Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék
CRT Monitor gammakarakteriszikájának felvétele
9. mérés
Mérés célja: Számítógéppel vezérelt CRT monitor gamma karakterisztikájának felvétele Felhasznált eszközök: - CRT monitor - PC a mérő szoftverrel - Gossen PROFISIX fotográfiai fénymérő Elméleti háttér: A CRT monitorok felépítése és működése A számítástechnika területén jelenleg még a CRT (katódsugárcsöves, Cathode Ray Tube) monitorok a legelterjedtebbek, bár a nem professzionális felhasználás területén elterjedőben vannak az LCD képernyők. A katódcsöves monitorok jellemzői legnagyobb mértékben a benne található CRT képcsőtől függnek. A képcső (1. ábra) tulajdonképpen egy ernyőfelületű üvegbúra, amelyen belül vákuum van. Az ernyő belülről fluoreszcens tulajdonságú fényporral bevont. A mögötte elhelyezkedő elektronágyú, elektronokkal bombázva az ernyőt, felvillanásokat és ezáltal képpontot hoz létre. Az elekronsugár az ernyőt soronként letapogatva hozza létre a teljes képet. Az elektronágyú az elektronokat kibocsátó fűtött katódból és elektron-fókuszálóilletve gyorsító anódokból áll. Az elektronnyalábot az eltérítő tekercsek pozícionálják. A képernyőn a legkisebb megjeleníthető információ az egy képpont* (dot, triplet, 2. ábra). Ez közelítőleg a fluoreszcens ernyő előtt található szita (rács) egy nyílásán átengedett elektronsugár által gerjesztett felület nagyságával egyenlő. A képcső vezérlőelektronikája a képcsövön kívül a monitor másik fontos alkotóeleme. Ez a rendszer végzi el a számítógépből érkező videojel átalakítását a képcső számára felhasználható formába. katód
elektronnyaláb gyorsító anód
fókuszáló anód eltérítő tekercsek vezető bevonat fénypor-réteg 1. ábra: A CRT-képcső felépítése
*
Nem azonos a pixel fogalmával, az ugyanis a szoftveresen megjelenített képpontot jelöli. 2
A színes monitorok képcsövét, a trikromatikus színelméletnek megfelelően, három eltérő típusú fényporral vonják be. Ezek zöld, kék és vörös hullámhossz-tartományú fényt bocsátanak ki, ha elektronsugár éri őket. Ennek megfelelően a katódok száma is három a színes képcsőben. Az CRT alap színingereit nevezhetjük még primer színeknek vagy csak egyszerűen primereknek. Egy tripleten belül a három primer színinger fizikai kiterjedése olyan kicsi*, hogy megfelelő megfigyelési távolságot feltételezve bőven szemünk szögfeloldási határa alatt (∼1’) van. Ezzel pedig létrejön a CRT monitoron az additív színkeverés feltétele. A CRT monitor elektronikus vezérlése a számítógép videokártya D/A átalakítója által közvetített kék, zöld és vörös analóg elektromos jeleket és a megjelenítést biztosító szinkronjelet alakítja a képcső számára szükséges nagyfeszültségű jellé. additív színkeverés
képernyőmátrix
triplet
2. ábra: Az színingerek additív színkeverése és a színes CRT képernyőmátrix felépítése Szín- és képalkotás számítógéppel A CRT monitort vezérlő RGB és szinkron videojelek analóg mennyiségek. A számítógép viszont digitális működésű eszköz. Ezért a jel létrehozására szükséges a számítógép számára egy grafikus alrendszer, ami egyrészt elvégzi a D/A átalakítást, másrészt előkészíti, létrehozza és tárolja a monitoron megjelenítendő kép paramétereit. A számítógépekben ezt a feladatot külön csatolókártya – a videokártya végzi. Amikor egy számítógépes program információt (képet, alfanumerikus karaktert) szeretne megjeleníteni a monitoron, akkor az információt az operációs rendszeren keresztül az ún. drawing engine (3. ábra - a) egységnek továbbítja. Az egység a grafikai információt pixelekig lebontja, és meghatározza ezek memóriacímeit és paramétereit. A pixel paraméterei: a képernyőn elfoglalt helyzete (x,y koordinátái) továbbá a jellemző színinformációja. A színek azonosítása kódokkal történik, és annál nagyobb helyértékű bináris számot kell e célra alkalmazni, minél több színingert használ az alkalmazásunk (1. táblázat). Színazonosító bit helyértékeinek a száma: 4 8 16 24
