Курсовая работа: Характеристики жидкокристаллических мониторов
Рис. 4. − Структура IPS-ячейки
Во всем остальном IPS-ячейки подобны TN-матрицам: цветное изображение также формируется за счет использования трех цветовых фильтров.
IPS-матрицы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с TN-матрицами. Преимуществом является тот факт, что в данном случае получается идеально черный цвет, а не серый, как в TN-матрицах. Другим неоспоримым преимуществом данной технологии являются большие углы обзора.
К недостаткам IPS-матриц стоит отнести большее, чем для TN-матриц, время реакции пикселя. Впрочем, к вопросу о времени реакции пикселя мы еще вернемся. В заключение отметим, что существуют различные модификации IPS-матриц (Super IPS, Dual Domain IPS), позволяющие улучшить их характеристики.
2.5.3 MVA-матрицы
MVA является развитием технологии VA, то есть технологии с вертикальным упорядочиванием молекул. В отличие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля.
В отсутствие напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристаллические молекулы ориентированы вертикально и не оказывают никакого влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, он полностью поглощается вторым поляризатором и ячейка оказывается в закрытом состоянии, при этом, в отличие от TN-матрицы, возможно получение идеально черного цвета.
Если к электродам, расположенным сверху и снизу, прикладывается напряжение, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90° и свет свободно походит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоянии.
Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул являются возможность получения идеально черного цвета (что, в свою очередь, сказывается на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пикселя.
С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию матриц типа MVA (рис. 5). Смысл этой технологии заключается в том, что каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов, которые несколько меняют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности выступа. Это приводит к тому, что каждый такой домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений расширяет угол обзора монитора.
Рис. 5. − Доменная структура MVA-ячейки
К достоинствам MVA-матриц следует отнести высокую контрастность (благодаря возможности получения идеально черного цвета) и большие углы обзора (вплоть до 170°). В настоящее время существует несколько разновидностей технологии MVA, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung, MVA-Premium и др., которые в еще большей степени повышают характеристики MVA-матриц.
2.5.4 Особенности различных ЖК матриц
В заключение обзора приведем таблицу 1, в которой сведены все особенности различных типов ЖК-матриц.
Таблица 1. − Особенности различных ЖК-матриц
| Характеристики \ тип ЖК-матрицы | TN+Film | S-IPS | MVA | PVA |
| Время реакции | Отлично | Хорошо | Плохо | Хорошо |
| Углы обзора | Плохо | Хорошо | Отлично | Отлично |
| Контраст | Плохо | Хорошо | Отлично | Отлично |
| Цветопередача | Нормально | Хорошо | Отлично | Отлично |
Исходя из особенностей ЖК-матриц различного типа, можно сделать один важный вывод по поводу выбора ЖК-мониторов. Так, если монитор построен на матрице типа TN+Film, то благодаря хорошей скорости реакции пикселя он прекрасно подойдет для офисной работы, а также в качестве игрового монитора.
Мониторы на матрице S-IPS являются универсальными мониторами. Они прекрасно подойдут и для офисной работы, и для просмотра видео, и для игр, и даже (с некоторой натяжкой) для работы с цветом.
Мониторы на основе MVA-матриц можно рекомендовать для работы с цветом, а вот в качестве игровых мониторов из-за не очень хорошей динамики их лучше не использовать.
Мониторы на основе PVA-матриц производства компании Samsung универсальны и их можно смело рекомендовать для любых приложений.
Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 500 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора. Впрочем, как раз в этом кроется один из подводных камней. Парадокс заключается в том, что ориентироваться на цифры, указанные в технической документации, нельзя. Это касается не только яркости, но и контраста, углов обзора и времени реакции пикселя.
Мало того, что они могут вовсе не соответствовать реально наблюдаемым значениям, иногда вообще трудно понять, что означают эти цифры. Прежде всего, существуют разные методики измерения, описанные в различных стандартах; соответственно измерения, проводимые по разным методикам, дают различные результаты, причем вы вряд ли сможете выяснить, по какой именно методике и как проводились измерения. Вот один простой пример. Измеряемая яркость зависит от цветовой температуры, но когда говорят, что яркость монитора составляет 300 кд/м2, то возникает вопрос: при какой цветовой температуре достигается эта самая максимальная яркость? Более того, производители указывают яркость не для монитора, а для ЖК-матрицы, что совсем не одно и то же.
Для измерения яркости используются специальные эталонные сигналы генераторов с точно заданной цветовой температурой, поэтому характеристики самого монитора как конечного изделия могут существенно отличаться от заявленных в технической документации. А ведь для пользователя первостепенное значение имеют характеристики собственно монитора, а не матрицы.
Яркость является для ЖК-монитора действительно важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости вы вряд ли сможете играть в различные игры или просматривать DVD-фильмы. Кроме того, окажется некомфортной работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки).
