ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY Zobrazovací jednotky jsou výstupní periferní zařízení, které slouží k viditelnému zobrazení textu a grafiky. Mezi zobrazovací jednotky řadíme především: •
displeje,
•
monitory,
•
projektory.
Obrazovou informaci v počítači zpracovává grafický adaptér. Zobrazovací jednotka dle výstupního elektrického videosignálu (analogový, digitální) vytváří výsledný obraz pomocí světla vyzařujícího z obrazovky (monitory, displeje) nebo z projekční čočky na projekční plochu (projektory). Obraz je tvořen maticí obrazových bodů (pixelů). U každého obrazového bodu se definuje jeho jas a barva a sestává se z trojice základních bodů, tzv. subpixelů (červená, zelená a modrá barva) – barevný model RGB1. Mají-li RGB subpixely maximální jas, svítí obrazový bod bílou barvou. Je-li jas nulový, má obrazový bod černou barvu, nesvítí.
Základní parametry zobrazovacích jednotek 1. Typ a zobrazovací technologie: a. Monitory, displeje – technologie CRT, LCD, plazma, OLED, EPD, EInk b. Projektory – technologie DLP, LCD, LCoS 2. Maximální rozlišení – maximální počet obrazových bodů, které je monitor schopen zobrazit při určitém poměru stran obrazovky (4:3, popřípadě 16:9). Rozlišení se uvádí jako: počet bodů na řádek × počet řádků, např. 1024 × 768. 3. Úhlopříčka obrazovky Udává se obvykle jako vzdálenost mezi protilehlými rohy obrazovky v palcích (angl. palec = inch). Někteří výrobci uvádí úhlopříčku včetně plochy, která je skryta plastovým rámem.
4. Rozteč bodů – Je vzdálenost mezi jednotlivými body obrazovky. Udává se v milimetrech. Čím nižší je tato hodnota, tím kvalitnější je obrazovka. Při nízké bodové rozteči je předpoklad, že bude i při větším rozlišení ostřejší obraz. Údaj u CRT obrazovek se pohybuje přibližně od 0,23 do 0,29 mm.
1
R = Red (červená), G = Green (zelená), B = Blue (modrá)
5. Jemnost displeje PPI (Pixel Per Inch) – parametr specifikuje počet pixelů na anglický palec. Určuje tedy hustotu pixelů v přesně vymezené ploše displeje (šířka × výška). Čím vyšší číslo, tím vyšší jemnost a tím méně je schopno lidské oko od sebe rozlišit jednotlivé pixely. Přibližně nad 300 PPI již není lidské oko schopno rozlišovat jednotlivé pixely a vnímá jednolitý obraz na displeji. 6. Obnovovací frekvence – hodnota udává, kolikrát se změní obraz za jednu sekundu při daném rozlišení monitoru. Typické hodnoty jsou v rozmezí 60 Hz až 120 Hz. 7. Řádkový kmitočet – hodnota udává, kolik řádků se vykreslí za jednu sekundu. Hodnota je dána součinem počtu řádků a obnovovacího kmitočtu. Je-li například počet řádků 768 a obnovovací kmitočet 80 Hz, pak je řádkový kmitočet 61440 Hz. 8. Elektrický příkon (Watt) – režim zapnuto a pohotovostní režim „Stand By“. 9. Rozhraní grafického adaptéru (D-Sub, DVI, HDMI, DisplayPort) 10. Svítivost – udává se v cd/m2 a jeho hodnota se měří podle svítivosti všech pixelů, které zobrazují bílou barvu. (pozn.: cd = jednotka svítivosti kandela) 11. Kontrast – hodnota udává poměr mezi bílou a černou barvou. Typická hodnota u dnešních LCD panelů je 1000:1. Zároveň se uvádí také dynamický kontrast (např. 1 000 000 : 1). Tohoto kontrastu dosahuje monitor navíc regulací podsvícení v daném místě pro každou zobrazenou scénu. 12. Doba odezvy (milisekundy) – určuje čas, za který se dokáže změnit stav z černé barvy na bílou a zpět na černou. Čím kratší čas, tím menší má LCD displej problém při rychlých (dynamicky se měnících) scénách s rychlým střídáním tmavých a světlých míst. To se může projevit rozmazáním obrazu v těchto místech. Kvalitní monitory mají tento údaj v řádu jednotek milisekund. Někdy se udává údaj označený jako GTG (Grey To Grey). Pro většinu aplikací je spíše rozhodující rychlost, s jakou se pixel dokáže změnit z/do jednotlivých odstínů šedé. Toto číslo je vždy nižší než hodnota měřená pro mezní změny jasu (černa – bílá – černá). 