Шаг пиксела

Каждый светящийся элемент экрана формируется тремя точками - красного, зеленого и синего свечения. Существует такое понятие как шаг пиксела или размер зерна (pitch) - это характеристика, напрямую связанная с возможностью базовых структур плоско-панельного дисплея воспроизводить резкие изображения. Это минимальное расстояние между элементами одного цвета. Величина, обратная размеру зерна, - плотность элементов изображения, измеряемая обычно в точках на дюйм.

У современных мониторов шаг точек, как правило, не превышает 0,28 мм, хотя в моделях с диагональю 20-21 дюйм он может быть и больше, так как в этом случае повышенная зернистость изображения не так заметна из-за большой площади экрана.

• 
  Ширина полосы пропускания видеосигнала (bandwidth)
  

Данная характеристика определяет максимальное количество элементов изображения, которые могут быть выведены в строке. Чем шире полоса пропускания, тем больше четкость изображения. Ширина полосы пропускания рассчитывается по формуле:

W = HVF,

где: Н - максимальное разрешение по вертикали, V- максимальное разрешение по горизонтали, F- кадровая частота, на которой способен работать монитор при максимальном разрешении (например, в режиме 1024468 точек при частоте регенерации 60 Гц ширина полосы пропускания составит 47 МГц). Полученная величина должна быть несколько меньше полосы пропускания, указанной производителем. Кроме того, зная значение полосы пропускания, несложно оптимально подобрать видео-плату, которая должна обеспечивать ширину полосы видео-частот по крайней мере не меньшую, чем полоса пропускания монитора.

• 
  Физический и логический размер монитора
  

В качестве меры физических габаритов плоского дисплея обычно используется длина диагонали полезной площади в дюймах, хотя ее высота и ширина чаще измеряются в миллиметрах. До последнего времени можно было быть уверенным, что отношение длин сторон дисплея с высокой плотностью отображения информации (high-information-content display, HIC) равняется 4:3. Однако сегодня появилось множество дисплеев с соотношением сторон 16:9.

Логический размер дисплея часто называют также размером в пикселах или, ошибочно, разрешением. Логический размер VGA совместимого дисплея - 640480 точек. Ввиду того, что пикселы в современных компьютерных дисплеях почти всегда квадратные (т.е. имеют одинаковые размеры по горизонтали и вертикали), логические размеры имеют такое же соотношение, что и физическое отношение длин сторон, т.е. 4:3 для VGA и всех остальных популярных форматов, которые разрабатывались с ориентацией на соотношение 4:3. Дисплей с размерами 640240 точек часто называют 1/2-VGA, а 320240 - 1/4-VGA.

• 
  Графическое разрешение
  

Графическое разрешение монитора - количество пикселей, которые образуют картинку на мониторе. То есть, если разрешение 800600, вы видите 800 вертикальных полос и 600 горизонтальных. При формировании изображения участвует каждый пиксель экрана, при разрешении 640480 это 307200 адресуемых пикселей, 800600 - 480000 и при 1024768 - 1920000 соответственно.

• 
  Основные достоинства плазменного экрана
  

Плазменный экран обладает следующими функциональными возмож-ностями и характеристиками:

1. 
   Компактностью (глубина не превышает 10 - 15 см) и легкостью при достаточно больших размерах экрана (40 - 50 дюймов);
   
2. 
   Малой толщиной - газоразрядная панель имеет толщину около одного сантиметра или менее, а управляющая электроника добавляет еще несколько сантиметров.
   
3. 
   Высокой скоростью обновления (примерно в 5 раз лучше, чем у ЖК-панели).
   
4. 
   Отсутствием мерцаний и смазывания движущихся объектов, возникающих при цифровой обработке, поскольку отсутствует гашение экрана на время обратного хода, как в ЭЛТ.
   
5. 
   Высокой яркостью, контрастностью и четкостью при отсутствии геометрических искажений.
   
