Pixel Qi 双模式显示屏背后的故事

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2010-03-31 23:50

By Lauren Aaronson from 《大众科学》2010/01/12 | Logout 译,Echokou 校,转载请注明 ifanr.com 译文链接。

对 Mary Lou Jepsen 而言,做核磁共振和做按摩差不多——没法处理工作,只须享受罕有的闲暇时光。我和她一起去麻省综合医院赴诊,因为这几个小时是她仅有的空闲。往返于加州 Sausalito 的游艇和台北公寓的途中,她在波士顿停留三天,日程已经排满。昨天 Jepsen 参加了 OLPC(One Laptop Per Child,每个儿童一台笔记本电脑)团队的会议,她曾参与 OLPC 项目的创建,仍在合作进行新型号的设计。十年前的一个肿瘤差点要了她的命,今天她和医生谈了谈自己赖以为生的药物。明天她将和索尼、Google 的高管一同出席主题为阅读未来的波士顿书展。

医生扫描 Jepsen 大脑的时候我就坐在等候室里守着大手提包,包里装着导致她生活如此繁忙的原因——一块十英寸玻璃平板,用她的话说,这将电脑和电子阅读器的精华整合在一块屏幕上。

Jepsen 从店里买了一款平板电脑,自己用起子把自己的原型屏换了上去。电脑启动之后屏幕看上去和其它 LCD 屏没什么不同,因为这就是一块 LCD 屏,但更好。LCD 屏显示彩色、可用来播放视频,但它们也会严重缩短续航时间。E-Ink 屏更省电、更像纸,但它是黑白的,而且加载页面的速度也慢得要命。Jepsen 的屏幕融合了两种技术的精华。拨一下开关,让屏幕发亮的背光就会暗淡下去。但整个屏幕并没有变黑,褪去的仅有色彩。这是因为在 Jepsen 的屏幕上,环境光可以代替背光,由每个像素背后增加的镜面物质反射出黑白色。背光完全关闭以后,这种名为 3Qi(读作 “3 气”,气在中文里代表精神,这是一个很 Geek 的双关语,同时也是 3G 的谐音)的屏幕所显示的文字非常通透,可读性堪比 Amazon Kindle。在这种模式下,3Qi 的功耗仅有普通电脑屏幕的五分之一。和采用 E-Ink 屏的各种电子阅读器不同的是,它还能实现普通 LCD 的功能,包括视频播放。

Jepsen 在明天的演讲里会说:“阅读的未来是屏幕”。她更直率得对我说:“书已经玩完了”。她指的不是阅读,而是纸质书,现在有证据支撑着她的观点。去年 1 月到 9 月,全球范围共售出价值 1.125 亿美元的数字版图书,五年前的同比销售额仅为 720 万美元。自 06-07 年 Sony 阅读器和 Kindle 相继面世以来,美国的电子阅读器销量每年都翻一倍以上——08 年大约 100 万台,09 年则达到 300 万台,预计今年将达到 600 万台。根据一项预测,2018 年全球电子书阅读器销量将达到 7700 万台。

7700 万这数字对于目前的单任务阅读器而言,或许有些难以置信。不过一旦有屏幕能将笔记本电脑和电子阅读器的精华融合为一台让人能够负担得起的产品(在可以播放高清电影的彩屏笔记本电脑和电力足以撑过一次跨太平洋飞行的电子书之间快速切换),进展将会很有意思。笔记本电脑可能会变成简单的触控平板,而传统的电阅读器则会过时。如果电子产品的未来在于屏幕,Jepsen 正是要书写未来。

当然,还有很多别的技术。今年可能就是显示技术行业甩开包袱的年景。手机芯片巨头高通、目前的电子书显示技术领导者 E-Ink、此外至少还有一家主力厂商将在 2011 年推出下一代电子书屏幕。但 Jepsen 的混合屏幕应该会最早上市,而且最便宜。她的公司 Pixel Qi 坐落于台北和硅谷两地,现在已经开始生产数以百万块屏幕。尽管 Jepsen 不愿透露采购屏幕的品牌厂商,但她表示这些屏幕很快就会出现在上网本、平板电脑和专用电子阅读器上。

我在医院等候室里守着的那块 Pixel Qi 屏幕就是已生产出的数千块屏幕之一。Jepsen 在今天早些时候已经给我看过了,所以我抵挡住了从她包里拿出机子进行阅读的诱惑。我知道在黑白模式下用这屏幕看报纸和直接看报纸一样舒服。每个像素的黑白部分都很大(因为亚像素可以单独开关),黑白模式下的 DPI(每英寸的像素数量)接近 200。这非常了不起,我理解为何尽管 Pixel Qi 在竞争中不被看好——一个女人在亚洲经商、和电子行业的几家巨头相争,同时还得和病魔作斗争——但 Jepsen 还是站在浪潮之巅。这也是她如此辛勤耕耘的动力,核磁共振结束时她看起来轻松了许多。走出医院的影象室,她说:“这是很长一段时间以来我休息的最久的一次”。