13. Pozorovací úhly (horizontálně / vertikálně) Tento údaj udává, v jakém rozmezí horizontálního i vertikálního pohledu na obrazovku (ve stupních) vnímá pozorovatel obraz bez barevného zkreslení. V opačném případě barvy rychle ztrácí odstín, obraz šedne a může docházet například k inverzi barev či dokonce ztrátě obrazu. Ideální úhel pohledu je 180ο / 180ο , vhodná reálná hodnota 178ο / 178ο . 14. Počet zobrazitelných barevných odstínů – souvisí s počtem bitů, které slouží k popisu hodnoty barevných složek R, G, B: • 8 bitů na barevnou složku: 28 × 28 × 28 = 224 = 16,7 milionů barevných odstínů • 10 bitů na barevnou složku: 210 × 210 × 210 = 230 = 1,07 miliardy barevných odstínů
15. Příslušenství monitoru – integrované reproduktory, USB Hub, web kamera, apod. 16. Hmotnost, rozměry (výška × šířka × hloubka) 17. Emisní normy – jedná se o normu specifikující požadavky na nižší vyzařování (elektrické i magnetické pole), energetickou účinnost a elektrickou bezpečnost. Emisní normy se označují TCO + rokem schválení normy (TCO 92, TCO 95, TCO 99, TCO 03). Platí: čím novější norma, tím přísnější požadavky na monitor. 18. Další možné parametry – barevný gramut, funkce PIVOT (možnost otočení obrazu o 90ο ), možnost otáčení a naklápění monitoru, atd.
Technologie zobrazování obrazu Zobrazovací jednotky vybavené obrazovkou (monitory, displeje) můžeme podle používaných technologií rozdělit na několik skupin: 1. CRT (klasická vakuová obrazovka), 2. LCD (displeje využívající vlastností tekutých krystalů), 3. OLED (obrazovka z organických světlo-emitujících materiálů), 4. EPD, EInk (displeje využívající technologie elektronického inkoustu), 5. plazmová obrazovka (převážně velkoplošné obrazovky TV přijímačů). Zobrazovací technologie projektorů (DLP, LCD, LCoS) budou podrobněji probrány v učebním materiálu „Dataprojektory“.
1. CRT (Cathode Ray Tube) technologie Obrazovka monitoru je tvořena velkou elektronkou. Na jedné straně je rozšířena do plochy obrazovky (představuje anodu) a na druhém konci je úzká válcová část s emitory elektronů tvořená žhavenou katodou (elektronová děla). Na vnitřní straně obrazovky je luminofor. Rozsvítí se po dopadu elektronového svazku. Svazek elektronů musí dopadat na jednotlivé subpixely přesně (nerozostřený obraz). Proto je mezi obrazovkou a elektronovými děly mřížka (maska) s přesně rozmístěnými otvory. Celkový obraz je vykreslován po řádcích paprsek je po řádcích (vertikálně) a na další řádku (horizontálně) vychylován dvojicí elektromagnetických cívek. Emise elektronů pro tři barvy (RGB – červená, zelená, modrá) je zajištěna třemi samostatnými děly nebo jediným emitorem, který vyzařuje tři samostatné paprsky.
Provedení masky monitoru:
Invar (Delta) •
tři elektronové děla uspořádané do trojúhelníku, maska je tvořena kruhovými otvory.
•
v okrajích obrazovky dochází ke zkreslování obrazu.
• zkreslení se dá potlačit klenutím obrazovky (vypouklý tvar obrazovky).
Trinitron Technologii Trinitron vyvinula forma SONY, kde nejde o klasickou bodovou mřížku, ale o svisle umístěné drátky, které rozdělují obrazovku do sloupců. Ty jsou dále přirozeně rozděleny do řádků (a tedy jednotlivých bodů) vodorovným pohybem paprsku. Technologie se vyznačuje vyšším jasem a lepším podáním barev. Trinitronová obrazovka není dokonale plochá, oproti invarové obrazovce má válcovitý tvar. Malou nevýhodou této technologie je přítomnost jednoho až dvou (dle úhlopříčky obrazovky) vodorovných drátků, které fixují drátky svislé. Jsou jen málo viditelné, přesto mohou působit rušivě. Drátky nahrazující masku jsou velmi tenké, a tedy i lehce ovlivnitelné magnetickým polem. I běžné magnetické pole z reproduktorů může způsobit nejenom vychýlení paprsků, ale také trvalou deformaci drátků tvořících masku.
