文章目录
前言、先看效果对比
二值化黑白图像展示
灰度抖动图像展示
一、黑白世界的色彩想象
之前使用 ESP32-S3 + 12864 OLED 做了个串流小电视（见 桌面小电视新思路，ESP32-S3 + 12864 OLED 串流视频），通过网络发送视频帧的方式来播放视频。
因为 12864 OLED 是一个单色显示屏，因此在播放视频时，整个画面的颜色通过“灰度化->二值化”的步骤来生成黑白纯色画面，在视频中可以看到画面没有层次和细节，不太容易看清画面内容是什么。
因此我们需要引入灰度来让整个画面更加丰富，但是在 12864 OLED 没有灰度的情况下如何显示灰度信息呢？
在这里我们就可以引入一种特别的显示技术——抖动 (Dithering)，它能让单色屏幕拥有显示4阶灰度的能力。
二、什么是抖动 (Dithering)？
抖动，它的原理却非常直观，相当于通过大脑形成一种视觉错觉。
在单色屏幕上，只有纯黑和纯白的像素。抖动的核心思想就是：通过改变像素点的排布密度，来模拟出不同程度的灰度。
举个最简单的例子，如果你仔细观察报纸上的照片，你会发现那些“灰色”的部分，其实是由许多大小不一或疏密不同的黑色墨点组成的。在远处看，这些墨点混合在一起，就形成了我们看到的灰度。旧式的点阵打印机也是同样的原理，通过打印点的疏密来表现深浅。
抖动就是利用人眼的这种视觉混合效应。当我们观察一个由许多纯黑和纯白像素组成的区域时，如果这些像素非常小并且排列得足够紧密，我们的大脑就会将这些黑白像素的混合视为一个统一的灰色。像素点越密，看起来就越黑；像素点越稀疏，看起来就越白。
三、4 阶灰度：从纯黑到纯白
我们通常说的灰度，可以有 256 级，甚至更多。但是通过抖动模拟出的灰度，其实是牺牲了有效分辨率换来的。
对于 12864 OLED 来说，原生的黑白分辨率是 128x64，通过 2x2 的点阵抖动来实现灰度时，实际有效分辨率可以等同于 64x32。
因此，要实现更多级的灰度，会严重损失画面内容，而 4 阶灰度，却是一个在有限资源下，既能有效提升显示效果，又相对容易实现的折衷方案。
那么，这 4 阶灰度具体指什么呢？它们通常代表以下四种亮度等级：
- 0% 亮度： 纯黑色
- 33% 亮度： 较深的灰色
- 66% 亮度： 较浅的灰色
- 100% 亮度： 纯白色
纯黑和纯白是单色屏幕的本色，可以直接显示。但介于两者之间的“较深的灰色”和“较浅的灰色”要如何呈现呢？这就是抖动技术大显身手的地方。
四、实现原理：点阵的巧妙组合
现在，我们不再把一个像素看作一个独立的点，而是将几个像素组合成一个微小的“点阵”。最常用也最容易理解的是使用 2x2 的点阵，也就是由四个像素组成的一个小方块。
通过控制这四个像素中哪些是“亮”的（白色）和哪些是“暗”的（黑色），我们就可以模拟出四种不同的灰度等级。
这里是2x2点阵的四种组合方式，以及它们所代表的灰度等级：
通过这样的点阵组合，我们的眼睛在一定距离下观看时，就会将这些微小的黑白点阵“混合”成具有不同灰度感觉的区域。这就是单色屏幕上实现4阶灰度的基础。
五、抖动算法：误差扩散抖动
虽然 2x2 点阵的原理很简单，但如果仅仅是机械地将图像划分为 2x2 的小块，并根据平均灰度值来选择对应的点阵模式，图像看起来可能会有明显的块状感，细节丢失严重。
为了获得更自然、更平滑的灰度过渡，我们需要更高级的抖动算法，其中最常用且效果显著的一种是误差扩散抖动 (Error Diffusion Dithering)。
简单来说，误差扩散抖动不再是孤立地处理每个像素或小点阵，而是考虑了图像的整体性。当算法处理一个像素时，它会首先判断这个像素应该显示为黑还是白。但关键在于，如果这个像素的原始灰度值与最终选择的黑白值之间存在“误差”，这个误差并不会被简单地丢弃，而是会被“扩散”到它周围的、尚未处理的像素点上。
下图是 floyd-steinberg 典型误差扩散权重设定：
这样一来，被扩散的误差会影响到后续像素的黑白决策，使得整体灰度分布更加均匀，视觉效果也更接近原始图像的灰度。常见的误差扩散算法有 Floyd-Steinberg、Jarvis-Judice-Ninke 等，它们的主要区别在于误差扩散的权重和方向。
不同抖动算法效果对比
通过示例图可以看到，经过算法优化的抖动图像，可以显示更多原始图像的细节。
六、实际应用场景
虽然现在大多数带屏设备已经是使用了更高像素、更多色彩的 LCD，甚至是 OLED 显示屏，但是在相当多的领域，还是会有单色屏在使用。
在这些单色屏场景中，抖动技术就发挥着重要作用：
- 电子书阅读器： 很多早期的E-Ink屏幕就是利用抖动技术来显示文本和图片的，以在有限的灰度等级下提供更好的阅读体验。
- 工业显示屏： 在一些对成本、功耗有严格要求的工业设备上，单色显示屏配合抖动技术可以以较低的成本实现更好的视觉效果。
- 旧款打印机： 点阵打印机和早期喷墨打印机也利用抖动来模拟灰度或颜色。
- 图像处理软件： 许多图像编辑软件都提供了抖动功能，用于在将图像转换为低色深格式时，减少色带（banding）现象，保持图像细节。
七、总结
不得不说，人类的智慧是无限的，在有限的资源下，通过算法能创造出超越硬件限制的体验。
计算机图形学还有相当多的东西可以学习，在以后的 DIY 过程中再慢慢学习吧～
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