Meten van bewegingsonscherpte in LCDs Thomas Deplaecie, Simon Vandermersch
Promotor: prof. dr. Herbert De Smet Begeleiders: Tom Bert (BARCO), ir. Dieter Cuypers Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek
Vakgroep Elektronica en informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008
Meten van bewegingsonscherpte in LCDs Thomas Deplaecie, Simon Vandermersch
Promotor: prof. dr. Herbert De Smet Begeleiders: Tom Bert (BARCO), ir. Dieter Cuypers Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek
Vakgroep Elektronica en informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008
Voorwoord Langs deze weg hadden we graag enkele personen bedankt voor hun bijdrage tot het voltooien van deze thesis.
In de eerste plaats onze ouders, voor het mogelijk maken van deze studies en tevens voor hun geduld en steun tijdens deze beproeving.
Verder willen we een speciaal woordje richten tot de mensen van Barco voor hun toewijding bij het verhelpen van onze problemen. De sfeer die heerst in het bedrijf heeft de dagen die we er doorbrachten voor het voltooien van onze thesis heel aangenaam gemaakt. In het bijzonder willen we Dhr. Tom Bert bedanken. Zonder zijn kritische houding en diepgaande kennis zou deze thesis kwalitatief niet dezelfde zijn.
Ook danken we onze promotor, prof. dr. ir. Herbert De smet, voor het mogelijk maken van dit onderzoek, alsook voor de goede raad in het verband met opstellen en uitwerken van deze scriptie.
Tenslotte onze speciale dank aan Laetitia Gérard. Het waren haar spellingscapaciteiten en scherpe blik die ervoor hebben gezorgd dat deze thesis aangenamer is om lezen.
Bedankt!
Thomas Deplaecie en Simon Vandermersch
Toelating tot bruikleen “De auteurs geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met de betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.”
Thomas Deplaecie en Simon Vandermersch, 1 juni 2008
Meten van Bewegingsonscherpte in LCDs Thomas Deplaecie en Simon Vandermersch
Promotor: prof. dr. Herbert De Smet Begeleiders: Tom Bert (BARCO), ir. Dieter Cuypers
Masterproef ingedient tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek
Vakgroep Electronica en informatiesystemen Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Van Campenhout Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008
Samenvatting Na een studie van de technologische en fysische achtergrond van “motion blur” bij LCDschermen, werd opzoek gegaan naar een methode om dit verschijnsel te kwantificeren. De oorzaken van motion blur worden gevonden bij de trage reactietijd van de vloeibare kristallen enerzijds en het "sample-en-hold" karakter van een TFT-beeldscherm anderzijds.
Huidige meetopstellingen om motion blur te meten maken gebruik van een CCD-camera om het bewegend beeld te volgen en zo de beweging van het oog te simuleren. Dit resulteert in optische aberratiefouten en mechanische synchronisatiefouten.
Een nieuwe meetopstelling werd gerealiseerd, gebruik makend van de responstijd van het LCD-panel en eye-tracking integration op de responscurve. Op deze manier wordt de Moving Picture Response Time berekent, die motion blur kwantificeert. De meetopstelling bestaat uit een fotodiode, een hardwarebord en een grafische user interface.
Vervolgens werd het gerealiseerde meetsysteem op de meest uiteenlopende LCD’s getest.
Measuring Motion Blur in Liquid Crystal Displays Thomas Deplaecie and Simon Vandermersch Supervisors: H. De Smet, T. Bert Abstract – In order to expressly define motion blur, it is necessary to both consider the response time in intermediate grey-levels of a liquid crystal and blur occurrence, caused by the hold type displaying method. Some measurement systems have already been described using a smooth pursuit camera. This paper tackles a measurement system based on the captured luminance profile.
In traditional measurement systems, a pursuit camera captures an image of the edge area of scrolling 42 test patterns, and the values of Extended Blurred Edge Time obtained from the resulting image are averaged to produce MPRT. These edges are shown in figure 1.
Keywords – Motion artefacts, motion blur, liquidcrystal display, response time, MPRT.
I. INTRODUCTION
L
CD motion blur has been widely investigated and several types of improvements for video applications have been implemented. It is well known that on liquidcrystal displays motion artefacts are caused by: (1) slow LC response time (LCRT) and (2) the sample-and-hold (S&H) effect, which means that a pixel holds its luminance value for an entire frame time. Moving Picture Response Time (MPRT) is defined as quantifying the motion blur perceived by humans when viewing a moving image displayed on a liquid-crystal panel during smooth-pursuit eye tracking (SPET), i.e., when the eyes are smoothly pursuing a moving object.
Motion blur can be best understood if it is expressed by the width of displayed blur. In order to evaluate the blur of moving pictures, Blurred Edge Width (BEW), defined as the width of a normalized brightness profile varying from 90 to 10% or 10 to 90%, is easy to understand. The BEW increases proportionally with moving speed. Thus, a BEW normalized by moving speed (Normalized-BEW, N-BEW) is a convenient way to index the moving-picture quality of LCD’s, because this does not vary with resolution, size, and viewing distance of the LCD’s, [1]
The unit of frames is converted into seconds by multiplying the value N-BEW by one frame period. The N-BEW with a unit of seconds is called the normalized blurred edge time (N-BET). N-BET [sec] = N-BEW [frame] × 1 frame period
These measurement systems, however, suffer from optical aberration of the camera lens and mechanical errors by using complicated tracking apparatus. In order to avoid these errors, a measurement system based on an algorithm to calculate the blurred image from the captured luminance profile has been developed.
III. Moving Picture Response Curve
II. Moving Picture Response Time
N-BEW [frames] = BEW [pixel]/moving speed [pixel/frame]
Figure 1: Combination of gray-levels of measurement patterns
When a white block moves in a uniform background from left to right, the blur edge can be calculated with the LCD luminance step response curves combined with eye tracking and temporal integration. The perceived picture can be expressed as the following Eq. [4]
Where xpi is the position on the screen and xri is the position on the retina. Tf is the frame time, v a constant moving speed unit of pixels per frame. Y(xpi,t) is the temporal luminance variation of pixel xpi. V(xri) is the perceived luminance at projected retina position xri after integration over one frame. The profile of V(xri) corresponds to the luminance profile of the reproduced blurred image proposed by the smooth pursuit camera method. We define τ as:
[2] [5]
The extended blurred edge time (EBET) is calculated from BET as follows: EBET= BET/(0.9-0.1)
[3]
With this transformation, the luminance profile of the reproduced blurred image can be expressed as a function of
time because the motion speed is expressed in pixels/frame. It can be proven that Eq. 4 can be written as: [6]
Which means that V(τ) can be derived from the LCRC by applying one-frame-time moving-window function. V(τ) corresponds to the Motion Picture Response Curve (MPRC), viz. normalized luminance profile of the reproduced blurred image in the temporal domain.
Where R is the sample rate of the measurement system and N = RTf is the number of acquisition points during one frame time.
V. Measurements Figure 3 shows the results of a measurement session, where the abscissa represents the 42 combination of gradations used in test patterns and the ordinate shows the extended blurred edge time.
IV. Measurement system A measurement system has been developed to perform automatically response time analyses. A principal scheme is shown in figure 2.
Figure 3: MPRT 3D chart
As expected, EBET-values for displays with backlight flashing are the lowest, even though their response times are quite high. Al these measurements confirm that spatial blurred edge profile can be easily drawn from temporal step-response measurements. Figure 2: Schematically view of the system
VI. Conclusions
The temporal luminance response curves are precisely acquired by using a fast photodiode with an amplifier circuit, which has been calibrated adequately. Next a hardware platform is used to perform the following tasks: − − − − −
Generating test patterns; Filtering and amplifying the perceived signal; Converting the analog signal to digital samples; Capturing the digital samples in local RAM-memory; Sending the samples to a PC using a TCP/IP connection.
The hardware platform is based on the Virtex-II Pro FPGA, which includes two PowerPC µ-processors, running an embedded Linux operating system with an array of crossdevelopment tools. The hardware-software partitioning was performed in such way that software was used for features and flexibility, while hardware was used for performance.
It is shown that motion blur can be calculated accurately with a model based on human-visual properties of smooth pursuit eye tracking and temporal integration. This simulation model has been validated by a measurement system. The system allows predicting the performance of various types of liquid crystal displays, even with impulsetype backlights. Compared to the pursuit-camera system, the developed measurement system is more reliable and simple to operate without disturbance. ACKNOWLEDGEMENTS
This project has been performed in cooperation with Barco Kortrijk, Belgium. The authors would like to thank H. De Smet for the opportunity to do this research, as well as T. Bert, G. Vanhecke, J. Declerck and K. Van de Sompele for helping to achieve these results. REFERENCES
At last, a software tool was developed. This graphical user interface allows people to interact with the measurement system over a network connection. After receiving the measured discrete data, the MPRC can be easily obtained by applying one-frame point averaging. Eq. 6 can be transformed into discrete data:
[1] Wen Song, Xiaohua Li, Yuning Zhang, Yike Qi, Xiaowei Yang, “Motion-Blur characterization on liquid-crystal displays”, SID Symposium Digest 16/05, 2008.
[7]
[2] Jun Someya, Hiroaki Sugiura, “Evaluation of liquidcrystal-display motion blur with moving-picture response time and human perception”, SID Symposium Digest 15/01, 2007.
Inhoudstafel I
Inleiding............................................................................................................................1 1
Situering en doelstelling ......................................................................................1
2
Overzicht van de hoofdstukken ...........................................................................2
II
Display technologie ..........................................................................................................4 1
LCD technologie..................................................................................................4
1.1
Vloeibare kristallen..............................................................................................4
1.2
Vloeibare kristallen bij displays ..........................................................................5
1.3
Werking LCD ......................................................................................................6
1.4
Actief versus pasief .............................................................................................7
1.5
Kleuren bij LCD ..................................................................................................8
2
Videosignalen ......................................................................................................8
2.1
Verticale en horizontale onderdrukking ..............................................................8
2.2
Synchronisatiesignalen ........................................................................................9
2.3
Synchronisatie kleurdraaggolf...........................................................................10
3
Interlaced vs. progressive scanning ...................................................................11
4
Gamma...............................................................................................................12
5
LCD een vooruitgang?.......................................................................................13
5.1
LCD versus CRT ...............................................................................................13
5.2
LCD versus Plasma ...........................................................................................14
6
Besluit................................................................................................................17
III Motion blur ....................................................................................................................18 1
Inleiding.............................................................................................................18
2
Motion Blur in Liquid Crystal Displays ............................................................19
2.1
Response time bij LCD......................................................................................20
2.2
Sample and hold effect ......................................................................................21
3
Kwantificeren van motion blur..........................................................................22
3.1
Moving Picture Response Time ........................................................................22
3.2
Opmeten van de responscurve...........................................................................23
3.3
Blurred Edge Time ............................................................................................25
3.4
Eye-tracking integration ....................................................................................26
4
Motion blur reduceren .......................................................................................29
4.1
Data insertion.....................................................................................................29
4.2
Scanning Backlight............................................................................................32
5
Besluit................................................................................................................35
IV MPRT meetsysteem.......................................................................................................36 1
Inleiding.............................................................................................................36
2
Schematische voorstelling .................................................................................38
3
Het optisch meetsysteem ...................................................................................39
3.1
Stralende oppervlakken .....................................................................................39
3.2
De fotodiode ......................................................................................................43
3.2.1
Sigaal ruisverhouding ........................................................................................44
3.2.2
De responstijd ....................................................................................................46
3.2.3
Besluit................................................................................................................47
4
Centrale verwerkingseenheid ............................................................................48
4.1
Realisatie van de meetopstelling .......................................................................50
4.1.1
Schematische hardwareflow ..............................................................................50
4.1.2
Analoge signaal conditionering .........................................................................50
4.1.3
Analoog naar digital conversie ..........................................................................52
4.1.4
Digital down sampling.......................................................................................52
4.1.5
Video generatie..................................................................................................53
4.1.6
De geheugeninterface ........................................................................................53
4.1.7
Embedded Linux met C++ applicatie................................................................54
4.1.7.1
Opzetten van TCP/IP verbinding.......................................................................57
4.1.7.2
Verdeling grijsniveau ........................................................................................59
4.1.7.3
Lezen van datasamples uit het BlockRAM geheugen .......................................59
4.1.7.4
Automatische gain adaptatie..............................................................................60
4.1.7.5
Synchronisatie tussen verschillende onderdelen van het datapad .....................60
5
Grafische user interface .....................................................................................61
5.1
Opzetten van TCP/IP verbinding.......................................................................62
5.2
Weergeven responscurve en berekenen responstijd ..........................................63
5.3
Motion Picture Response Curve met Blurred Edge Time .................................64
5.4
MPRT met 3D weergave ...................................................................................65
5.5
Rapport van de meetresultaten ..........................................................................66
6 V
Besluit................................................................................................................68
Meetresultaten ...............................................................................................................69 1
Inleiding.............................................................................................................69
2
Het high-bright display......................................................................................71
3
Het Medical-3MP display..................................................................................75
4
De Barco LCD-projector ...................................................................................81
5
Een Tweede LCD-projector...............................................................................86
6
Het Sony OLED-display....................................................................................90
7
Het Avionics diplay ...........................................................................................95
8
Het SMD-RDM248 display.............................................................................100
9
Het broadcast display.......................................................................................105
10
Een commercieel Dell display.........................................................................109
VI Conclusie.......................................................................................................................115
Bijlage A ...............................................................................................................................116 Bijlage B................................................................................................................................118
Lijst met afkortingen ADC
Analoog-Digitaal-Converter
BIOS
Basic input/output System
CCFL
Cold Cathode Fluorescent Lamp
CIE
Commission Internationale de l'Eclairage
CRT
Cathode Ray Tube
DFC
Dynamic False Contour
DVI
Digital Visual Interface)
EBET
Extended Blurred Edge Time
GUI
Graphical User Interface
IC
Integrated Circuit
IP
Internet Protocol
LCD
Liquid Crystal Display
LCRT
Liquid Crystal Response Time
MEMC
Motion Estimation and Motion Compensation
MMU
Memory Management unit
MPRC
Motion Picture Response Curve
MPRT
Motion Picture Response Time
N-BET
Normalized Blurred Edge Time
N-BEW
Normalized Blurred Edge Width
NFS
Network File System
OCM
On Chip Memory
PDP
Plasma Display Panel
PPC
PowerPC
RGBHV
Red Green Blue Horizontal Vertical
S&H
Sample and Hold
SPET
Smooth-pursuit eye tracking
TCP
Transmission Control Protocol
TFT
Thin Film Transistor
UDP
User Datagram Protocol
VGA
Video Graphics Array
I. 1
Inleiding Situering en doelstelling
Bewegingsonscherpte is een belangrijk probleem in LCD-schermen. Als gevolg van de trage reactietijd van de vloeibare kristallen enerzijds en het "sample-en-hold" karakter van een TFT-beeldscherm anderzijds, worden randen van bewegende objecten niet perfect scherp weergegeven. Ook het menselijk visueel systeem draagt bij tot het verschijnsel, doordat het oog weliswaar zeer goed een bewegend object kan volgen, maar niet perfect. Barco werkt hard om het motion blur probleem te doorgronden, te kwantificeren en zoveel mogelijk op te lossen.
Op dit ogenblik bestaat er geen standaard meetinstrument om te meten hoe "wazig" de rand van een bewegend object op het scherm precies is. Het doel van deze scriptie is dan ook om een dergelijke meetopstelling te realiseren.
Na een studie van de technologische en fysische achtergrond, zal met behulp van hardware, software en vooral veel creativiteit een volledige meetopstelling worden opgebouwd. Deze opstelling moet voldoende snel, betrouwbaar en flexibel zijn om te kunnen worden ingeschakeld in een echte productieomgeving. Zij zal gebouwd worden rond een centrale PC en zal zowel meetinstrumenten, als een interface naar het beeldscherm en een hardware tool bevatten.