6. 
   Отсутствием проблем сведения электронных лучей и их фокусировки присущих всем плоско-панельным дисплеям.
   
7. 
   Отсутствием неравномерности яркости по полю экрана.
   
8. 
   100-процентное использование площади экрана под изображение.
   
9. 
   Большой угол обзора, достигающий 160° и более.
   
10. 
    Отсутствием рентгеновского и других вредных для здоровья излучений, поскольку не используются высокие напряжения.
    
11. 
    Невосприимчивостью к воздействию магнитных полей и вибраций, как ЭЛТ-мониторы.
    
12. 
    Отсутствием необходимости в юстировке изображения.
    
13. 
    Механической прочностью.
    
14. 
    Широким температурным диапазоном.
    
15. 
    Небольшим временем отклика (временем между посылкой сигнала на изменение яркости пикселя и фактическим изменением) позволяет использовать их для отображения видео - и телесигнала.
    
16. 
    Более высокой надежностью.
    

Плазменный экран можно снимать видеокамерой, и картинка при этом не дрожит, так как используется другой принцип отображения информации

• 
  Основные недостатки
  

К числу недостатков можно отнести:

1. 
   ограниченную разрешающую способность большинства существующих плазменных мониторов, которая не превышает 640480 пикселей. Исключение составляют модели PDP-V501MX и 502MX фирмы Pioneer. Обеспечивая реальное разрешение 1280768 пикселей, данный дисплей имеет максимальный на сегодняшний день размер экрана, 50 дюймов по диагонали (11062 см), и хороший показатель по яркости (350 Nit);
   
2. 
   невозможность "сшивания" нескольких дисплеев в "видеостену" с приемлемым зазором из-за наличия широкой рамки по периметру экрана;
   
3. 
   высокий уровень энергопотребления "плазменников", который подразумевает подключение их к сети и не оставляет никакой возможности работы от аккумуляторов;
   
4. 
   интерференцию, "перекрывание" микроразрядов в соседних элементах экрана. В результате подобного "смешивания" качество изображения, естественно, ухудшается;
   
5. 
   низкую среднюю яркость белого цвета плазменных дисплеев, которая составляет на настоящий момент порядка 300 кд/м² у всех основных производителей. В общем и целом это достаточно ярко, однако плазменным дисплеям далеко до яркости ЭЛТ, составляющей 700 кд/м^2;
   
6. 
   высокую цену плазменных дисплеев, доступных далеко не всем желающим.
   

8. 
   Жидкокристаллический LCD дисплей
   

Определим основные сокращения, без которых понимание материала при дальнейшем изложении будет затруднено:

MegaPixel - величина, описывающая размер рабочей области и объем данных, которые может отображать дисплей. К примеру: 0,8 MegaPixel соответствует разрешению 1024768, а 1,3 MegaPixel соответствует разрешению 12801024. Это означает, что ЖК монитор с 1,3 MegaPixel может отображать на 60% больше данных, и, кроме того, это означает, что рабочая область больше на 60%.

Кд/м² - Кд (кандел) единица измерения освещенности на квадратный метр. Чем больше это значение, тем светлее изображение.

LCD (Liquid Crystal Display) - жидко-кристаллический дисплей.

TFT (Thin-Film-Transistor) - тонко-пленочный транзистор.

TN (Twisted Nematic) - классическая технология для ЖК-панелей, характеризуется низкой ценой. Эта технология формирования изображения основана на изменении поляризации светового потока, проходящего через два скрещенных поляризационных фильтра.

PVA (Patterned multiple domains Vertical Alignment) - эта технология формирования изображения, основана на незначительном отклонении жидких кристаллов от нормали. Технология PVA обеспечивает большую контрастность и большие углы обзора.

IPS (In Plane Switching) - технология для ЖК-панелей, характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи.

MVA (Multi Vertical Aligment) - технология для ЖК-панелей, характеризуется наименьшим временем реакции и высокой контрастностью матрицы.

