Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы (электронные часы , телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей . Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .
Устройство ЖК-монитора
Субпиксел цветного ЖК-дисплея
Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны , поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света - ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение - молекулы стремятся выстроиться в направлении поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени - жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток , или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.
Технические характеристики ЖК-монитора
Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:
- Разрешение : Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией .
Фрагмент матрицы ЖК монитора (0,78х0,78 мм), увеличеный в 46 раз.
- Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.
- Соотношение сторон экрана (формат): Отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.
- Видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.
- Контрастность : отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.
- Яркость : количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.
- Время отклика : минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.
- Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.
- Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
- Входы: (напр, DVI , HDMI и пр.).
Технологии
Часы с ЖКИ-дисплеем
Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.
Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.
TN+film (Twisted Nematic + film)
Часть «film» в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90° до 150°). В настоящее время приставку «film» часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.
TN + film - самая простая технология.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.
К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.
IPS (In-Plane Switching)
Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.
На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB - 24 бита, по 8 бит на канал. TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.
Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.
IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi год), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика . Но, несмотря на то, что цветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам CRT , контрастность все равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips , NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.
AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации LG.Philips.
A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips для корпорации году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.
*VA (Vertical Alignment)
MVA - Multi-domain Vertical Alignment. Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160°(на современных моделях мониторов до 176-178 градусов), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.
Достоинствами технологии MVA являются глубокий черный цвет и отсутствие, как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля.
Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения, большее время отклика.
Аналогами MVA являются технологии:
- PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
- Super PVA от Samsung.
- Super MVA от CMO.
Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам.
Преимущества и недостатки
Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора
Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий).
В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ . У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ , нет видимого мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в 2-4 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight - задний свет) ЖК-матрицы. Во многих современных (2007) мониторах для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более Герц . Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности её реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.
С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:
- В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320x200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
- Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
- Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
- Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).
- Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев . Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
- Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
- Массово производимые ЖК-мониторы более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей .
- Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.
Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи. С другой стороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.
См. также
- Видимая область экрана
- Антибликовое покрытие
- en:Backlight
Ссылки
- Информация о флюоресцентных лампах, используемых для подсветки ЖК-матрицы
- Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)
Литература
- Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
- Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? . «Компьютер-бизнес-маркет», № 4 (292), январь 2005, стр. 284-291.
- Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть - № 2(46) март 2005, с.55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005, с.71-73.
- Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства ."BROADCASTING Телевидение и радиовещение": № 1(37), январь-февраль 2004, с.43-47.
- Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями . Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, март 2006.
Тип матрицы, используемой в ЖК-мониторе, - это, конечно, одна из важнейших характеристик мониторов, но не единственная. Кроме типа матрицы, мониторы характеризуются рабочим разрешением, максимальной яркостью и контрастом, углами обзора, временем переключения пиксела, а также другими, менее значимыми параметрами. Рассмотрим эти характеристики более подробно.
Если традиционные ЭЛТ-мониторы принято характеризовать размером экрана по диагонали, то для ЖК-мониторов такая классификация не вполне корректна. Более правильно классифицировать ЖК-мониторы по рабочему разрешению. Дело в том, что, в отличие от мониторов на основе ЭЛТ, разрешение которых можно менять достаточно гибко, ЖК-дисплеи имеют фиксированный набор физических пикселов. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Косвенно это разрешение определяет и размер диагонали матрицы, однако мониторы с одним и тем же рабочим разрешением могут иметь разную по размерам матрицу. Например, мониторы с диагональю от 15 до 16 дюймов в основном имеют рабочее разрешение 1024х768, что, в свою очередь, означает, что у данного монитора действительно физически содержится 1024 пиксела по горизонтали и 768 пикселов по вертикали.
Рабочее разрешение монитора определяет размер иконок и шрифтов, которые будут отображаться на экране. К примеру, 15-дюймовый монитор может иметь рабочее разрешение 1024х768 пикселов, а может - 1400х1050 пикселов. В последнем случае физические размеры самих пикселов будут меньшими, а поскольку при формировании стандартной иконки и в первом и во втором случаях используется одно и то же количество пикселов, то при разрешении 1400х1050 пикселов иконка по своим физическим размерам окажется меньше. Слишком маленькие размеры иконок при высоком разрешении монитора могут оказаться неприемлемыми для некоторых пользователей, поэтому на рабочее разрешение нужно сразу же обращать внимание при покупке монитора.
Конечно, монитор способен выводить изображение и в другом, отличном от рабочего, разрешении. Такой режим работы монитора называют интерполяцией. Заметим, что в случае интерполяции качество изображения оставляет желать лучшего: картинка получается зарубленной и шероховатой, а кроме того, могут возникать такие артефакты масштабирования, как неровности на окружностях. Режим интерполяции особенно сильно сказывается на качестве отображения экранных шрифтов. Отсюда вывод: если вы, приобретая монитор, планируете использовать его для работы при нестандартном разрешении, то самым простым способом проверки режима работы монитора при интерполяции является просмотр какого-либо текстового документа, набранного мелким шрифтом. По контурам букв легко будет заметить артефакты интерполяции, а если в мониторе использован более качественный алгоритм интерполяции, то буквы будут более ровными, но все же размытыми. Скорость, с которой ЖК-монитор производит масштабирование одного кадра, - тоже немаловажный параметр, на который стоит обратить внимание, ведь электронике монитора требуется время, чтобы произвести интерполяцию.
Одна из сильных сторон ЖК-монитора - его яркость. Этот показатель в жидкокристаллических дисплеях иногда превышает аналогичный параметр в мониторах на основе ЭЛТ более чем в два раза. Для регулировки яркости монитора изменяется интенсивность лампы подсветки. Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 300 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора.
Яркость для ЖК-монитора действительно является важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости некомфортной окажется работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки). Как показывает опыт, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 - но не заявленную, а реально наблюдаемую.
За последнее время контрастность изображения на цифровых панелях заметно выросла, и сейчас нередко этот показатель достигает значения1000:1. Данный параметр определяется как отношение между максимальной и минимальной яркостью на белом и черном фоне соответственно. Но и здесь не все так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы, а кроме того, существует несколько альтернативных методик измерения контраста. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.
За счет поворота на определенный угол ЖК-молекул в каждом из цветовых субпикселов можно получать не только открытое и закрытое состояния ЖК-ячейки, но и промежуточные состояния, формирующие цветовой оттенок. Теоретически угол поворота ЖК-молекул можно сделать любым в пределах от минимального до максимального. Однако на практике есть температурные флуктуации, которые препятствуют точному заданию угла поворота. Кроме того, для формирования произвольного уровня напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже - 24-битные. При использовании 18-битной ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 (26 = 64) различных уровня напряжения и соответственно задать 64 различные ориентации ЖК-молекул, что, в свою очередь, приводит к формированию 64 цветовых оттенков в одном цветовом канале. Всего же, смешивая цветовые оттенки разных каналов, возможно получить 262 К цветовых оттенка.
При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП) на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 (28=256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков.
В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн. цветовых оттенков. В чем же тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет различных ухищрений можно увеличить количество цветовых оттенков так, чтобы это количество приблизилось к количеству цветов, воспроизводимых настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): Dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control).
Суть технологии Dithering заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешивания ближайших цветовых оттенков соседних субпикселов. Рассмотрим простой пример. Предположим, что субпиксел может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние субпиксела формирует черный цвет, а открытое -- красный. Если вместо одного пиксела рассмотреть группу из двух субпикселов, то, кроме черного и красного цветов, можно получить еще и промежуточный цвет и тем самым осуществить экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному (рис.1). В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга монитор будет воспроизводить уже 27 цветов.
Рисунок 1 - Схема дизеринга для получения цветовых оттенков
Если же рассмотреть группу не из двух, а из четырех субпикселов (2х2), то использование дизеринга позволит получить дополнительно еще по три цветовых оттенка в каждом канале и монитор из 8-цветного превратится в 125-цветный. Соответственно группа из 9 субпикселов (3х3) позволит получить дополнительно семь цветовых оттенков, и монитор станет уже 729-цветным.
Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пиксела, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения.
Кроме технологии дизеринга используется и технология FRC, представляющая собой способ манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, будем считать, что субпиксел может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Напомним, что каждый субпиксел получает команду на включение с частотой кадровой развертки, то есть при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз в секунду, что позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться субпиксел не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение субпиксела), то в результате яркость субпиксела составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного.
Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае - это возможность потери деталей изображения, а во втором - возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции.
Однако необходимо отметить, что отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной не всегда возможно. При этом 24-битная матрица будет стоить существенно дороже.
Традиционной проблемой ЖК-мониторов являются углы обзора - если изображение на ЭЛТ практически не страдает даже при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих ЖК-матрицах даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи. Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1 (рис.2).
Рисунок 2 - Схема определения углов обзора ЖК-матрицы
Несмотря на кажущуюся однозначность данного термина, необходимо четко представлять себе, что именно понимает производитель матрицы (а не монитора) под углом обзора. Максимальный угол обзора как по вертикали, так и по горизонтали определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения не менее 10:1. При этом вспомним, что под контрастом изображения понимается отношение максимальной яркости на белом фоне к минимальной яркости на черном фоне. Таким образом, по своему определению углы обзора не имеют прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом.
Время реакции, или время отклика, субпиксела тоже является одним из важнейших показателей монитора. Нередко именно эту характеристику называют самым слабым местом ЖК-мониторов, поскольку, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где время отклика пиксела измеряется микросекундами, в ЖК-мониторах это время составляет десятки миллисекунд, что в конечном счете приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз. С физической точки зрения время реакции пиксела определяется промежутком времени, за который изменяется пространственная ориентация молекул жидких кристаллов, и чем меньше это время, тем лучше.
При этом необходимо различать время включения и выключения пиксела. Под временем включения пиксела понимается промежуток времени, необходимый для полного открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения - промежуток времени, необходимый для полного закрытия ЖК-ячейки. Когда же говорят о времени реакции пиксела, то под этим понимают суммарное время включения и выключения пиксела.
Время включения пиксела и время его выключения могут существенно отличаться друг от друга. К примеру, если рассмотреть распространенные TN+Film-матрицы, то процесс выключения пиксела заключается в переориентации молекул перпендикулярно направлениям поляризации под воздействием приложенного напряжения, а процесс включения пиксела - это своего рода релаксация ЖК-молекул, то есть процесс перехода в их естественное состояние. При этом очевидно, что время выключения пиксела будет меньше, чем время его включения.
На рис.3 показаны типичные временные диаграммы включения (рис.3,а) и выключения (рис.3,б) пиксела TN+Film-матрицы. В приведенном примере время включения пиксела составляет 20 мс, а выключения - 6 мс. Суммарное же время реакции пиксела составляет 26 мс.
Когда говорят о времени реакции пиксела, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Как ни странно, но это не одно и то же, поскольку в первом случае не учитывается вся электроника, требуемая для управления пикселами матрицы. Фактически время реакции пиксела матрицы - это время, необходимое для переориентации молекул, а время реакции пиксела монитора - это время между подачей сигнала на включение/выключение и самим фактом включения/выключения. Кроме того, говоря о времени реакции пиксела, указываемом в технической документации, необходимо учитывать, что производители матриц могут по-разному трактовать это время.
Рисунок 3 - Типичные временные диаграммы включения (а) и выключения (б) пиксела для TN-матрицы
Так, один из вариантов трактовки времени включения/выключения пиксела заключается в том, что под этим подразумевается время изменения яркости свечения пиксела от 10 до 90% или от 90 до 10%. При этом вполне возможна ситуация, когда для монитора с хорошим временем реакции пиксела при изменении яркости в пределах от 10 до 90% полное время реакции пиксела (при изменении яркости от 0 до 100%) будет достаточно большим.
Так, может быть, более корректно производить измерения в пределах изменения яркости от 0 до 100%? Однако яркость от 0 до 10% воспринимается человеческим глазом как абсолютно черный цвет, и в этом смысле практическое значение имеет именно измерение от уровня яркости в 10%. Аналогично не имеет смысла измерять изменение уровня яркости до 100%, поскольку яркость от 90 до 100% воспринимается как белый цвет, и потому именно измерение яркости до 90% имеет практическое значение.
До сих пор, говоря об измерении времени реакции пиксела, мы подразумевали, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксел просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пиксела, если измерять его при переключении между различными полутонами? Этот вопрос имеет огромное практическое значение. Дело в том, что переключение с черного фона на белый или наоборот, которое определяет время реакции пиксела, в реальных приложениях применяется относительно редко - примером может быть прокрутка черного текста на белом фоне. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если окажется, что время переключения между серым и белым цветами будет меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пиксела просто-напросто не имеет, так что ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Действительно, какой смысл в определении времени реакции пиксела, если реальное время переключения между полутонами может быть больше и если при динамическом изменении картинки она будет расплываться?