Concreet doel: bouw een volledige, onafhankelijk werkende automatische opstelling die: − een reeks beelden naar het beeldscherm kan sturen; − de reactie van het beeldscherm kan opmeten; − de meetresultaten kan inlezen en opslaan; − de interessante karakteristieken kan afleiden uit deze metingen. Het boeiende aan dit project is dat ieder aspect van de elektronicawereld aan bod komt. Zowel in software: berekeningen, aansturen meetapparatuur, extraheren resultaten, programmeren in C/C++, ethernet, TCP/IP, serieel, ... als in hardware: aansturen beeldscherm, data-acquisitie (FPGA),… 1
2
Overzicht van de hoofdstukken
In het eerste hoofdstuk wordt aandacht besteed aan enkele belangrijke technologieën, begrippen en principes. Dit zal de geïnteresseerde lezer helpen om het vervolg van dit document beter te begrijpen. De aandacht wordt vooral toegespitst op LCD-technologie, waarbij er kort beschreven wordt waar de technologie vandaan komt en hoe deze technologie bijdrage levert tot het ontwikkelen van displays. Vervolgens wordt de kritische vraag gesteld of deze technologie wel degelijk een vooruitgang betekent ten opzichte van andere technologieën. Hierbij worden de voor- en nadelen van iedere technologie gewikt en gewogen.
In het tweede hoofdstuk wordt het probleem Motion Blur in LCD schermen theoretisch benaderd. Er wordt op zoek gegaan naar de oorzaak van motion blur en er wordt een manier gezocht om dit verschijnsel te kwantificeren. Tenslotte worden enkele oplossingen aangeboden om motion blur te reduceren.
Het derde hoofdstuk handelt over het ontwikkelde meetsysteem. Vanuit de doelstelling werd een schematische voorstelling van het meetsysteem opgemaakt:
Figuur 1: Schematisch voorstelling meetsysteem
Dit schema werd gebruikt als basis voor het ontwikkelen van het systeem, waarbij de verschillende onderdelen nauwkeurig beschreven worden. Het meetsysteem werd opgebouwd rond een centraal hardwarebord. Dit bord, het hart van het meetsysteem, coördineert de volledige meting. Via een fotodiode wordt de luminantie van het LCD-display gemeten. Vervolgens wordt het signaal, afkomstig van de fotodiode, verwerkt door het hardwarebord.
2
Tenslotte werd een grafische user interface ontwikkeld die de datasamples omzet tot bruikbare meetresultaten.
In het laatste hoofdstuk wordt het meetsysteem aan verschillende testen onderworpen. De meest exotische LCD-displays werden getest en gequoteerd. Deze testen waren uitermate belangrijk om de robuustheid van het meetsysteem te onderzoeken. De resultaten werden dan ook gebruikt om het systeem verder af te regelen. Ook voor Barco waren deze meetresultaten belangrijk, daar men in Barco erg veel aandacht aan het probleem van motion blur besteedt.
De bijlage van dit document bevat nog een uitgebreide gebruiksaanwijzing van de ontwikkelde software. We zijn er ons van bewust dat vele zaken die voor de ontwikkelaars evident lijken, voor de uiteindelijke gebruiker soms verwarrend kunnen zijn. Vandaar dit document dat ten allen tijde als naslagwerk kan worden gebruikt.
Veel leesplezier,
Thomas Deplaecie en Simon Vandermersch
3
II. Display technologie Om het verdere verloop van deze thesis beter te begrijpen, wordt in dit hoofdstuk aandacht besteed aan enkele belangrijke technologieën, begrippen en principes. Deze begrippen zullen doorheen de volledige thesis gebruikt worden.
Centraal in deze thesis staat het LCD-display. LCD staat voor “Liquid Crystal Display” en is vandaag de dag een veelgebruikte technologie voor schermen. Via deze technologie is men in staat om schermen dunner en lichter te maken, maar ook om het vermogenverbruik drastisch te verminderen; dit alles in vergelijking met CRT (Cathode Ray Tube), de dominante beeldschermtechnologie t.e.m. de opkomst van de LCD de laatste jaren.
1.
LCD Technologie
1.1
Vloeibare kristallen
Een materiaal kan drie mogelijke toestanden aannemen: vast, vloeibaar en gasvormig. Bij een vaste stof behouden de moleculen altijd hun oriëntatie en blijven ze steeds in dezelfde positie ten opzichte van elkaar. Bij vloeistoffen gedragen de moleculen zich tegenovergesteld. Ze kunnen vrij in de vloeistof bewegen en hun oriëntatie aanpassen. Er bestaan echter substanties die een toestand kunnen aannemen die noch vast noch vloeibaar is. De moleculen hebben de neiging hun oriëntatie te behouden, zoals bij vaste-stof moleculen, ze bewegen echter vrij in de stof, zoals vloeibare moleculen. Vloeibare kristallen sluiten dichter aan bij een vloeistof dan bij een vaste stof. Hun eigenschappen (mechanisch, optisch) zijn zeer anisotroop en ze zijn opgebouwd uit staafvormige moleculen.
4
1.2
Vloeibare kristallen bij displays
Vloeibare kristallen zijn zeer geschikt voor displays omwille van twee redenen: − Vloeibare kristal-materialen zijn dubbelbrekend, de director bepaalt de richting van de optische as; − De richting van de director van een vloeibaar-kristal materiaal is d.m.v. een extern elektrisch veld instelbaar.
Een vloeibare kristalcel wordt zo gebouwd dat de director, zonder aangelegde elektrische spanning, getwist is. Dit heet een Twisted Nematic Cel1. Door een elektrische spanning aan te leggen, gaan de moleculen anders staan en verdwijnt de twist. Bij de meeste vloeibare kristalmaterialen, draait de director naar de elektrische veldvector toe. De snelheid waarmee de director zich kan verdraaien, bepaalt in grote mate de snelheid van het LCD-panel.
Figuur 2: LC-cel met getwiste director
1
Andere soorten vloeibare kristalcellen worden hier niet besproken.
5
1.3
Werking LCD
Een LC-cel wordt omhuld door twee polariserende films, waarvan de polarisatie loodrecht is ten opzichte van elkaar. Wanneer het licht door de eerste polariserende laag propageert, wordt het gepolariseerd. De moleculen in iedere laag van het vloeibare kristal geleiden het licht naar de volgende gepolariseerde laag. Terwijl het licht propageert door het vloeibare kristal, zorgen de moleculen –van een witte pixel– ervoor dat de polarisatie van het licht mee verandert met de polarisatie van de kristallen, om uiteindelijk dezelfde polarisatie te krijgen als de tweede polariserende film, zodat het licht niet wordt tegengehouden.
Figuur 2: LC-cel uitgeschakeld
Figuur 3: LC-cel aangeschakeld
Wanneer een elektrisch veld aan een vloeibaar kristal wordt aangelegd, gaan de moleculen zich uitlijnen. Hierdoor wordt de polarisatie van het licht niet meer aangepast aan de polarisatie van het tweede plaatje, zodat deze het licht tegenhoudt.
Het dient opgemerkt te worden dat deze LC-cellen een externe lichtbron vereisen. Vloeibare kristalmaterialen stralen geen licht uit zichzelf uit. We onderscheiden twee soorten displays: reflectieve displays en displays met een backlight. Reflectieve displays maken gebruik van de lichtreflectie van een externe lichtbron om een object weer te geven. Het zijn vaak kleine, goedkope LCD’s. Computerschermen en TV’s zijn backlight displays en hebben een ingebouwde lichtbron aan de zijkant of achterkant van het scherm.
6
1.4
Actief versus passief
Passive-matrix beeldschermen, gebruiken een raster van voedingslijnen om een pixel van zijn lading te voorzien. Dit raster wordt op de glassubstraten aangebracht, het ene substraat bevat de kolommen, het andere de rijen. Tussen deze glassubstraten zit het vloeibaar kristal. In een passive-matrix beeldscherm wordt elke pixelrij en elke pixelkolom afzonderlijk aangestuurd. Afhankelijk van het type LCD wordt een pixel ingeschakeld/uitgeschakeld op het moment dat op
zowel
de
rij-
als
de
kolomlijn
spanning
wordt
gezet
en
wordt
weer
uitgeschakeld/ingeschakeld wanneer de spanning over de pixel onder de drempelwaarde valt. Op die manier worden pixels gedurende 1 lijntijd geadresseerd. Dit noemen we timemultiplexing. De spanning op de besturingslijnen kan leiden tot overspraak tussen nietgeselecteerde pixels. Overspraak vermindert het contrast van het beeldscherm.
Bij active-matrix schermen, of TFT-scherm (Thin-Film Transistor), wordt de LC-matrix niet aangestuurd met behulp van de multiplextechniek. In plaats hiervan heeft elke pixel een eigen transistor en condensator. In feite is het beeldscherm één grote geïntegreerde schakeling (IC), waarbij de transistors fungeren als aan-/uitschakelaars voor de afzonderlijke pixels. Dankzij de transistors kunnen de pixels zeer snel worden in- en uitgeschakeld. De condensator houdt voor iedere pixel de lading bij tot de volgende beeldcyclus. Doordat elke pixel een eigen transistor heeft, komt overspraak (dat bij passive matrix beeldschermen voor een lager contrast zorgt) bij active-matrix beeldschermen niet voor.
Figuur 4: Structuur van een active-matrix LCD
7
1.5
Kleuren bij LCD
Om een kleurendisplay te maken moet elke pixel in drie subpixels worden gesplitst, en daarbij moet in de cel een kleurenfilter worden geplaatst dat elk van de drie subpixels rood, groen of blauw kleurt.
Figuur 5: Pixel structuur bij kleuren LCD
Door een zorgvuldige controle en variatie van de voedingsspanning kan elke subpixel verschillende tinten verkrijgen. Combineren van subpixels levert bv. in een 8 bit scherm een kleurenpallet van 16,8 miljoen kleuren op.
2.
Videosignalen
Televisie en video bestaan al veel langer dan LCD-displays. Veel technologieën zijn weliswaar dezelfde gebleven. Met het oog op het ontwikkelen van een volledig gesynchroniseerd meetsysteem is een goede kennis van videosignalen dan ook een must. Vandaar dit kort overzicht.
2.1
Verticale en horizontal onderdrukking
Een beeld wordt lijn per lijn opgebouwd, dit geschiedt in dezelfde volgorde als bij het lezen van een pagina tekst, dus van boven naar beneden en van links naar rechts. Bij CRT-
8
schermen, waar het beeld opgebouwd wordt met behulp van een elektronenstraal, neemt deze verticale en horizontale terugslag een bepaalde tijd in beslag. Gedurende deze terugslag mag het scherm niet oplichten en moet de elektronenstraal onderdrukt (of “geblankt”) worden. Men spreekt over horizontale onderdrukking (of “lijnblanking”) en verticale onderdrukking of (rasterblanking). Deze blanking neemt typisch 25% van de tijd in beslag.
Figuur 6: Blanking
2.2
Synchronisatiesignalen
Een display moet in staat zijn om uit een videosignaal een volledig beeld op te bouwen. Dit signaal moet naast de helderheid en de kleur ook de tijdstippen van horizontale en verticale afbuiging bevatten. Het beeldsignaal en het tijdsignaal worden samengesteld tot één enkel signaal: het videosignaal.
In een analoog zwart-wit videosignaal is het spanningsniveau onder de 0,3 Volt voorzien voor signalen om de beeldontvanger met de beeldgenerator te synchroniseren. In het spanningsbereik worden de pulsen geplaatst die in de ontvanger de verticale of horizontale terugslag voorzien. De helderheidinformatie of luminantie bevindt zich tussen 0,3Volt en 1Volt van het videosignaal.
9
Figuur 7: videosignaal met lijnsynchronisatie
Het is duidelijk dat de lijnsynchronisatie wordt uitgezonden gedurende de lijnblanking en dat de rastersynchronisatie wordt uitgezonden gedurende de rasterblanking. Figuur 7 illustreert de plaatsing van een lijnsynchronisatiepuls gedurende de horizontale onderdrukking van het beeldsignaal.
2.3
Synchronisatie kleurdraaggolf
Bij invoering van kleurentelevisie was het noodzakelijk om de compatibiliteit tussen het kleursignaal en het bestaande zwart-wit signaal te behouden. Binnen één transmissiekanaal moet zowel de helderheid als de kleureninformatie worden uitgezonden. De kleureninformatie wordt op een hulpdraaggolf mee gestuurd met de helderheid binnen de bandbreedte van het kanaal voor het zwart-wit signaal.
Om een kleur goed weer te geven zijn er drie parameters nodig: helderheid, verzadiging en kleurtint. De amplitude van het kleursignaal geeft de kleurverzadiging aan en de fase de kleurtint.
10
3.
Interlaced vs. progressive scanning
In de begintijden van de televisie was de elektronica niet snel genoeg om 50 maal per seconde een volledig beeld te verwerken. Via Interlaced Scanning is men in staat de hoeveelheid beeldinformatie te halveren. Hierbij wordt het videobeeld opgedeeld in twee stukken. De ene helft bestaat uit alle even lijnen (even scanlines), de andere helft bestaat uit alle oneven lijnen (odd scanlines). Er wordt dus twee maal na elkaar hetzelfde beeld weergegeven.
Figuur 8: Beeldrefresch bij interliniering
De reden waarom men 2 maal hetzelfde beeld toont i.p.v. de refreshrate te halveren is dat het menselijk oog gevoelig is voor de lichtfluctuaties. 25 verschillende beelden per seconde zullen voor het oog voldoende zijn om als vloeiend beschouwd te worden, maar 25 belichtingen per seconde zullen door het oog opgemerkt worden als storende lichtfluctuaties. Vandaar interliniering.
Figuur 9: Beeldrefresh bij progressive scanning
Men spreekt van Progressive Scanning wanneer het volledige beeld in één keer opgebouwd wordt. Dit heeft als nadeel dat een grote bandbreedte vereist is. Er is dubbel zoveel beeldinformatie nodig als bij de interlaced mode. Progressive scanning wordt vooral gebruikt bij computers waar veelal met een hoge verversingssnelheid gewerkt wordt (100 Hz of meer). Het beeld is dan rustiger en minder vermoeiend om naar te kijken.
11
4.
Gamma
De gammawaarde is een numerieke waarde die het verband tussen de helderheid van een display device en zijn ingangsspanning aanduidt.
Figuur 10: gamma met gamma correctie
Gammacorrectie resulteert uit het gebruik van camera’s met vacuüm buissensors. De outputspanning van een buiscamera is niet lineair met het invallend licht. Het is exponentieel en de exponent noemt men gamma. Dit kan wiskundig als volgt uitgedrukt worden : B = C x Vγ
Hierbij is B de lichtflux, in lumens/m² , C is een constante en V is de gegenereerde spanning. Daar een CRT ook een vacuümbuis is met een inverse non-lineariteit (1/γ) gelijkaardig aan die van de camerabuis, is de uiteindelijke lichtoutput lineair tegenover de ingangsspanning.
12
5.
LCD een vooruitgang?
LCD technologie wordt tegenwoordig voor tal van toepassingen gebruikt. Het is zo populair dat het de oudere cathode ray tube2 (CRT) technologie bijna volledig van de markt verdrukt heeft. Maar is deze technologie werkelijk zo een vooruitgang als vele mensen denken? Met het onderwerp van deze thesis in gedachten zijn de verschillen op het gebied van snelheid, tijd en beeldonscherpte de meest interessante.
5.1
LCD versus CRT
De responstijd van een display is een eerste heel belangrijk criterium. Het is zo dat de responstijd een grote bijdrage levert aan de bewegingsonscherpte van displays. Zoals eerder vermeld wordt de responstijd van een LCD-panel bepaald door de snelheid waarmee de vloeibare kristallen van toestand kunnen veranderen. De eerste LCD-schermen op de markt hadden een heel trage responstijd, in de daarop volgende generaties werd de snelheid van LCD’s ingrijpend verbeterd. In tegenstelling tot LCD heeft CRT een quasi oneindig snelle responstijd. Fosforescerende deeltjes aan de binnenkant van het scherm worden beschoten met een elektronenstraal. En eens zo’n een deeltje wordt geraakt, licht het op. De reactiesnelheid van een dergelijk deeltje is veel sneller dan dat van een vloeibaar kristal.