Linear Smoothing (линейное сглаживание) - эта функция будет работать в случае, если задаваемое разрешение экрана ЖК монитора меньше физического разрешения ЖК монитора - картинка все равно будет выводиться на полный экран. Мониторы без этой функции растягивают изображение со значительными искажениями.

В тонкопленочных полупроводниковых жидкокристаллических мониторах TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) жидкокристаллическое вещество расположено между двумя слоями стекла. Свет проходит через кристаллы в соответствии с направлением, в котором повернуты их молекулы. Поляризационные фильтры регулируют проходящий через них свет. При подаче напряжения молекулы кристалла занимают положение, при котором свет встречается с поляризационным фильтром прямо или под углом 90°. Напряжение заставляет жидкие кристаллы работать подобно затвору камеры, блокируя или разрешая прохождение света сквозь фильтры. Высокая эффективность мониторов TFT LCD обусловлена малым расходом материалов и энергии. Высокий КПД и низкий уровень электромагнитного излучения позволяет отнести эти мониторы к разряду устройств, "дружелюбных" к окружающей среде.

• 
  Дефектные пиксели
  

Международный стандарт для ЖК-панелей, ISO 13406-2, определяет предельные значения количества дефектных пикселов на миллион.

В соответствии с табл. 3.1. ЖК-панели делятся на 4 класса.

Таблица 3.1.

Класс	Тип 1	Тип 2	Тип 3	Tип 1 - Постоянно светящиеся пикселы (белый) Tип 2 - ”Мертвые” пикселы (черный) Tип 3 - Дефектные красные, синие и зеленые суб-пикселы
I	0	0	0
II	2	2	5
III	5	15	50
IV	50	150	500

• 
  Технология жидкокристаллических LCD дисплеев
  

В жидкокристаллическом дисплее материал помещен между двумя стеклянными панелями. При этом используются электрооптические свойства жидкого кристалла, помещенного в электрическом поле. От других типов дисплеев он отличается тем, что использует свет от внешнего источника (рис. 3.18).

ЖК-дисплей может быть изготовлен очень тонким и потребляет весьма мало энергии. Жидкий кристалл - промежуточное состояние между жидкой и твердой фазами вещества - проводит или не проводит свет в зависимости от приложенного к нему напряжения или температуры. Отсюда следует, что, управляя напряжением или температурой в определенной области, можно создавать яркие изображения. Несмотря на очевидные преимущества в размерах и энергоэффективности, применению ЖК мониторов сопутствует ряд нерешенных проблем: контрастность, увеличение угла обзора, высокая стоимость.

Рис. 3.18. Формирование изображения в жидкокристаллическом дисплее

• 
  Методы адресации ячеек ЖК-экрана
  

Выполнение преобразования сигнал-свет не является единственной технической проблемой при создании ЖК-монитора. Необходимо обеспечить также своевременную подачу управляющих сигналов на каждую ЖК-ячейку, соответствующую конкретному пикселу изображения, в течение одного периода кадровой развертки.

В мониторе на основе ЭЛТ эта задача решается автоматически в процессе развертки, поскольку развертывающий элемент - электронный луч - обеспечивает последовательную засветку всех зерен люминофора.

В ЖК-мониторе электронного луча нет, поэтому для подачи на ЖК-ячейки управляющего напряжения используются обычные провода. Однако использовать индивидуальный провод для каждой ячейки не представляется возможным: например, для обеспечения разрешения 640480 необходимо 307200 проводов! Для решения этой задачи применяются специальные методы, подобные методам, используемым при адресации ячеек оперативной памяти.

Для подачи управляющих сигналов на ЖК-ячейки, образующие матрицу размером NM, могут быть использованы следующие способы адресации:

• 
  однокоординатная;
  
• 
  статическая 2-координатная (матричная);
  
• 
  динамическая 2-координатная (матричная).
  