Ответ на этот вопрос довольно сложен и зависит от типа матрицы монитора. Для широко распространенных и наиболее дешевых матриц TN+Film все достаточно просто: время реакции пиксела, то есть время, которое требуется для полного открытия или закрытия ЖК-ячейки, оказывается максимальным временем. Если цвет описывать градациями R-, G- и B-каналов (R-G-B), то время перехода от черного (0-0-0) к белому (255-255-255) цвету больше, чем время перехода от черного к градации серного. Аналогично время выключения пиксела (переход от белого к черному) оказывается больше, чем время перехода от белого к любой градации серого.
На рис. 4 показана графическая зависимость времени переключения между черным цветом и градациями серого и обратно - между градациями серого и черным цветом. Как видно из графика, максимальным является именно время переключения между черным и белым цветами и обратно, которое и определяет время реакции пиксела. Именно поэтому для TN+Film-матриц время реакции пиксела полностью характеризуют динамические свойства монитора.
Рисунок 4 - График зависимости времени переключения между черным цветом и градациями серого
Для IPS- и MVA-матриц все оказывается не столь очевидно. Для этих типов матриц время переключения между цветовыми оттенками (градациями серого) может оказаться больше, чем время перехода между белым и черным цветами. В таких матрицах знание времени реакции пиксела (даже если вас будут уверять, что это рекордно низкое время) не имеет практического значения и не может рассматриваться как динамическая характеристика монитора. Вследствие этого для данных матриц куда более важным параметром является максимальное время перехода между градациями серого, но это время не указывается в документации к монитору. Поэтому если вам неизвестно максимальное время переключения пиксела для данного типа матрицы, то лучший способ оценить динамические характеристики монитора - это запустить какое-либо игровое динамическое приложение и определить на глаз смазанность картинки.
Все ЖК-мониторы по своей природе являются цифровыми устройствами, поэтому родным интерфейсом для них считается цифровой интерфейс DVI. Интерфейс может обладать двумя видами коннекторов: DVI-I, совмещающим цифровой и аналоговый сигналы, и DVI-D, передающим только цифровой сигнал. Считается, что для соединения ЖК-монитора с компьютером предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный D-Sub-разъем. В пользу DVI-интерфейса говорит то, что в случае аналогового интерфейса выполняется двойное преобразование видеосигнала: первоначально цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (ЦАП-преобразование), а затем аналоговый сигнал трансформируется в цифровой электронным блоком самого ЖК-монитора (АЦП-преобразование), и вследствие таких преобразований возрастает риск различных искажений сигнала. Справедливости ради отметим, что на практике искажения сигнала, вносимые двойным преобразованием, не встречаются, и подключать монитор можно по любому интерфейсу. В этом смысле интерфейс монитора - последнее, на что стоит обращать внимание. Главное, чтобы соответствующий разъем был на самой видеокарте.
Многие современные ЖК-мониторы обладают как D-Sub-, так и DVI- коннекторами, что нередко позволяет одновременно подключать к монитору два системных блока. Также встречаются модели, имеющие два цифровых разъема.
Структурная схема ЖК-монитора представлениа на рис.5
Рисунок 5 - Структурная схема ЖК-монитора
Сигнал от видеоадаптера подается на вход дисплея через аналоговый RGB VGA D-sub или цифровой DVI интерфейс. В случае использования аналогового интерфейса видеоадаптер преобразует данные кадрового буфера из цифрового вида в аналоговый, а электроника ЖК-монитора, со своей стороны, вынуждена выполнять обратное, аналого-цифровое преобразование.Очевидно, что такие избыточные операции как минимум не улучшают качества изображения, к тому же они требуют дополнительных затрат для своей реализации. Поэтому с повсеместным распространением ЖК-дисплеев интерфейс VGA D-sub вытесняется цифровым DVI. В некоторых мониторах производители намеренно не реализуют поддержку DVI-интерфейса, ограничиваясь лишь VGA D-sub, так как для этого требуется применение специального TMDS-приемника со стороны монитора, и себестоимость устройства с поддержкой как аналогового, так и цифрового интерфейсов по сравнению с вариантом с единственным аналоговым входом будет выше.
Схема блока обработки изображения в ЖК-дисплее (от аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала, его масштабирования, обработки и вплоть до формирования выходных сигналов LVDS) выполнена на единственной ИС с высокой степенью интеграции, носящей название Display Engine.
Блок ЖК-матрицы содержит схему управления, так называемый драйвер матрицы, в который интегрированы приемник выходных сигналов управления LVDS и драйверы истоков и затворов, преобразующие видеосигнал в адресацию конкретных пикселов по столбцам и строкам.
В блок ЖК-матрицы входит также система ее подсветки, которая, за редкими исключениями, выполнена на газоразрядных лампах с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL). Высокое напряжение для них обеспечивает инвертор, размещенный в блоке питания монитора. Лампы обычно располагаются сверху и снизу, их излучение направлено в торец полупрозрачной панели, находящейся сзади за матрицей и выполняющей роль световода. От качества матирования и однородности материала этой панели зависит такая важная характеристика, как равномерность подсветки матрицы
Адресация ЖК-дисплеев с пассивной матрицей в принципе может быть реализована так же, как и у газоразрядных панелей. Передний электрод, общий для всего столбца, проводит напряжение. Задний электрод, общий для всего ряда, служит "землёй".
Недостатки у таких пассивных матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному распространению напряжения и слегка "портит" соседние пиксели.
Отмеченные недостатки привели к разработке технологии активных матриц (рис.6).
Рисунок 6 - Схема включения субпиксела активной ЖК-матрицы
жидкокристаллический монитор разрешение матрица
Здесь к каждому пикселю добавляется транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому подводка напряжения к жидкому кристаллу не прекратится, в то время как управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.
Эта технология известна ещё и под названием "TFT" (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название "ЖК" уже давно стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором мы понимаем дисплей, использующий технологию TFT.
Основные параметры ЖК-мониторов
Итак, что мы знаем о жидкокристаллических мониторах? Во-первых, они различаются размерами и цветом. Во-вторых - ценой. В-третьих, их производят более десятка различных компаний. Этим, пожалуй, знания обыкновенного пользователя компьютера ограничиваются. Постараемся их расширить.
Наиболее важные потребительские характеристики ЖК-монитора (или LCD-монитора) следующие: цена, соотношение сторон экрана, разрешение, диагональ, контрастность, яркость, время отклика, угол обзора, наличие дефектных пикселей, интерфейсы, тип матрицы, размеры, потребляемая мощность.
Цена
По поводу ценообразования: в целом чем дороже монитор, тем он лучше. Однако есть нюансы. Два производителя могут создавать свои модели на базе одной и той же матрицы, но разница в цене может достигать больше тысячи рублей. Все из-за дизайна, маркетинговой политики компании и других факторов.
Кроме того, каждая дополнительная функция или возможность увеличивают конечную стоимость монитора. Причем не всегда эти улучшения необходимы пользователю. Многим из них достаточно качества картинки и функционала дешевых моделей на основе TN-матрицы. А вот некоторым требуется точное отображение цветов, которое могут обеспечить только более дороги модели на базе на основе IPS- или *VA-матрицы.
Цены на самые дешевые 18,5- и 19-дюймовые мониторы начинаются от $100.
Формат экрана
Устаревшие ныне ЭЛТ-мониторы обладали стандартным соотношением сторон 4:3 (ширина к высоте). Первые ЖК-мониторы также выпускались такими (плюс производился формат 5:4). Сейчас их уже сложно встретить в продаже: на полках магазинов стоят широкоформатники - модели с соотношением сторон 16:10, 16:9, 15:9, что связано с активным внедрением видео в HD-формате (16:9).
Мониторы 4:3 более предпочтительны для веб-серфинга, работы в текстовых, издательских и других программах, где работа ведется преимущественно над вертикальными объектами (страницами). Но в качестве домашнего монитора и средства для развлечения (просмотр разнообразного видеоконтента, трехмерных игр) широкоформатный монитор окажется лучшим выбором.
Разрешение экрана
Этот параметр показывает, сколько точек (пикселей) размещается на видимой части монитора. Например: 1680x1050 (1680 точек по горизонтали и 1050 точек по вертикали). Этот параметр определяется исходя из формата кадра (число точек кратно соотношению сторон). В данном случае это 16:10. Существует конечное число таких пар чисел (таблицу разрешений можно найти в Интернете).
В ЭЛТ-мониторах вы могли выставить любое разрешение, которое поддерживается монитором или видеокартой. В ЖК-мониторах же существует только одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией. При этом ухудшается качество картинки. Поэтому при выборе между мониторами с одинаковым разрешением лучше выбрать с большей диагональю. Особенно если у вас ослабленное зрение, что в наше время совсем не редкость. И еще, разрешение ЖК-монитора должно поддерживаться вашей видеокартой. Проблемы могут возникнуть с устаревшими видеокартами. Иначе придется ставить неродное разрешение. А это - ненужное искажение картинки.
Покупать монитор с разрешением 1920x1080 (Full HD) или 2560x1600 вовсе необязательно. Потому что ваш компьютер может потянуть 3D-игры при таком разрешении, а видеофильмы в Full HD еще пока мало распространены.
Диагональ экрана
Это значение традиционно измеряется в дюймах и показывает расстояние между двумя противоположными углами. Оптимальная на сегодня диагональ по размеру и цене - это 20-22 дюйма. Кстати, при одинаковом размере диагонали монитор с форматом 4:3 будет обладать большей площадью поверхности.
Контрастность
Эта величина показывает максимальное отношение яркостей между самой светлой и самой темной точками. Обычно указывается в виде пары чисел типа 1000:1. Чем больше статическая контрастность, тем лучше, так как это позволит увидеть больше оттенков (к примеру, вместо черных областей - оттенки черного на фотографиях, в играх или фильмах). Учтите, что информацию о статической контрастности производитель может заменять данными о динамической контрастности, которая рассчитывается по-другому и на которую не стоит полагаться при выборе монитора.
Яркость
Этот параметр показывает количество света, излучаемое дисплеем. Измеряется в канделах на квадратный метр. Высокое значение яркости не повредит. В случае чего всегда можно будет яркость уменьшить в зависимости от собственных предпочтений и освещенности рабочего места.
Время отклика
Время отклика - минимальное время, которое необходимо пикселю для изменения своей яркости от активного (белого) в бездействующий (черный) и обратно к активному. Время отклика складывается из времени буферизации и времени переключения. В характеристиках указывается последний параметр. Измеряется в миллисекундах (мс). Чем меньше, тем лучше. Большое время отклика приводит к смазыванию изображений в быстрых сценах в фильмах и играх. В большинстве недорогих моделях на базе TN-матрицы время отклика не превышает 10 мс и вполне достаточно для комфортной работы. Кстати, некоторые производители лукавят, измеряя время перехода от одного оттенка серого к другому и выдавая это значение за время отклика.
Угол обзора
Этот параметр показывает, при каком угле просмотра контраст падает до заданного значения. При этом искажения становятся неприемлемыми для просмотра. Увы, каждая компания вычисляет угол обзора по-своему, поэтому самое лучшее - внимательно присмотреться к монитору перед покупкой.
Дефектные пиксели
После производства ЖК-матрицы на ней могут оказаться дефекты изображения, подразделяющиеся на пиксели мертвые и “горячие” (зависимые). Появление последних зависит от некоторых факторов: например, они могут проявляться при повышении температуры. “Горячие” пиксели можно попробовать убрать с помощью процедуры “ремапа” (поврежденные пиксели при этом будут выключены). От пикселей избавиться вряд ли получится.
Согласитесь, неприятно работать на мониторе с постоянно горящей зеленой либо красной точкой. Поэтому при осмотре монитора в магазине запустите какую-нибудь тестовую программу, чтобы определить наличие или отсутствие дефектных пикселей. Либо поочередно залейте экран черным, белым, красным, зеленым и синим цветом и внимательно приглядитесь. Если битых пикселей нет, смело берите. К сожалению, они могут проявиться позднее, но вероятность этого невысока.
Следует знать еще один момент: стандарт ISO 13406-2 устанавливает четыре класса качества мониторов по допустимому числу битых пикселей. Поэтому продавец может отказать вам в обмене модели, если число битых пикселей не выходит за рамки определенного производителем класса качества.
Тип матрицы
При производстве дисплеев применяются три основные технологии: TN, IPS и MVA/PVA. Имеются и другие, но они не имеют такого распространения. Технологические различия нам неинтересны, перейдем к потребительским свойствам.