Een tweede belangrijk verschil tussen CRT en LCD is het zogenaamde flicker verschijnsel. Flicker kan omschreven worden als een zichtbare modulatie tussen twee opeenvolgende frames. Flicker komt voor wanneer een CRT-monitor aangestuurd wordt met een zeer lage refresh rate, waardoor de fosforescerende deeltjes de kans krijgen om hun excitatie te verliezen tussen twee beschietingen van de elektronenstraal door. De nalichttijd van de meeste CRT-schermen ligt tussen 3ms en 10ms en hangt onder meer af van het kleur van de fosforescerende deeltjes. Bij een refresh rate van 60Hz of lager wordt het flickering effect zeer goed waargenomen, hogere refresh rates hebben minder last van dit verschijnsel; dit heeft te maken met de gevoeligheid van het menselijk oog dat hoogfrequente flicker (>~60Hz) bijna niet ziet in vergelijking met lager frequente flicker (<~60Hz). 2
Voor de werking van de CRT technologie wordt de geïnteresseerde lezer verwezen naar de literatuur.
13
Bij actieve matrix LCD-schermen, waar iedere pixel een condensator bevat die de toestand van de pixel bijhoudt, heeft men geen last van flickering. Zelfs bij een erg lage refresh rate wordt de toestand van de pixel behouden tot een nieuw frame opgebouwd wordt. De enige modulatie is dus afkomstig van de content, verder blijft de pixel-inhoud constant over de tijd. Er kan echter wel flickering voorkomen dat geproduceerd wordt door het backlight, maar meestal wordt deze aan veel hogere frequenties aangestuurd.
Omdat de LCD- en CRT-technologieën op vele andere domeinen van elkaar verschillen wordt in onderstaande tabel een kort overzicht van de belangrijkste verschillen weergegeven.
Consideration Visual performance Motion artefacts Image flicker Image brightness Image geometry Image sharpness Screen viewing area Screen size Specular screen glare Energy consumption Electromagnetic emissions Heat emissions Space efficiency Flexible positioning Weight Color range Cost
LCD Slower than CRT (~framerate) Yes None Bright, uniform Uniform High Full area, very space efficient Smaller screen for equivalent CRT viewing area None Low No Minimal High Highly Light Very Good Moderate
CRT Faster than LCD (<< framerate) No Prone to flicker Variable, uneven Distorted Moderate to high Partial area, space inefficient. Larger screen for equivalent LCD viewing area Prone to specular glare High Yes High Low Moderate Heavy Excellent Low
Tabel 1: LCD versus CRT
5.2
LCD versus Plasma
De CRT-technologie is een oude technologie die zijn diensten al bewezen heeft, waardoor een vergelijking van beide technologieën niet echt opgaat. Het is interessanter om LCD te vergelijken met een technologie die met gelijke wapens strijdt. Vandaag de dag is er echter
14
maar één echte technologie die op het gebied van displays dezelfde doelen nastreeft als LCD, namelijk het Plasma Display Panel (PDP)3.
In tegenstelling tot LCD, waar de pixels zelf geen licht uitstralen, heeft een plasma display geen extra backlight nodig. Plasma maakt gebruik van een geïoniseerd gas, een zogenaamd plasma, dat UV fotonen uitzendt wanneer er een elektrisch veld over staat. Deze UV fotonen exciteren de fosfor oppervlaktelaag aan de binnenkant van het scherm, zodat deze licht uitstraalt. De reactiesnelheid van PDP ligt in de orde van nanoseconden en is beduidend lager dan deze van LCD. Bijgevolg is de response tijd geen oorzaak van bewegingsonscherpte bij plasma displays.
Maar ook plasma is niet vrij van beeldonscherpte. Dynamic false contour (DFC) is het bekendste probleem inzake beeldkwaliteit van bewegende beelden bij plasma-displays. In figuur 11 wordt het effect van DFC weergegeven. Het beeld op de foto werd genomen via een camera die het bewegende beeld volgde. Het is duidelijk te zien hoe de randen van de figuur onscherp worden.
Figuur 11: Dynamic false contour bij plasma-display
De oorzaak van DFC wordt gevonden bij de manier waarop plasmadisplays kleuren adresseren. Iedere pixel is opgebouwd uit drie individuele cellen in de drie primaire kleuren. Om 16,7 miljoen kleuren te realiseren moet men dus in staat zijn om de lichtemissie intensiteit van iedere cel te moduleren in 256 verschillende niveaus. Deze verschillende 3
Voor de werking van de Plasma technologie wordt de geïnteresseerde lezer verwezen naar de literatuur.
15
niveaus worden verkregen door een binaire codering van het aantal stroompulsen in een plasmacel gedurende een beeldframe.
Hoe dit precies in zijn werk gaat wordt weergegeven in figuur 12. Een frameperiode wordt opgedeeld in acht deelvelden, die elk een adresseerperiode (met resetstap en adresstap) en een werkperiode bevatten. Een grijsniveau wordt binair gecodeerd via 8 bits, de duur van de werkperiode is evenredig met de binaire code van het grijsniveau. De 256 mogelijke niveaus worden verkregen door de cel “aan” te zetten voor iedere combinatie van de 8 deelvelden.
Figuur 12: Constructie van grijswaarden
Het nadeel van deze binaire codering is dat de temporele niet-uniformiteit van de lichtemissie wordt getransformeerd in een ruimtelijke niet-uniformiteit van het lichtemissiepatroon op de retina van het oog. Op deze manier ontstaat er een beeldonscherpte, die sterk kan waargenomen worden bij bewegende beelden weergegeven op kleuren plasmadisplays. Consideration Beelddiagonaal Resolutie Contrast Helderheid Levensduur Inbranden Response tijd Stroomverbruik Bewegingsonscherpte gewicht
Plasma >42” +(1:5000) -(30.000 uur) + -(3x vs. CRT) Ja Tabel 2: LCD versus Plasma
16
LCD <100” + -(1:1000) + + + +(1.5x vs. CRT) Ja +
6.
Besluit
In dit hoofdstuk werd aandacht besteed aan LCD-technologie. Er werd beschreven hoe men van vloeibare kristallen tot een volledige LCD-scherm komt. Het verschil tussen actieve en passieve LCD-schermen en het gebruik van kleuren kwamen aan bod. Vervolgens werd de kritische vraag gesteld of deze technologie wel degelijk een vooruitgang is ten opzichte van andere technologieën. CRT-schermen zijn weliswaar log en zwaar maar hebben een uitstekende reputatie qua bewegingsonscherpte. Een belangrijk nadeel bij CRT is het flicker verschijnsel, dat vooral voorkomt bij een lage beeldverversingssnelheid. Ook het verschil met plasma displays op het gebied van bewegingsonscherpte werd bestudeerd. Daaruit konden we concluderen dat plasma last kan hebben van dynamic false contour.
17
III. Motion Blur 1.
Inleiding
Veel mensen hebben ongetwijfeld al van motion blur gehoord, maar niet iedereen kan er zich iets bij voorstellen. In de literatuur worden er verschillende definities gegeven, naargelang het vakgebied waarin men zich bevindt:
− “Bewegingsonscherpte” is het verschijnsel dat in objecten op een foto of op een video- of filmbeeld onscherp zijn als gevolg van beweging van het object en/of de camera. Dit wordt veroorzaakt doordat tijdens de beweging het object ook in de projectie in de camera beweegt en dus het fotografische vlak op meerdere plaatsen door hetzelfde object belicht wordt. Bewegingsonscherpte treedt meestal op doordat er een te lange sluitertijd is gekozen.
− “Motion Blur” is the phenomenon that shows smearing or trails when a cursor is moved quickly across the display screen. It is the product of black-white and inter-grey level response times, along with other display physical characteristics which affect an image in motion.
− “Motion Blur” is an important cue for realistic rendering of our world, and it becomes ever more significant as computer-generated imagery approaches the detailed look of cinematic art. Motion blur is very common in photography and motion pictures can be used in different ways for specific artistic choices. Some artists use motion blur deliberately to delineate dynamic motion in photographs. Human beings perceive motion blur as natural, and thus it is expected for convincing computer-generated simulation.
− “Motion Blur” in games is the effect that the front of your moving subject will retain fairly strong focus as gradually, the back of the subject will blur, but as it blurs, a long, streaking trail will also appear behind the subject, seemingly extending it profoundly. This really creates the sensation of movement and speed like no other technique can.
18
2.
Motion Blur in Liquid Crystal Displays
Bewegingsonscherpte is een veelvoorkomende term in allerlei vakgebieden. De titel van deze thesis laat echter vermoeden dat we geïnteresseerd zijn in de bewegingsonscherpte bij LCDschermen.
Figuur 14: Invloed van bewegingsonscherpte bij LCD
Bewegingsonscherpte bij LCD-schermen heeft twee oorzaken: enerzijds zorgt de trage responstijd van de vloeibare kristallen ervoor dat opeenvolgende frames langzaam in elkaar overvloeien. Anderzijds treedt bewegingsonscherpte op bij hold type displays en wordt veroorzaakt door een mismatch tussen de volgbeweging van het menselijk oog en de beweging van het weergegeven beeld.
19
2.1
Response Time bij LCD
De responstijd van een pixel is de tijd die een pixel nodig heeft om van toestand te veranderen. Wanneer men spreekt over de rise en fall responstijd, dan bedoelt men de tijd die een pixel nodig heeft om van zwart naar wit en terug van wit naar zwart over te gaan. Meer specifiek, de snelheid van een pixel om van 10 % “aan” naar 90 % “aan” en terug van 10 % “af” naar 90 % “af” te gaan. De responstijd hangt af van verschillende factoren zoals de dikte van de LC-laag, de viscositeit, de temperatuur en de richting van de verandering.
De optische respons van een vloeibaar kristal kan als volgt uitgedrukt worden: de intensiteit van het licht I(t) propagerend door een vloeibaar kristal-cel wordt bepaald door de fase die op zijn beurt afhangt van de distributie van de director
,
doorheen de bulk van het
kristal. We verkrijgen:
[cd]
[1]
[rad/m]
[2]
Met
En [3]
Waarbij
en λ de intensiteit en de golflengte van het invallende licht voorstellen, d de dikte
en ne en no stellen de reflectiecoëfficiënten van het vloeibaar kristal voor.
20
2.2
Sample and hold effect
LCD-schermen zijn in tegenstelling tot CRT-schermen hold-type schermen. Dit betekent dat gedurende de volledige frameduur hetzelfde beeld op het scherm getoond wordt. Dit resulteert in een stabieler beeld en sluit flickering uit. Wanneer een bewegend beeld echter constant blijft gedurende de volledige frametijd, zal dit beeld uitsmeren op de retina van het oog. Het oog volgt de gemiddelde beweging van een object van frame tot frame. Dit resulteert point spreading en een verlies aan scherpte voor snel bewegende beelden. Deze onscherpte gebeurt dus niet op het LCD-scherm, maar in het menselijk oog, het is dus een fysiologische fenomeen. Dit betekent, dat wanneer een LCDscherm een oneindig kleine responstijd zou hebben, bewegingsonscherpte nog steeds zal optreden door de beperking van het menselijk oog.
Figuur 15: Sequentiële weergave een beeld op een hold-type display in functie van het menselijk zicht
21
3.
Kwantificeren van Motion Blur
Motion blur kan het best begrepen worden als de breedte van de waargenomen onscherpte. Dit is echter geen goede interpretatie. De waargenomen breedte varieert met de snelheid van het bewegende object en de frametijd van het LCD-scherm. De eenheid pixel/frame, die gebruikt wordt om de snelheid van de beweging van een testpatroon uit te drukken, varieert met de resolutie van het display. Verder is de adequate kijkafstand afhankelijk van de grootte van het scherm. Wanneer men dus bewegingsonscherpte kwantificeert op basis van de waargenomen breedte van de onscherpte, kan men deze resultaten, die gemeten zijn onder andere omstandigheden, niet eenduidig vergelijken.
Daarom werd in 2001 de Moving-Picture Response Time (MPRT) gedefinieerd. MPRT indiceert de kwantiteit van de bewegingsonscherpte die verkregen wordt wanneer een menselijk individu met een vloeiende oogbeweging een bewegend beeld op een LCD-scherm bekijkt. MPRT maakt gebruikt van een tijdsaanduiding als eenheid van de meetresultaten. Op deze manier is het mogelijk om meetresultaten te vergelijken onafhankelijk van de omstandigheden waarin de metingen werden gedaan. Wanneer ook de snelheid en andere condities toegevoegd worden aan de numerieke tijdswaarde, kan men de onscherptebreedte van het scherm bepalen.
1.1
Moving Picture Response Time
Bij een MPRT-meting moet enerzijds rekening gehouden worden met de responstijd van het LCD-scherm en anderzijds met de integrerende werking van het oog. Het eerste kan men gemakkelijk bewerkstelligen door de responscurve op te meten via een fotodiode. Voor de tweede vereiste worden in de literatuur verschillende oplossingen aangeboden. Een van deze oplossingen bestaat erin om via een CCD-camera het bewegend beeld te volgen en zo de beweging van het oog te simuleren. Deze methode is echter niet ideaal voor een volautomatische meetopstelling, daar de camera voor extra synchronisatieproblemen zorgt. De camera komt ook de kostprijs en mobiliteit van de meetopstelling niet ten goede. Bij een andere oplossing wordt de integrerende werking van het oog wiskundig benaderd. Deze werkwijze biedt een elegante oplossing zonder extra kost of mobiliteitverlies.
22
1.2
Opmeten van de responscurve
De responstijd van een pixel is afhankelijk van de begin- en eindtoestand van de pixel tijdens de meting. Een overgang tussen dicht bij elkaar liggende grijswaarden duurt langer dan een overgang tussen zwart en wit. Ook de volgorde is van belang. Een overgang van zwart naar wit kan langer duren dan een overgang van wit naar zwart. Men moet dus meerdere metingen doen, vooraleer men de volledige responstijd van een display kan karakteriseren.
Een MPRT-meting maakt gebruik van 42 testpatronen om verschillende combinaties van zeven grijsniveaus Y0 tot Y6 weer te geven.
Figuur 16: Combinaties van grijswaarde testpatronen
De verdeling van de grijswaarden gebeurt volgens de CIE 1976 L*a*b* kleurruimte, dit is de huidige gestandaardiseerde kleurruimte om kleuren te definiëren. In deze kleurruimte staat L* voor helderheid en a* en b* voor kleurkwaliteits- of chromaciteitscoördinaten. De door het CIE gebruikte tristimuluswaarden zijn gebaseerd op de primaire kleuren: X = rood, Y = groen en Z = blauw. De waarden worden als volgt berekend4:
[4] De chromaciteitscoördinaten: [5]
4
Deze formules zijn enkel geldig als X/Xn, Y/Yn, Z/Zn > 0,008856. 23
[6]
Waarbij Xn, Yn, Zn, de tristimulus waarden voor wit voorstellen.
Figuur 17: Helderheid versus luminantie
24
1.3
Blurred Edge Time
De responstijden geven ons enkel informatie over de snelheid van het panel, maar zeggen niets over de breedte van de bewegingsonscherpte. We definiëren de blurred edge width (BEW) als de breedte van 10 % tot 90 % blur, uitgedrukt in pixels. Wanneer we de snelheid van het bewegend object kennen, kunnen we de BEW uitdrukken in pixels/frame:
N-BEW = BEW(pixel)/snelheid (pixels/frame) [frame]
[7]
Via de frametijd bekomen we de blurred edge time (BET):
N-BET = N-BEW x
(sec/frame) [sec]
[8]
De BET wordt herschaald:
EBET = N-BET/(0.9-0.1) [sec]
[9]
De MPRT wordt gedefinieerd als de gemiddelde E-BET over 42 overgangen.
