Как-то незаметно электронные книги научились показывать не только белый и черный, но и довольно широкую палитру других цветов. Что такое в принципе электронные чернила? Кто их создал черно-белыми и почему лишь спустя два десятка лет мы видим цвета в потребительских книжках? Об этом сегодня и поговорим.

Изобретение электронных чернил

С самого начала электронная бумага казалась волшебством. Она легко переносилась глазами и была читаемой даже на улице и при ярком солнечном свете, где другие портативные дисплеи становились нечитаемыми. Она не расходовала много энергии: между подзарядками могли пройти недели, в то время как мобильные телефоны, оснащенные другими дисплеями, едва доживают световой день и сегодня. Тем не менее одно ограничение было очевидным — изображения на электронной бумаге могли появляться только в черно-белом варианте.

Такую электронную бумагу изобрели в 1997 году в Медиалаборатории Массачусетского технологического института двое студентов Джей Ди Альберт и Барретт Комиски, которые были вдохновлены своим профессором Джозефом Джейкобсоном.

Но предпосылки для появления подобного дисплея были еще двумя десятилетиями ранее. Следы ведут к компании Xerox.

В 1970-х годах научно-исследовательский центр этой компании в калифорнийском Пало-Альто был Меккой стремительно развивающихся компьютерных технологий. Там были разработаны компьютерная мышь и лазерный принтер, Ethernet и концепция ноутбука, первые текстовый редактор и графический компьютерный интерфейс. Это было удивительное место, которое могло сделать Xerox ведущим технологическим гигантом сегодня. Но компания сосредотачивалась на копировальной технике, а все, что плохо лежало, подобрали такие проворные ребята, как Стив Джобс и Билл Гейтс.

Предшественник электронной бумаги — Gyricon — был разработан в этом научно-исследовательском центре. Это тонкий слой гибкого прозрачного пластика, который содержал миллионы крошечных сфер, взвешенных в пузырьках масла. Сферы имели полушария двух контрастных цветов, которые вращались, чтобы представить одну цветную сторону зрителю при наложении напряжения на лист. Тем самым отображая на экране изображение или текст, который оставался там до следующего электрического заряда.

Изобретение, первоначально предназначенное не как замена традиционной бумаге, а скорее как лучший тип экрана, оказывало мало влияния на индустрию в течение многих лет. Так было до 1989 года, когда в поисках действительно безбумажного офиса изобретатель Gyricon Николас Шеридон начал разрабатывать свое творение для имитации печатного текста на бумаге с дополнительным бонусом: новая бумага может содержать страницы текста, которые могут быть переписаны тысячи раз. Эта многоразовая и стираемая электронная бумага, как надеялись, сделает возможным создание бесчернильных принтеров и факсимильных аппаратов.

Те самые студенты из Массачусетской лаборатории также задались такой целью. Но их подход отличался от Gyricon тем, что вместо вращения отдельных цветовых сфер в пленке, изменение электрического заряда двигает мелкие цветные частицы внутри каждой сферы, что позволило получить более изысканные изображения и улучшить оттенки серого.

В современных электронных чернилах небольшие капсулы, наполненные прозрачной жидкостью, содержат крошечные частицы, каждая примерно шириной с человеческий волос. В каждом дисплее миллионы таких капсул в тонкой пленке. Частицы внутри разных цветов и с разными электрическими зарядами. Электроды размещаются над и под капсульной пленкой. Когда положительное или отрицательное электрическое поле применяется к отдельному электроду, цветные частицы с соответствующим зарядом перемещаются либо в верхнюю, либо в нижнюю часть капсулы, что окрашивает поверхность дисплея электронной бумаги определенным цветом. В самом базовом варианте дисплея будут черные и белые частицы.

Как и на настоящей бумаге, изображение на электронной будет оставаться статичным без необходимости подачи постоянного тока. Энергия необходима, чтобы доставить частицы на их место, но как только они прибыли, там и остаются.