Однако делать на этом основании вывод, что монитор с заявленной яркостью 450 кд/м2 чем-то лучше монитора с яркостью 350 кд/м2, было бы преждевременно. Во-первых, как уже отмечалось, заявленная и реальная яркость – это не одно и то же, а во-вторых, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 (но не заявленную, а реально наблюдаемую). Кроме того, немаловажное значение имеет и тот факт, каким образом регулируется яркость монитора.
С точки зрения физики регулировка яркости может производиться путем изменения яркости ламп подсветки. Это достигается либо за счет регулировки тока разряда в лампе (в мониторах в качестве ламп подсветки используются лампы дневного света с холодным катодом Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL), либо за счет так называемой широтно-импульсной модуляции питания лампы. При широтно-импульсной модуляции напряжение на лампу подсветки подается импульсами определенной длительности. В результате лампа подсветки светится не постоянно, а только в периодически повторяющиеся интервалы времени, но за счет инертности зрения создается впечатление, что лампа горит постоянно (частота следования импульсов составляет более 200 Гц).
Очевидно, что, меняя ширину подаваемых импульсов напряжения, можно регулировать среднюю яркость свечения лампы подсветки. На рис. 6 показан пример широтно-импульсной модуляции лампы подсветки, наблюдаемой при различных значениях установленного уровня яркости монитора.
Рис. 6. − Регулирование яркости монитора методом широтно-
импульсной модуляции
Кроме регулирования яркости монитора за счет лампы подсветки, иногда это регулировка осуществляется самой матрицей. Фактически, к управляющему напряжению на электродах ЖК-ячейки добавляется постоянная составляющая. Это позволяет полностью открывать ЖК-ячейку, но не позволяет полностью ее закрывать. В этом случае при увеличении яркости черный цвет перестает быть черным (матрица становится частично прозрачной даже при закрытой ЖК-ячейке). [5]
2.7 Контрастность
Не менее важной характеристикой ЖК-монитора является его контрастность, которая определяется как отношение яркости белого фона к яркости черного фона:
.
Теоретически контрастность монитора не должна зависеть от установленного на мониторе уровня яркости, то есть при любом уровне яркости измеренный контраст должен иметь одно и то же значение. Действительно, яркость белого фона пропорциональна яркости лампы подсветки B и равна
,
где
– коэффициент пропускания света ЖК-ячейкой в открытом состоянии.
Аналогично, яркость черного фона можно выразить по формуле:
– коэффициент пропускания света ЖК-ячейкой в закрытом состоянии. Тогда контраст можно выразить по формуле:
.
В идеальном случае отношение коэффициентов пропускания света ЖК-ячейкой в открытом и закрытом состоянии является характеристикой самой ЖК-ячейки, однако на практике это отношение может зависеть и от установленной цветовой температуры, и от установленного уровня яркости монитора.
За последнее время контрастность изображения на цифровых мониторах заметно выросла, и сейчас этот показатель нередко достигает значения 500:1. Но и здесь все не так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.
2.8 Угол обзора
Максимальный угол обзора (как по вертикали, так и по горизонтали) определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения в центре составляет не менее 10:1. Некоторые производители матриц при определении углов обзора используют контрастность не 10:1, а 5:1, что также вносит некоторую путаницу в технические характеристики. Формальное определение углов обзора довольно туманно и, что самое главное, не имеет прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом.
На самом деле для пользователей куда более важным обстоятельством является тот факт, что при просмотре изображения под углом к поверхности монитора происходит не падение контрастности, а цветовые искажения. К примеру, красный цвет превращается в желтый, а зеленый – в синий. Причем подобные искажения у разных моделей проявляются по-разному: у некоторых они становятся заметными уже при незначительном угле, много меньшем угла обзора. Поэтому сравнивать мониторы по углам обзора в принципе неправильно. Сравнить-то можно, но вот практического значения такое сравнение не имеет. [3]
2.9 Время реакции пикселя
Время реакции, или время отклика пикселя, как правило, указывается в технической документации на монитор и считается одной из важнейших характеристик монитора (что не совсем верно).
В ЖК-мониторах время реакции пикселя, которое зависит от типа матрицы, измеряется десятками миллисекунд (в новых TN+Film-матрицах время реакции пикселя составляет 12 мс), а это приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз.
Различают время включения и время выключения пикселя. Под временем включения пикселя понимается промежуток времени, необходимый для открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения – промежуток времени, необходимый для ее закрытия. Когда же говорят о времени реакции пикселя, то понимают суммарное время включения и выключения пикселя.
Время включения пикселя и время его выключения могут существенно различаться.