[sec] Voor i≠j.
Figuur 18: Response curve
25
[10]
1.4
Eye-tracking integration
Na het opmeten van de responstijd van het LCD-panel is men echter nog niet in staat om de juiste MPRT van het panel te bepalen. Men dient echter rekening te houden met de integrerende werking van het oog (overgang van “Responstijd” naar “Blurred Edge Time”).
Daar LCD een hold-type display is, staat het weergegeven object gedurende een volledige frameduur stil en verspringt het naar een andere positie met een snelheid
(pixels/frame) in
het volgende frame. Het oog daarentegen volgt het object met een constante snelheid overeenkomstig met de snelheid
. Door deze vloeiende oogbeweging is de positie van
het object symmetrisch op de retina van het oog. De temporele luminantievariatie voor iedere pixel (
) op het panel wordt weergegeven met Y(
op de retina van het oog wordt weergegeven met E(
,t). De overeenkomstige lichtintensiteit ,t).
Figuur 19: Het verband tussen de coördinaten op het panel en de retina
Het verkregen beeld kan weergegeven worden als:
[11]
Waarbij
de frametijd voorstelt, v de constante snelheid in pixels per frame, Y(
temporele luminantievariatie van een pixel en V(
) de verkregen luminantie op de positie
geprojecteerd op de retina na integratie over 1 frame.
26
,t) de
Door de vloeiende oogbeweging op een stationair object kan men een frame verdelen in verschillende subframes, waar
de integratietijd van ieder subframe voorstelt. V(
) is
dan gelijk aan de som van de geïntegreerde lichtintensiteit van iedere bekeken pixel in het frame
langs het gevolgde traject.
Als we aannemen dat iedere pixel exact hetzelfde responsgedrag
heeft en we
beschouwen enkel een blokje met een bepaalde grijswaarde dat beweegt over een uniforme achtergrond, dan kan formule 11 herschreven worden als
. We
krijgen:
[12]
[13]
Het profiel van V(
) komt overeen met het luminantieprofiel van het beeld dat wordt
verkregen, wanneer het bewegende object met een camera in een vloeiende beweging wordt gevolgd. We definiëren τ als: [14]
Via deze transformatie kan het luminantieprofiel van het onscherpe beeld uitgedrukt worden als een functie van tijd, omdat de snelheid uitgedrukt wordt in pixels per frame. Het minteken wordt hier niet als negatief beschouwd maar als inverse transformatie tussen tijd en ruimte. De grootheid τ komt overeen met de grootheid N-BET uit vergelijking 8:
[15]
27
Vergelijking 15 toont aan dat V(τ) kan afgeleid worden van de temporele luminantievariatie op het panel, of met andere woorden de responstijd van het LCD-panel. Het is voldoende om de responstijd te integreren over een periode van één frametijd (zie figuur 20).
Figuur 20: one-frame moving window integration
Op deze manier wordt de Motion Picture Response Curve (MPRC) bepaald, wat overeenkomt met het genormaliseerde luminantieprofiel van het onscherpe beeld in het tijdsdomein. Men kan nu opnieuw de relevante parameters N-BET, EBET, N-BEW, BEW,… afleiden van V(τ).
Het bovenstaande algoritme voor het berekenen van de bewegingsonscherpte komt exact overeen met het principe van het bewegende beeld te volgen met een camera. Het biedt een elegante oplossing dat niet alleen de kostprijs en mobiliteit ten goede komt, maar ook optische aberratiefouten
van
de
cameralens
en
mechanische
meetopstelling voorkomt.
28
synchronisatiefouten
van
de
4.
Motion blur reduceren
De LCD-technologie is niet meer weg te denken uit de hedendaagse maatschappij. Tegenwoordig zijn de meeste computerschermen en televisies gebaseerd op LCD. Steeds meer fabrikanten doen daarom uitgebreid research om de kwaliteit van het LCD-scherm te verbeteren. Uiteraard is motion blur één van de punten waar uitgebreid aandacht aan wordt besteed.
Bij iedere nieuwe generatie LCD-schermen gaat de snelheid (responstijd) er op vooruit. Tegenwoordig zijn responstijden van 8ms en 6ms geen uitzonderingen meer. Wil men motion blur reduceren, dan is het ook noodzakelijk dat het sample and hold effect omzeild wordt. In de volgende paragraaf lichten we kort enkele oplossingen toe.
4.1
Data Insertion
Een mogelijke oplossing om het sample and hold effect te reduceren bestaat erin om de frametijd kleiner te maken. Hoe sneller de frames elkaar opvolgen, hoe minder tijd het oog heeft om de beweging uit te middelen. Bijgevolg zal de waargenomen onscherpte afnemen. Deze technologie wordt toegepast bij de zogenaamde 120Hz televisie.
Wanneer men echter de frametijd halveert, heeft men dubbel zoveel frames nodig om hetzelfde beeld te kunnen weergeven. Dit wil zeggen dat, indien een televisie beelden aan 120Hz wil weergeven, er ook 120Hz content aanwezig moet zijn. Vandaag de dag is echter 24Hz, 50Hz of 60Hz content het meest gebruikt in TV- en computersystemen. Er bestaan verschillende technologieën om dit probleem op te lossen.
Een van de meest gebruikte technologieën om een 60Hz content om te zetten naar een 120Hz content is Motion Estimation Data Insertion (MEMC = Motion Estimation & Motion Compensation). Bij MEMC probeert men een adequate voorspelling van de bewegingen in het beeld te maken. Dit is mogelijk door twee opeenvolgende frames met elkaar te vergelijken en een tussenliggend frame te berekenen. Deze “voorspelde” frames worden tussen de oorspronkelijke frames gevoegd. Op deze manier creëert men een vloeiende overgang tussen twee verschillende frames.
29
Figuur 21: motion estimation data insertion technologie
Deze technologie is echter sterk afhankelijk van het soort content dat weergegeven wordt en kan in sommige gevallen een slechter resultaat geven dan het oorspronkelijke beeld. Wanneer bijvoorbeeld een statisch menu op een bewegende actie wordt weergegeven, kan het panel onmogelijk weten welke pixels bij het menu horen en welke bij de bewegende content.
Andere technologieën zoals black field insertion en grey field insertion beperken zich toch het toevoegen van een zwarte of grijze frame. Deze technologieën zijn goedkoper te implementeren en bieden toch een significante verbetering voor motion blur. Het dient echter opgemerkt te worden dat data insertion technologieën niet in staat zijn om de motion blur volledig weg te werken. Aangezien het mogelijk is om motion blur te kwantificeren, moet het mogelijk zijn om na te gaan of data insertion wel degelijk een verbetering teweeg brengt. Een eenvoudige simulatie met MATLAB zou moeten uitwijzen of de blurred edge time verbeterd wordt. We nemen de proef op de som.
30
BET = 16,6667ms
BET = 8,6808ms
BET = 18,4028ms
BET = 11,8056ms
BET = 21,5278ms
BET = 16,1458ms
Figuur 22: 60Hz versus 120Hz normal backlight
31
Uit de simulaties, weergegeven in figuur 22 kunnen we duidelijk de invloed van de frametijd op de blurred edge time zien. Aangezien de blurred edge time een integratie van de responstijd over een volledige frame is, vormt de frametijd een theoretische ondergrens aan de blurred edge time. In het geval van een 60Hz display is dit 16.6666ms. Het halveren van de frametijd zou bij een oneindig snel LCD-panel leiden tot een halvering van de blurred egde time. In de praktijk hebben LCD-panels een zekere responstijd, waardoor het verschil niet halveert, maar wel significant verbetert.
4.2
Scanning backlight
Bij CRT-schermen licht op elk ogenblik slechts een klein deel van het scherm op, telkens het getroffen wordt door de elektronenstraal. Op deze manier wordt een volledig beeld opgebouwd. In tegenstelling tot LCD-schermen, waar het display continu volledig belicht wordt, is er hier dus geen sprake van het sample and hold effect. Wanneer men echter afstapt van het principe van continue belichting, kan men bij LCD-schermen ook het sample and hold effect wegwerken.
LCD-schermen hebben de eigenschap geen beeld weer te geven, wanneer het niet belicht wordt. Juist deze eigenschap kan gebruikt worden om motion blur weg te werken. Motion blur is in feite niks anders dan een gradatie van ongewenste lichtintensiteit. Wanneer men in staat is om het backlight af te leggen op het juiste ogenblik, kan men motion blur volledig elimineren.
De meeste LCD-schermen gebruiken Cold Cathode Fluorescent Lampen (CCFL) als backlight. Deze lampen zijn echter geoptimaliseerd om continue aangestuurd te worden. Tegenwoordig doen ook LED’s hun intrede als backlight bij LCD-schermen. LED’s hebben het voordeel zeer gemakkelijk aanstuurbaar te zijn, ze kunnen werken aan een heel hoge werkingsfrequentie en hebben een potentieel lager vermogenverbruik.
Bij de scanning backlight technologie gaat men het backlight opdelen in verschillende segmenten. Het licht van deze segmenten wordt sequentieel aangeschakeld, op een manier dat pixels enkel belicht worden wanneer ze hun gewenste maximale transmissieniveau bereikt hebben. De lijn per lijn adresseermethode van LCD-schermen zorgt ervoor dat LC-cellen van
32
verschillende lijnen op verschillende tijdstippen hun gewenste maximale transmissieniveau bereiken. Voor lijnen die op ¼ van een frame van elkaar liggen, is dit tijdsverschil verwaarloosbaar. Het is dus belangrijk dat het backlight gesynchroniseerd is met de pixeladressering van het videosignaal. Op deze manier wordt ieder segment slechts belicht, wanneer het gewenste transmissieniveau bereikt is. Het backlight wordt afgeschakeld, wanneer het transmissieniveau terug verandert. Dit betekent dat pixels in hun rise en fall time niet belicht worden zodat deze bijdrage tot motion blur niet zichtbaar is. Bovendien is de totale holdtime veel korter, waardoor –om dezelfde redenen als bij een 120Hz scherm– ook deze bijdrage tot de blur kleiner wordt.
Figuur 23: Scanning backlight principe
De invloed van de backlight kan opnieuw aangetoond worden via een MATLAB-simulatie. In figuur 24 wordt de simulatie uit figuur 22 overgedaan, dit keer met een pulserende backlight die slechts de helft van een frameperiode oplicht. Opnieuw vergelijken we een 60Hz met een 120Hz display.
Het is duidelijk dat wanneer het gemeten signaal slechts de helft van een periode zijn maximale amplitude haalt en de andere helft van de periode nul is, het geïntegreerde signaal maximaal de helft van de oorspronkelijke amplitude kan zijn. Wanneer deze technologie gecombineerd wordt met 120Hz technologie, is het mogelijk om de blurred edge time nogmaals te halveren.
33
BET = 8,3333ms
BET = 4,1667ms
BET = 8,6806ms
BET = 10,5903ms
BET = 9,0278ms
BET = 13,3681ms
Figuur 24: 60Hz versus 120Hz pulsed backlight
34
5.
Besluit
In dit hoofdstuk werd het probleem Motion Blur in LCD-schermen theoretisch benaderd. De oorzaken van dit verschijnsel worden gevonden bij de trage reactietijd van de vloeibare kristallen enerzijds en het "sample-en-hold" karakter van een TFT-beeldscherm anderzijds.
Motion blur kan worden gekwantificeerd via de Moving-Picture Response Time. Deze tijdgerelateerde aanduiding wordt bepaald aan de hand van responstijd tussen 42 vooraf gedefinieerde grijswaarden. Uit deze responscurves wordt de Motion Picture Response Curve berekend door de curve te integreren over een venster van een volledige frametijd. Men kan vervolgens de Blurred Edge Time bepalen als de tijd tussen 10 % en 90 % van de motion picture response curve. De totale MPRT wordt berekend als het gemiddelde van 42 EBET’s.
Er werd ook op zoek gegaan naar mogelijke oplossingen om motion blur te reduceren. Nieuwe generaties LCD-panels hebben steeds snellere responstijden, maar zelfs bij oneindig snelle LCD-schermen is nog steeds motion blur waar te nemen. Om motion blur volledig weg te werken dient men ook het sample and hold karakter aan te pakken. Een mogelijke oplossing bestaat erin om de frametijd kleiner te maken, deze technologie werd reeds toegepast bij 120Hz televisie. Een tweede oplossing wordt gevonden bij het backlight. Wanneer men afstapt van het principe van continue belichting, kan men bij LCD-schermen motion blur volledig elimineren.
35
IV. MPRT-meetsysteem 1.
Inleiding
Het doel van deze scriptie is een volledige, onafhankelijk werkende automatische meetopstelling te realiseren voor het kwantificeren van motion blur. Deze opstelling moet voldoende snel, betrouwbaar en flexibel zijn om te kunnen ingeschakeld worden in een echte productie-omgeving.
Concreet moet een MPRT meetsysteem volgende zaken kunnen realiseren: − een reeks beelden naar het te testen beeldscherm sturen; − de reactie van het beeldscherm opmeten; − de meetresultaten inlezen en opslaan; − de interessante karakteristieken afleiden uit deze metingen.
Het ontwerp van het MPRT-meetsysteem werd gebaseerd op het huidige manuele meetsysteem in Barco om de responstijd-eigenschappen van een LCD-panel te bepalen.
Figuur 25: Huidig meetsysteem voor responstijd-eigenschappen
36
Dit meetsyteem, afgebeeld in figuur 25, maakt gebruik van een fotodiode om de luminantie van het LCD-scherm op te meten. Deze fotodiode is verbonden met een processing unit die voorzien is van analoge signaalconditionerings-elektronica. Via een oscilloscoop wordt het verkregen signaal weergegeven en kan men de gewenste parameters gaan bepalen.
Het grote nadeel van dit systeem is dat het volledig manueel moet afgeregeld worden. Het systeem is niet in staat om zelf beelden naar het display te sturen, waardoor de synchronisatie tussen het plaatsen van een beeld en het opmeten van de reactie niet perfect is. Het proces is bijgevolg zeer tijdrovend. Dit is niet alleen vervelend voor de gebruiker, maar ook de nauwkeurigheid van de meetresultaten heeft eronder te leiden.
37
2.
Schematische voorstelling
Het MPRT-meetsysteem wordt opgebouwd rond een centraal hardwarebord dat zowel de signal generation als de signal processing voor zijn rekening neemt. Het hardwarebord moet minstens drie interfaces hebben om te kunnen communiceren met zowel de gebruikers PC, het te testen beeldscherm en de fotodiode. Via een grafische user interface kan de gebruiker de gewenste metingen uitvoeren.
Figuur 26 : Schema MPRT meetsysteem
Het samenbrengen van de signal generation en signal processing heeft als voordeel dat het volledig proces gesynchroniseerd kan verlopen. De oscilloscoop wordt op deze manier overbodig.
De interface tussen het meetsysteem en de gebruikers PC wordt bij voorkeur via TCP/IP tot stand gebracht. Op deze manier kan de meting uitgevoerd worden op eender welke plaats binnen Barco, zonder dat iemand fysiek aanwezig hoeft te zijn.
38
3.
Het optische meetsysteem
Figuur 27: Het systeem – het optisch meetsysteem
Om een responstijd-analyse van een LCD-panel uit te voeren is een fotodiode van cruciaal belang. Het is dan ook evident om een grondige studie van de fotodiode en haar mogelijkheden uit te voeren.
3.1
Stralende oppervlakken
De helderheid van een oppervlak hangt samen met de lichtstroom die het oppervlak in de richting van ons oog uitstuurt en dat per eenheid van de voor ons zichtbare oppervlakte. Deze helderheid noemt men luminantie en wordt gedefinieerd als:
[1]
Vele van de oppervlakken rondom ons zien we met een luminantie, die niet afhangt van de hoek waaronder we naar het oppervlak kijken: de helderheid verandert dan niet, ondanks het feit dat we in een meer scherende richting het oppervlak waarnemen binnen een kleiner wordende openingshoek. Deze oppervlakken noemt men diffuse stralers of ‘Lambert’stralers. Moderne LCD-displays streven ernaar het gedrag van een Lambertstraler te benaderen. De lichtsterkte neemt voor een diffuse straler in dezelfde mate af als het zichtbare oppervlak afneemt, namelijk met cos θ.