TN+film. Наиболее массовые и дешевые панели. Обладают хорошим временем отклика, но плохим уровнем контрастности и малым углом обзора. Также хромает цветопередача. Поэтому не применяются в сферах, где необходима точная работа с цветом. Для домашнего использования - наилучший вариант.
IPS (SFT). Дорогие панели. Хороший угол обзора, высокая контрастность, хорошая цветопередача, но большое время отклика. Единственные, которые могут передать полную гамму цветов RGB. В настоящее время ведутся разработки для уменьшения времени отклика, еще большего расширения цветового диапазона и улучшения других параметров.
MVA/PVA. Нечто среднее между TN и IPS как по стоимости, так и по характеристикам. Время отклика не сильно хуже TN, а контрастность, цветопередача и угол обзора лучше.
Интерфейсы
Современные мониторы могут подключаться к компьютеру с помощью аналоговых и цифровых интерфейсов. Аналоговый VGA (D-Sub) морально устарел, но, скорее всего, будет использоваться еще достаточно долго. Постепенно вытесняется цифровым DVI. Также могут встретиться цифровые интерфейсы HDMI и DisplayPort.
Вам, по сути, нужно знать одно: есть ли на вашей видеокарте соответствующий интерфейс. К примеру, вы купили новый монитор с цифровым DVI, а на видеокарте - только аналоговый. В таком случае придется использовать переходник.
Размеры, дизайн, потребляемая мощность
Монитор нужно выбирать не только исходя из потребительских характеристик, но и внешнего вида. Но это индивидуальный параметр. Как мы уже писали, красивый дизайн повышает стоимость монитора. На потребляемую мощность можно не обращать внимания. Почти у всех современных моделей она совсем невелика. В паспорте устройства указывается потребляемая мощность: активная (в режиме работы) и пассивная (когда монитор выключен, но не отключен от сети).
Еще один вопрос: брать монитор с глянцевым покрытием или с матовым? Глянец дает большую контрастность, но больше бликует и быстрее пачкается.
Минусы ЖК-мониторов
Несмотря на то что жидкокристаллические мониторы по сравнению с ЭЛТ-мониторами обладают рядом преимуществ, необходимо отметить и ряд недостатков:
1) только одно “штатное” разрешение, остальные получаются с помощью интерполяции при потере четкости;
2) цветовой охват и точность цветопередачи хуже;
3) сравнительно невысокий уровень контрастности и глубины черного цвета;
4) время отклика на изменения изображения больше, чем у ЭЛТ-мониторов;
5) до сих пор не решена проблема зависимости контраста от угла обзора;
6) возможное наличие неустранимых дефектных пикселей.
Будущее ЖК-мониторов
В настоящее время жидкокристаллические мониторы переживают век расцвета. Но еще несколько лет назад эксперты начали разговоры о технологии, которая когда-нибудь сможет их заменить. Наиболее перспективными считаются OLED-дисплеи (матрица с органическими светодиодами). Однако их массовое производство пока сопряжено с трудностями и ограничивается довольно высокой ценой. Кроме того, технологии изготовления ЖК-мониторов постоянно улучшаются, поэтому объявление об их скорой кончине преждевременно.
Одним из основных недостатков LCD-мониторов является отсутствие универсальности применения их для решения разноплановых задач. Качественный ЭЛТ-монитор пригоден для работы с текстом, для обработки фотографий, для игр и т. д.
Однако среди LCD-устройств можно назвать модели, подходящие только для игр, но непригодные для работы с фотографиями, или можно обнаружить модели, обладающие прекрасной цветопередачей, но плохо подходящие для динамичных игр.
К сожалению, сегодня отсутствует универсальная технология производства LCD-панелей, потребительские характеристики которых удовлетворяли бы всех пользователей. Поэтому выбор LCD-монитора дело непростое. Покупатель изучает колонки технических характеристик, сравнивает качество изображения стоящих рядом мониторов и старается сделать "правильный выбор". Иногда производители сознательно завышают параметры своих изделий, не указывая, что они понимают под тем или иным заявленным параметром и как они его измеряют. Техническим характеристикам LCD-мониторов и посвящена данная статья.
Время отклика
Время отклика является наиболее "популярной" характеристикой любого LCD-монитора, т.к. именно на него в первую очередь обращают внимание покупатели при выборе устройства.
Физика процесса.
Яркость пиксела в LCD-панели меняется за счет изменения угла поворота жидких кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Поскольку жидкие кристаллы - вещество вязкое, то поворот происходит не мгновенно, а за достаточно большое время - единицы или десятки миллисекунд.
Время отклика
это суммарное время переключения пиксела с черного цвета на белый и обратно (измеряется время изменения яркости пиксела от 10% до 90%). Момент начала загорания пиксела и момент достижения им яркости 100% невозможно достоверно определить из-за наличия шумов и ограниченной точности измерительного оборудования, поэтому говорят лишь о вхождении яркости пиксела в 10% интервал. Полученное таким образом время отклика является минимальным (т.е. это минимальное значение, которое может продемонстрировать матрица). Подобный подход к измерению времени отклика не даёт покупателю полного представления о том, как будет себя вести монитор при работе с динамичной графикой.
Напряженность электрического поля и угол поворота кристаллов.
Во многих игрушках, имеющих преимущественно затемненные сцены, гораздо чаще происходит переключение пиксела не с черного на белый, а с черного на темно-серый цвет. В этом случае кристаллам необходимо повернуться на меньший угол, но скорость их поворота пропорциональна напряженности приложенного электрического поля (именно напряженностью поля и определяется угол поворота: чем меньший угол нам необходим, тем меньше должна быть напряженность прикладываемого электрического поля). Следовательно, мы имеем две противоположные тенденции. Как показывают исследования, с уменьшением угла поворота падает и скорость реакции пиксела. Т. о., в реальности время отклика всегда будет больше, чем при переключении с черного цвета на белый.
Тип матрицы.
Исходя из паспортного времени отклика нельзя определенно сказать, насколько быстр монитор, т.к. у разных типов матриц зависимость времени отклика от начального и конечного состояния пиксела проявляется по-разному. Напрямую сравнивать мониторы, построенные на базе "технологически различных" матриц, полагаясь лишь на заявленные производителем цифры, некорректно. Для подобного сравнения необходим трехмерный график (поверхность) зависимости времени отклика от конечного состояния пиксела при всех возможных переходах, включая переходы между двумя промежуточными уровнями (между двумя градациями серого). Как правило, производители панелей и мониторов такой информации о своих детищах не предоставляют.
Отмеченная особенность LCD-панелей наиболее существенно будет сказываться в динамичных играх с недостаточно контрастным изображением ("темных" играх). Смазывание изображения может оказаться достаточно заметным, при малом заявленном времени отклика.
Яркость и контрастность
Скорость переключения пиксела с черного на белый цвет не является абсолютным показателем времени отклика, т. к. она зависит от установленной на мониторе контрастности и яркости - снижение контрастности всегда ведет к увеличению времени отклика монитора.
Например, регулировка "Brightness" в большинстве мониторов реализована изменением яркости ламп подсветки, не связана с матрицей и никак не влияет на время отклика. Однако существуют мониторы, в которых яркость регулируется трансформацией матрицы, например, в моделях от Sony присутствует отдельная регулировка "Backlight", изменяющая яркость ламп подсветки, и регулировка "Brightness", управляющая матрицей. В случае использования "Brightness" очевидно, что время отклика зависит от положения регулятора - при низких значениях, установленных пользователем, оно может существенно возрастать.
Несимметричность времени отклика пиксела
это разница между временем зажигания и временем гашения пиксела. Например, если мы изучим два монитора со временем отклика 20 мс, у первого из них соотношение времени зажигания и гашения будет 15/5 мс (TN-панель), а у второго - 10/10 мс (MVA- и PVA-панели), то движущиеся объекты на них будут выглядеть по-разному. Тонкие черные линии при движении на белом фоне у первого монитора будут выглядеть значительно тоньше, чем они должны быть, в то время как у второго они будут сохранять свою толщину, становясь лишь несколько светлее, что воспринимается глазом значительно лучше.
Вывод: покупатель может лишь субъективно оценить время отклика монитора на качественном уровне - "меня устраивает" или "меня не устраивает", наблюдая за отображением динамичной игры на экране LCD-панели.
Углы обзора
Если качество изображения на ЭЛТ-мониторе не страдает при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих LCD-панелях даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи.
Угол обзора
это угол относительно перпендикуляра к центру панели, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре панели падает до 10:1.
Недостатки такого подхода к оценке углов обзора:
Искажения изображения становятся заметны при падении контрастности уже до 100:1, т. е. используемый показатель мягок, т.к. заметить отличие картинки от идеальной можно и при меньших углах обзора. Отдельные производители указывают углы обзора для предельной контрастности не 10:1, а вдвое меньше - 5:1, в результате чего "легким движением руки" TN+Film-панель с углами обзора 150/140 градусов превращается в панель с углами уже 160/160 градусов.
Измерения контрастности проводятся в центре экрана, в то время как пользователь, находящийся перед монитором, видит края экрана под другим углом, нежели центр.
Производитель панели указывает контрастность, наблюдаемую при взгляде строго перпендикулярно экрану, и под каким углом эта контрастность упадет до 10:1, но мы ничего не знаем о том, как она изменяется между этими двумя точками.
При измерении углов обзора учитывается только падение контрастности, но не искажение цветопередачи.
Указывается суммарный угол обзора в обе стороны от нормали (т.е. с вертикальным углом обзора суммируются предельные углы при взгляде на панель сверху и при взгляде снизу). Например, для моделей на TN+Film-матрицах угол обзора сверху существенно больше, однако при взгляде сверху нижняя часть изображения сначала выцветает, а потом, по мере увеличения угла, инвертируется (белый цвет приобретает характерный синеватый оттенок и становится темнее светлых оттенков серого). В результате, в паспортных характеристиках указан большой угол обзора по вертикали, в реальности малейшее отклонение экрана монитора назад приводит к заметному потемнению его верхней части.
Углы обзора по вертикали и горизонтали (т.е. именно те углы, которые указываются в характеристиках) максимальны, в то время как "диагональные" углы обзора существенно меньше.
Выводы. Техническая характеристика монитора "углы обзора" мало говорит о том, как будет выглядеть изображение на экране. С углами связано такое количество ограничений и допущений для различных типов матриц, что единственный пригодный для покупателя способ оценки качества монитора - это посмотреть на различные образцы воочию, не полагаясь на скупые паспортные данные, и принять решение.
Яркость и контрастность
Яркость - это яркость белого цвета (т. е. на матрицу подается максимальный сигнал) в центре экрана.
Контрастность - это отношение уровня белого цвета к уровню черного в центре экрана.
Говорить о "яркости" и "контрастности" монитора некорректно, т.к. в качестве этих параметров производители мониторов в большинстве случаев заявляют паспортные параметры панели, предоставленные им производителями этих панелей. Если на время отклика и углы обзора электроника всего устройства не оказывает существенного влияния, то в случае с яркостью и контрастностью ситуация меняется.
Физика процесса.
Проблема с контрастностью LCD-панелей вытекает из принципа их действия. В отличие от абсолютного большинства электронных устройств отображения информации, по отношению к свету матрица является не активным, а пассивным элементом. Она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать световой поток, проходящий через нее. Поэтому позади LCD-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет прозрачностью, ослабляя свет от модуля подсветки в заданное количество раз. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации с помощью жидких кристаллов, расположенных между двумя сонаправленными поляризаторами. Сонаправленность поляризаторов означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он преодолеет второй поляризатор без потерь. Если же плоскость поляризации была повернута жидкими кристаллами, то второй поляризатор задержит световой поток, и соответствующая ячейка будет выглядеть черной. Из-за неидеальности поляризаторов и расположения кристаллов задержать весь свет невозможно, поэтому какой-то процент светового потока всегда будет проходить через матрицу, слегка "подсвечивая" черный цвет монитора.
Измерения контрастности выполняются производителями панелей, а не мониторов. На специальном стенде панель подключается к источнику тестового сигнала, а лампы подсветки питаются током определенной величины, и получаются эталонные значения. В реальном мониторе добавляется влияние его электроники, которая:
Тактируется генератором сигналов, отличным от лабораторного;
Управляется пользователем, регулирующим яркость, контрастность, цветовую температуру и другие параметры.
Даже заявляемая многими производителями панелей контрастность 500...1000:1 далека от идеала. При такой контрастности монитор не может обеспечить глубокого черного цвета. Если посмотреть на экран при неярком внешнем освещении, то он может выглядеть темно-серым, но не черным.