CromaClear (Inline) Obrazovka byla vyvinuta firmou NEC. Spojuje klady invarové a trinitron obrazovky. Jedná se o seřazení pásků stejně jako u trinitronu, ale s pevnou maskou ve tvaru obdélníku odolnou proti magnetickému poli.
2. LCD technologie LCD = Liquid Crystal Display (displej z tekutých krystalů) Tekutými krystaly se označují takové chemické látky, které pod vlivem elektrického pole (resp. elektrického napětí) mění svoji molekulární strukturu a díky tomu mění polarizaci procházejícího světla. Chovají se jako kapalina, ale vykazují optické vlastnosti krystalických látek. U LCD displejů se využívá tekutých krystalů, které jsou složeny z podlouhlých molekul orientovaných v jednom směru, tzv. nematické uspořádání (viz obrázek).
2.1. Konstrukce LCD displeje Každý obrazový bod LCD displeje se skládá z molekul tekutých krystalů uložených mezi dvěma průhlednými elektrodami a mezi dvěma polarizačními filtry, přičemž osy polarizace filtrů jsou na sebe kolmé. Bez krystalů mezi filtry by bylo světlo procházející jedním filtrem blokováno filtrem druhým. Tento systém slouží k regulaci množství světla procházejícího obrazovkou v daném bodě. Fyzikální základy: Světlo chápeme jako elektromagnetické vlnění o určité vlnové délce a je obecně nepolarizované. Světlo, jehož elektrická složka kmitá stále ve stejném směru (resp. rovině), nazýváme polarizované světlo. K polarizaci světla se používají speciální polarizační filtry. Polarizační filtr si můžeme představit jako „mřížku“, která propustí pouze světlo se shodnou polarizací, jakou má samotná „mřížka“. Pokud je polarizační rovina filtru rovnoběžná s rovinou polarizace světla, projde filtrem všechno světlo, pokud jsou roviny navzájem kolmé, neprojde nic.
Téměř všechny LCD displeje potřebují vlastní zdroj světla (podsvícení displeje). Toto světlo je nepolarizované, k jeho polarizaci slouží první polarizační filtr displeje. Typy podsvícení: 1. CCFL (Cold-Cathode Fluorescent Lamp)
Katodové zářivkové trubice umístěné v zadní části displeje, které vyzařují bílé nepolarizované světlo. Tyto displeje mají menší životnost, nižší jas a vyšší spotřebu elektrické energie. U menších LCD se nepoužívají).
displejů
(fotoaparáty,
MP4
přehrávače,
apod.)
2. LED (Light Emitting Diode) Tyto displeje se vyznačuje obecně lepším podáním barev, dokonalejší černou barvou, neboť u většiny technologií lze ovládat svítivost jednotlivých LED diod, vyznačují se větší úsporou elektrické energie, jsou velice tenké, obrazovky mají vyšší životnost, než v případě podsvícení CCFL zářivkami. a. Matice RGB LED U počítačových monitorů se technologie nepoužívá, typické např. pro velkoplošní reklamní a sportovní tabule. Používají se skupiny čtyř LED (červená, modrá a dvě zelené), které jsou rozmístěny maticově po celé ploše panelu.
b. Matice bílých LED Používají se pouze bílé LED rozmístěné pod celou plochou displeje. Součástí displeje je navíc RGB filtr pro každý obrazový bod, kterým se vytváří různé barevné odstíny. c. Edge LED Bílé LED jsou umístěny pouze po okrajích panelu a pomocí sítě speciálních světlovodů s odraznými ploškami se světlo z LED rovnoměrně rozptýlí za LCD panelem. Výhodou této technologie je použití menšího počtu LED a tím i snížení nákladů na výrobu a tedy i ceny, panel může být také velmi tenký. U všech LED technologií lze použít tzv. „LED local dimming“ a dosáhnout vyššího kontrastu (rozdílu mezi černou a bílou barvou), neboť při zobrazení černé barvy se „zavře" nejen LCD filtr pro daný pixel, ale zároveň se zhasne odpovídající podsvětlující LED. Tyto displeje mají výborné barevné podání.