39
Figuur 28: Lambert Straler
De lichtstroom van een bron hangt samen met het vermogen van de bron en met de verdeling van dit vermogen over het spectrum: dP/dλ, de spectrale vermogensdichtheid. De lichtstroom (light flux, luminous power) van een bron wordt, rekening houdend met de fotopische ooggevoeligheidsfunctie, weergegeven als:
[2]
De lichtsterkte I is nu de lichtstroom van een lichtbron per eenheid van ruimtehoek of het aantal lumen per steradiaal: I =dφ dω. De eenheid wordt de candela [cd] genaamd. Het is duidelijk dat de lichtsterkte van een bron sterk kan verschillen naargelang de richting. De totale lichtstroom is gelijk aan:
[3]
Voor een lambertstraler wordt dit: φ = I ·π
[4]
1 cd = π lumen
[5]
Hieruit volgt:
40
Bijgevolg is : 1 cd/m² = π lumen/m² = π lux
[6]
We hebben 683 lumen/W voor een golflengte van 550nm. Voor andere golflengtes moet rekening gehouden worden met de golflengte-afhankelijkheid van het oog. Bij een LCDdisplay is het totaal uitgestraalde spectrum echter niet monochromatisch. Een typisch spectrum van een LCD scherm met CCFL backlight en witte content wordt hieronder getoond.
Figuur 29: Spectrum willekeurig LCD-scherm
41
De gevoeligheid van het oog om licht waar te nemen is afhankelijk van de kleur van het licht. Een gemiddelde curve is voorgesteld in figuur 30. Het oog is maximaal gevoelig voor geelgroen licht met een golflengte van 550nm.
Figuur 30 : Spectrale ooggevoeligheid
Wanneer we nu het spectrum van het scherm convolueren met de spectrale gevoeligheid van het oog bekomen we het totaal aantal lumen/Watt van het scherm. Voor het spectrum getoond in fig. 29 gaf dit bijvoorbeeld 327,88 Lumen/Watt.
Voor een Lambertiaans stralend scherm met een helderheid van 1cd/m² hebben we dus een uitstralend vermogen van:
[7]
Deze overgang van fotometrische eenheden (cd/m², lumen, … typische gebruikt om LCDs te kwantificeren) naar vermorgenseenheden (W) laat ons toe om de eigenschappen van de fotodiode te matchen aan die van het scherm.
42
3.2
De fotodiode
Een fotodiode is als een gewone diode in een lichtdoorlatende behuizing, toegepast in sperrichting. Als er geen licht op de fotodiode valt dan vloeit er slechts de lek- of donkerstroom (voor silicium is dit enkele honderden nA). Als er licht valt op de P-N overgang, dan ontstaan er ten gevolge van de toegevoerde energie (licht) vrije ladingdragers en kan er een stroom gaan vloeien, waarvan de grootte afhankelijk is van de lichtsterkte (lux).
De fotodiode die we via Barco ter beschikking kregen, de BPW21, is een planaire silicon PN fotodiode die lineair is over 7 decades van lichtsterkte. De fotodiode is ingebouwd in een meetkop met een versterkerschakeling. De meetkop wordt bevestigd aan het te testen display via een zuignap, om de invloed van het omgevingslicht te elimineren.
Figuur 31 : BPW21 met bijhorende versterkerschakeling
Bij het opmeten van responstijden zijn de signaal-ruis verhouding, de gevoeligheid en de reactiesnelheid de belangrijkste eigenschappen voor een fotodiode. De meetresultaten verkregen via de BPW21 fotodiode waren echter onderhevig aan een niet te verwaarlozen hoeveelheid ruis. Het leek ons opportuun om de markt af te zoeken naar mogelijke alternatieven.
43
Dergelijk alternatief vonden we bij een combinatie fotodiode-pre-amplifier. Het voordeel van deze pre-amp fotodiodes is dat de versterkerschakeling mee in de package ingebouwd is, waardoor mogelijke ruisoorzaken sterk verminderd worden. Een interessant voorbeeld is de S7998.
Figuur 32: S7998 Fotodiode met pre-amp
3.2.1 Signaal-ruis verhouding
Aan de hand van de technische specificaties van de S7998 werd een voorspelling van de signaal-ruisverhouding per lichtsterkte eenheid berekend. Op deze manier is het mogelijk te bepalen of het de moeite loont om huidige fotodiode te vervangen.
De S7998 heeft de volgende eigenschappen: − oppervlakte fotogevoelig materiaal = 9 mm²; − De bandbreedte bij RF5 100KOhm = +/- 7kHz; − Equivalent output noise power bij 7 kHz = +/-
.
De output noise power wordt als volgt berekend:
[8]
5
RF wordt hier gebruikt als instelweerstand
44
Het invallend vermogen op de fotodiode bij 1cd/m² bedraagt dus :
[9]
De signal to noise ratio wordt aldus:
[10] Moderne LCD-displays stralen ongeveer 0,5cd/m² uit bij een volledig zwart scherm en ongeveer 500cd/m² bij een volledig wit scherm. Dit kan sterk variëren van merk tot merk en dit zal ook verder evolueren de volgende jaren (b.v. naar 0,1cd/m² en 1000cd/m²).
In onderstaande tabel wordt een overzicht gegeven van de signaal-ruis verhouding per lichtsterkte en dit bij verschillende instelweerstand. Het is duidelijk dat bij een heel lage lichtsterkte toch nog een zeer behoorlijke signaal-ruisverhouding wordt verkregen en dit bij een bandbreedte van 7kHz die voldoende ruim is.
100kΩ
10MΩ
L (cd/m²)
1
100
1000
1
100
1000
W (µW)
0,086
8,623
86,234
0,086
8,623
86,234
BB (kHz)
7
7
7
2
2
2
SNR
687
68713
687127
1285
128550
1285497
SNR(dB)
28,37
48,37
58,37
31,09
51,09
61,09
Tabel 3: Signaal-ruis verhoudingen voor S7998 fotodiode
45
3.2.2 De responstijd Wanneer een fotodiode gebruikt wordt om de responstijd eigenschappen van LCD-panels op te meten, is de responstijd van de fotodiode zelf uiteraard ook belangrijk. Het hoeft geen betoog dat de fotodiode veel sneller moet zijn dan het te meten panel.
Figuur 33: Responsetijd van de fotodiode aan uitgang meetkop (blauw gemeten, magenta RC equivalent)
In figuur 33 zien we het resultaat van een responstijdmeting van de fotodiode aan de uitgang van de meetkop. De fotodiode heeft een responstijd van 24,6µs, wat overeenkomt met een bandbreedte van 40,6kHz. Het dient echter opgemerkt te worden dat de analoge signaalconditionering-elektroncia op het hardwarebord een beperkende factor voor de bandbreedte is. Het is dus moeilijk om op voorhand te bepalen wat de uiteindelijke responstijd van de meting zal zijn.
46
3.2.3 Besluit Wanneer we de voor- en nadelen van de fotodiode met en zonder pre-amp naast elkaar leggen dan zien we dat beide een voldoende grote bandbreedte hebben. De signaal-ruis verhouding van de fotodiode met pre-amp is iets beter dan de gewone fotodiode. Het signaal afkomstig van de fotodiode wordt echter nog verder versterkt en gefilterd door de elektronica op het hardwarebord zodat de invloed van de pre-amp minder doorslaggevend wordt. Het probleem van moeilijk te meten signalen kan via softwarematige herschaling opgelost worden. Aangezien geen van beide fotodiodes uitgesproken beter is dan de ander, werd in overleg met Barco beslist om met het huidige optische meetsysteem verder te werken.
47
4.
Centrale verwerkingseenheid
Figuur 34: Het systeem – het videogeneratorbord
De centrale verwerkingseenheid moet in staat zijn om volledig autonoom volgende taken uit te voeren: − een reeks beelden in alle basiskleuren naar het te testen display sturen; − voor iedere analoge spanningswaarde van de fotodiode een gepaste versterking zoeken; − deze analoge spanningswaarde omzetten naar digitale samples; − een gepaste downsampling uitvoeren voor een ideale weergave van de responscurve; − synchroon met de transitie op het scherm de datasamples opslaan in lokaal geheugen; − verbinding maken met gebruiker PC via TCP/IP om datawaarden door te sturen. Het komt er dus op neer dat de centrale verwerkingseenheid in staat moet zijn om volledig automatisch 42 responstijdmetingen na elkaar uit te voeren en per meting de verkregen samplewaarden door te sturen naar de PC.
Verder moet de verwerkingseenheid in staat zijn om via een eenvoudig protocol te communiceren met de grafische user interface.
48
In overleg met Barco werd beslist om het hardwaregedeelte niet zelf te ontwerpen, daar Barco zelf een hardwarebord in huis heeft dat klaar was om over alle nodige functionaliteiten te beschikken.
Figuur 35: Het Videogeneratorbord
Dit bord werd opgebouwd rond een centrale FPGA met PowerPC (Virtex-II pro), en het beschikt over drie interfaces om beeldschermen aan te sturen (VGA, DVI, RGBHV), drie interfaces om te communiceren met externe randapparaten (USB, TCP/IP, RS232), voldoende geheugencapaciteit, een analoge ingang voor de fotodiode en de nodige analoge signaalconditionering elektronica.
Het videogeneratorbord gaf ons de vrijheid om de gewenste algoritmes te kunnen programmeren en gaf tevens het voordeel over de nodige interfaces te beschikken. Het was een enorme stap voorwaarts in de ontwikkeling van het meetsysteem.
49
4.1
Realisatie van de meetopstelling
Na een grondige studie van de mogelijkheden van het videogeneratorbord en met deskundige feedback van enkele Barco-medewerkers, werd de centrale verwerkingseenheid van het meetsysteem gerealiseerd.
4.1.1 Schematische hardware-flow
Figuur 36: Schematische voorstelling van de verwerkingseenheid
Bovenstaande figuur geeft de vereenvoudigde schematische voorstelling van de verwerkingseenheid weer. De centrale component is de Virtex-II Pro FPGA die de volledige meting coördineert. In de volgende paragrafen wordt iedere component kort toegelicht. 4.1.2 Analoge signaal conditionering6
Het signaal afkomstig van de optische meetkop is niet groot genoeg om er nauwkeurige tijdsbepalingen op uit te voeren. Daarom wordt op het videogeneratorbord nog een analoge signaalconditionering uitgevoerd. Hierin wordt het signaal een eerste maal versterkt met een factor 10.
6
Het schema van het analoge signaalconditionering gedeelte is terug te vinden in de bijlage deel 1.
50
Het is zo dat wanneer het display volledig wit is, het gemeten signaal veel groter is dan wanneer het display volledig zwart is. Om ervoor te zorgen dat te grote signalen niet satureren tegen de voedingspanning, dient een gepaste versterking te worden gekozen voor ieder signaal. Dit wordt verwezenlijkt door een gepaste verzwakkingtrap te kiezen via een instelbare analoge multiplexer. Vervolgens wordt het signaal door een buffertrap gestuurd die ervoor zorgt dat het ADC circuit gescheiden wordt van de versterkertrap.
Het is vanzelfsprekend dat de bandbreedte van dit analoge gedeelte een niet te verwaarlozen rol zal spelen in de responstijd van het optische meetsysteem. De responstijd aan de ingang van de ADC moet nog steeds voldoende laag zijn om de snelste displays en projectors te kunnen meten. Een kleine meting geeft ons hierover uitsluitsel.
Figuur 37: responstijd van fotodiode + analoge elektronica aan ingang van ADC (blauw gemeten, magenta RC equivalent)
We meten een responsetijd van 242µs, wat overeenkomt met een bandbreedte van 4,13 KHz. Dit is nog steeds ruim voldoende om alle LCD-toepassingen op te meten.
51
4.1.3 Analoog naar digitaal conversie
Het videogeneratorbord beschikt over 12 bit nauwkeurige analoog-digitaal converter met een maximale throughput rate van 117kHz. Het ingangsbereik bedraagt 20V en ligt symmetrisch rond 0V.
Figuur 38: functioneel blokschema AD7893
Aangezien het spanningssignaal afkomstig van de fotodiode nooit negatief kan zijn, wordt slechts de helft van het ingangsbereik gebruikt, waardoor de uiteindelijke nauwkeurigheid slechts 11 bit bedraagt. De outputdata wordt serieel doorgegeven aan de FPGA met een maximale snelheid van 8,33Mhz.
4.1.4 Digital Down Sampling
Om de ADC op een correcte manier te gebruiken moeten de timing- en controlesequentie gerespecteerd worden.
Figuur 39: AD7893 timing sequentie
52
De AD-conversie start op een stijgende flank van het CONVST-signaal en de nieuwe data van deze conversie is minimaal 6µs later beschikbaar aan de uitgang. Eenmaal een leesoperatie werd uitgevoerd, moet opnieuw minimaal 600ns gewacht worden vooraleer een nieuwe leesoperatie kan worden uitgevoerd. Als we rekening houden met de tijd die nodig is om de seriële data binnen te lezen, duurt een volledige leescyclus minimaal 8,52µs, wat overeenkomt met een snelheid van 117kHz.
Het aansturen van de ADC gebeurt via een stukje VHDL code in de FPGA. Via een gepaste downsampling verkrijgen we een meer geschikte samplefrequentie van 48,18kHz.
4.1.5 Video generatie
Om responstijdmetingen van een LCD-display uit te voeren is het noodzakelijk dat het beeld op een zeer snelle manier gegenereerd wordt. De tijd die nodig is om de pixels op het scherm aan te sturen, is echter veel kleiner dan de tijd die nodig is om van een externe bron de beeldinformatie in een geheugen weg te schrijven. Het is dus noodzakelijk dat de beeldgeneratie intern in de FPGA gebeurt. Door de lijn per lijn adresseermethode bij LCDdisplays is het essentieel dat een nieuw beeld slechts op het display wordt gezet wanneer deze aan een nieuw frame begint. Dit werd verwezenlijkt door de beeldgeneratie te synchroniseren met de verticale synchronisatiepuls van het videosignaal.
4.1.6 De geheugeninterface
Zoals eerder vermeld beschikt het videogeneratorbord over een programmeerbare Virtex-II Pro FPGA. Deze geavanceerde FPGA bevat twee IBM PowerPC 405 processors, die hardwarematig in de FPGA ingebed zijn.
PowerPC is een krachtige 32-bit RISC processor met Harvard architectuur, die werkt met een klokfrequentie van 450MHz en tot 700 DMPIS (Dhrystone Million Instructions Per Second) kan leveren. De PowerPC is voorzien van een aantal uitgebreide functionaliteiten zoals instructie en data cache, geheugenmanagement, timers, interrupt controller, reset controller en een JTAG debug circuit. Het PowerPC 405 embedded processor blok heeft tevens unieke On-
53
Chip Memory (OCM) controllers, die snelle toegang verschaffen naar dual-port On-Chip block RAM.
Dit laatste is echter zeer interessant, het laat immers toe om zeer snel grote hoeveelheden data weg te schrijven naar een geheugenblok. Deze schrijfoperaties kunnen volledig worden gesynchroniseerd met logica in de FPGA zoals synchronisatiepulsen voor het beeldscherm.
Voor de tijdelijke opslag van de datasamples maken we gebruik van het interne block RAM geheugen. Een schematische voorstelling is weergegeven in figuur 40.
Figuur 40: PowerPC met block RAM interface
Het wegschrijven van de datasamples wordt gecoördineerd door de MPRT-module. Deze module kan zowel via de PPC µ-controller als de FPGA logica aangesproken worden. Verder is een geheugencontrole-interface voorzien die de module verbindt met twee blokken van 16KB BlockRAM geheugen.