Пользователь самостоятельно способен регулировать яркость и контрастность, что влияет на параметры изображения.
Некорректно говорить, что пользователь меняет яркость и контрастность ручками "Brightness" и "Contrast", т.к. непонятно - яркость чего он регулирует и за счет чего меняется контрастность. Регулировкой "Contrast" пользователь меняет яркость белого цвета (и всех оттенков серого, но вот черный цвет остается неизменным), а регулировкой "Brightness" - яркость как черного, так и белого одновременно.
В большинстве мониторов регулировкой "Brightness" изменяется яркость ламп подсветки. Встречается регулировка яркости с помощью матрицы - при увеличении яркости пользователем монитор добавляет к подаваемому на матрицу сигналу постоянную составляющую. При таком способе регулировки страдает контрастность, т. к. лампы подсветки всегда работают на мощности, необходимой для обеспечения максимально возможной для монитора яркости. Поэтому на небольшой яркости, даже если добавляемая к сигналу постоянная составляющая будет равняться нулю, такой монитор покажет заведомо более высокий уровень черного. Регулировка яркости с помощью матрицы негативно влияет и на время отклика.
У матриц с невысокой контрастностью часто страдает равномерность подсветки. Это проявляется в виде светлых или темных полос или пятен (светлые пятна могут соответствовать расположению ламп подсветки), иногда в виде светлых полос у края матрицы.
Вывод:
- целесообразно сравнивать два монитора на матрицах одинакового типа по паспортному значению контрастности;
- сравнивать мониторы на разных типах матриц и делать какие-то выводы о контрастности по одним заявленным производителем монитора цифрам вряд ли стоит;
- снова приходится выбирать на качественном уровне - "лучше-хуже".
Цветопередача
Производители обычно указывают лишь одну цифру - количество цветов, которое традиционно равняется 16,2 млн. или 16,7 млн. Однако многие из выпускаемых сегодня матриц (а из "быстрых" матриц - все поголовно) не умеют отображать более 262 тысяч цветов (что равно 18 битам, или по 6 бит на каждый из трех базовых цветов).
Физика процесса .
Производители панелей используют Frame Rate Control (FRC) - метод эмуляции недостающих цветов, при котором цвет пиксела меняется с каждым кадром в небольших пределах. Допустим, нам необходимо вывести цвет RGB:{154; 154; 154}, который наша матрица физически не поддерживает, однако она поддерживает два соседних цвета - RGB:{152; 152; 152} и RGB:{156; 156; 156}. Если поочередно (с частотой кадровой развертки) выводить эти два цвета, то в результате близости цветов и инерционности человеческого глаза и матрицы мы будем видеть усредненный цвет, то есть искомый RGB:{154; 154; 154}. Однако эмуляция не дотягивает до полноценной "true color"-цветопередачи, поэтому в описаниях мониторов с такими матрицами обычно указывают, что он воспроизводит 16,2 млн. цветов.
Применяются более сложные механизмы FRC, работающие в сочетании с привычным для пользователей дизерингом (когда нужный цвет формируется несколькими расположенными рядом пикселами с незначительно различающимися цветами), т. е. меняющие на каждом кадре цвет не одного пиксела, а группы из четырех пикселов. Это позволяет более точно передавать недоступные матрице оттенки цвета, однако суть от этого не меняется - "полноцветными" такие матрицы можно называть лишь условно. Качество цветопередачи подобных матриц определяется качеством реализации FRC.
Цветовая температура.
Цветовая температура определяет тональность изображения на экране монитора. Чем ниже температура, тем теплее цвета (таково восприятие цветовой температуры человеком. Как более холодный он воспринимает спектр излучения тела, которое на самом деле более горячее). Необходимость в цветовой температуре возникает потому, что нет универсального белого цвета, который глаз всегда бы воспринимал как белый. В зависимости от условий глаз подстраивается под определенный цветовой диапазон. Оттенок белого цвета на экране монитора будет слегка меняться в зависимости от внешнего освещения, под которое подстраивается и глаз. Рекомендуется устанавливать на экране монитора такую цветовую температуру, при которой белый цвет на экране не имеет каких-то дополнительных оттенков.
Специфичные для LCD-мониторов особенности установки цветовой температуры:
Цветовая температура может существенно различаться для разных оттенков серого.
Если ЭЛТ-мониторы позволяют плавно (с шагом 50...100 К) регулировать цветовую температуру от 5000 К до 9300 К, то LCD-мониторы имеют три-четыре значения температуры, из которых пользователь выбирает наиболее подходящее. При снижении температуры экран LCD-мониторов приобретает розоватый или даже зеленоватый оттенок, при увеличении серый цвет настолько ударяется в синеву, что калибратор зашкаливает при попытке измерить его цветовую температуру.
Цветовой охват .
Сегодня все мониторы соответствуют стандарту sRGB. Диапазон цветов sRGB весьма мал по сравнению с видимым глазом диапазоном, а потому многие цвета на этапе получения изображения оказываются за его пределами (sRGB-монитор в принципе не способен воспроизвести ни один действительно чистый цвет). Различия между моделями (вплоть до различий между ЭЛТ и LCD-мониторами) не столь велики, чтобы заметно влиять на цветопередачу, поэтому ее качество ограничивается другими факторами.
Ожидается появление LCD-мониторов с отличным цветовым охватом за счет применения белой светодиодной подсветки вместо привычных ртутных ламп дневного света с холодным катодом. Лампы имеют неровный спектр излучения, в то время как у светодиодов он равномерен и хорошо вписывается в полосы пропускания светофильтров матрицы, что и позволяет существенно улучшить изображение.
Вывод: обеспечение качественной цветопередачи - сложная и комплексная задача. Одна надпись "16,7 millions of colors" не говорит практически ни о чем.
Основным элементом ЖК-монитора или иначе LCD-монитора (Liquid Crystal Display) является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жидкокристаллического вещества.
Эти стеклянные панели обычно называют подложками. Как и в обычном мониторе, экран ЖК-монитора представляет собой совокупность отдельных элементов - ЖК-ячеек, каждая из которых генерирует 1 пиксел изображения. Однако, в отличие от зерна люминофора ЭЛТ, ЖК-ячейка сама не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света, поэтому ЖК-мониторы всегда используют подсветку.
Одна из первых массовых моделей ЖК-монитора показана на рис. 13.9. В настоящее время выпускается огромное количество самых разнообразных конструкций ЖК-мониторов, которые полностью вытеснили мониторы с ЭЛТ-трубкой почти во всех областях применения.
Рис. 13.9. Плоскопанельный монитор!612 фирмы ADI
Принцип действия ЖК-монитора По сути ЖК-ячейка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны. Жидкокристаллическое вещество, размещенное между подложками, имеет молекулы вытянутой формы, называемые нематическими. Благодаря этому молекулы ЖК-вещества имеют упорядоченную ориентацию, что приводит к появлению оптической анизотропии, при которой показатель преломления ЖК-вещества зависит от направления распространения световой волны. Если нанести на подложки мелкие бороздки, то молекулы ЖК-вещества будут ориентированы вдоль этих бороздок. Другим важным свойством ЖК-вещества является зависимость ориентации молекул от направле ния внешнего электрического поля. Используя два этих свойства, можно создать электронно-управляемый светофильтр.
Технология Twisted Nematic
В ЖК-мониторах чаще всего используются ЖК-ячейки с "твистированной" (twisted) (закрученной на 90-) ориентацией молекул (рис. 13.10, а). Для создания такой ячейки применяются подложки, у которых ориентирующие канавки также развернуты друг относительно друга на угол 90И. Такая ячейка называется твистированной нематической (Twisted Nematic). Проходя через эту ячейку, плоскость поляризации световой волны также поворачивается на 90-. Помимо ориентирующего действия, подложки ЖК-ячейки играют роль поляризационных фильтров, поскольку пропускают световую волну только с линейной поляризацией. Верхняя подложка называется поляризатором, а нижняя - анализатором. Векторы поляризации подложек так же, как и векторы их ориентирующего действия, развернуты на 90D друг относительно друга.
Рис. 13.10. Принцип действия ячейки ЖК-монитора.
При отсутствии внешнего электрического поля падающий на ячейку свет проходит через поляризатор и приобретает определенную поляризацию, совпадающую с ориентацией молекул жидкокристаллического вещества у поверхности поляризатора. По мере распространения света по направлению к нижней подложке (анализатору) его плоскость поляризации поворачивается на 90 -. Достигнув анализатора, свет свободно проходит через него, поскольку плоскость его поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора. В результате ЖК-ячейка оказывается прозрачной.
Ситуация изменится, если к подложкам приложить напряжение 3-10 В. В этом случае между подложками возникнет электрическое поле и молекулы жидкокристаллического вещества расположатся параллельно силовым линиям поля (рис. 13.10,6). Твистированная структура жидкокристаллического вещества исчезает, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непрозрачной.
Подсветка ЖК-экрана При работе с ЖК-ячейкой, принцип действия которой описан выше, используется просветит система подсветки. При использовании отражательной системы ЖК-ячейка дополнительно снабжается специальным зеркалом, расположенным за анализатором и отражающим прошедший через него свет (рис. 13.11, а). Если напряжение между подложками отсутствует, то поворот плоскости поляризации света происходит дважды: при распространении света в прямом и обратном направлениях. При обратном распространении поляризатор выполняет функцию анализатора и пропускает отраженный от зеркала свет. Если к подложкам приложить напряжение, падающий свет поглотится анализатором и не дойдет до зеркала. Ячейка оказывается темной. Изображение на экране ЖК-мониторов с такими ячейками хорошо видно только при достаточном внешнем освещении.
В комбинированной, отражателъно-просветной системе подсветки используется полупрозрачное зеркало, за которым размещается лампа подсветки (рис. 13.11,6). В результате ЖК-ячейка может работать как на просвет, так и на отражение. Комбинированная система подсветки является наиболее эффективной, поскольку позволяет работать при любом освещении. В настоящее время именно она получила наиболее широкое распространение.
В зависимости от места расположения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади (backlight, или backlit) и с подсветкой по бокам (sidelight, или side lit).
В качестве ламп подсветки ЖК-экранов используют специальные электро-люминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Работу ламп подсветки в ЖК-мониторе обеспечивает так называемый блок стартера. Лампы располагаются горизонтально в верхней и нижней частях панели. В более прогрессивных панелях для обеспечения равномерности освещения используется четырехламповая система подсветки. причем лампы располагаются попарно в верхней и нижней частях панели. Отметим, что в двухламповой системе потеря яркости одной из ламп приводит к появлению затемнения изображения в верхней или нижней частях монитора. Четы рехлам повые системы свободны от этого недостатка, поскольку снижение яркости одной из двух ламп в паре не приводит к заметно-му ухудшению освещенности экрана. Четырехламповые системы впервые стали применяться в 17-дюймовых ЖК-мониторах, поскольку там дефект двухламповой системы выражен наиболее ярко. В настоящее время подобная система применяется и в 15-дюймовых мониторах.
Рис. 13.11. Отражательная (а) и отражательно-просветная (б) системы подсветки ЖК-ячейки
Если пиксел изображения образован единственной ЖК-ячейкой. изображение на экране будет монохромным. Для получения цветного изображения ЖК-ячейки объединяют в триады, снабдив каждую из них светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.
Недостатки технологии Twisted Nematic
Благодаря применению технологии Twisted Nematic была решена проблема габаритов и энергопотребления, однако эта технология имеет ряд серьезных недостатков.
П 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, на экране монитора пропадало изображение указателя мыши при ее быстром перемещении).
П Сильная зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок.
П Сильное взаимное влияние ячеек, вызванное влиянием управляющего сигнала одной ячейки на соседние.
П Ограниченный угол зрения, под которым изображение на ЖК-экране хорошо видно.
П Низкая яркость и насыщенность изображения.
П Ограниченные размеры ЖК-экрана.
П Высокая стоимость.
Технология Super-Twisted Nematic
Для устранения перечисленных выше недостатков технология Twisted Nematic была усовершенствована. С целью улучшения контрастности изображения угол закручивания молекул ЖК-вещества был увеличен сначала до 120П, а затем- до 270П. Такие ячейки получили название STN, или S-TN {Super-TwistedNematic - сверхзакрученные нематические ячейки).
Технология Dual Super-Twisted Nematic
Дальнейшим шагом в этом направлении стало использование не одной, а двух ячеек одновременно, последовательно поворачивающих плоскость поляризации в противоположных направлениях. Эта технология получила название DSTN (Dual Super-Twisted Nematic - двойные сверхзакрученные нематические ячейки).
Двойное сканирование ЖК-экрана Проблема низкого быстродействия ЖК-ячеек была частично решена путем использования так называемого двойного сканирования, когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.