При однокоординатной адресации подача управляющего напряжения на каждую ячейку строки (или столбца) осуществляется по отдельным линиям (рис. 3.19). Если в строке содержится N ячеек, то для управления ими потребуется как минимум N+ 1 провод (один из них - общий для всех ячеек). Для подачи напряжения на все ячейки матрицы потребуется (N+1)*М проводов. Кроме того, необходимо М схем управления. Очевидно, что использовать такой метод адресации ЖК-ячеек неэкономично.
Рис. 3.19. Однокоординатная

адресация ячеек

При 2-координатной (матричной) адресации (рис. 3.20.) используются только две схемы управления и общие линии (провода), соединяющие все ячейки одного столбца (строки). В результате необходимое число линий управления уменьшается до . Каждая ячейка активизируется только в том случае, если на нее одновременно поступят два сигнала: сигнал выбора строки и сигнал выбора столбца. Если сигналы управления, формируемые схемами управления строками и столбцами, в течение кадра остаются неизменными, то такой способ матричной адресации является статическим.

Рис. 3.20. Статическая адресация ЖК-ячеек

Недостаток этого способа состоит в том, что нельзя независимо управлять состоянием ячеек: если на какой-либо линии сигнал управления отсутствует, то все соединенные с ней ячейки (вся строка или весь столбец) будут выключены. Очевидно, что для управления ячейками ЖК-монитора PC статическая матричная адресация не подходит.

При использовании динамической матричной адресации (рис. 3.21а) ЖК-ячейки опрашиваются построчно: на линии управления, соответствующей i-й строке, формируется сигнал выбора строки, после чего осуществляется одновременное обращение ко всем ячейкам данной строки. Затем осуществляется обращение к i+1 строке и процесс повторяется. Следовательно, выходные сигналы схемы управления столбцами определяют состояние не всего экрана, а только одной его строки в течение периода строчной развертки. Таким образом, формирование изображения на экране ЖК-монитора, как и обычного монитора, осуществляется построчно, но все ячейки строки обновляются одновременно. Каждая ЖК-ячейка должна при этом сохранять свое состояние до начала следующего цикла.

Сигналы, формируемые схемой управления строками, представляют собой последовательность импульсов, период следования которых равен периоду кадровой развертки, причем сигналы на соседних линиях сдвинуты относительно друг друга на время, необходимое для активизации ячеек строки (рис. 3.21б). Для ускорения обновления изображения все строки ЖК-экрана разбиваются на две равные группы (четное и нечетное поля), для каждой из которых используется собственная схема управления. Этот прием напоминает чересстрочную развертку, но формирование изображения обоих полей осуществляется одновременно. Такой способ формирования изображения называется двойным сканированием и позволяет вдвое сократить время обновления экрана, т.е. в два раза повысить частоту кадров. При этом можно использовать менее инерционные ЖК-ячейки, что позволяет повысить качество динамического изображения.

Динамическая адресация требует точного соблюдения временных соотношений между сигналами управления строк и столбцов. Для синхронизации сигналов управления строк и столбцов с выходными сигналами видеоадаптера ЖК-мониторы оснащаются схемами управления частотой и фазой.

Матричная адресация имеет серьезный недостаток, являющийся следствием использования общих линий управления для всех ЖК-ячеек строки (столбца): при активизации каких-либо ячеек соседние с ними ячейки также частично активизируются. В результате контрастность изображения на ЖК-экране резко ухудшается. Чем выше уровень управляющего напряжения, подаваемого на ЖК-ячейки, тем хуже контрастность.

1. 
   Технологии изготовления ЖК-экранов
   

• 
  ЖК дисплеи с активной матрицей
  

ЖК дисплеи с активной матрицей (AM-LCD) используют описанный выше принцип действия для элементов каждого цвета. Цветовоспроизводящие элементы в таком дисплее влияют друг на друга. Для устранения этого недостатка используются магнитодиоды.