De datasamples worden vanuit de downsampling-module in de FPGA aangeboden. Het opslaan van de samples mag slechts gebeuren op het moment dat een transitie op het LCDdisplay gemeten werd. Om dit te kunnen realiseren werd de MPRT-module voorzien van enkele synchronisatie signalen.
54
In de huidige configuratie wordt slechts één 16KB BlockRAM geheugen gebruikt voor het opslaan van de datasamples. Per 12bit sample wordt 2byte in het geheugen voorzien, wat overeenkomt met een totale opslagcapaciteit van 8K samples ofwel 8192 samples.
4.1.7 Embedded Linux met C++ applicatie
Als besturingssysteem voor de PowerPC werd er geopteerd voor GNU/Linux. Het gebruik van dit besturingssysteem heeft heel wat voordelen, het laat ondermeer toe om C/C++ applicaties in realtime te draaien. Vooraleer dit besturingssysteem kan worden gebruikt, dienen heel wat voorbereidingen gemaakt te worden. Een overzicht:
A. Bootloader
Tijdens het opstarten van een besturingssysteem, moet de volledige hardware geïnitialiseerd worden. Bij een standaard PC wordt deze initialisatie uitgevoerd in de BIOS. Omdat de videogenerator geen BIOS voor handen heeft, maken we gebruik van een Universal Bootloader (U-Boot). Wanneer de spanning aan de PowerPC wordt aangelegd, start deze met het uitvoeren van de bootloader-code. Deze bevindt zich steeds op een vast adres in het geheugen. Hierin wordt de initialisatie van de hardware uitgevoerd en worden de nodige gegevens voor het opstarten van de Linux kernel verzameld. Bijvoorbeeld de plaats waar het root-filesystem zich bevindt.
B. Embedded C-library
Voor het ontwikkelen van de C-applicatie werd gebruik gemaakt van uClibc. Dit is een Clibrary voor het ontwikkelen van embedded Linux systemen. Het kan gebruikt worden onder standaard Linux omgevingen of embedded Linux omgevingen zonder Memory Management Unit (MMU). uClibc ondersteunt de meest uiteenlopende hardwarearchitecturen, waardoor het eenvoudig wordt om op een standaard (x86) PC de ontwikkelde code te testen.
C. Cross compiler
Voor het ontwikkelen en debuggen van de applicatie werd gebruik gemaakt van een cross compiler. Een cross compiler is een compiler die in staat is om executable code te genereren 55
voor een platform dat niet gelijk is aan het platform waarop het draait. In dit geval werd de cross compiler gebruikt om code te compileren voor een embedded Linux systeem, terwijl de compiler op een gewone Linux server draaide. Voor het aanmaken van de cross compiler en het root-filesysteem werd gebruik gemaakt van Buildroot.
D. Network File System
De PowerPC laadt tijdens het opstarten de C-applicatie uit het flash-geheugen. Tijdens de ontwikkelingsfase is dit echter niet zo interessant. Dit betekent dat van iedere nieuwe versie van de applicatie een flash image moet worden geupload. Om sneller te kunnen ontwikkelen werd gebruik gemaakt van een network file system of NFS. Hiermee is het mogelijk om bestanden en mappen te benaderen over een netwerk alsof ze lokale bestanden waren. In dit geval werd een NFS-server opgezet die de volledige applicatie deelde. Tijdens het opstarten van de PowerPC wordt de applicatie dan niet meer uit het flash geheugen geladen, maar over het netwerk uit de NFS-server.
Eenmaal de volledige set-up klaar is, kan men beginnen met het ontwikkelen van de Capplicatie. We zetten de nodige vereisten op een rijtje: − in staat zijn om TCP/IP verbinding op te zetten met de gebruikers PC; − verdelen van grijswaarden afhankelijk van de gamma van het te testen display; − datasamples uit het BlockRAM geheugen lezen; − automatische gain adaptatie; − synchronisatie tussen verschillende onderdelen van het datapad.
56
4.1.7.1
Opzetten van TCP/IP verbinding
Een basisvereiste van het meetsysteem is dat het van op elke plaats binnen Barco bereikbaar moet zijn. De meest logische oplossing hiervoor is gebruikmaken van het beschikbare Barconetwerk. Bij communicatie over netwerken wordt meestal gebruik gemaakt van sockets.
Een socket is een file-descriptor die werkt als een direct communicatiekanaal tussen twee processen: alles wat het ene proces er in schrijft kan door het andere proces eruit worden gelezen. Een socket heeft een socketnummer (adres) bestaande uit het IP-adres van de host en een 16-bits getal dat lokaal is in die host, een zogenaamde poort. De verbinding tussen twee sockets kan zowel connectiegericht (TCP) als connectieloos (UDP) zijn. Er bestaan dus 2 soorten sockets: UDP- en TCP-sockets.
Hier gebruiken we TCP-sockets, deze zijn vergelijkbaar met een telefoonlijn: voor er kan gecommuniceerd worden, moet er expliciet een verbinding tot stand worden gebracht tussen een socket op de zendende machine en één op de ontvangende machine. Een socket kan voor meerdere verbindingen tegelijk worden gebruikt. Met andere woorden, twee of meer verbindingen kunnen bij dezelfde socket eindigen.
De zendende en ontvangende TCP-entiteit wisselen data uit in de vorm van segmenten. Een TCP-segment bestaat uit een vaste header van 20 bytes (plus een facultatief gedeelte) gevolgd door nul of meer databytes. De header bevat informatie over het segment zoals: bron poort, bestemming poort, 32-bit volgnummer, checksum,… De TCP-software beslist hoe groot de segmenten moeten zijn.
Wanneer de zender berichten wenst te versturen, worden deze automatisch in een wachtrij (TCP-verzendbuffer) geplaatst aan een zendende socket, totdat het onderliggende netwerkprotocol in staat is de berichten af te leveren. Per afgeleverd bericht wordt via een acknowledgement signaal een bevestiging gestuurd. Aan de ontvangende zijde worden alle berichten opnieuw in een wachtrij (TCP-ontvangbuffer) geplaatst, totdat het ontvangende proces ze van de socket haalt.
De videogenerator werd als TCP-server geprogrammeerd. In figuur 41 wordt de schematische voorstelling van de server weergegeven. 57
Figuur 41 : TCP-server die luistert op poort 2000
Als werkpoort werd poort 2000 gekozen, deze staat niet in de lijst van well known ports en is bijgevolg vrij te gebruiken. De server staat continu te luisteren of er een client verbinding wil maken. Nadat de verbinding tot stand werd gebracht, wordt de nodige data uitgewisseld. Vervolgens wordt de verbinding gesloten en wacht de server opnieuw tot een client zich aanmeldt.
58
4.1.7.2
Verdeling grijsniveaus
Eenmaal een gebruiker de opdracht voor een MPRT meting heeft gegeven, moet de videogenerator zelf in staat zijn om de verschillende testpatronen te initialiseren.
Figuur 132: Combinaties van grijswaarde testpatronen
De verdeling van deze testpatronen is afhankelijk van de gammawaarde van het te testen display. De verschillende grijswaarden worden berekend volgens de CIE 1976 L*a*b* kleurruimte:
[11]
4.1.7.3
Lezen van datasamples uit het BlockRAM geheugen
De PowerPC µ-processor communiceert met het BlockRAM geheugen via twee geheugencontrollers die verbonden zijn met de Processor Local Bus of PLB-bus (zie figuur 40). Processen binnen een Linux-besturingsysteem kunnen echter niet rechtsreeks communiceren met de hardware, daar er altijd een kernel tussen zit. Daarom dient men alle fysieke
geheugenplaatsen
in
het
BlockRAM
geheugenadressen in het besturingsysteem.
59
geheugen
te
mappen
op
virtuele
Na iedere gemeten transitie worden alle 8198 samples uit het geheugen gelezen en onmidDellijk via de TCP/IP verbinding naar de gebruiker PC verstuurd.
4.1.7.4
Automatische gain adaptatie
Bij de analoge signaalconditionering7 wordt een gepaste verzwakking gekozen afhankelijk van het aangelegde signaal. Dit is noodzakelijk om het signaal binnen het ingangsbereik van de ADC te schalen. De verzwakking kan gekozen worden door de juiste ingang van de analoge multiplexer te selecteren. Het selecteren van de gewenste ingang gebeurt opnieuw via de µ-processor. Voor iedere grijswaarde wordt vooraf de grootst mogelijke versterking, binnen het bereik van de ADC gezocht. Deze functie heet automatische gain adaptatie.
4.1.7.5
Synchronisatie tussen verschillende onderdelen van het datapad
De µ-processor vormt het hart van het meetsysteem. Het is de C-applicatie die beslist hoe en wanneer een MPRT meting wordt uitgevoerd. De communicatie tussen C-applicatie op de µprocessor en de VHDL-code in de FPGA, gebeurt via het schrijven van registers op vaste adressen in het geheugen. Dit wordt ook wel hardware/software co-ontwerp genoemd. Door alle activiteiten van één centraal punt, de C-applicatie, te coördineren, bekomt men een goede synchronisatie. Op deze manier wordt iedere component in het datapad op het juiste moment aangesproken, zodat de hele meting volledig automatisch verloopt.
7
Voor het schema wordt verwezen naar de bijlage deel 1
60
5.
Grafische user interface
Figuur 43: Het systeem – grafische user interface
Om de meetopstelling gebruikvriendelijk te maken werd een grafische user interface ontworpen. Deze GUI zorgt voor de communicatie tussen de gebruiker en het systeem. Het zorgt ervoor dat de gebruiker op intuïtieve manier het MPRT meetsysteem kan gebruiken en er de gewenste resultaten kan uithalen.
De grafische user interface moet in staat zijn om volledig autonoom volgende taken uit te voeren: − verbinding maken met het videogeneratorbord via TCP/IP; − via zelf ontworpen protocol communiceren met videogenerator; − alle datasamples opslaan in tijdelijke tekstbestanden; − per gemeten transitie de responscurve weergeven en responstijd berekenen; − van iedere responscurve de Motion Picture Response Curve bepalen en weergeven; − blurred edge time en MPRT berekenen; − 3D grafiek van alle 42 EBET-waarden weergeven; − een bondig rapport maken van de meetresultaten. De grafische user interface werd ontwikkelend in Visual C++. Het resultaat wordt afgebeeld in figuur 44. Een uitgebreide gebruiksaanwijzing is terug te vinden in de bijlage.
61
Figuur 44: De grafische user interface
5.1
Opzetten van TCP/IP verbinding
De grafische user interface werd geprogrammeerd als TCP-client. In figuur 45 wordt de schematische voorstelling van de client weergegeven.
Figuur 45: TCP-client
Telkens als een nieuwe meting wordt uitgevoerd maakt de client verbinding met de server. Voor de communicatie met het hardwarebord werd een eenvoudig protocol ontwikkeld. Via het uitwisselen van commando’s wordt duidelijk gemaakt welke meting gewenst wordt. De verbinding wordt verbroken wanneer alle datasamples ontvangen zijn.
62
5.2
Weergeven responscurve en berekenen responstijd
Na een MPRT-meting is het mogelijk om ieder transitie afzonderlijk te bekijken. Via een dialoogvenster kan men de gewenste begin- en eindtoestand selecteren.
Figuur 46: Dialoogvenster voor het selecteren van gewenste transitie
Figuur 47: Responscurve met bijhorende responstijd
Het resultaat wordt weergegeven in figuur 47. De gebruiker kan zelf bepalen welke kleuren er worden weergegeven. Per kleur wordt de responstijd berekend en weergegeven op het scherm.
63
5.3
Motion Picture Response Curve met Blurred Edge Time
Na het opmeten van de response curves wordt voor iedere transitie de motion picture response curve bepaald. Hiervoor wordt een one-frame moving window integration uitgevoerd op de responscurve. Formule 15 uit hoofdstuk 3 kan voor discrete signalen herschreven worden als:
[12]
Waarbij R de samplefrequentie en RTf het aantal samples gedurende één frameperiode voorstellen. Vervolgens wordt voor iedere curve wordt de bijhordende blurred edge time berekend.
Figuur 48: Motion Picture Response Curve met blurred edge time
De integratie heeft een bijkomend voordeel dat het signaal heel wat minder artefacten vertoont, waardoor een nauwkeuriger bepaling van de blurred edge time mogelijk is. Tijdens het berekenen van de integratie wordt ook een herschaling van het signaal uitgevoerd. Op deze
manier
worden
heel
kleine
overgangen
softwarematig
tijdsbepalingen veel nauwkeuriger kunnen worden uitgevoerd.
64
vergroot,
waardoor
5.4
MPRT met 3D weergave
De MPRT wordt berekend als een gemiddelde van de 42 EBET’s. Om een volledig overzicht van alle transities van het display te verkrijgen, werd een 3D-weergave opgemaakt. Het resultaat wordt in de onderstaande figuur weergegeven.
Figuur 49: MPRT met bijhorende 3D-chart
De horizontale assen zijn respectievelijk de begin- en eindtoestand Y0 tot Y6. De verticale as is een tijdsas, uitgedrukt in milliseconden.
Op de 3D-chart is duidelijk te zien dat de blurred edge time voor iedere overgang verschillend is. Dicht bij elkaar liggende overgangen zijn trager dan ver uit elkaar liggende overgangen. Ook de luminantie speelt een rol, hoe dichter de grijswaarde bij zwart ligt, hoe langer de transitie duurt.
65
5.5
Rapport van de meetresultaten
Op uitdrukkelijke vraag van Barco werd de mogelijkheid voorzien om automatisch een bondig rapport van de meetresultaten op te maken. Via een dialoogvenster is het mogelijk om de naam van het scherm, de temperatuur van het panel en de omgevingstemperatuur mee te geven.
Figuur 50: Dialoogvenster voor het creëren van een rapport
Het rapport wordt opgemaakt als HTML-document. Het bevat per kleur een tabel met de blurred edge time en de bijhorende MPRT-waarde. Een voorbeeld:
Rapport: Medical 3Mpixel Temperatuur Panel: 40 °C Temperatuur Omgeving: 25 °C MPRT: 25.92
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
24.33
25.24
25.26
24.22
23.06
20.24
Y1
14.40
0.00
25.03
25.18
24.39
23.20
20.15
Y2
14.78
19.66
0.00
24.62
23.99
22.89
19.99
Y3
14.99
18.31
21.65
0.00
23.33
22.58
19.57
Y4
15.15
17.66
20.40
22.17
0.00
22.13
19.20
Y5
15.46
17.43
19.78
21.34
22.10
0.00
19.18
Y6
15.88
17.62
19.45
21.05
21.83
21.90
0.00
66
MPRT: 27.97
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
26.59
26.92
27.21
26.42
25.26
23.60
Y1
16.92
0.00
25.65
27.13
26.57
25.63
23.91
Y2
15.19
19.86
0.00
26.07
26.30
25.53
23.85
Y3
15.50
19.05
22.91
0.00
25.53
25.01
23.52
Y4
15.55
18.06
21.17
23.20
0.00
24.64
23.33
Y5
15.73
17.79
20.32
22.48
23.62
0.00
22.85
Y6
16.02
17.66
19.63
21.65
22.71
23.29
0.00
MPRT: 26.97
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
24.89
26.17
26.21
25.47
24.37
22.13
Y1
14.72
0.00
25.43
26.15
25.88
24.53
22.23
Y2
15.05
20.15
0.00
25.45
25.38
24.33
22.13
Y3
15.15
18.51
22.15
0.00
24.39
24.03
21.86
Y4
15.42
17.87
20.98
22.87
0.00
23.50
21.40
Y5
15.61
17.58
19.93
21.94
22.71
0.00
21.11
Y6
15.92
17.56
19.49
21.05
22.10
22.58
0.00
MPRT: 25.45
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
24.22
25.36
25.07
24.43
22.79
17.37
Y1
14.59
0.00
24.62
25.26
24.55
22.93
17.33
Y2
15.03
19.53
0.00
24.45
24.14
22.71
17.19
Y3
15.05
18.35
21.50
0.00
23.74
22.27
17.00
Y4
15.21
17.64
20.51
22.19
0.00
21.94
16.67
Y5
15.46
17.50
19.59
21.46
22.23
0.00
16.63
Y6
16.09
17.83
19.63
21.17
21.96
21.79
0.00
Figuur 51: Voorbeeldrapport van een MPRT meting
67
6.