2.2. Monochromatické LCD displeje a. LCD s odrazem světla (pasivní)
TRANSPARENTNÍ ELEKTRODY
SKLO
SMĚR POHLEDU
SVĚTLO
CELOPLOŠNÁ REFLEXNÍ ELEKTRODA
SKLO TEKUTÉ KRYSTALY
Nemají vlastní podsvícení, potřebují vnější zdroj světla, které na LCD displej dopadá. Za normálního stavu jsou tekuté krystaly průhledné, světlo prochází na zadní reflexní (odraznou) elektrodu, odráží se a vystupuje ven. Celý displej je světle zelený. Vytvořením elektrostatického pole u příslušné transparentní (průhledné) elektrody dochází k natočení molekul, světlo se rozptýlí, neodráží se, místo je tmavší. Transparentní elektrody mají tvar segmentů, z kterých se vytváří požadovaný znak.
b. LCD s průchodem světla (aktivní) TRANSPARENTNÍ ELEKTRODY
SKLO
SMĚR POHLEDU SVĚTLO CELOPLOŠNÁ TRANSPARENTNÍ ELEKTRODA
SKLO TEKUTÉ KRYSTALY
U tohoto zařízení je displej podsvícený. Má svůj zdroj světla, displej je čitelný i ve tmě. Světlo prochází tam, kde mezi elektrodami nepůsobí elektrostatické pole.
2.3. Barevné LCD displeje Jednotlivé obrazové body LCD displeje fungují jako světelné ventily - samy nezáří, jen regulují množství procházejícího ze zdroje světla, který se nacházejí za panelem (CCFL nebo LED). Abychom dosáhli barevného zobrazení, musíme do systému zařadit soustavu filtrů základních barev (RGB - červená / zelená / modrá) - výsledný počet buněk (subpixelů) je pak dán: výška × šířka (v obrazových bodech) × 3 základní barvy (RGB).
Pokud jsou RGB "ventily" v zatemnělém stavu, získáme dojem černé barvy, pokud všechny subpixely svítí na maximum, získáme dojem bílé barvy. Ostatní odstíny jsou tvořené mixováním poměru RGB barev. Každý subpixel je řízen jedním tranzistorem (některé displeje využívají dva tranzistory na každý bod RGB) umístěným u každé barevné buňky. Vzhledem k tomu, že tyto jednotlivé tranzistory jsou umístěné na celé ploše panelu, ujal se název TFT (Thin Film Tranzistor) - tenký foliový tranzistor.
2.3.1. Technologie barevných LCD Technologie TN + film TN – Twisted Nematic (kroucené, spirálovité uspořádání nematických molekul) U displejů s technologií TN je tekutý krystal nanesen mezi vzájemně pootočené polarizační filtry. Na obr. A je zachycena situace, kdy je tekutý krystal v základním stavu (bez elektrického napětí). V tomto případě je světlo natáčeno takovým způsobem, že může projít druhým polarizačním filtrem a v konečném důsledku prochází plný jas světla – vzniká bílá barva. Na dalším obr. B je znázorněna situace, kdy jsou krystaly pod plným elektrickým napětím, molekuly tekutého krystalu se srovnají se směrem elektrostatického pole a světlo nemůže projít druhým polarizačním filtrem. Vzniká černý obrazový bod.
obr. A – světlo prochází
obr. B – světlo neprochází
Uvedeným způsobem lze optické vlastnosti tekutého krystalu regulovat v několika desítkách až stovkách různých stavů a vzniká tak výsledný jas barevných odstínů. Protože se obrazový bod skládá ze tří barevných subpixelů, vznikají tak statisíce až miliony různých odstínů barev.
Nevýhodou této technologie je velká ztrátovost světla a fakt, že vždy nějaké světlo projde i v uzavřeném stavu – nelze vytvořit dokonale černou barvu (tmavě šedá). Jas daného bodu závisí také na tom, pod jakým úhlem jej budeme pozorovat: jestli kolmo nebo ze strany. Na povrchu displeje je vytvořena vrstva, pro zvýšení pozorovacího úhlu. Tyto displeje se vyznačují pomalou dobou odezvy. Poškozené pixely trvale propouštějí světlo (jasně svítí). Výhodou je, že se jedná se o velice jednoduchou technologii s levnou výrobou.
Technologie IPS IPS – In Plane Switching (molekuly tekutých krystalů jsou vyrovnané souběžně se základní rovinou)
V základním stavu (bez elektrického napětí mezi elektrodami) filtr nepropouští světlo. Po přivedení napětí se molekuly tekutých krystalů pootočí až o 90 stupňů. Oba krajní stavy jsou tedy mnohem přesnější a lépe definované. Panely IPS proto vynikají věrnými barvami a širokými pozorovacími úhly. Při změně úhlu pohledu navíc prakticky nedochází ke změně odstínu barev tak jako u panelů TN. Jelikož elektrody jsou umístěné v jedné (spodní) rovině, zabírají více prostoru než u panelů typu TN nebo MVA, dalším problémem je slabší elektrostatické pole na okrajích buněk, kde se část molekul plně neotáčí - to ve výsledku způsobuje nižší jas a kontrast těchto panelů (je na úrovní panelů typu TN). U panelů IPS zůstává poškozený bod tmavý.