Студенты основали компанию E Ink, где продолжили доводить до ума свое изобретение. В 2001 году представили дисплей, который впервые позволил каждому из пикселей на экране изменить цвет, расширив тем самым потенциал и универсальность использования электронной бумаги.

В 2004 году Sony первой представила настоящую электронную книгу на электронной бумаге от компании E Ink. Дисплей Sony Librie eReader отлично читался под прямыми солнечными лучами, не требовал питания для поддержания статического изображения и мог использоваться в портретной или альбомной ориентации. Вскоре за японцами последовали Barnes & Noble, Booken, Kobo, Amazon’s Kindle и PocketBook.

Но сфера применения таких энергоэффективных дисплеев оказалась куда шире: наручные часы, мобильные телефоны, смарт-карты, этикетки на полках магазинов, дорожные знаки и всевозможные виды цифровых рекламных вывесок.

Электронные чернила проигрывают привычным нам дисплеям по многим параметрам. И дело не только в черно-белой картинке. Низкая скорость обновления таких дисплеев — куда более заметный минус. Однако несмотря на это, свою нишу они нашли. А теперь готовы избавиться и от монохромности.

Путь к цвету

На настоящий момент цветные электронные читалки выпускает достаточно много фирм, среди которых есть и Onyx Boox, и HiSense, и такой сложно выговариваемый производитель, как Guoyue. Мне же в руки угодила электронная читалка PocketBook 740 Color. Это не первое поколение цветных книг в портфолио компании. Еще в 2013 году выходила Color Lux, а два года назад — PocketBook 633 Color.

Десять лет назад ожидания от цветной электронной книги были выше, чем ее возможности. Технология цветного экрана E Ink Triton в читалке Color Lux использовала цветные фильтры над слоем капсул, превращая свет, отраженный от белых частиц, в красные, зеленые и синие субпиксели. Это был очевидный подход: комбинируя RGB-палитру, можно создавать разные цвета. Но такой способ оказался нерабочим для потребительского рынка, популярность первого поколения технологии была ограниченной, так как она снижала разрешение и яркость дисплея. Цвета не были столь насыщенными для людей, которые привыкли к планшетам или печатным журналам.

Так как дисплеи электронных книг заточены под отражение света, каждый дополнительный слой в экране поглощал и рассеивал внешний свет. К тому же цветовой фильтр для разделения монохромных пикселей на три цветных пикселя уменьшал общее разрешение. Там, где в оригинале было 300 пикселей на дюйм, добавление фильтра уменьшало плотность пикселей до 100 на дюйм, картинка становилась более рыхлой и неприятной. Для маленьких шрифтов это вообще была катастрофа.

Тем не менее в недрах компании E Ink работали над иным подходом к формированию цветного изображения — мультипигментом, который не полагался на фильтры. Этот подход требовал гораздо более сложной химии и механики.

В обычных монохромных дисплеях разных оттенков серого добиваются с помощью сложного ПО, которое определяет время и напряжение, прикладываемое к каждому электроду. Эти алгоритмы внутри компании называют формами волны. Говорят, что их проектирование — это нечто на пересечении науки и искусства.

Мультипигментная электронная бумага заимствует основы у своего монохромного предшественника. Однако вместо двух типов частиц теперь их три или четыре, в зависимости от цветов, выбранных для конкретного применения. Эти частицы должны уникально реагировать на электрическое поле. Нет той дихотомии притягивания и отталкивания.

Для этого сделали частицы разных размеров — более крупные, как правило, движутся в жидкости медленнее, чем более мелкие. Также изменили заряды частиц, воспользовавшись тем, что заряд более аналоговый, чем цифровой. То есть он может быть очень положительным, немного положительным, очень отрицательным или немного отрицательным. И еще много градаций в этом диапазоне.

Алгоритмы форм волны подстроили под эти градации. Удалось подтолкнуть частицы одного цвета вверх, а затем немного оттянуть их назад, чтобы они смешались с другими частицами и создали определенный оттенок. Например, голубой и желтый вместе образуют зеленый цвет, а белые частицы обеспечивают отражающий фон. Чем ближе частица к поверхности, тем больше интенсивность этого цвета в смеси.