Besluit
De doelstelling om een volledige autonome MPRT-meetopstelling te ontwikkelen werd succesvol behaald. Het systeem is dan ook in staat om in enkele minuten een volledige analyse van de responstijd-eigenschappen van een LCD-panel uit te voeren. Via een 3Dweergave kan men in één oogopslag een indruk van de prestaties van het scherm verkrijgen.
Tijdens de ontwikkeling werd bij iedere fase extra aandacht besteed aan de gebruiksvriendelijkheid. De Barco-medewerkers, voor wie het meetsysteem uiteindelijk bedoeld is, kregen dan ook uitgebreid inspraak in de verschillende functies van het meetsysteem.
68
V. Meetresultaten 1.
Inleiding
In dit rapport worden de meetresultaten van verschillende types displays en projectoren van Barco beschreven. Transitiemetingen, waar we de responstijden uithalen alsook MPRTmetingen komen aan bod. Deze metingen zijn niet alleen interessant voor de gebruikers/makers van dit display maar ook interessant voor ons om te zien hoe ons systeem reageert op speciale artefacten. Niet alle metingen zijn opgenomen in de thesis, daar sommige meetresultaten vertrouwelijk zijn voor Barco. Voor de metingen op een display/projector doen we steeds het volgende :
A.
Bepaling van de gamma
De luminantie wordt gemeten met een Minolta-luminantiemeter. Daarna wordt een machtsfunctie gefit die ons een benadering van de gammawaarde weergeeft. Deze hebben we nodig om de 5 tussenliggende grijswaarden te kunnen berekenen om een MPRT meting te kunnen doen.
Figuur 52: De minolta luminantiemeter
69
B.
Bepaling van de temperatuur
Aangezien responstijden sterk afhankelijk zijn van de temperatuur van het panel is de temperatuur ook een parameter die moet vermeld worden bij een meting. Verschillende metingen werden dan ook uitgevoerd in een regelbare temperatuurkamer. Voor de exacte bepaling van de temperatuur werd gebruik gemaakt van een infraroodcamera.
Figuur 53: Regelbare temperatuurkamer met Flir infrarood camera
Thermografie is een techniek waarbij een camera wordt gebruikt die infraroodbeelden en – metingen maakt om de thermische energie die een voorwerp uitstraalt te zien en te meten. Thermische energie of infraroodenergie is licht dat niet zichtbaar is omdat de golflengte ervan te lang is om door het menselijk oog te worden opgemerkt. Het is dat deel van het elektromagnetisch spectrum dat we waarnemen als warmte. Anders dan zichtbaar licht, stralen in de infraroodwereld de objecten die warmer zijn dan het absolute nulpunt warmte uit.
C.
Analyse van de metingen
We bekijken enkele overgangen en convoluties om te zien hoe het display reageert. Het is echt noodzakelijk om te weten te komen wat we meten, zodat we weten of ons meting correct is al dan niet.
D.
Bepaling van de 42 BET-waarden
E.
Berekenen van de MPRT 70
2.
Het High-bright display
Het High-bright display werd specifiek ontwikkeld voor gebruik in situaties waar omgevingslicht sterk kan storen. Een display dat veel licht kan uitsturen is zelfs bij zonlicht nog leesbaar. Doordat dit type display zo veel licht uitstraalt en we altijd op volle lichtsterkte meten (om temporele effecten te wijten aan backlight modulatie uit te schakelen) is dit type display voor onze hardware een randgeval. De autogainfunctie zal het signaal sterk verzwakken om niet buiten het gebied van de ADC te gaan.
Figuur 54: Het Barco high-bright-display
A.
Bepaling gamma
Figuur 55: Gamma high-bright-display
71
We vinden dus een gamma van 2,11 wat leidt tot volgende grijswaarden :
Grijswaarden Y0 0 Y1 42 Y2 76 Y3 114 Y4 158 Y5 205 Y6 255 Tabel 4: Grijswaarden van het high-bright-display
B.
Bepaling temperatuur
Figuur 56: Temperatuur van het high-bright-display
C.
Transitieverschijnselen
Op het transitieverschijnsel weergegeven in figuur 6, zien we op dat de overgang niet vloeiend verloopt, namelijk zijn er piekjes die naar beneden gaan. Dit verschijnsel noemt men PWM. De PWM is bij dit type display niet volledig uitgeschakeld door enkel de helderheid van het display en de contrastratio op 100% te zetten. Pulsbreedtemodulatie (PWM) is een modulatietechniek die gebruikt wordt om de dimming van de backlight te regelen. Men kan de helderheid van backlight regelen door meer of minder stroom door de lampen te sturen, maar meestal wordt een PWM sturing gebruikt. Door PWM kan men de helderheid regelen door de verhouding aan te passen tussen de aanen aftijd van de lampen. De lampen worden bij PWM snel genoeg aan en af-geschakeld, zodat het oog de flikkering niet ziet. We zien dat de duty-cycle wel naar de 100% gaat. Stel dat we de herlderheid lager instellen, dan zullen we zien dat de duty-cycle verkleint .De PWM werkt hier dus aan een frequentie van 240 Hz.
72
Figuur 57: transitie van Y0 naar Y6
Figuur 58: Convolutie van de transitie van Y0 naar Y6
73
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
41.82
42.28
40.60
37.03
31.28
23.54
Y1
25.80
0.00
39.19
39.31
35.43
30.78
23.20
Y2
23.02
32.36
0.00
36.72
34.27
28.25
22.67
Y3
22.83
29.24
35.20
0.00
31.01
28.83
23.14
Y4
22.27
28.64
32.90
32.48
0.00
27.46
22.27
Y5
23.10
28.23
31.49
33.33
31.47
0.00
22.91
Y6
23.99
27.73
31.90
32.96
31.28
29.97
0.00
Tabel 5: blurred edge time van het high-bright-display
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 59: De 3D-chart van het high-bright-display
De MPRT is dus gelijk aan 37.86, wat eerder aan de grote kant is. Dit type display wordt dan ook gebruik voor doeleinden waar snelheid geen bepalende factor is.
74
3.
Het Medical-3MP display
Typisch aan displays voor de medische wereld zijn een hoog niveau van detail en nauwkeurigheid. Snelheid is in dit display echter nog geen belangrijke factor, daar het nu slechts gebruikt wordt voor statische beelden. Wel belangrijk zijn een heel hoge resolutie en grote lichtoutput om onder alle omgevingsomstandigheden een heel duidelijk beeld te hebben.
Figuur 60: Het Medical 3MP display
A.
Bepaling gamma
Figuur 61: gamma van het medical 3MP display
75
We vinden dus een gamma van 2,7 wat leidt tot volgende grijswaarden :
Grijswaarden Y0 0 Y1 62 Y2 99 Y3 136 Y4 175 Y5 215 Y6 255 Tabel 6: Grijswaarden van het medical 3MP display
B.
Bepaling temperatuur
Rekening houdend dat er voor het display een glazen behuizing zit, waardoor de gemeten temperatuur lager is dan de werkelijke temperatuur.
Figuur 62: Temperatuur van het medical 3MP display
76
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 63: transitie van Y0 naar Y4 van het medical 3MP display
Figuur 64: convolutie van de transitie van het medical 3MP display
77
De rimpel die we dit keer zien is geen gevolg van PWM. We kunnen dit als volgt bewijzen: Door de rimpel van het signaal samen met de verticale synchronisatiepuls te meten op 2 plaatsen van het display zien we dat die rimpel niet het gevolg kan zijn van PWM, deze verloopt namelijk tegenover de verticale synchronisatiepuls indien we de fotodiode verticaal over het display bewegen. (Met verticaal bewegen bedoelen we verticaal bewegen in landscape mode of horizontaal bewegen in portrait mode.) Dit kan men duidelijk zien op onderstaande figuren.
Figuur 65: rimpel en Vsync voor de fotodiode geplaatst bovenaan het display
Figuur 66: rimpel en Vsync voor de fotodiode geplaatst onderaan het display
78
De rimpel die we zien is het gevolg van inversie: In vloeibare kristallen pixel cellen is het enkel de amplitude van de aangelegde spanning die bepaald hoeveel lichttransmissie er is. Om polarisatie (en snelle permanente schade) van het vloeibaar kristallen materiaal te vermijden wordt de polariteit van de celspanning omgekeerd met de framerate.
Jammer genoeg is het enorm moeilijk om een perfect gelijke spanning te krijgen over de cel voor beide polariteiten, zodat de pixel-cel helderheid neiging zal hebben om wat te flikkeren aan de halve framerate. Mochten we de polariteit van het hele display inverteren in één keer, dan zou de flikker enorm opvallen. Daarom is het de gewoonte om de polariteit van aanliggende pixels in antifase te houden, zodat de flikker weggewerkt wordt over gebieden met een significante grootte. Zo kan de flikker onzichtbaar zijn voor de meeste “natuurlijke” beelden.
Figuur 67: Inversie patronen
We kunnen nu het display testen door met een testpatroon dat enkel één polariteitshelft van het inversiepatroon exciteert. We hebben dat dan ook gedaan en gezien dat het display RGB sub-pixel dot-inversie gebruikt. http://www.techmind.org/lcd/dotinvrgb.html
Ook merken we dat bij dit display de flikker veel sterker is dan op andere geteste displays, wat zou kunnen betekenen dat de common-elektrode spanning niet goed ingesteld staat.
79
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
24.33
25.24
25.26
24.22
23.06
20.24
Y1
14.40
0.00
25.03
25.18
24.39
23.20
20.15
Y2
14.78
19.66
0.00
24.62
23.99
22.89
19.99
Y3
14.99
18.31
21.65
0.00
23.33
22.58
19.57
Y4
15.15
17.66
20.40
22.17
0.00
22.13
19.20
Y5
15.46
17.43
19.78
21.34
22.10
0.00
19.18
Y6
15.88
17.62
19.45
21.05
21.83
21.90
0.00
Tabel 7: Blurred Edge Time tabel van het medical 3MP display.
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 68: De 3D-chart van het medical 3MP display
De MPRT is dus gelijk aan 25.92, wat relatief traag is. Deze displays worden veelal gebruikt voor medische diagnose waar snelheid nog geen belangrijke parameter is.
80
4.
De Barco LCD-projector
Om een projector te kunnen meten maken we gebruik van een rearprojectiescherm waar we ons fotodiode op kunnen monteren.
Figuur 69: De Barco LCD-projector met rear-projectiescherm
Werking: LCD-projectoren werken met 3 afzonderlijke LCD-panelen, namelijk één voor rood één voor groen en één voor blauw. Deze staan in een projector opgesteld tegenover elkaar rond het optisch hart namelijk het prisma. Het licht geproduceerd door de lichtbron wordt door middel van kleurfilters gepolariseerd en gesplitst in de drie basiskleuren. Ze gaan dan elk door een van de LCD-panelen. Het samenstellen van de 3 aparte beelden geschiedt in het prisma dat ervoor zorgt dat de 3 lichtstralen netjes op elkaar gelegd worden en via de lens op het display geprojecteerd worden.
81
Figuur 70: werking LCD projector
A.
Bepaling gamma
In de OSD van de projector is de gamma af te lezen deze is gelijk aan 1.9 wat leidt tot volgende grijswaarden :
Grijswaarden Y0 0 Y1 34 Y2 66 Y3 105 Y4 149 Y5 200 Y6 255 Tabel 8: grijswaarden van de Barco LCD projector
B.
Bepaling temperatuur
Een temperatuurmeting op de LCD’s van de projector werd niet uitgevoerd. Wel weten we dat het LCD-panel dat door het rood licht beschenen wordt warmer zal worden dan de andere omdat bij deze golflengte meer energie in warmte omgezet wordt dan bij de andere basis kleuren.
82
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 71: Transitie van Y0 naar Y6 voor de Barco LCD projector
Figuur 72: Convolutie van de transitie van de Barco LCD projector
Op figuur 71 is duidelijk te zien dat de projector een gepulste lamp als lichtbron gebruikt. Na de convolutie krijgen we een volledig egale curve.
83
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
12.66
13.33
13.62
13.74
14.82
16.15
Y1
12.43
0.00
13.22
14.07
14.43
15.23
16.02
Y2
12.85
13.78
0.00
15.71
15.46
15.73
16.21
Y3
12.91
13.03
14.49
0.00
17.29
16.79
16.87
Y4
12.79
13.35
13.24
16.48
0.00
19.61
18.06
Y5
12.52
13.26
13.57
14.43
17.93
0.00
21.42
Y6
12.85
13.01
13.49
14.67
16.13
19.99
0.00
Tabel 9: blured edge time tabel van de Barco LCD projector
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 73: De 3D-chart van de Barco LCD projector
84
De MPRT is dus gelijk aan :
Kleur
MPRT
Wit
18.68
Rood
18.48
Groen
19.31
Blauw
19.17
Tabel 10: MPRT waarden van de Barco LCD projector
Uit de metingen zien we dat de projector behoorlijk snel is en dat de MPRT voor rood het snelst is. Ook dit was te verwachten aangezien de responstijden meestal beteren in functie van de paneltemperatuur.
85
5.
Een tweede LCD-projector
Om een vergelijking te kunnen maken meten we nog een tweede LCD-projector op. Barco vroeg expliciet om naam en type van deze projector niet in de thesis te vermelden.
Figuur 74: LCD-projector
A.
Bepaling gamma
Figuur 75: gamma andere LCD projector
86
We vinden dus een gamma van 1.45 wat leidt tot volgende grijswaarden : Grijswaarden Y0 0 Y1 19 Y2 43 Y3 79 Y4 127 Y5 185 Y6 255 Tabel 11: grijswaarden van de andere LCD projector
B.
Bepaling temperatuur
Een temperatuurmeting op de panels van de projector werd niet uitgevoerd. Wel weten we dat het panel dat door het rood licht beschenen wordt warmer zal worden dan de andere omdat bij deze golflengte meer energie in warmte omgezet wordt dan bij de andere basis kleuren.
C.
Transitieverschijnselen
Bij een transitie van Y0 naar Y2 zien we volgend verschijnsel:
Figuur 76: Transitie van Y0 naar Y2 voor andere LCD projector
Ook hier filtert de convolutie de piekjes er mooi uit :
87
Figuur 77: Convolutie van de transitie van de andere LCD projector
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
22.81
21.21
17.87
15.48
14.01
13.14
Y1
14.43
0.00
19.30
16.46
16.11
13.70
13.33
Y2
13.55
17.64
0.00
17.60
16.79
14.16
13.82
Y3
14.32
17.89
20.38
0.00
18.22
14.40
13.68
Y4
14.76
17.83
19.43
19.70
0.00
14.57
13.16
Y5
14.40
18.85
20.51
21.40
18.78
0.00
12.31
Y6
14.43
18.93
20.96
21.56
19.18
14.36
0.00
Tabel 12: blured edge time tabel van de andere LCD projector
88
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 78: De 3D-chart van de andere LCD projector
De MPRT is dus gelijk aan : Kleur
MPRT
Wit
20.99
Rood
21.17
Groen
21.37
Blauw
26.57 Tabel 13: MPRT waarden van de andere LCD projector
Uit de metingen zien we dat de projector iets minder snel is dan de Barco LCD projector en dat de MPRT voor rood terug het snelst is. Ook dit was te verwachten aangezien de responstijden meestal beteren in functie van de paneltemperatuur.
89
6.