Технология TFT
Радикально повысить контрастность и быстродействие ЖК-экранов позволила так называемая технология активных ЖК-ячеек. От обычной (пассивной) активная ЖК-ячейка отличается наличием собственного электронного ключа, выполненного на транзисторе. Такой ключ позволяет коммутировать более высокое (десятки вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В).
Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным 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-экраны (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор).
Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (например, яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор. Каждый элемент такой ЖК-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.
Контроллер ЖК-экрана Формирование и подача управляющего сигнала видеоадаптера на каждую ЖК-ячейку экрана - трудная задача. Для ее решения в состав плоскопанельного монитора входит специальная электронная схема управления - контроллер ЖК-экрана. Контроллер является наиболее сложным элементом ЖК-монитора. Он выполняет синхронизацию по частоте и фазе выходных сигналов видеоадаптера и управляющих ЖК-экраном синхросигналов, формируемых схемами управления строками и столбцами. Рассогласование этих сигналов по частоте ведет к нарушению корректности обновления строк: нарушается соответствие положения элементов растра на экране временным параметрам видеосигнала. В результате этого появляются такие дефекты изображения, как дрожание растра, появление вертикальных линий на изображении либо его полное пропадание. После выравнивания частот указанных сигналов контроллер ЖК-экрана производит их синхронизацию по фазе, что позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить его дрожание.
Помимо адресации ячеек и синхронизации изображения, контроллер ЖК-экрана выполняет дополнительное аналого-цифровое преобразование видеосигнала. Необходимость преобразования обусловлена тем, что ЖК-экран (как совокупность огромного количества ячеек) представляет собой устройство с цифровым управлением, т. е. на схему адресации ячеек необходимо подавать цифровой код. В результате значительно уменьшается количество оттенков цвета, отображаемых ЖК-монитором.
ЖК-экран и контроллер (одна или несколько больших микросхем, иногда называемых Gate Driver), который управляет пикселами на экране, т. е. занимается обслуживанием строк и столбцов матрицы, вместе составляют монолитную неразборную конструкцию, которая и продается изготовителем ЖК-панелей изготовителю монитора. Однако для подключения к PC, создания экранного меню (OSD), управления остальными блоками в состав ЖК-монитора входит процессор, размещенный, как правило, на отдельной, главной плате монитора. С помощью этой платы осуществляется коммутация всех узлов и блоков монитора, а также подключение его к видеоадаптеру PC.
Характеристики жидкокристаллических мониторов Основные характеристики монитора в первую очередь зависят от параметров матрицы, установленной в нем. Главной характеристикой матрицы в настоящее время является время отклика ее элемента. Основным направлением совершенствования технологии LCD-матриц является улучшение свойств жидких кристаллов путем изменения их химического состава с целью уменьшения времени отклика элемента LCD-матрицы.
Качество изображения определяется не только типом используемой матрицы, но и моделью установленного в мониторе видеопроцессора. Большую роль играют алгоритмы масштабирования изображения, автоматической подстройки, коррекции цвета, типы поддерживаемых интерфейсов, которые используются в данном типе процессора. Алгоритмы масштабирования и автоподстройки постоянно совершенствуются, наиболее удачные из них патентуются в виде отдельных технологий (например, SmartSet и SureSync в процессорах компании Genesis). Чем современней процессор, тем более совершенные алгоритмы применяются в нем, поэтому выбор процессора при разработке монитора играет немаловажную роль. Все современные процессоры поддерживают несколько типов внешних интерфейсов передачи сигнала, таких как Analog VGA, DVI, а также S-Video и HDMI, которые нужны для совместимости с телевизионной бытовой аппаратурой.
Таким образом, качество LCD-монитора напрямую зависит от компаний - поставщиков компонентов. Разброс цен определяется степенью известности фирмы, наличием широкой сервисной сети, спецификой сборки и т. п.
Производство мониторов основано на изготовлении ЭЛТ или ЖК-матрицы. Поскольку производство ЭЛТ - процесс высокотехнологичный, существуют примерно 2 десятка фирм - непосредственных изготовителей ЭЛТ, огромное количество фирм, специализирующихся только на сборке и использующих уже собранные и отъюстированные трубки, и достаточно многочисленная группа так называемых OEM-заказчиков (OEM - Original Equipment Manufacturer), которые покупают полностью готовые изделия других фирм и продают их под собственной торговой маркой. В случае с ЖК-панелями круг компаний-производителей достаточно ограничен, более того, иногда они вынуждены объединяться (например, LG и Phillips), поскольку увеличение сложности технологического процесса влечет за собой значительный рост интеллектуальных и финансовых затрат. Таким образом, создание матриц для ЖК-мониторов- удел избранных, остальные вынуждены искать компромисс между отпускной ценой завода- изготовителя матриц и конечной ценой изделия. Этим обусловлены примерно одинаковые цены на ЖК-мониторы одного класса и одинаковый гарантийный срок, поскольку гарантия на монитор определяется гарантией на ЖК-панель.
В настоящее время в мире PC имеется 5 ведущих производителей ЖК-матриц (в порядке убывания доли рынка):
П Samsung Electronics (Южная Корея)
П LG-Phillips (Южная Корея и Голландия)
П AU Optronics (Тайвань)
П Chi Mei Optoelectronics (Тайвань)
П Quanta Display (Тайвань)
Размер и ориентация экрана Размер экрана ЖК-мониторов пока меньше, чем у обычных мониторов: размер ЖК-экрана большинства моделей находится в пределах от 13" до 24".
Однако в отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер их экрана и размер его видимой области (растра) практически совпадают. Эта приятная особенность обусловлена отсутствием геометрических искажений растра на краях ЖК-экрана (эти искажения отсутствуют в принципе!), что устраняет необходимость уменьшения видимой области.
Рис. 13.12. Монитор MultiSync LCD1510V фирмы NEC Technologies в ландшафтном (слева) и портретном (справа) режимах работы
Другим важным аспектом является ориентация экрана: портретная или ландшафтная. Традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьютеров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию. Это обусловлено тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном. Однако в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. Здесь в полной мере проявляется преимущество ЖК-экрана - его можно легко развернуть на 90D (рис. 13.12).
Инерционность Инерционность или время отклика- важнейшая характеристика ЖК-экрана, характеризуемая минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки. Именно низкая инерционность первых ЖК-экранов являлась основным сдерживающим фактором широкого распространения ЖК-мониторов, поскольку использовать их можно было только при решении офисных задач со статической картинкой на экране монитора.
Каждый жидкокристаллический элемент ЖК-экрана обслуживается своим тонкопленочным транзистором. При отсутствии данных тонкопленочный транзистор закрыт и свет проходит свободно. При наличии данных транзистор открывается, соответствующий жидкокристаллический элемент меняет свою ориентацию и при достаточном напряжении система полностью не пропускает свет. Таким образом, варьируя подачу напряжения на TFT-транзистор, можно регулировать пропускание света компонентом матрицы. Время полного открытия транзистора обозначается Тг (передний фронт), соответственно Tf (задний фронт) - время полного закрытия транзистора. Их сумма и есть время отклика. Иногда в спецификации к монитору указывают оба времени Тг и Tf, иногда их сумму.
Инерционность современных ЖК-экранов значительно уменьшилась по сравнению с первыми моделями и составляет I-5 мс, т. е. близка к значениям аналогичных параметров обычных мониторов. В результате этого ЖК-мониторы стали серьезным конкурентом мониторам на основе ЭЛТ - теперь их можно полноценно использовать в мультимедийных задачах - для просмотра видео и анимации, а также в играх.
Поле обзора Небольшое поле обзора и блики традиционно были слабыми местами ЖК-экранов, хотя с появлением технологии TFT этот недостаток в значительной степени был устранен. Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзора, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экрана по горизонтали и вертикали. Современные модели ЖК-мониторов обеспечивают следующие значения углов обзора (рис. 13.13):
П по горизонтали - ±45-TOD;
П по вертикали - от-15H50D (вниз) до+20- 70- (вверх).
Рис. 13.13. Размеры поля зрения ЖК-монитора Для увеличения углов обзора (решения проблемы бокового обзора) изготовители используют различные технологии. Одна из них, самая простая, заключа-
ется в нанесении на верхний слой дисплея рассеивающих пленок, которые переориентируют выходящий перпендикулярно из панели свет и направляют его от экрана под разными углами. Другая технология связана с полной реструктуризацией жидкокристаллического слоя. Эта технология получила название планарной (плоскостной) коммутации (In-Plane Switching, IPS). Электроды помещаются не сверху и снизу ячейки, а по ее сторонам, в результате чего ток проходит через слой жидких кристаллов в горизонтальном направлении. Верхний слой обычно поляризован в том же направлении, что и нижний, поэтому свет с неизменной поляризацией пропускается. Выстраивание молекул ЖК-вещества по горизонтали приводит к расширению угла обзора, т. к. при этом боковое рассеяние света больше, чем в случае, когда кристаллы расположены в виде скрученной структуры.
Третий способ решения заключается в многодоменном вертикальном выстраивании (Multidomain Vertical Aligned, MVA) молекул ЖК-вещества. Для этого применяется специальное ЖК-вещество с естественной вертикальной ориентацией. Под действием приложенного напряжения молекулы этого вещества ориентируются в горизонтальном направлении, и свет пропускается. При изменении напряжения молекулы поворачиваются не полностью, и свет пропускается частично, что соответствует оттенкам серого. Чтобы кристаллы могли ориентироваться в нескольких направлениях, ячейка разбивается на несколько областей, или доменов, а на стеклянные поверхности анализатора и поляризатора наносят штрихи, чтобы заранее придать молекулам наклон в нужном направлении. В результате обеспечивается высокая равномерность оттенков серого цвета на экране при больших углах обзора.
Разрешение Важной особенностью плоскопанельных мониторов является то, что они предназначены для работы с каким-либо одним разрешением, оптимальным с точки зрения качества изображения (как правило, 1024 768). Это разрешение определяется размерами ЖК-экрана и отдельной ЖК-ячейки. Если разрешение экрана ЭЛТ-монитора можно менять в широких пределах без заметного ущерба для качества изображения, то подобные манипуляции с плоскопанельными мониторами приводят к появлению лестничного эффекта - края объектов становятся шероховатыми, зазубренными. Особенно негативно это сказывается на качестве отображения экранных шрифтов.
Необходимость работы с фиксированным разрешением экрана обусловлена тем, что в ЖК-мониторах понятия "пиксел" и "зерно" означают практически одно и то же. Пиксел изображения может быть образован только целым ко личеством ЖК-ячеек. При максимальном разрешении, которое одновременно является основным рабочим разрешением ЖК-монитора, каждый пиксел образован одной триадой ЖК-ячеек. Если необходимо снизить разрешение, то оно должно быть уменьшено в целое число раз. В частности, при основном разрешении Ю24П768 более низкое разрешение составит 512П384, чего явно недостаточно для нормальной работы. Для решения проблемы с различными разрешениями в современном ЖК-мониторе устанавливается конвертер, который корректно преобразует к характеристикам используемой матрицы большинство стандартных для PC разрешений экрана.
Частоты развертки Частота строчной развертки ЖК-мониторов изменяется в диапазоне 30- 60 кГц.
Важная особенность ЖК-мониторов - они предоставляют возможность комфортно работать при сравнительно низкой частоте кадров порядка 60 Гц, что обусловлено большей инерционностью ЖК-ячейки по сравнению с люминофором. Типичная частота кадров в ЖК-мониторе обычно не превышает 75- 85 Гц, хотя в некоторых моделях она может быть 100 Гц и более.
Яркость Важнейшим параметром, на который следует обратить внимание при выборе плоскопанельного монитора, является яркость. Чем выше яркость, тем лучше: изображение будет более красочным, блики станут менее заметны, углы обзора увеличатся. Яркость всегда можно уменьшить с помощью регуляторов, а вот недостаток ее восполнить нельзя. Типовая яркость для ЖК-мониторов составляет 150-300 кд/м 2 (ранее эта единица измерения называлась "нит").
Контрастность Контрастность изображения на ЖК-экране показывает, во сколько раз изменяется его яркость при изменении уровня видеосигнала от максимального до минимального. Эту величину часто называют коэффициентом контрастности и обозначают в виде отношения (например, 150: I). Чем выше контрастность ЖК-экрана, тем более четкое изображение можно на нем получить. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130: I, высококачественная цветопередача требует контрастности 300: I.
Современные высококачественные матрицы могут иметь контрастность выше 1000: 1.