Maximálisan megjeleníthető színek száma: 24=16 28=256 16 2 =65.536 224=16.777.216
800x600-as felbontáson szükséges minimális memória ((800*600*4)/8)/106 bit=0.24 Mbit ((800*600*8)/8)/106 bit =0.48 Mbit ((800*600*16)/8)/106 bit =0.96 Mbit ((800*600*24)/8)/106 bit =1.44 Mbit
1. táblázat: Számítógéppel megjeleníthető színingerek száma és a megjelenítéshez szükséges memórianagyság *
A képpontok mérete képcső típustól függően: 0,25-0,29 mm. 3
A drawing engine által létrehozott mátrixos adatcsomagot a raszter-tár (frame-buffer) tárolja. Ez a memóriaegység párhuzamos többsíkú tárolást tesz lehetővé. Egy memóriasík a képernyőmátrix egy bitnyi metszékét képes tárolni. Például egy nyolc bites színmélységgel rendelkező kép 800x600-as felbontású képernyőn, egymás „mögött” nyolc darab 800x600 bitet tartalmazó memóriasíkon tárolódik. A memóriának igen gyorsnak kell lennie, és általában ez a grafikai alrendszer gyorsaságának és lehetőségeinek legszűkebb keresztmetszete. A megjelenítés időbeli sorrendiségéről a vezérlő és szinkronizáló egység gondoskodik (3. ábra - c). A frame bufferből kiolvasott adatok a szinkronjellel együtt a D/A (digitális/analóg) átalakítóba, majd végül a monitorba kerülnek. Előbb azonban a színek kódjának megfelelő alapszín-megfeleltetéseket is el kell végezni. Ezt a feladatot végzi a LUT (Look-up Table, 3. ábra - d). A LUT a megjelenítendő szín bináris kódjához egy 0-255-ig terjedő vörös (R), zöld (G) és kék (B) ún. DAC (Digital Analog Convert) értéket rendel. A három DACR, DACG, DACB érték határozza meg, hogy a kívánt színinger milyen RGB primer aránynak megfeleően történjen kikeverésre. A három primer 256 lépésben történő változtatásával maximum 2563=16.777.216=224 különböző színinger hozható létre. A számítógép bináris rendszerében ez a színrendszer 24 bites kódolással valósítható meg, így ezt a színinger mennyiséget 24 bites színmélységnek nevezzük. Ha a számítógép (pl. videomemória hiány miatt) csak 8 bit-nyi 28=256 színinger megjelenítésére képes, akkor a LUT a megjelenítendő 24-bites kép 16 millió színkódját kiosztja a lehetséges 256 színre. Ez természetesen azzal jár, hogy ezek után az eredetileg sok különböző színingert tartalmazó kép több részlete azonos színezetűvé válik.
3. ábra: A számítógép grafikus feldolgozó rendszere A gamma karakterisztika Az előzőekben szerepelt, hogy az egyes színek elektronágyúinak intenzitása 24 bites rendszerben 256 lépésben változtatható. A monitor által sugárzott fénysűrűség és a 0…255-ig állítható digitális intenzitás-egység (DAC érték) közti összefüggés azonban nem lineáris (2.15 ábra). A nemlinearitás annak köszönhető, hogy a CRT képcső elektronágyújának elektronáram-sűrűségét szabályzó lineáris feszültségváltoztatás a sugárzott fénysűrűség exponenciális változását vonja maga után. A feszültségváltozás és a fénysűrűség viszonyát leíró függvény exponenciális kitevőjét nevezzük a CRT monitor gammájának. Értéke 2,2 körüli. Mivel szemünk (Steven és Weber-Fechner törvényében leírt*) fénysűrűség/világosságészlelet viszonya hasonló a CRT gamma karakterisztika inverzéhez, ezért a lineáris DAC *
A fénysűrűség (L) és világosság-észlelet (B) közötti összefüggés B=Lp, ahol p≈0,33. 4
érték változtatása közel lineáris világosság-észlelet változással jár. A szem tehát egy 0,33 körüli „beépített gamma értékkel” rendelkezik. Ilyen (a fizikailag mérhető és az érzékszervek érzékenysége közötti összefüggést leíró) „gamma” értékekkel nem csak a látás, hanem más érzékszervek is rendelkeznek: szaglás (0,55), hallás (0,6), tapintás (0,8), súlyérzékelés (1,45).