工作原理

3Qi 在一块屏幕上结合了两种显示技术——传统的彩色 LCD 和低功耗、高分辨率的黑白显示屏。下面是它的工作原理:

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创造色彩

每个像素的工作方式和普通 LCD 很像:背光 [A]穿过一层液晶体 [B]。液晶体被电击中后改变方向以控制光线的通过量。穿过液晶体的光线再穿过红、绿、蓝三色滤镜 [C],光线混合后为屏幕着色。

活跃的黑与白

关闭极为耗能的背光以后,像素转为反射光线而不是产生光线。环境光 [D],不论是来自灯泡还是来自太阳都会射入屏幕,击中镜面上覆盖的像素点 [E]。反射回来的光线穿过液晶体,液晶体改变了穿过自身光线的亮度,原理和彩色模式相同。但光线最后不会通过彩色滤镜,而是直接射出屏幕,因此你会看到由 256 色灰阶组成的黑白图像。

全息成像和荷尔蒙

即便不是刚从核磁共振中恢复过来,Jepsen 也是温和而乐观的,对于一位打入百亿美元产业的女人而言尤显特别。她面临着无止境的事务却没有表现出压力。对于一个把大量时间花在展会演讲的人而言,她的表现尤为自然。她曾经拍过一段关于工作的网络录像,在片中戴着像海盗一样的眼罩,用于遮挡寄生感染。今天她对穿着病号服接受采访也没有丝毫不适。

pixelqi-portrait 44 岁时, Jepsen 有着结合艺术与工程的漫长且不同寻常的职业生涯,她花了 20 多年时间为了爱好和利润折腾光线。Jepsen 小时候住在康涅狄格州温莎的农场里,非常喜欢《拇指姑娘》故事书里的 3D 图片,在撕开这些塑料书页的过程中学到了扭曲的光线如何欺骗人眼。Jepsen 整夜地拆无线电收音机、写短篇故事、画木炭画。等到六年级的时候她已经开始自学微积分。

Jepsen 的父母遭遇了财务危机——她父亲的汽车发动机修理生意破产、从政失败。因此他们将十多岁的 Jepsen 推向一个更实用的方向,她说:“我当时不想当电子工程师,但我很想上大学。他们告诉我说如果我主修电子工程就帮我付学费”。

她在布朗大学上大一的时候找到了一条融合科学与艺术的道路:在物理课上她学会了制作全息成像。“你做出这种乳胶、涂在玻璃上,完成整个复杂过程后就会得到这种魔法般的 3D 产物。我完全被迷住了”。

Jepsen 决定一生研究全息成像,她在麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab)拿到硕士学位,期间协助开发出一款突破性的 3D 视频系统(1991 年的一期《大众科学》提到过这个系统)。之后她将自己艺术性的工程带到全世界。有时她把自己的能力用于实际,比如帮澳大利亚政府完善纸币的全息防伪图;有时又是纯艺术,她曾在德国科隆的一整条街区展现出 66 英尺的罗马浴池全息成像。90 年代时,她甚至有过在加州通过镜面列阵反射太阳光将电影投射到月球上的点子(该计划最后由于会玷污很多宗教所珍视的东西,造成灾难性的的文化影响而被搁置)。

Jepsen 二十多岁的时候在德国期间开始出现神秘的健康问题:伤口无法愈合、一些往往只出现在艾滋病患者身上的肾病。作为自由职业的艺术-全息投影师,她没有医疗保险,因此决定换个更稳定的工作。带着高学历可以帮助自己在男性主导的电子行业立足的想法,Jepsen 回到布朗大学攻读光学博士。但她因为身体已近瘫痪而终止了学习。她说:“我当时已近失明、坐在轮椅里。我当时觉得自己下半辈子可能得和父母一起生活”。医生最终在她的脑垂体里取出一个破坏激素分泌的肿瘤,多年后发现她的病症都由脑内的这个肿瘤导致。Jepsen 说:“他们通过我鼻孔把它取了出来”。

移除部分脑垂体让她重回健康,但她这辈子都需要严格按时服药,以补偿所失去腺体本应该生成的荷尔蒙,这也带给了她很强的急迫感。她说:“如果我不每隔 12 小时服药就可能会死。那么我该如何利用自己的时间呢”?