На рис. 7 показаны типичные временные диаграммы включения (рис. 7а) и выключения (рис. 7б) пикселя для TN+Film-матрицы. В приведенном примере время включения пикселя составляет 20 мс, а выключения – 6 мс. Суммарное же время реакции пикселя равно 26 мс.
Когда говорят о времени реакции пикселя, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Кроме того, время реакции пикселя, указываемое в технической документации, различными производителями матриц трактуется по-разному. К примеру, один из вариантов трактовки времени включения (выключения) пикселя заключается в том, что это время изменения яркости пикселя от 10 до 90% (от 90 до 10%).
Рис. 7. − Типичные временные диаграммы включения/выключения
пикселя для TN+Film-матрицы: а – включения; б – выключения.
До сих пор, говоря об измерении времени реакции пикселя, подразумевается, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксель просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пикселя, 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, в реальных приложениях встречается сравнительно редко. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если время переключения между черным и белым цветами окажется меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пикселя иметь не будет и ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Какой же вывод можно сделать из вышеизложенного? Все очень просто: заявляемое производителем время реакции пикселя не позволяет однозначно судить о динамической характеристике монитора. Более правильно в этом смысле говорить не о времени переключения пикселя между белым и черным цветами, а о среднем времени переключения пикселя между полутонами.
2.10 Количество отображаемых цветов
Все мониторы по своей природе являются RGB-устройствами, то есть цвет в них получается за счет смешения в различных пропорциях трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Таким образом, каждый ЖК-пиксель состоит из трех цветных субпикселов. Кроме полностью закрытого или полностью открытого состояния ЖК-ячейки, возможны и промежуточные состояния, когда ЖК-ячейка частично открыта. Это позволяет формировать цветовой оттенок и смешивать цветовые оттенки базовых цветов в нужных пропорциях. При этом количество воспроизводимых монитором цветов теоретически зависит от того, сколько цветовых оттенков можно сформировать в каждом цветовом канале. Частичное открытие ЖК-ячейки достигается за счет подачи требуемого уровня напряжения на управляющие электроды. Поэтому количество воспроизводимых цветовых оттенков в каждом цветовом канале зависит от того, сколько различных уровней напряжений можно подавать на ЖК-ячейку.
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 получить 64 цветовых оттенка в одном цветовом канале. Всего же за счет смешения цветовых оттенков разных каналов возможно создание 262 144 цветовых оттенков.
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 всяческих ухищрений можно приблизить количество цветовых оттенков к тому, что воспроизводится 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 дизеринга заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешения ближайших цветовых оттенков соседних пикселей. Рассмотрим простой пример. Предположим, что пиксель может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние пикселя формирует черный цвет, а открытое – красный. Если вместо одного пикселя рассмотреть группу из двух пикселей, то, кроме черного и красного, можно получить еще и промежуточный цвет, осуществив тем самым экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному. В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга он будет воспроизводить уже 27 цветов.
Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пикселя, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения.
Суть технологии FRC заключается в манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, считается, что пиксель может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). 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. Это позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться пиксель не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение пикселя), то в результате яркость пикселя составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного.
Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае – это возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции, а во втором – вероятность потери деталей изображения.
Отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной довольно сложно. При этом стоимость 24-битной матрицы значительно выше.
Заключение
ЭЛТ-мониторы ещё в течение нескольких лет будут оставаться хорошим выбором для точной работы с цветом, хардкорных геймеров и желающих сэкономить покупателей, но век этой технологии подходит к концу. Всё дело в больших габаритах и архаичной концепции формирования изображения методом строчной развёртки. В наш век экспоненциального роста качественных характеристик компьютерной техники невозможно опираться на древнюю конструкцию, основой которой является аналоговая электронная лампа огромных размеров (кинескоп). Прошли времена, когда компьютерная техника была доступна малому проценту энтузиастов, которые могли позволить себе долго выбирать подходящий ЭЛТ-монитор, а потом долго настраивать его для получения качественного изображения. Сейчас всё труднее найти хороший ЭЛТ-монитор, с идеально отъюстированной ОС, с кинескопом нового поколения. Характеристики ЭЛТ-трубок, по большому счёту, не улучшаются вот уже два-три года – производители не хотят вкладывать инвестиции в морально устаревшую технологию.
Рынок дисплеев уже сделал свой выбор в пользу компактных цифровых матриц с персональным управлением каждого пикселя и технология TFT-LCD находится на переднем крае этого направления.
Список литературы
1. Чеканов Д., Мильчаков С. Технология жидкокристаллических мониторов (LCD). − 3DNews.
2. Пахомов С. Современные ЖК-мониторы. // КомпьютерПресс. – 2004.
3. Петроченков А.В. Hardware – компьютер и периферия. – 106 с. ил.
4. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. – 67 с.
5. HARD 'n' SOFT (компьютерный журнал для широкого круга пользователей). − 2003. − №6.