Палитра В отличие от традиционных, плоскопанельные мониторы имеют ограниченную палитру, т. е. характеризуются ограниченным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Эта ограниченность объясняется тем, что ЖК-монитор является цифровым и требует выполнения дополнительного аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала видеоадаптера перед подачей его на ЖК-ячейки. Типовой размер палитры современных ЖК-мониторов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов, т. е. популярный ныне режим True Color нельзя реализовать.
Как правило, дешевые модели ЖК-мониторов могут использовать всего лишь 6 бит для каждого цвета вместо стандартных 8. Особенно это касается ЖК-мониторов с аналоговым интерфейсом. Дорогостоящие модели, оборудованные цифровым интерфейсом, как правило, работают с 8-битным разрешением на каждый цветовой канал. В последнее время для профессиональной работы начали выпускаться ЖК-мониторы, которые могут использовать до 10 бит для каждого цвета.
Проблемные пикселы Еще одной отличительной чертой плоскопанельных мониторов является наличие на некоторых ЖК-экранах проблемных, или "заклинивших", пикселов, яркость которых при смене изображения и даже при выключении монитора остается неизменной. Этот недостаток обусловлен несовершенством технологии производства ЖК-экранов. Рекомендация по этому поводу звучит тривиально - при выборе монитора следует внимательно изучить поверхность его экрана на предмет наличия таких пикселов и при их обнаружении потребовать у продавца заменить монитор.
Так как брак при производстве ЖК-матриц - это, в основном, неработоспособность TFT-транзисторов, то производители инициировали выпуск стандарта ISO 13406-2, который определяет предельные значения количества дефектных пикселов и дотов (дот - треть пиксела, например красная, зеленая или синяя составляющая пиксела).
В табл. 13.1 приведены характеристики 4 классов по допустимым дефектам пикселов на миллион элементов изображения для ЖК-панелей. В частности, для монитора с разрешением 1280П1024 - 1,3 млн пикселов.
Таблица 13.1. Классы предельных значений количества дефектных пикселов и дотов для ЖК-матриц
Приобретение монитора с "битыми" пикселами может быть оправдано только лишь большими скидками цены. При постоянной работе с компьютером рекомендуется приобретать мониторы первого класса.
Появление дефектов пикселов в процессе эксплуатации допускается, но будет ли это гарантийным случаем или нет, зависит от условий гарантии производителя и продавца.
Мультимедийное оборудование Многие модели ЖК-мониторов снабжаются встроенными в подставку динамиками мощностью от I до 3 Вт, а также разъемами для подключения головных телефонов. Кроме того, они могут иметь микрофонный вход и аудиовход для подключения к звуковой карте или внешнему источнику звука. Отдельные модели имеют разъем для подключения к шине USB.
Технологии изготовления плоскопанельных мониторов В настоящее время мониторы на основе жидких кристаллов являются наиболее популярными и технологически отработанными представителями семейства плоскопанельных мониторов. Однако они не единственные - продолжают активно развиваться альтернативные технологии изготовления плоских экранов, благодаря которым появились, например, такие:
П плазменные дисплеи;
П электролюминесцентные мониторы;
П мониторы электростатической эмиссии;
П органические светодиодные мониторы.
Плазменные дисплеи В плазменных дисплеях (Plasma Display Panel, PDP) вместо жидкокристаллического вещества используется ионизированный газ. Его молекулы обладают способностью излучать свет в процессе рекомбинации (т. е. восстановления электрической нейтральности). Для приведения молекул газа в ионизированное состояние, т. е. в состояние плазмы (отсюда и происходит название данной технологии), используется высокое напряжение. При ярком свете изображение на экране плазменного дисплея выглядит немного расплывчатым.
Электролюминесцентные мониторы Электролюминесцентные мониторы (Electroluminescent displays, ELs) по своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам, но их принцип действия основан на другом физическом явлении - испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом _р-и-переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения; кроме того, они надежны в работе. Тем не менее, уступают ЖК-мониторам по энергопотреблению (на ячейки подается сравнительно высокое напряжение - около 100 В), а также по чистоте цветов, которые тускнеют при ярком освещении.
Органические светодиодные мониторы Технология изготовления органических светодиодных мониторов (Organic Light-Emitting Diode displays, OLEDs), или LEP-мониторов (Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик), также во многом похожа на технологии изготовления ЖК- и EL-мониторов, но отличается материалом, из которого изготавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полупроводимости. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться.
Основные преимущества технологии LEP по сравнению с упомянутыми ранее заключаются в следующем:
П очень низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);
П простота и дешевизна изготовления;
П тонкий (около 2 мм) и, возможно, эластичный экран;
П низкая инерционность (менее I мкс).
Недостатком этой технологии являются низкая яркость свечения экрана, мо-нохромность изображения (изготовлены только черно-желтые экраны), маленький экран. LEP-мониторы используются пока только в портативных устройствах, например, в сотовых телефонных трубках.
Стандарты по эргономике и энергосбережению Как известно, эргономика (от др.-греч. epyov - работа и vdfiog- закон) - это научная дисциплина, комплексно изучающая человека в конкретных условиях его деятельности в современном производстве. Основной объект исследования эргономики - система "человек - машина - среда". Говоря об эргономичности того или иного изделия, мы подразумеваем широкий круг вопросов: привлекательный дизайн, удобство пользования, отсутствие вредных для здоровья оператора факторов и др. Другими словами, эргономичный - значит удобный для работы. В последнее время в это понятие включаются вопросы энергосбережения и охраны окружающей среды.
Факторы, негативно влияющие на здоровье оператора Из всех компонентов PC монитор в наибольшей степени влияет на состояние здоровья оператора (и не только зрения!). Это объясняется рядом факторов, среди которых можно выделить следующие:
П мягкое рентгеновское излучение, возникающее за счет бомбардировки экрана монитора пучком электронов;
П инфракрасное и ультрафиолетовое излучение;
П низкочастотные электрические и магнитные поля;
П электростатическое поле;
П световые блики (отраженный от экрана свет);
П мерцание изображения.
Коротко рассмотрим причины, порождающие эти вредные воздействия.
Как известно из курса физики, рентгеновское излучение появляется при резком изменении скорости движения заряженных частиц. Такой эффект, в частности, имеет место в кинескопе монитора, когда испускаемые электронной пушкой электроны разгоняются, а затем резко тормозятся, попадая на экран, покрытый люминофором. Интенсивность возникающего при этом рентгеновского излучения прямо пропорциональна скорости соударения, а значит, величине напряжения анод-катод, которое составляло в первых моделях мониторов более двух десятков киловольт.
Источником ультрафиолетового и инфракрасного излучения является люми-нофорное покрытие, которое разогревается при электронной бомбардировке до высокой температуры и само превращается в источник излучения.
Низкочастотные электромагнитные поля являются в основном результатом работы блока развертки и магнитной отклоняющей системы кинескопа, через которую протекает достаточно сильный переменный ток.
Наличие электростатического поля обусловлено скоплением на экране кинескопа избыточного отрицательного заряда за счет действия электронного пучка.
Блики экрана обусловлены отражением падающего света от внешней поверхности экрана. Их интенсивность зависит от способа обработки лицевой части колбы кинескопа. Блики максимальной интенсивности наблюдаются, когда наружная часть экрана представляет собой обычное, ничем не обработанное стекло.
Каждый из этих факторов в отдельности способен нанести ощутимый вред здоровью оператора, а при совместном воздействии - тем более. Следовательно, необходимо определить максимально допустимые уровни вредных излучений, а также пути их снижения. С этой целью ряд национальных и международных организаций, в частности, международная организация стандартизации ISO (International Standard Organization), разработали свои документы (спецификации), в которых определены требования к монитору PC с точки зрения эргономики. Однако наиболее известны разработки шведских организаций. Сформулированные ими требования являются наиболее жесткими и обеспечивают наилучшую защиту оператора. Такими организациями являются:
П MPR (Swedish National Board of Measurement and Testing) - шведский национальный совет по измерениям и тестированию;
П ТСО (The Swedish Confederation of Professional Employees)- шведская конфедерация профессиональных служащих, объединяющая 1,3 млн наемных работников.
Отметим, что аббревиатуры MPR и ТСО образованы первыми буквами шведских слов, поэтому они не согласуются с приведенным в скобках английским переводом названия организации.
Первоначально при сертификации мониторов PC получила распространение спецификация MPR, однако в дальнейшем производители компьютерного оборудования стали в большей степени ориентироваться на спецификацию ТСО как на более современную и строгую.
Эргономические требования к рабочему месту Итак, если вы хотите сохранить свое здоровье, то должны включать в состав своей рабочей станции только сертифицированное оборудование, удовлетворяющее эргономическим требованиям.
Рис. 13.14. Эргономические требования к рабочему месту Однако наличие соответствующего оборудования хотя и снизит возможный уровень вредного воздействия компьютерной системы, но от переутомления не избавит. По мнению экспертов, производительность труда оператора может снизиться на 40%, если игнорировать эргономические требования к рабочему месту (рис. 13.14). Стоит внести лишь небольшие изменения в окружающую ваше рабочее место обстановку, например, изменить освещение,
по-другому разместить элементы компьютерной системы, поменять кресло и т. д., или изменить режим работы монитора, - и вы поразитесь полученному эффекту.
Компьютерный зрительный синдром (КЗС)
Большинство пользователей при длительной работе за монитором испытывают боль в глазных яблоках, слезотечение или, наоборот, сухость, покраснение глаз. При этом часто беспокоят головные боли, появляется быстрая утомляемость. Все это симптомы компьютерного зрительного синдрома (КЗС), другими словами, следствие длительной работы за монитором. Особенностями изображения на экране монитора является его высокая частота регенерации (частота кадров), относительно низкая контрастность, а также тот факт, что монитор является источником света. Кроме того, неравномерная освещенность помещения, особенно, когда вы вынуждены часто переключать внимание, например, со светлого экрана монитора на темные тона обстановки комнаты или на более светлый оригинал при работе с текстом, ведут к перенапряжению глазных мускулов и, как следствие, к переутомлению. Эта реакция человеческого организма направлена на то, чтобы отвлечь человека от какой-либо работы, заставить сделать перерыв, а затем с новыми силами возобновить работу. Те же, кто пренебрегает этим, рискуют получить хроническое заболевание- компьютерный зрительный синдром, когда после даже непродолжительной работы за монитором будут появляться вышеперечисленные симптомы.
Известно, что рано или поздно КЗС возникает у всех пользователей. Различно лишь время, спустя которое они возникают. Для того чтобы свести это время к приемлемым цифрам, существуют минимальные рекомендуемые требования к настойкам монитора.
П При цветном экране количество цветов должно быть не менее 256, оптимальным считается режим True Color.
П Разрешение 800 600 точек при отсутствии мерцания.
П Размер зерна должен быть не более 0,28 мм. Чем меньше зерно, тем лучше.
П Частота регенерации должна составлять не менее 85 Гц. Оптимальной считается установка максимально возможной частоты при отсутствии мерцания.
П Блики на экране монитора должны отсутствовать. При невозможности изменить освещение необходимо использовать антибликовые экраны.
П При работе с текстом предпочтительно в качестве фона использовать белый цвет и черные символы.
П Разница в уровнях яркости экрана монитора, клавиатуры, текстового оригинала и других объектов окружающей обстановки должна быть как можно меньше.
Для профилактики компьютерного зрительного синдрома необходимо проводить комплекс упражнений для глаз.
Расстояние до монитора Если вы различаете на экране монитора отдельные пикселы, то, вероятно, сидите слишком близко. Чтобы глаза не утомлялись, располагайтесь на таком расстоянии, с которого отдельные пикселы изображения становятся неразличимыми. Обычно достаточно расстояния, равного длине вытянутой руки (но не менее 50 см).
Если вы на таком удалении видите изображение нечетко, то лучше изменить не расстояние до монитора, а размер шрифта, масштаб рисунка или даже режим работы видеоадаптера.
Искажения изображения Когда отдельные элементы графического изображения на экране периодически начинают медленно изменять свое положение, говорят, что изображение "поплыло" {swimming). Это явление обычно вызывается воздействием внешнего магнитного поля на элементы электронно-лучевой трубки монитора. Причиной может служить соседство с мощной энергетической установкой, распределительным электрическим коммутатором, трансформатором и др. Для того чтобы устранить влияние магнитного поля, необходимо переместить монитор в другое место или другое помещение. В крайнем случае придется заменить монитор.
Иногда внешнее магнитное поле может вызвать периодическое изменение яркости изображения- явление, называемое биением {beating). Биения с частотой 10-20 Гц проявляются как мерцание экрана.
Расплывчатость изображения часто появляется в том случае, когда слишком близко друг к другу располагаются два монитора с различными частотами регенерации. Единственно возможное решение - разнести мониторы.