对屏幕的重新思考

2005 年,Jepsen 在显示屏公司干了五年后去麻省理工申请博士学位。尼葛洛庞帝教授 (《数字化生存》的作者) 对 Jepsen 进行了面试,那时他刚刚在世界经济论坛提议生产 “100  美元笔记本电脑”,专供发展中国家的孩子。面试的时候,Jepsen 和尼葛洛庞帝一拍即合,俩人在几小时内就草拟了 OLPC 倡议。然后尼葛洛庞帝立刻就派她去欧洲说服科技领袖。媒体实验室的研究人员 V. Michael Bove 是 OLPC 的技术顾问,也是 Jepsen 的老相识,他表示正是身为 OLPC 屏幕专家的 Jepsen 促成了这个项目,“是她和那些台湾 LCD 厂商和工程师斗法,说服他们这(生产廉价笔记本电脑)是可行的”。

在发展中世界散发廉价笔记本电脑的人道主义价值还有争议,但 OLPC 有一项不可否定的贡献:它直接导致了小型、缩水、廉价的 “上网本” 的到来,这种产品目前已经占据了 20% 的笔记本市场。自非盈利组织展示出自己可以打造低于 200 美元的紧凑型全功能笔记本电脑之后,几乎所有的电脑厂商都加入了进来,大众为之沸腾。OLPC 自 2007 年初次亮相以来,发放了超过 100 万台电脑;宏基、华硕、惠普等消费类电子厂商现在一年售出约 4000 万台上网本。

Jepsen 在 2008 年年初离开 OLPC,致力于进一步推进自己的显示技术。她凭借自己的资金和无数次往返非洲所积累的经验出资成立了 Pixel Qi。她曾设计了一种新型低功耗显示屏以供 OLPC 在电力匮乏的村落使用。新显示屏没有采用高功耗的 LCD 背光,而是直接反射阳光显示内容(这是一些手机和三防笔记本电脑所用户外可读型屏幕的变种)。3Qi 的设计目的是为了将反射型屏幕省电的好处带给大众。

Jepsen 和自己的丈夫 John Ryan 吃饭时想出了这些点子。Ryan 是电信顾问,当他对妻子项目的兴趣逐渐胜过了自己的工作之后,便被 Jepsen 聘为运营总监。拉到风投注资后,Jepsen 在加州圣布鲁诺市与 Youtube 一街之隔的地方租了办公室,在办公室的厨房搭建了一个实验室来处理液晶体,做各种试验,想办法让更多的光线可以穿透屏幕。等她和自己成长中的团队完成实验的时候,已经对 LCD 屏幕里面的每一层进行了更改,唯一延续自 OLPC 屏幕的特性只剩下黑白模式的基本概念。她说:“这或许听起来没有送笔记本电脑给贫困儿童那么酷,但本质上是一样的”。随着 Pixel Qi 公司规模的增大,屏幕的成本也会下降,Jepsen 的技术将被越来越多的采用。(下一代 OLPC 就将采用这种屏幕)。

Jepsen 目前仍在参与 Pixel Qi 的技术工作,除此之外她的绝大部分时间都花在飞机上,飞去台北监督生产或者去和有意采用这种屏幕的公司会谈。这些任务让她每年积攒大约 30 万英里的飞行里程。尽管她的屏幕设计看起来有很明显的优点,但推销工作一点也不容易。“从某些角度来看,她是在把冰卖给爱斯基摩人。不管这冰有多棒,他们已经有了一些”,DisplaySearch 公司分析师 John Jacobs 如此比喻,该公司曾为 Apple 评估新屏幕技术。

但 Jepsen 是 “此中翘楚”,Jacobs 继续说道,“她是这项技术的非凡传道者”。 Jepsen 自创立 Pixel Qi 以来,基本上每个月都要完成一次环球旅行,力图说服从中国到得克萨斯州的各家电脑厂商采用她的屏幕。每当有 CEO 贬称 Pixel Qi 不过是又一项转瞬即逝的技术时,Jepsen 就会拿出自己的 OLPC 凭证说:“有哪家公司开始量产一年内出货 100 万台?有哪家?没别家了,一家都没有。又有几家能在量产一年内批量出货 1000 甚至 100 台?我们有 100 万。因此你该相信我”。

迎战电子巨人

她在台北 LCD 工厂的时候是为了备战新屏幕生产。Jepsen 电话不断,有时通宵工作完了以后就在地上打个盹。组装一块 LCD 屏幕的各层需要超过 100 台不同的机器。Pixel Qi 进入量产时每个环节都有可能出问题:加工车间内少量灰尘污染材料;到货的各批次液晶尺寸没有精确吻合。这是 Jepsen 最担心的事,“时间流逝,咖啡一杯接一杯,我在高压力下解决问题。这实际上是我最开心的时候。速度很快,大长见识”。

Jepsen 性格里赖以维系自己永不停歇的节奏能力或许有一部分来自平静的力量——“气”?但另一部分则来自她的疾病。得益于损失的脑垂体,她的身体不再分泌通常会调节生理时钟的皮质醇,因此她不会有飞行时差,吃过药后就感觉清醒了。“我的健康曾经限制了我,但它现在反倒成了一种优势。我觉得公司高管们未来应该考虑把它(移除脑垂体)作为一种可选择的手术”。