• 
  Тонкопленочные транзисторные (TFT) ЖК-дисплеи
  

В TFT LCD дисплеях для каждого цветового элемента используется один транзистор и один конденсатор, которые обеспечивают подачу напряжения на элемент в период включенного состояния транзистора. Закрытый транзистор изолирует элемент до момента следующего своего включения. Для создания изображения здесь используется свойство ЖК вещества проводить или блокировать свет в зависимости от приложенного напряжения.

Рис. 3.22. Вольт-контрастная характеристика ЖК-ячейки

Поскольку ЖК-ячейка является пассивным оптическим элементом и не излучает свет, ее оптическим параметром является не яркость, а контрастность, определяемая как отношение яркостей ячейки в прозрачном и непрозрачном состояниях. Зависимость контрастности ЖК-ячейки от приложенного напряжения называется вольт-контрастной характеристикой. Типичная вольт-контрастная характеристика ЖК-ячейки представлена на рис. 3.22.

Реализация описанной выше технологии решила проблему габаритов и энергопотребления. Однако первые модели ЖК-экранов имели ряд специфических недостатков:

1. 
   низкое быстродействие ячеек - на изменение ориентации молекул жидкокристаллического вещества требовалось до 500 мс, что не позволяло использовать такие ЖК-экраны для отображения динамических изображений (например, при быстром перемещении манипулятора «мышь» на экране монитора пропадало изображение его указателя);
   
2. 
   сильная зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешнего освещения;
   
3. 
   ограниченный угол зрения, под которым изображение на ЖК-экране хорошо видно;
   
4. 
   низкие яркость и насыщенность изображения;
   
5. 
   ограниченные размеры;
   
6. 
   высокая стоимость.
   

С целью устранения этих недостатков технологии изготовления ЖК-ячеек постоянно совершенствуются.

• 
  Сравнение технологий DSTN, TFT, DFPI
  

Первой технологией, позволившей значительно повысить качество изображения на экране ЖК-монитора, стала технология DSTN (Dual-scan Super- Twisted Nematic – сверхзакрученные нематические ячейки с двойным сканированием). Эта технология основана на использовании ЖК-ячеек с более подвижными молекулами и большим углом поворота плоскости поляризации (120° по сравнению с 90°), а также двойного сканирования строк экрана. Благодаря увеличению угла поворота плоскости поляризации света, обеспечивается более высокая контрастность изображения, а использование вещества с более подвижными молекулами и двойное сканирование снизило время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и позволило значительно повысить частоту обновления экрана.

Хотя с помощью технологии DSTN и удалось повысить качество изображения на экране ЖК-монитора, но осталась неразрешенной проблема низкой контрастности изображения, вызванная частичной активацией соседних ячеек.

Устранить этот недостаток позволила так называемая технология активных ЖК-ячеек. От обычной (пассивной) ЖК-ячейки активная отличается наличием собственного электронного ключа. Такой ключ позволяет сигналом низкого уровня (около 0,7 В) коммутировать высокое (десятки вольт) напряжение. На рис. 3.23 представлены схема простейшего транзисторного ключа на биполярном транзисторе и диаграммы его работы.

Использование активных ЖК-ячеек позволило значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной засветки соседних пикселов. Поскольку электронные ключи выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-экраны получили название TFT-экранов (Thin Film Transistor- тонкопленочный транзистор). Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только улучшить показатели ЖК-мониторов (яркость, контрастность, угол зрения и др.), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор. Каждый элемент такой матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой управляемых ими ЖК-ячеек. Каждая ячейка триады снабжена светофильтром одного из трех основных цветов: красного, зеленого или синего. Изменяя уровень поданного на транзистор управляющего сигнала, можно регулировать яркость каждой ячейки триады.

Таким образом, TFT-экран ЖК-монитора состоит из таких же триад, как экран обычного монитора на основе ЭЛТ.

Рис. 3.23. Схема транзисторного ключа (а) и диаграммы его работы (б)

Отметим, что формирование и подача управляющего сигнала видеоадаптера на каждую ЖК-ячейку экрана - задача очень сложная. Для ее решения в состав плоскопанельного монитора входит специальная электронная схема управления - контроллер ЖК-экрана.