Также поменяли форму контейнера частиц со сферы на трапецию. Это позволило лучше контролировать их вертикальное положение.

Так на рынке появились экраны E Ink Spectra, которые в прошлом году проапгрейдили: сейчас они используют частицы четырех цветов — черного, белого, красного и желтого. Получились глубоко насыщенные цвета с высокой контрастностью, однако для создания полноцветовых изображений они не подошли. Используются преимущественно в качестве электронных этикеток на полках магазинов.

Для полноцветных систем, которые называют Advanced Color ePaper, избавились от черных частиц. В них только белые, голубые, пурпурные и желтые частицы. Комбинируя их с помощью алгоритмов, удается добиться отображения 50 000 цветов. Но опять же, были существенные минусы. Технологию выкатили в 2016 году, у нее была низкая скорость обновления экрана, а без подсветки цвета были чересчур приглушенными. Поиски идеального решения продолжились.

В конце концов инженеры E Ink решили смешать два подхода: разноцветные частицы и RGB-слой. Но печатать цвета решили не на отдельном слое, а непосредственно на пленке, которая содержит верхний электрод. Эта схема приблизила фильтры намного ближе к электронным чернилам, увеличила разрешение. Множество итераций потребовалось, чтобы определиться с узором RGB-фильтра, так как квадратная сетка в Triton-экранах показала себя не лучшим образом. Остановились на шаблоне коротких линий. И добавили фронтальную подсветку, чтобы световые лучи попали в слой чернил под углом, который максимизирует отражательную способность. Это, естественно, увеличило потребление энергии экраном. Но, в принципе, вся эта история про компромиссы.

Коммерческое название этой технологии дисплеев — Kaleido. Их стали производить в 2019 году, а через два года выпустили второе поколение Kaleido Plus. Это обновление улучшило насыщенность цвета благодаря корректировкам, внесенным в рисунок печати, и световодам для фронтальной подсветки. Именно такой дисплей и установлен в PocketBook 740 Color. Лучшее, что на сегодня может предложить потребительский рынок цветных читалок.

PocketBook 740 Color

Это не обзор определенной книги, а скорее знакомство с конкретной реализацией технологии, которую я благополучно проморгал. С парой субъективных заметок.

В этой читалке установлен экран с диагональю 7,8 дюйма. И если вы не собираетесь читать комиксы, журналы, PDF или хорошо иллюстрированные детские книжки, то вряд ли сможете испытать полное удовольствие от девайса.

Из-за уже упомянутых алгоритмов и комплексности отрисовки цветных страниц переворачивание страниц довольно долгое. Около секунды у хорошо иллюстрированных.

Но комиксы на таком экране выглядят по-настоящему потрясающе, когда они хорошо подготовлены и ярко нарисованы. Тогда как с комиксами, в которых есть много мелкого текста, уже наблюдаются некоторые проблемы: буквы оказываются чуть надкушенными, а текст рыхлится, хотя и остается читаемым.

В целом же на обычных страницах с вкраплением иллюстраций претензий у меня нет. Шрифты, даже самые тонкие, отлично читаются, хотя для глаза, привычного к Kindle Paperwhite, хотелось бы большей контрастности с фоном. Но ограничения технологии экрана из песни не выкинешь.

Недавно появились слухи о том, что Apple тестирует цветную электронную бумагу для использования в качестве дополнительного экрана для своего гипотетического складного смартфона. Учитывая энергоэффективность таких дисплеев, это было бы неплохим решением. Правда, для более насыщенных цветов, как показывает практика, нужна подсветка, но в целом эта технология может быть интересным экспериментом.

К тому же инженеры E Ink работают над улучшением этих экранов, собираются улучшать слои экрана для уменьшения потерь света, совершенствовать рисунок печати, также продолжают работать над мультипигментными экранами и надеются однажды довести эту технологию до потребительского рынка.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner запрещена без разрешения редакции. ng@onliner.by