Такой же эффект наблюдается при плохом контакте в разъеме VGA, к которому подключен монитор. При этом изображение может двоиться.
Расположение монитора Верхний край экрана не должен быть выше уровня глаз оператора. Если монитор расположен слишком высоко, оператору непроизвольно придется приподнимать голову. Не располагайте монитор на системном блоке. Если на вашем рабочем столе недостаточно свободного места, лучше установить системный блок на полу.
Чтобы исключить влияние солнечного света, нельзя располагать монитор напротив окна или так, чтобы оно находилось за спиной оператора. Если необходимо разместить монитор рядом с окном, используйте жалюзи.
Важно также защитить экран монитора от нежелательных боковых засветок. Располагайте монитор в таком месте, где вероятность попадания на экран прямых или отраженных световых лучей минимальна. Можно воспользоваться также специальным антибликовым экраном (anti-dazzle screen).
Если вам часто приходится набирать текст, можете поместить оригинал на специальной подставке в непосредственной близости от монитора. Помните, что все движения оператора (в том числе его глаз) должны быть как можно короче. По этой же причине клавиатура должна находиться вдоль линии зрения оператор-монитор.
Освещение рабочего места Перенапряжение глаз в процессе работы может быть вызвано даже тем, что в поле вашего периферийного зрения будет попадать свет от других источников, более яркий, чем наиболее яркие области на экране монитора. В этом случае говорят о необходимости создания оптимального светового окружения (light surround), которое должно быть немного интенсивнее суммарного внешнего освещения и чуть-чуть темнее областей белого цвета на экране монитора.
При определении положения рабочего места оператора относительно окна в помещении воспользуйтесь следующими рекомендациями:
П если окно располагается прямо перед вами, необходим яркий источник света непосредственно на рабочем месте;
П если окно находится позади вас, позаботьтесь о том, чтобы избежать его отражения на экране монитора;
П по возможности выбирайте рабочее место так, чтобы окно не попадало в поле периферийного зрения.
Не стоит забывать, что мерцать может не только экран монитора, но и осветительные приборы. Наряду с шумом и световыми бликами, слишком темное или слишком яркое освещение также оказывает негативное влияние на эффективность труда оператора. Более того, мерцание часто используемых для освещения помещений флуоресцентных ламп может свести на нет все ваши усилия по созданию эргономической рабочей станции. Сравните излучение флуоресцентной лампы с излучением лампы накаливания. Возможно, вам придется дополнительно оборудовать рабочее место обыкновенной настольной лампой.
Различные источники света по-разному влияют на восприятие цвета. В частности, цвета, наблюдаемые при освещении объекта флуоресцентной лампой, будут отличаться от цветов, наблюдаемых при использовании лампы накаливания. Объясняется это тем, что в первом случае происходит усиление зеленого цвета, а во втором - красного. Поэтому в индустрии печати в качестве стандартного, определяющего оптимальные условия наблюдения, принят источник света с цветовой температурой D50 (5000 градусов Кельвина). Такой источник света имитирует естественное освещение, характеризующееся одинаковой интенсивностью основных цветов RGB.
Кресло оператора При создании эргономической рабочей станции необходимо учитывать множество различных факторов, влияющих на здоровье человека. Поэтому пусть вас не удивляет, что мы обсуждаем даже такие вопросы, как появление боли в области спины и шеи при длительной работе в сидячем положении. Тем, кто большую часть своего рабочего времени проводит за компьютером, дадим несколько практических советов.
В сидячем положении давление на диски позвоночника возрастает вдвое по сравнению с положением стоя и в восемь раз - по сравнению с положением лежа. Боли в области спины, смещение позвонков и искривление позвоночника - таковы основные негативные последствия несерьезного отношения к вопросам динамики оператора и выбору эргономически правильно разработанной мебели. Кресло оператора должно обеспечивать поддержку позвоночника. Специальная форма спинки кресла должна органично повторять силуэт сидящего человека, а пружины и драпировка - усиливать ощущение комфортности.
Около рабочего места оператора должно быть достаточно свободного пространства для периодической смены положения; это стимулирует деятельность мозга и всего тела человека в целом. Помните, что длительное нахождение в одном положении может привести к нарушению деятельности сердца и органов дыхания, закрепощению мышц и др. Регулярные гимнастические упражнения помогут избежать появления боли в области живота и спины. Контролируйте положение своего тела во время работы: сидите прямо, откинувшись на спинку кресла.
Стандарты по энергосбережению Спецификация Energy Star
Проблемами энергосбережения занимаются не только шведские организации. Американское агентство ЕРА (US Environmental Protection Agency-Американское агентство по охране окружающей среды) давно и успешно реализует программу Energy Star, обеспечивающую энергосберегающие функции компьютера. Компьютерное и другое оборудование, удовлетворяющее требованиям ЕРА, принято называть "зеленым" (например, "зеленые" мониторы, "зеленые" материнские платы и т. п.). Таких изделий сегодня подавляющее большинство. Например, "зеленую" материнскую плату легко отличить по характерному логотипу (рис. 13.15), появляющемуся в правом верхнем углу экрана монитора при включении компьютера.
Рис. 13.15. Логотип спецификации Energy Star
Оборудование, соответствующее требованиям спецификации Energy Star, должно удовлетворять следующим требованиям:
П иметь среднюю потребляемую мощность не более 30 Вт;
П допускать после окончания срока службы 100%-ную утилизацию.
Обмен информацией между монитором и PC
Любой современный компьютер поддерживает технологию Plug&Play, обеспечивающую автоматическое конфигурирование подключаемого оборудования. Реализация этой технологии осуществляется путем обмена информацией между операционной системой и подключенными к PC устройствами. Устройства, подключаемые к шине или портам ввода/вывода (например, контроллер сканера, звуковая карта, внешний и внутренний модемы и др.), используют стандартный протокол обмена данными. Монитор же является конечным устройством, изначально не предназначенным для обмена информацией. Следовательно, без принятия специальных мер организовать обмен данными с монитором в соответствии с протоколом Plug&Play не представляется возможным. Между тем, именно для монитора такой протокол был бы весьма полезен, т. к. позволил бы установить оптимальный для данной модели видеорежим.
Решить задачу обмена информацией между монитором и компьютером помогло наличие в соединительном кабеле монитора VGA нескольких не задействованных для передачи сигналов, проводов (табл. 13.2). Это провода, подключенные к контактам 4, II, 12 и 15 разъема VGA (рис. 13.16). Первоначально три из них (4-, 11 - и 12-й) использовались для автоматического распознавания типа монитора, подключенного к видеоадаптеру.
Таблица 13.2. Назначение контактов разъема VGA
Рис. 13.16. Нумерация контактов на разъеме VGA
Идентификация типа монитора видеоадаптерами VGA и SVGA
Примитивным прообразом протокола Plug&Play можно считать механизм автоматического опознавания типа монитора, который был реализован в первых моделях видеосистем VGA и SVGA. Для идентификации типа монитора- монохромный VGA, цветной VGA или SVGA (8514/А) - использовался трехразрядный параллельный двоичный код, формируемый путем определенной распайки в мониторе проводов 4, 11 и 12: один или два из них заземлялись.
Этим способом осуществлялась идентификация мониторов фирмы IBM и совместимых с ними. Видеоадаптер определял наличие нулевого потенциала (заземления) на проводах 4, 11 и 12. Отсутствие заземления трактовалось им как логическая единица. Логические уровни на контактах 4, 11 и 12 разъема VGA принято называть битами идентификации (см. табл. 13.2).
Технология Plug&Play
Спецификация, разработанная ассоциацией VESA, получила название DDC {Display Data Channel- канал данных монитора). На основе этой спецификации стала возможной реализация технологии Plug&Play для мониторов.
Протокол DDC
Существуют две основные версии протокола DDC:
П DDC 1 - односторонняя передача данных от монитора к видеоадаптеру;
П DDC2 - двусторонний обмен данными между монитором и видеоадаптером.
Отметим, что реализация обмена данными в соответствии с протоколом DDC возможна только в том случае, когда его поддерживают и монитор, и видеоадаптер. Кроме того, необходима соответствующая программа, обеспечивающая поддержку протокола Plug&Play.
Информационный пакет, передаваемый монитором видеоадаптеру, называется блоком параметров расширенной идентификации (ED1D - Extended Display IDentification). Блок ED1D состоит из сегментов, характеризующихся смещением от начала блока и длиной. Размер блока ED1D составляет 128 байт, причем его структура (табл. 13.3) - смещение и длина каждого сегмента - не зависит от версии протокола DDC.
Таблица 13.3. Структура блока EDID
|
Смещение сегмента данных, байт |
Длина сегмента, |
|
|
Заголовок (маркер начала потока EDID) |
||
|
Идентификатор изделия (изготовитель, модель, серийный номер и т. п.) |
||
|
Версия EDID |
||
|
Основные характеристики монитора (размеры экрана, максимальное разрешение, список поддерживаемых видеорежимов, цветовые характеристики люминофорного покрытия и т. д.) |
||
|
Установленные параметры синхронизации |
||
|
Дескрипторы параметров синхронизации |
||
|
Флаг расширения |
||
|
Контрольная сумма |
Канал VESA DDC реализован на основе шины ACCESS.Bus (Accessory Bus), разработанной фирмой DEC. Эта шина представляет собой модификацию низкоскоростного интерфейса 1 2 С (Inter Integrated Circuit), разработанного фирмой Philips для организации двунаправленного обмена данными между различными устройствами бытовой радиоаппаратуры, и предназначеного для взаимодействия операционной системы с компонентами PC: монитором, интеллектуальным источником питания, модулями оперативной памяти и др.
В принципе, ACCESS.Bus и fС - это одно и то же. Различие заключается лишь в конструктивном исполнении разъемов.
Шина ACCESS.Bus используется для обмена данными между низкоскоростными устройствами. Она содержит всего два сигнальных провода: линию данных (SDA - Serial Data) и линию синхронизации (SCL - Serial Clock). По линии SDA выполняется двунаправленный обмен данными между двумя устройствами; синхронизация обмена осуществляется тактовыми импульсами, передаваемыми по линии SCL. Циклы приема и передачи данных разнесены во времени, т. е. в каждый момент времени устройство, подключенное к шине ACCESS.Bus, либо передает, либо принимает информацию. Третьей линией шины является общий (нулевой) провод, относительно которого измеряются напряжения на линиях SDA и SCL.
Обычно в качестве линий шины ACCESS.Bus используются незадействован-ные провода (5, 12 и 15) соединительного кабеля монитора (табл. 13.4). Такая конструкция канала VESA DDC получила название DDC2B.
Таблица 13.4. Назначение контактов разъема соединительного кабеля Р1ид&Р1ау-монитора
Порядок обмена данными между монитором и видеоадаптером по линии SDA определяется версией протокола DDC.
Протокол DDC I предусматривает одностороннюю передачу данных от монитора к видеоадаптеру. При этом данные передаются по линии SDA (контакт 12), а в качестве тактовых импульсов используются импульсы кадровой развертки (контакт 14). В момент передачи данных по линии SDA видеоадаптер с целью ускорения обмена может повысить частоту кадровых синхроимпульсов в несколько десятков раз (до 25 кГц). Поскольку генератор кадровой развертки монитора не предназначен для работы на столь высокой частоте, он будет формировать сигнал той частоты, которая предусмотрена выбранным видеорежимом. Поэтому передача данных не приведет к нарушению синхронизации изображения на экране монитора.
Протокол DDC2 позволяет организовать двунаправленную передачу данных между монитором и видеоадаптером. При этом используются обе линии - SDA и SCL.
Для двунаправленного обмена данными по каналу VESA DDC используется следующий протокол. В обмене данными одновременно участвуют два устройства: ведущее {master), называемое также контроллером, и ведомое {slave). Ведущее устройство задает адрес и код операции (чтение или запись). С точки зрения направления передачи данных, ведущее и ведомое устройства могут выступать как в роли передатчика, так и в роли приемника (в зависимости от кода операции).
Устройства, подключенные к каналу VESA DDC, имеют двунаправленный выход типа "открытый коллектор". Это значит, что активным уровнем является уровень логического нуля: активное устройство может изменять уровень сигнала в линии (SDA или SCL) только в том случае, если все остальные устройства, подключенные к шине, формируют на своем выходе уровень логической единицы. Другими словами, путем формирования низкого уровня устройство "занимает" линию. Попытка занять линию предпринимается только в том случае, когда на линии установлен высокий уровень (уровень логической единицы), т. е. в том случае, когда линия свободна.
Цикл обмена данными инициализируется ведущим устройством, при этом передача данных осуществляется побайтно. После передачи (или приема) каждого байта ведущее устройство кратковременно освобождает линию, чтобы дать возможность ведомому устройству передать подтверждение. Таким образом, процесс обмена данными, согласно протоколу 1~С, является асинхронным (рис. 13.17).