Контроллер является самым сложным элементом ЖК-монитора. Его задача заключается в синхронизации по частоте и фазе выходных сигналов видеоадаптера и управляющих ЖК-экраном синхросигналов, формируемых схемами управления строками и столбцами (рис. 3.21а). Рассогласование этих сигналов по частоте ведет к нарушению корректности обновления строк; нарушается соответствие положения элементов растра на экране временным параметрам видеосигнала. В результате изображение пропадает либо наблюдаются такие дефекты, как дрожание растра или вертикальные линии на изображении. После выравнивания частот указанных сигналов контроллер ЖК-экрана производит их синхронизацию по фазе, что позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить дрожание изображения.

Помимо адресации ячеек и синхронизации изображения, контроллер ЖК-экрана выполняет преобразование видеосигнала по уровню. Необходимость в таком преобразовании обусловлена тем, что уровень сигнала, подаваемого на ЖК-ячейку, отличается от уровня выходного сигнала видеоадаптера. Часто в результате этого преобразования значительно уменьшается количество оттенков цветов, отображаемых на экране ЖК-монитора; оно оказывается меньше, чем в состоянии обеспечить видеоадаптер, исходя из объема установленной на нем видеопамяти.

Анализируя методы адресации элементов ЖК-экрана, нельзя не заметить определенного сходства между ячейками ЖК-экрана и ячейками оперативной памяти. В частности, в обоих случаях весь массив ячеек разбивается на строки и столбцы, и осуществляется их независимая адресация. Обновление информации как в памяти, так и на ЖК-экране происходит построчно.

В этой связи становится очевидной нерациональность использования аналогового видеосигнала для управления ЖК-экраном. Ранее, когда видеоадаптер использовался только с обычными мониторами на основе ЭЛТ, последовательный способ передачи информации являлся единственно возможным, поскольку в таком мониторе имелся единственный развертывающий элемент - электронный луч, последовательно сканировавший все элементы растра.

Иначе обстоит дело в ЖК-мониторах. Контроллер ЖК-экрана вынужден выполнять дополнительные преобразования видеосигнала: из аналогового в цифровой и обратно. Такие преобразования сопровождаются появлением дополнительных искажений (в частности, упомянутым выше ограничением палитры). Налицо наличие трех лишних преобразований: цифро-аналогового в видеоадаптере, аналого-цифрового и цифро-аналогового - в контроллере ЖК-экрана. Это снижает качество изображения на ЖК-экране и значительно усложняет его конструкцию.

С целью устранения промежуточных преобразований была разработана новая технология DFPI (Digital Flat Panel Initiative - цифровая инициализация плоской панели), в соответствии с которой содержимое ячеек видеопамяти передается непосредственно в ячейки ЖК-экрана. Реализация этой технологии позволяет повысить скорость обновления экрана и устранить проблему синхронизации работы контроллера экрана и видеоадаптера.
Контрольные вопросы

1. 
   Где расположен видеобуфер в ПК фирмы IBM?
   
2. 
   Модель цветообразования в видеосистемах.
   
3. 
   Что содержит видеобуфер в текстовом и графическом режимах?
   
4. 
   Что является основным узлом знакогенератора (ЗГ)?
   
5. 
   Где по отношению к видеобуферу расположен ЗГ в текстовых режимах, в графических режимах?
   
6. 
   Какова роль CRTC?
   
7. 
   Что определяет регистр состояния видеосистемы?
   
8. 
   Для чего предназначены регистры палитры?
   
9. 
   Какова функция и разрядность регистров цвета в адаптерах VGA?
   
10. 
    Какие байтные операции осуществляет графический контроллер (ГК)?
    
11. 
    Какие пиксельные операции осуществляет графический контроллер (ГК)?
    

4. 
   <предыдущая страница | следующая страница>