Technologie PVA (resp. MVA) MVA - Multi-Domain Vertical Alignment (orientace molekul tekutých krystalů vertikálně) PVA (Patterned Vertical Alignment)
U původní technologie Mono-VA (obrázek vlevo) byla problémem bylá silná závislost jasu daného bodu na úhlu pozorování (záviselo dokonce na straně L-P pohledu). Proto byly buňky rozdělené na domény (Multi-domain VA), které tuto závislost vzájemně kompenzují. Ve výsledku je jas daného bodu stejný jako při čelním pohledu. Výhodou těchto panelů je především výborný pozorovací úhel a dobrá doba odezvy.
3. OLED technologie OLED - Organic Light Emitting Diode (světloemitující diody vyrobené z organického materiálu)
Základem obrazového bodu je organický materiál, který emituje (vyzařuje) světlo určité barvy (RGB model), pokud se na něj přivede stejnosměrné napětí určité hodnoty. Díky použití organického materiálu mají LED tvořící jednotlivé subpixely velmi malé rozměry a lze je nanášet v podstatě na libovolný základní materiál. Pixely jsou propojeny do matice a velikost přiváděného napětí pro konkrétní pixel řídí tranzistor. Organické emitory jsou napájeny z kovové katody, přes vodivou vrstvu (vrstva pro přenos elenktronů). Ta je zde pouze proto, aby se napětí dostalo na správný subpixel. Z druhé strany je transparentní anoda, ve které se vytvářejí kladné díry, jež jsou přenášeny přes speciální organickou vrstvu až do jednotlivých subpixelů (organické emitory). Velkou výhodou technologie OLED tedy je, že pokud se na subpixel (organický materiál) nepřivede žádné napětí, bod nesvítí. V rozmezí napětí 0V až 2V subpixely nevyzařují žádné fotony a proto zbytkové napětí nebude mít vliv na kvalitu obrazu. Jelikož každý subpixel je sám zdrojem světla, nepotřebují OLED displeje celoplošné podsvícení jako LCD displeje. Má-li zůstat bod černý, napětí bude nulové (velká úspora elektrické energie). Výhodou OLED displeje je také fakt, že není problém vyrobit jej průhledný, ohebný, apod.
Základní rozdělení OLED FOLED (Flexible OLED), tedy flexibilní OLED - organická vrstva emitující světlo, je nanesena na pružném substrátu, jako například plastické nebo kovové fólie. Tyto lze tvarově přizpůsobit objektu: implantují se např. do hledí přileb, tvarovaných přístrojových desek automobilů, atd. TOLED (Transparency OLED), tedy transparentní OLED - organická vrstva emitující světlo, je nanesena na transparentním (průhledném) substrátu. Průhlednost displeje umožňuje nasazení v aplikacích, kde je potřeba zobrazovat dodatečné informace v zorném poli pozorovatele, například v hledí přilby, v brýlích, čelních i bočních sklech automobilů, oknech domů apod.
4. EPD (Electronic Paper Display) a EInk (Elektronic Ink) Jedná se o velmi tenký displej tvořený dvěma listy plastu. Mezi nimi je umístěno velké množství (řádově miliony) mikroskopických trubiček (EPD) nebo mikrokapslí (EInk). Ty obsahují v čirém roztoku uložené kladně nabité bílé částečky společně s černými částečkami, které jsou nabity záporně. Mikrokapsle (EInk displeje) jsou uloženy mezi elektrodami a jsou vystaveny působení elektrického pole. Je-li potenciál elektrického pole u vrchní (průhledné) elektrody zápornější než u spodní elektrody, bílé částečky se přesunou do horní části mikrokapsle a stanou se viditelnými na displeji. Černé částečky naopak putují do dolní části a přestávají být viditelné. Když se celý tento proces otočí, lze naopak zobrazit černé částečky a zneviditelnit bílé.
Výhodou elektronického papíru je jeho téměř nulová spotřeba (nemění-li se na displeji obraz, spotřeba elektrické energie je nulová), velmi malou energii potřebuje jen v okamžiku změny obrazu, navíc nepotřebuje podsvícení. Elektronický papír může být i barevný, doplněný ultratenkými bateriemi, s bezdrátovým síťovým rozhraním. Používají se především pro čtečky elektronických knih (e-book).