Как видно из рисунка, начало обмена (Start) инициируется ведущим устройством: при высоком уровне сигнала SCL состояние линии SDA изменяется с высокого уровня на низкий. Окончание обмена (Stop) осуществляется путем изменения уровня сигнала SDA с низкого на высокий при высоком уровне сигнала SCL. Применение таких комбинаций сигналов SDA и SCL для обозначения начала и конца обмена является следствием использования устройств с выходом типа "открытый коллектор". Передача данных в пределах каждого байта начинается со старшего бита MSB {Most Significant Bit- наиболее значимый бит) и заканчивается младшим битом LSB (Least Significant Bit - наименее значимый бит). Состояние линии SDA может изменяться передатчиком только тогда, когда сигнал SCL принимает низкий уровень, при этом считывание (запись) данных производится по положительному (переднему) фронту сигнала SCL. Приемник во время девятого такта формирует бит подтверждения, переводя линию SDA в нулевое состояние. Передача следующего байта возможна только после того, как приемник освободит линию SDA. установив на ней высокий уровень. Если по каким-либо причинам приемнику необходимо временно задержать передачу следующего байта, он будет удерживать линию SDA в нулевом состоянии столько, сколько потребуется (асинхронный обмен данными).
Рис. 13.17. Временная диаграмма обмена данными по шине ACCESS.Bus
Первый передаваемый байт содержит 7-битный адрес ведомого устройства и одноразрядный код операции RW (RW = 0 - запись. RW = 1 - чтение).
Скорость обмена данными по линии SDA определяется частотой тактовых импульсов на линии SCL. которая может изменяться. Максимальное значение этой частоты 100 кГц в нормальном (.Normal mode) режиме и 400 кГц- в скоростном (Fast mode).
Проблемы аналогового интерфейса между монитором и PC
У аналогового интерфейса, который традиционно соединяет монитор и PC. есть существенные недостатки. Например, на больших экранах заметна раз мытость изображения, особенно при работе с текстом, набранным мелким шрифтом. А все изображение как будто покрыто легкой дымкой. Закономерно предположить, что в этом виноват видеоадаптер, но замена видеоадаптера далеко не всегда решает эту проблему. Основная причина таких искажений кроется в аналоговом способе соединения монитора с видеоадаптером.
Как известно, данные, которые отображаются на экране монитора, поступают из буфера кадров (памяти) видеоадаптера в цифровом виде на RAMDAC (см. главу 14), который преобразует эти цифровые данные в аналоговый сигнал. До недавнего времени именно низкая полоса пропускания RAMDAC была причиной плохого качества изображения. В настоящее время полоса пропускания современных RAMDAC значительно выше, поэтому потери в качестве изображения по вине RAMDAC сейчас практически не встречаются.
С выхода RAMDAC через фильтры низкой частоты (от качества фильтрации также зависит качество формируемого на экране монитора изображения, особенно при высоких разрешениях и частотах разверток) уже аналоговый сигнал через VGA-разъем по VGA-кабелю (очередному источнику помех) поступает в монитор. Если к видеодаптеру подключен ЖК-монитор, то уже в мониторе аналоговый сигнал снова преобразуется (для совместимости со стандартом VGA) - обратно в цифровой (аналого-цифрового преобразования без ошибок не бывает- еще один источник помех). Таким образом, в последнем случае имеем два взаимоисключающих преобразования: цифроаналоговое в RAMDAC и аналого-цифровое в ЖК-мониторе.
В свое время, когда сектор рынка ЖК-монитров составлял доли процентов, введение второго аналого-цифрового преобразования было оправдано - простое решение проблемы совместимости. Сейчас же, когда большинство выпускаемых мониторов приходится на ЖК-мониторы, необходимость использования аналогового интерфейса между монитором и PC перестала быть актуальной.
Цифровые видеоинтерфейсы VESA
Первый (не считая первых, цифровых стандартов на видеоадаптеры: начиная с MDA и кончая EGA) цифровой видеоинтерфейс был разработан ассоциацией VESA еще в 1997 г., когда она сделала попытку откликнуться на намечающуюся потребность рынка и приняла стандарт Plug-and-Display (P&D). К сожалению, он не получил широкого распространения среди производителей по причине слишком дорогостоящей реализации: помимо передачи цифрового и аналогового видеосигналов через единый 30-контактный разъем стандартом была предусмотрена интеграция интерфейсов USB
и FireWire. Стандарт P&D поддерживает горячее подключение, о чем говорит его название.
Однако метод цифровой передачи видеосигнала позже лег в основу других интерфейсов. Базируется он на разработке компании Silicon Image - технологии PanelLink. Данные передаются по трем витым парам при помощи протокола TMDS (Transition Minimized Differential Signaling). Пропускная способность соединения - 165 МГц, это позволяет передавать изображение с разрешением до 1920П1080 при частоте обновления 60 Гц (оптимально для ЖК-мониторов) или до 1280Ш024 при частоте кадров 75-85 Гц (для ЭЛТ-мониторов).
Видеоинтерфейс DVI
Основной же причиной отказа от стандарта DFP стало появление нового, более перспективного стандарта DVI (Digital Visual Interface). В настоящее время этот интерфейс можно считать общепринятым. Стандарт был разработан группой Digital Display Working Group (DDWG), созданной по инициативе Intel, в нее вошли компании Intel, Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, NEC, Silicon Image. Спецификация DVI была представлена в апреле 1999 г., но, несмотря на то, что все участники группы DDWG являются активными участниками VESA, стандарт DVI так и не был одобрен ассоциацией.
Стандарт вобрал в себя все лучшее из предшествующих интерфейсов: в основе лежит технология PanelLink, поддерживаются спецификации DDC и ED1D, горячее подключение, аналоговый интерфейс. Для передачи данных по DVI-соединению используется протокол последовательного кодирования TMDS.
Протокол последовательного кодирования TMDS
Спецификацией DV1 предусмотрены один (Single Link) или два (Dual Link) канала TMDS, каждый из которых состоит из трех линий данных (RGB) и одной линии синхронизации (рис. 13.18). TMDS-соединение может работать на частоте до 165 МГц. По каждой линии передаются 10-битные данные (8битный код цвета плюс два служебных бита) со скоростью 1,65 Гбит/с - этого вполне достаточно для обеспечения разрешения 1920П1080 с частотой регенерации 60 Гц (для ЖК-мониторов). А при использовании двух каналов одновременно пропускная способность удваивается и тактовая частота достигает значения 330 МГц, что на практике означает поддержку разрешения до 2048П1536/60 Гц для ЖК-мониторов и до 1920 1080/85 Гц для мониторов на основе ЭЛТ.
Рис. 13.18. DVI-интерфейс (спецификация DVI 1.0)
В стандарте DV1 при использовании двух каналов (если монитор поддерживает двухканальную конфигурацию, второй канал может быть включен, только когда требуется частота выше 165 МГц) полоса пропускания разделяется между ними равномерно, поскольку сигнал синхронизации у них общий. Например, при полосе 300 МГц каждый канал будет работать на частоте 150 МГц. Кроме того, в стандарт заложена возможность использования второго канала как дополнительного для передачи большой глубины цвета (до 48 бит). В этом случае по первому каналу передаются старшие 24 разряда, а по второму - младшие.
Разъемное соединение Физически соединение между монитором и видеоадаптером в соответствии со спецификацией DV1 осуществляется кабелем (длиной до 10 м) с помощью 24 + 5-контактного DVl-разъема (24 цифровых контакта и 5 аналоговых).
Рис. 13.19. Нумерация контактов разъема DVI-I
Спецификацией DVI определено два типа разъемов: DVl-lntegrated (DV1-1) и DVI-Digital (DV1-D). Отличаются они друг от друга только наличием группы контактов для передачи аналоговых сигналов. Нумерация контактов разъема DVI приведена на рис. 13.19, а их назначение - в табл. 13.5. Как видно из таблицы, в соединительном кабеле витые пары разных каналов попарно заключены в отдельные экраны. Это сделано для повышения помехоустойчивости кабеля.
Таблица 13.5. Назначение контактов разъема DVI
|
Номер контакта |
Назначение |
|
|
Нулевой (данные 2) |
||
|
TMDS Data2/4 Shield |
Экран (данные 2/4) |
|
|
Нулевой(данные 4) |
||
|
Сигнал SCL шины ACCESS.Bus |
||
|
Сигнал SDA шины ACCESS.Bus |
||
|
Analog Vertical Sync |
Кадровые синхроимпульсы |
|
|
Нулевой(данные 1) |
||
|
TMDS Data 1/3 Shield |
Экран (данные 1/3) |
|
|
Нулевой (данные 2) |
||
|
Питание +5 В |
||
|
Ground (for +5V) |
Земля питания |
|
|
Идентификация "горячего подключения" |
||
|
Нулевой (данные 0) |
||
Таблица 13.5 (окончание)
|
Номер контакта |
Назначение |
|
|
Гоуппа контактов для передачи цифровых сигналов |
||
|
TMDS DataO/5 Shield |
Экран (данные 0/5) |
|
|
Нулевой (данные 5) |
||
|
TMDS Clock Shield |
Экран (тактовый сигнал) |
|
|
Тактовый сигнал |
||
|
Нулевой (тактовый сигнал) |
||
|
Гоуппа контактов для передачи аналоговых сигналов |
||
|
Analog Red Video Out |
||
|
Analog Green Video Out |
||
|
Analog Blue Video Out |
||
|
Analog Horizontal Sync |
Строчные синхроимпульсы |
|
|
Analog Common Ground Return |
Общая аналоговая земля |
|
Хотя стандартом DV1 и не предусмотрено дальнейшее подразделение разъемов, в зависимости от количества используемых TMDS-каналов и назначения кабеля вы можете встретить 6 (3 DV1-D и 3 для DV1-1) различных модификаций разъема DV1. Различаются они только количеством контактов - видимо, производители экономят на железе. Хотя, с другой стороны, по разъему можно точно определить, для передачи каких сигналов он предназначен. Все возможные варианты приведены в табл. 13.6.
Частотные характеристики Отметим еще одну особенность стандарта. ЭЛТ-мониторы более требовательны к полосе пропускания видеоинтерфейса по сравнения с ЖК-мониторами. Во-первых, частота обновления у них должна быть выше для снижения эффекта мерцания экрана (75-85 Гц против 60 Гц для ЖК-мониторов), во-вторых, необходимо дополнительное время (интервал гашения) на обратный ход электронного луча. Так вот никакого фиксированного интервала гашения стандарт DV1 не предусматривает (этот интервал зависит от характеристик монитора).
Минимальная частота TMDS-интерфейса составляет 25,175 МГц, это связано с наименьшим допустимым разрешением, оговоренным спецификацией- VGA (640D480/65 Гц - разрешение при начальной загрузке по умолчанию). Более низкие разрешения невозможны. При работе TMDS-интерфейса на частоте ниже 22,5 МГц в течение одной секунды соединение считается разорванным.
Реализация технологии Plag&Play
При начальной загрузке видеоадаптер предполагает наличие VGA-совместимого монитора, т. е. любой DVI-монитор должен поддерживать разрешение 640D480 при частоте обновления 60 Гц. Затем BIOS и операционная система через интерфейс DDC опрашивают монитор на предмет поддерживаемых разрешений. Окончательное разрешение зависит от настроек пользователя, выбираемых из списка разрешений, одновременно поддерживаемых видеоадаптером и монитором. При горячем включении работает специальный механизм HPD (Hot Plug Detection): видеоадаптер через интерфейс DDC выясняет тип монитора, и если он цифровой, включает канал TMDS. В противном случае работа DVI-монитора ничем не отличается от работы через традиционный VGA-интерфейс.
Масштабирование Все заботы, связанные с масштабированием, стандарт возлагает на монитор. Причем если монитор поддерживает масштабирование какого-то низкого разрешения, то он должен поддерживать и масштабирование всех стандартных разрешений между этим разрешением и своим "родным". При отсутствии возможности масштабирования монитор все-таки должен правильно отображать изображение с более низким разрешением (в окне).
Г амма-коррекция Как известно, электронные пушки ЭЛТ имеют нелинейную передаточную характеристику и для отображения неискаженного изображения требуют -коррекции (гамма-коррекции). Для ЭЛТ-монитора необходимое значение - составляет величину около 2,2. Спецификация DV1 рекомендует поддержку этого значения цифровыми мониторами всех типов до тех пор, пока в этой области не появится единый стандарт. Таким образом, коррекция также перекладывается на монитор, если он не является ЭЛТ-монитором.
