作者 adminz 发布于 2019-07-24 修改于

孩子问:为什么公交车和空调上的数字都是方的?——给孩子解释 LED 显示、像素、分辨率

(本文就算是第二篇亲子日记吧)

前两天孩子看着空调忽然问到:为什么公交车还有空调上的数字是方的呢?

我一愣,对孩子说:这是个好问题啊,你观察的很仔细,真是个聪明的孩子,不过我要好好想想,这个问题该如何回答。

孩子6岁,对于这个问题,如果只是简单回答可以说说点阵以及 LED 的显示,再深入可以解释像素、分辨率的知识,不过就不知道孩子接受程度如何了。

一、火柴棍

1、准备火柴棍或其它类似东西至少若干,让孩子观察下图并完成任务:

(1)用火柴棍摆出数字6、7、8等数字

(2)对数字8减少火柴棍变换出0到9的其它的数字。

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孩子完成的作品图:

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2、思考:使用火柴最多的数字是几?使用了几根火柴?

答案:使用火柴棍最多的数字是8,使用了7根火柴,也就是只要使用7要火柴就可以变换出0到9的任意数字。

3、告诉孩子结论:这就是数字为方形的原因,只有将数字设计为如上图所示的“方形”,才能用火柴棍这样的的东西把数字“显示”出来,并且只需要7根火柴棍就可以“显示”出所有的数字,非常简单,成本非常低。

4、思考:公交车号码当然不能用火柴棍来显示,那是什么来显示的呢?

二、LED显示

LED是发光二极管的简称,如下图所示,就像是一个灯。

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现在假如把火柴棍变成LED,固定成数字8的形状,如下动态图,就像刚才增加或减少火柴棍变成别的数字一样,点亮或关闭LED灯就可以显示不同的数字。如果让它显示0,只需要把中间的那个LED关闭,其它的都把"开关"打开点亮。当然,我们通常在公交车上见到的 LED 都是红色的,如何显示彩色一会儿再说。

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这样在制造时公交车号码牌的时候,只需要用LED制造成 8 的形状,就可以用于各路公交车,要显示哪个号码,就让相应的LED发光。当然,让哪个LED发光是安装时就调整好的、由"单片机"(电脑)来控制的,司机只需要打开总电源就可以了。生活中,处处都有LED显示,随手找几张图:电磁炉、LED时钟.....

(孩子这时已经明白了,说:哦,我说公交车不亮的时候怎么车号全都是 8 )

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三、点阵

思考:以上都是相对固定的图案或数字,如何才能像手机或电脑屏幕一样,想显示什么就显示什么呢?

在如下图所示的A4纸,现在已经“显示”了“中国”两个大字,这个叫点阵。(可以让孩子用红色彩笔点亮“中”字所在的点)

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点阵图1

结论:1、将上图中的点换成“LED”,将许多 LED 布置在一块电路板上,要显示不同的文字或图案其实就是控制这些灯的开和关,如下图所示,这是真实的LED显示屏。

2、因 LED 太多,要显示不同的数字或文字,就要借助单片机(电脑)来控制这些LED的开或关。

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四、像素、分辨率

1、思考:刚才这张图片“点阵图1”,一共有多少个点呢?

如果这张纸是显示器,纸上的点用来显示图像,将每一个点称为 像素,横向有64个点,纵向有32个点,可以用乘法来计算, 一共有 64 乘以 32 等于 2048 个点,就可以说这张图像 分辨率是 64*32, 2048 像素。

2、点的直径是3mm ,相邻的两个点的中心之间的距离是4 mm 。现在拿近一些再拿远一点观察,思考问题:如果这张纸是显示屏的话,显示的字“颗粒感”很重,非常不清晰,如何才能像电脑显示器或手机显示的一样清晰呢?

答案:减小点和点距,当单位面积上的点越多、密度越大,显示也就越清晰。也就是减少面积,增大分辨率。如果对“点阵图1” 长和宽都缩小50%,再打印在A4 纸上,如下图,显示就会细腻很多:

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3、常见的分辨率标准有:(px 表示像素,p 表示数字电视中逐行扫描)

480P:分辨率为 848* 480 px,视频解析度,标清

720P:分辨率为 1280*720 px,视频解析度,半高清

1080P:分辨率为 1920 * 1080 px,视频解析度,全高清

2K :分辨率为 2560 x 1440 px

4K:分辨率为 4096×2160 px

4、数码相机或手机摄像头的“像素”表示感光器件上的感光最小单位,例如,对4000万像素的摄像头,也就是感光元件最大能够感受到4000万个点,在照相时再将每一个点转化为数字信号,4000万像素的照片最大分辨率可达到 5472 * 7296 像素。

五、三原色、LED、LCD

1、如果这张纸是显示屏的话,现在显示的只是红色一种颜色,如何显示彩色呢?

大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色(RGB)按照不同的比例合成产生,这就是三基色原理,就像画水粉画调色时一样。

2、LED 是发光二极管(light emitting diode缩写),LED显示屏由LED模块面板组成。如果“点阵图1”是一块 LED 模块面板,将每一个点变成红、绿、蓝三种单色管集成的彩色管,由驱动芯片控制LED快速亮灭,按三色加法合成所需要的色彩。

如果RGB三基色每个颜色通道拥有256(2的8次方)种阶调,就可以合成 256*256*256 等于 16777216 种颜色,即2的8次方乘以3,等于2的24次方,称为24位颜色,用3个16进制数表示;

如果实现灰度级别的控制,会产生256级(即2的8次方)灰度等级,虽然还是合成 16777216 (2的24次方) 种颜色,但由于增加了8位灰度等级,所以称为 32 位颜色。

3、LCD ( Liquid Crystal Display 的简称)液晶显示器,现在的 LCD 大多都使用 LED 做为背光源,但是和 LED全彩屏显示方式是有本质的区别的。LCD 通过信号与电压的改变来控制彩色滤光片上液晶分子的转动方向,然后控制每个像素点偏振光是否射出来,从而显示出不同的颜色。

 

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六、PPI 和 DPI

DPI(Dot Per Inch)每英寸点数。一般是针对输出设备的分辨率,比如用于打印机的分辨率,则表示在该打印机最高分辨率模式下,理论上每英寸所能打印的最多"墨点数"。

PPI(Pixel Per Inch) 每英寸像素数,一般用来表示计算机影像和显示屏分辨率。比如华为p30手机屏幕分辨率是 2340 x 1080,屏幕尺寸 6.1 英寸,如何计算 PPI 呢?

分辨率表示屏幕横向有 2340 个像素,纵向有 1080 个像素,根据勾股定理,对角线的像素数是:(2340的平方+1080的平方)再开方,约等于2577。屏幕尺寸表示屏幕的对角线长度是6.1英寸,则 PPI 等于 2577 除以 6.1,约等于 422 ppi 。

通常认为人眼能分辨的 ppi 最大只能到 300,如果显示屏 PPI 太小则显示有颗粒感,越大则显示越细腻。

七、后记

从孩子提出问题到现在已经有一周多了,如何用孩子听的懂的方式和语言来解释这个问题?很是困扰。最终,我希望孩子能明白前三部分,知道第四部分的概念,因此,采取了3种措施:第一,用火柴棍游戏的方式开始;第二,尽量简化成一个个的小问题;第三,并且使用了许多图片。至于第五、第六部分我是想透过这几个专业名词来解释基本的原理,当然我自己也是一知半解,第五、第六就当是给我自己学习的吧,至少在以后孩子再问起类似问题之时我可以简单的回答一下。