Vörös Zöld Kék
40
2
LR,G,B[cd/m ]
50
30 20 10 0
0
50
100
150
DACR,G,B
200
250
4. ábra: A CRT megjelenítőrendszer gamma görbéje A DAC~L exponenciális kapcsolat közel áll a négyzetes karakterisztikához, azzal hogy a 0 DAC értékhez tartozik egy igen alacsony mértékű offset fénysűrűség (O). A karakterisztika ennek megfelelően a következő alakban írható fel:
L[cd/m ] = O + G ⋅ DAC 2
γ R ,G , B
1.
ahol DAC=0...255, G a feszültségerősítésre jellemző állandó, γ pedig az exponenciális kitevő. A γ értéke optimális esetben 1,9 és 2,2 közt mozog. Az L=f(DAC) függvényt gammagörbének vagy gamma-karakterisztikának nevezzük, és az 1. képlettől eltérő matematikai megfogalmazása is lehetséges. A fent definiált gamma-karakterisztikát a továbbiakban a teljes megjelenítő rendszerre értelmezzük, amelybe belefoglaltatik a CRT gamma, a grafikus hardver gammája és az operációs rendszerben szoftveresen manipulálható gamma is. A monitor gamma görbéje mérés útján határozható meg, és az értéke szoftveresen is változtatható.
Mérés menete: A START menüből elérhető GAMMA nevű programmal hozható létre tetszőleges (R, G vagy B) monitor-primert tartalmazó és adott DAC értékű homogén képernyő. Hozza létre mindhárom monitor-primer esetében a 0, 50, 100, 150, 200, 255 DAC sorozatot és mérje meg minden esetben a monitoron mérhető fénysűrűséget Gossen PROFISIX (használat leírása a mellékletben) fotográfiai fénymérővel.
5
A mérés során hozza létre a következő táblázatot: DAC [-] 0 50 100 150 200 250
LR[cd/m2]
LG[cd/m2]
LB[cd/m2]
A három pontsorozatra (DACi;Li)R,G,B illesszen exponenciális görbét és határozza meg az R, G és B primerekre az O, G és γ paramétereket (1. képlet). Az O paraméter ismert, ugyanis ez egyenlő a 0 DAC értéknél mért fénysűrűséggel. A görbeillesztést a lineáris-logaritmikus módszer segítségével végezze el. A lineáris-logaritmikus illesztés kiindulásként írjuk fel a gamma-egyenletet:
L i = O + G ⋅ DAC
γ i
2.
A fenti egyenletet átrendezve és természetes alapú logaritmusát véve:
ln(Li − O) = ln(G ) + γ ⋅ ln(DACi ) , ha L i − O ≥ 0, DAC i ≥ 0
3.
A fenti kifejezés megfeleltetethető az alábbi lineáris függvénnyel:
Y = B + A⋅ X
4.
ahol Y és X mért, tehát ismert adatok. Innen lineáris regresszióval (EXCEL segítségével) számíthatóak az A és B együtthatók, amelyekből végül visszaszámolható a γ és G paraméter:
γ =A
G = eB
A számolt O, G és γ paramétereket táblázatosan adja meg az R, G és B primerekre!
6
5.
MELLÉKLET Fénysűrűség-mérés a Gossen PROFISIX fotográfiai fénymérővel:
1. ábra • • • • •
A 21-el jelölt film-érzékenységet a 20-as jelzésű gyűrű elforgatásával állítsa 18 DIN (50 ASA) értékre. Az 1-es diffúzort húzza el a fénymérő detektor elől. Helyezze a fénymérőt detektorral a képernyő elé. Nyomja meg és tartsa lenyomva a 6-os gombot. A 13-as gyűrűt tekerje addig, amíg a 4-es mutató nem áll pontosan a 0 pozícióba. Olvassa le az ekkor kijelzett fényértéket (a 22-es skála LV EV közötti jelzése alatt).
A fényértéknek megfelelő fénysűrűség a következő egyenlettel számítható:
L = 0,22834 ⋅ 1,99676
7
FÉ
[cd/m2]