这种疯狂的节奏是必需的,因为尽管电子阅读器是一个新生的市场,但打进去的难度不亚于在微软之后发布操作系统。她正在挑战一家基本上可以说是开创了这个市场的公司——E-Ink,现在控制着 90% 的市场。1997 年从麻省理工媒体实验室分出的 E-Ink 为今天的电子阅读器生产屏幕,包括 Kindle 在内。E-Ink 屏模拟了纸张的观感,因为它表面浮着真正的颜色墨微粒,电击改变表面微粒的黑与白。这意味着屏幕只有在翻页时才会耗电——对于书而言是理想的,你可以盯着一张纸看几分钟。但还是老问题:没有色彩、放不了视频。

Jepsen 和她的竞争者们不久就将向 E-Ink 等技术发起挑战。至少有一家厂商表示自己将在年内推出拥有色彩和视频播放功能的电子阅读器屏幕。和 3Qi 不同的是,这种屏幕在低功耗模式下依然能显示全彩。这种由高通设计的 Mirasol 显示屏以宽度仅有几纳米的微型活动金属片作为像素,通过上下移动反射光线实现不同的波长和色彩。和 E-Ink 一样,Mirasol 也不需要背光、仅在改变图案时才耗电(本站翻译的 《电子书之战——显示屏与硬件》一文中对此技术有过简要介绍)。

战线上还有更多的竞争者,有些可以显示彩色、有些可以播放视频,有些二者皆可。由飞利浦分出的名为 Liquavista 的公司计划在年底前开始生产低功耗、有视频播放功能的黑白屏,明年年底推出全彩版。他们采用一种名为 “电润湿法(electrowetting)” 的技术,将 LCD 屏内的液晶换成水中的油滴,移动所耗电力更小。E-Ink 自己也计划在今年晚些时候发布彩色版,公司的实验室已经有了可以播放视频的显示屏,希望在近年内投入生产。

不过就像当我提及其它各种快速、彩色反射屏时 Jepsen 提醒我的那样:“它们还没准备好量产”。她的屏幕应该也会更便宜。3Qi  屏幕是现有 LCD 屏的改良,采用同样的设备生产,绝大多数所用材料都和每年出货 15 亿块的 LCD 屏相同。因此采用 10 英寸 Pixel Qi 屏幕的上网本之只比采用传统 LCD 屏的稍贵一点。

可读性还得靠用户的眼睛来评判

3Qi 的成功与否最终取决于数百万双眼睛的客观体验。人们在阅读时是否觉得舒服有些无法预料。比如有谣传说 LCD 让人眼睛疲劳是因为它的背光像手电筒一样对着你的眼睛照,而 E-Ink 等技术只反射光线所以不容易造成眼疲劳。VCD Sciences 显示屏顾问 Lou Silverstein 解释说:“光线就是光线,你的眼球无法分辨它是反射还是直射” 。LCD 和 E-Ink 看起来不同是因为 E-Ink 反射光线的方式不同。E-Ink 表面的图层会将光线向各方向反射,就像纸张一样。LCD,甚至还有一些反射屏幕都把光指向特定角度,不像纸张反光那么均匀。Jepsen 说她的团队采用了多种方法增加 3Qi 的反射角度,但它毕竟是 LCD,看起来永远不会像 E-Ink 那样像印刷品。

不过它或许也没必要达到印刷品的水平。Ryan 说 Pixel Qi 的真正目标是 “试图抛出并解决一个大问题:什么才是未来的设备?人们应该随身携带三种设备(手机、上网本、电子书阅读器)的点子似乎不正确”。

因此类似 Kindle 的电子阅读器可能只是一种暂时的工具,是迈向同时支持现代计算和老牌阅读功能的超薄平板电脑的台阶。Pixel Qi 可能会帮助催化这一转变,尽管它本身可能只是一个过渡技术,在达到全彩、不掉电显示之后被遗弃。但到那个时候 Jepsen 可能已经更进一步。她的近期目标是提升 Pixel Qi 目前的屏幕,增强能效比、提供不同的尺寸。Pixel Qi 可能还会回到发展中国家,这次是在电视中施展影响。Jepsen 说:“人们,主要是印度人对我说,为我们做 10 瓦的电视吧”。电池驱动的高清电视或许听起来没意义,她解释说印度的音乐电影是一项很多人不得不放弃的社会习俗,因为缺乏电力供应。“我们想看自己的宝莱坞”,他们这么对她说。

Jepsen 目前身为企业家的动机和当年在德国城市投射艺术活动全息图像时一样:“我的褒奖是通过各种技术上的努力,最终获得让我享受的图像”。

屏幕实际效果图见 Pixel Qi 官方网站

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