Het Sony OLED-display
OLED staat voor Organic Light-Emitting Diode en zal in de nabije toekomst waarschijnlijk LCD’s vervangen in beeldschermen. OLEDs bestaan uit een organisch materiaal dat ingeklemd zit tussen 2 laagjes. Het organisch materiaal licht op wanneer er spanning op de 2 buitenste laagjes wordt gezet. Het organisch materiaal is geoptimaliseerd per kleur om een zo goed mogelijk gedrag te hebben. Door namelijk de samenstelling te veranderen, kan de kleur van het uitgezonden licht gecontroleerd worden. Het grote voordeel is dat elke molecule van deze laagjes licht kan geven. Bij traditionele LCD beeldschermen geeft niet het display zelf licht, maar licht het display op door middel van achtergrondverlichting.
Daardoor kunnen OLED-beeldschermen dan ook veel kleiner en dunner worden gemaakt. Ook is zoals eerder vermeld geen spiegel of lamp meer nodig, wat niet alleen scheelt in grootte van het apparaat maar ook in afgegeven warmte.
OLEDs hebben heel interessante mechanische eigenschappen, er is slechts een dun laagje organische stof nodig om een beeldscherm te vormen. Een beeldscherm hoeft hierdoor niet dikker te zijn dan enkele millimeters. Klemt met dit laagje tussen 2 flexibele lagen, dan kan men zelf een buigzaam of oprolbaar beeldscherm maken. Door het heel lage gewicht kan men ook draagbare of extreem grote beeldschermen maken.
Door de hoge emissie-efficiëntie zijn OLED beeldschermen heel helder en hebben ze een heel goed beeldcontrast. Omdat het beeldscherm een eenvoudige optische stack heeft, kan het een brede kijkhoek hebben. Het geeft ook een heel hoge reactiesnelheid, wat ideaal is voor bewegende beelden.
Als
groot
nadeel
heeft
de
OLED
technologie
een
beperkte
levensduur.
Het
halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt is gevoelig voor lucht, vocht en stof, die degradatie en donkere vlekken veroorzaken.
Door gebruik te maken van OLED gaan we dus bij ons metingen een veel snellere responstijden hebben zodat de MPRT praktisch enkel nog afhankelijk zal zijn van de refreshrate. Zoals reeds vermeld, draagt het sample-and-hold echter ook bij tot de motion blur.
90
Dus zal zelfs een quasi oneindige snelle OLED toch nog blur vertonen. Dit is de reden waarom we in de metingen hieronder zullen zien dat het beeld 50% van de tijd op zwart staat: deze “black field insertie” vermindert het sample-and-hold effect.
Figuur 79: Sony OLED-display
A.
Bepaling gamma
In de OSD is de gamma af te lezen, deze is gelijk aan 2.2 wat leidt tot volgende grijswaarden :
Grijswaarden Y0 0 Y1 45 Y2 79 Y3 118 Y4 161 Y5 206 Y6 255 Tabel 14: grijswaarden van de Sony OLED-display
B.
Bepaling temperatuur
De temperatuur hebben we hier niet gemeten omdat de infraroodtemperatuurmeter meestal door mensen van Barco in gebruik was. Wel hebben we het display een tijd laten opwarmen.
91
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 80: Transitie van Y0 naar Y4 van het Sony OLED-display
Figuur 81: Convolutie van de transitie van het Sony OLED-display
92
Figuur 29 toont een transitie van Y0 naar Y4. De black field insertie is duidelijk zichtbaar. De responstijd van OLED’s is veel sneller dan bij de traditionele LCD displays. De 10-90 % waarden voor de convolutie zitten tegen het minimum voor een 120 Hz display. Dit leidt uiteraard tot een kleine Blurred Edge Time waarden en een kleine MPRT waarde.
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
6.45
6.83
6.91
6.93
7.20
7.37
Y1
6.21
0.00
6.93
6.97
7.02
7.22
7.39
Y2
6.85
6.91
0.00
7.06
7.04
7.29
7.45
Y3
6.91
6.93
7.02
0.00
6.99
7.47
7.74
Y4
6.95
6.97
7.04
6.97
0.00
9.11
9.40
Y5
7.06
7.04
7.08
7.12
7.29
0.00
9.61
Y6
7.04
7.04
7.04
7.04
7.08
7.14
0.00
Tabel 15: Blurred Edge Time tabel van de Sony OLED display
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 82: De 3D-chart van het Sony OLED display
93
De MPRT is dus gelijk aan : Kleur
MPRT
Wit
9.02
Rood
29.59
Groen
19.66
Blauw
24.05
Tabel 16: MPRT waarden van het Sony OLED display
Dit is dus een heel snel display dat dicht ligt bij zijn theoretisch minimum van 8.33. Ook merken we hier op dat de MPRT waarden voor rood groen en blauw veel groter zijn, dit is echter een fout in ons systeem omdat er eens soort van calibratie procedure in het display gebeurt. Dit kan men heel duidelijk zien door de convolutie van de transities af te beelden van Y0 naar Y4 voor rood,groen en blauw .
Figuur 83: Convolutie van de transitie voor het Sony OLED display
94
7.
Het avionics display
Bij de avionics displays is de hoge helderheid van belang om goedleesbaar te zijn bij zonlicht. Een hoge resolutie en precieze helderheid- en contrastcontrole zijn hier een must. Men maakt hier gebruik van een gepulste backlight op 180 Hz wat ten goede komt van de blured edge time. (Zie paragraaf 3.2). We zien ook andere types connectoren die specifiek zijn in de vliegtuig industrie.
Figuur 84: Het avionics display
A.
Bepaling gamma
Figuur 85: gamma avionics display
95
We vinden dus een gamma van 2,59 wat leidt tot volgende grijswaarden:
Grijswaarden Y0 0 Y1 59 Y2 95 Y3 133 Y4 172 Y5 213 Y6 255 Tabel 17: grijswaarden avionics display
B.
Bepaling temperatuur
De temperatuur hebben we hier niet gemeten omdat de infrarood temperatuurmeter meestal door mensen van Barco in gebruik was. Wel hebben we het display altijd een tijd laten opwarmen.
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 86: transitie van Y0 naar Y6 van het avionics display
96
We zien duidelijk dat hier gebruik werd gemaakt van een gepulste backlight. Hierdoor geeft de software een verkeerde waarde voor de responstijd weer. De convolutie en bijgevolg ook de blurred edge time zal echter wel correct worden berekend en minder groot zijn d.m.v. de gepulste backlight.
Figuur 87: Convolutie van de transitie van het avionics display
We zien dat 10-90 % stijgtijd van de convolutie wel nog correct gemeten wordt, maar door dat de responstijd van het panel redelijk groot is, is ook de Blurred edge time groot.
97
B.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
77.21
66.73
54.94
43.46
28.79
17.52
Y1
15.69
0.00
48.57
39.31
33.50
26.88
15.77
Y2
16.06
40.12
0.00
34.27
28.89
22.62
12.22
Y3
11.64
37.38
34.25
0.00
28.39
22.91
11.93
Y4
16.04
32.79
33.21
28.87
0.00
22.33
12.25
Y5
11.69
31.78
28.83
28.70
27.69
0.00
7.10
Y6
16.04
28.29
28.97
28.17
27.69
23.54
0.00
Tabel 18: blured edge time tabel voor het avionics display
C.
MPRT 3D-chart
Figuur 88: De 3D-chart van het avionics display
98
De MPRT is dus gelijk aan : Kleur
MPRT
Wit
35.81
Rood
39.60
Groen
40.19
Blauw
40.02
Tabel 19: MPRT waarden van de avionics Displays
Het is dus een redelijk traag display wat vooral het gevolg is van de trage responstijden van het panel.
99
8.
Het SMD-RDM248 display
Figuur 89: Het SMD display
A.
Bepaling gamma
Figuur 90: gamma SMD display
100
We vinden dus een gamma van 2,54 wat leidt tot volgende grijswaarden :
Grijswaarden Y0 0 Y1 57 Y2 93 Y3 131 Y4 171 Y5 212 Y6 255 Tabel 20: grijswaarden SMD display
B.
Bepaling temperatuur
Figuur 91: Temperatuur SMD display
101
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 82: Transitie van Y0 naar Y6 voor het SMD display
Figuur 93: Convolutie van de transitie van Y0 naar Y6
102
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y0
0.00
68.99
56.68
Y1
13.39
0.00
Y2
13.22
Y3
Y3
Y4
Y5
Y6
41.37
31.26
23.77
15.71
39.89
32.36
26.50
21.96
13.22
33.50
0.00
29.16
25.47
21.56
12.81
13.16
27.17
28.39
0.00
24.39
20.73
12.66
Y4
13.18
23.39
25.22
24.91
0.00
19.76
12.56
Y5
13.22
21.07
22.89
23.31
21.96
0.00
12.54
Y6
13.41
20.32
22.27
22.67
21.67
18.62
0.00
Tabel 21: blurred edge time tabel van het SMD display
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 94: De MPRT 3D-chart van het SMD display
103
De MPRT is dus gelijk aan : Kleur
MPRT
Wit
25.26
Rood
25.09
Groen
25.49
Blauw
25.72
Tabel 22: MPRT waarden van het SMD displays
Dit scherm heeft een gemiddelde snelheid, het wordt dan ook gebruikt voor tal van toepassingen.
104
9.
Het broadcast display
Broadcast displays dienen als referentie displays en worden gebruikt om op hoog niveau de kwaliteit beelden van een camera, postproductie, transmissie en opslag te evalueren. Deze worden bv gebruikt in productie studio’s.
Figuur 95: Het broadcast display (foto niet bindend)
A.
Bepaling gamma
De gamma van dit toestel is bekend, en is gelijk aan 2,2 wat leidt tot volgende grijswaarden :
Grijswaarden Y0 0 Y1 45 Y2 79 Y3 118 Y4 161 Y5 206 Y6 255 Tabel 23: grijswaarden broadcast display
B.
Bepaling temperatuur
De temperatuur hebben we hier niet gemeten omdat de infrarood temperatuurmeter meestal door mensen van Barco in gebruik was. Wel hebben we het display altijd een tijd laten opwarmen.
105
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 96: transitie van Y0 naar Y6 van het broadcast display
Figuur 97: Convolutie van de transitie van het broadcast display
106
We zien hier duidelijk terug PWM maar dan met dat verschil dat de frequentie waarbij deze PWM gebeurt veel hoger is dan bij gewone displays (frequentie ~4kHz ). Hier is dit mogelijk omdat we gebruik maken van een backlight die zijn licht produceert d.m.v. LED’s. D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
13.83
13.95
13.80
13.99
13.57
13.01
Y1
13.72
0.00
13.08
13.37
13.49
13.62
13.45
Y2
13.39
12.74
0.00
13.55
13.78
13.64
13.53
Y3
13.53
12.81
12.97
0.00
14.09
13.72
13.35
Y4
13.53
13.06
13.51
13.57
0.00
13.80
13.64
Y5
13.62
13.39
13.16
13.66
13.74
0.00
13.59
Y6
13.76
13.70
13.43
13.43
13.45
13.72
0.00
Tabel 24: Bblurred edge time tabel van het broadcast display
E. MPRT 3D-chart
Figuur 98: De 3D-chart van het broadcast display
107
De MPRT is dus gelijk aan : Kleur
MPRT
Wit
16.94
Rood
16.85
Groen
16.86
Blauw
16.70
Tabel 25: MPRT waarden van het broadcast displays
Uit de metingen zien we dat het display behoorlijk snel is en dat de MPRT-chart vlak is. Dit wijst dus ook op behoorlijk gelijke responstijden op alle transities.
108
10.
Een commercieel Dell display
Als laatste meting bekijken we eens een display die niet voor professionele gebruikers gemaakt is maar wel zijn doel vindt in de consumentenmarkt waar applicaties zoals games en films ook veel worden gebruikt. Vaak worden zo’n displays beschreven met een bepaalde reactietijd, contrastverhouding, en helderheid die we (blijkt uit onze metingen) met een korreltje zout mogen opnemen.
Voor dit display hebben we volgende specificaties : Reactietijd, helderheid en contrastverhouding : 5ms / 300cd/m2 / 800:1
Figuur 99: Dell display
109
A.
Bepaling gamma
Figuur 100: gamma Dell display
We vinden dus een gamma van 2,6 wat leidt tot volgende grijswaarden : Grijswaarden Y0 0 Y1 59 Y2 95 Y3 133 Y4 172 Y5 213 Y6 255 Tabel 26: grijswaarden Dell display
B.
Bepaling temperatuur
Figuur 101: Temperatuur Dell display
110
C.
Transitieverschijnselen
Figuur 101: transitie van Y0 naar Y6
Figuur 102: transitie van Y6 naar Y0
111
Figuur 103: transitie van Y0 naar Y5
Figuur 104: Convolutie van de transitie van Y0 naar Y5 van het Dell display
112
Op de bovenstaande figuren zien we een overgang van zwart naar wit, een overgang van zwart naar grijs en een overgang van wit naar zwart. We zien dat hier grote verschillen zijn in responstijd, bij de specificaties worden trouwens meestal enkel de responstijd van de zwartwit overgang opgegeven die soms nog uitgemiddeld is met de responstijd van een wit-zwart overgang. Het is natuurlijk niet toevallig dat deze de kleinste waarden zijn.
D.
Blurred Edge Time
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
26.65
27.29
27.69
28.08
26.75
12.52
Y1
12.52
0.00
23.02
24.35
24.82
24.95
12.16
Y2
12.56
15.11
0.00
22.60
23.79
23.95
11.27
Y3
12.56
13.78
18.41
0.00
23.29
23.29
11.29
Y4
12.56
13.84
17.16
21.25
0.00
23.25
12.81
Y5
8.99
11.29
17.10
20.59
24.12
0.00
12.76
Y6
12.56
14.34
19.86
22.04
23.83
26.86
0.00
Tabel 27: Blurred edge time tabel van het Dell display
113
E.
MPRT 3D-chart
Figuur 105: De 3D-chart van het Dell display
De MPRT is dus gelijk aan :
Kleur
MPRT
Wit
23.75
Rood
23.10
Groen
22.72
Blauw
22.62
Tabel 28: MPRT waarden van het Dell display
Uit de metingen zien we dat het display heel snel is voor zwart-wit of wit-zwart overgangen,maar veel trager voor de andere overgangen. Dit leidt dus niet tot een vlakke MPRT-chart in tegenstelling tot voorgaand gemeten broadcast display.
114
VI. Conclusie De doelstelling om een volledige autonome MPRT-meetopstelling te ontwikkelen werd succesvol behaald. Het systeem is dan ook in staat om in enkele minuten een volledige analyse van de responstijd-eigenschappen van een LCD-panel uit te voeren. Via een 3Dweergave kan men in één oogopslag een indruk van de prestaties van het scherm verkrijgen. We hopen dan ook dat Barco met dit resultaat tevreden is en dat het meetsysteem voor hen nuttig kan zijn.
Dit project was voor ons een grote uitdaging en een leerrijke ervaring. Bij het realiseren van deze thesis werd dan ook heel wat praktijkervaring opgedaan. Allerhande onvoorziene problemen door onze minieme ervaring met hard- en software kwamen aan bod.
We hopen nog vaak terug te denken aan de periode dat we bij Barco doorbrachten. De thesis vergde veel inzet, maar toch houden we er goede herinneringen aan over.
115
Bijlage A
116
117
Bijlage B
118
User’s Guide The MPRT Measurement Tool
119
Users Guide v 1.0
Inhoud
Introductie___________________________________________________ 3
MPRT measurement tool overzicht _______________________________ 4
Instellingen __________________________________________________ 4
Metingen ____________________________________________________ 5 Transitie tussen 2 toestanden meten __________________________________ 5 Volledige MPRT meting __________________________________________ 6
Plotten van de resultaten________________________________________ 7 Plotten van een transitie ___________________________________________ 7 Plotten van de 3D-chart____________________________________________ 8 Creëren van het rapport van de meting ________________________________ 9
120
Introductie De MPRT Measurement Tool is ontworpen om een display of projector zo goed mogelijk te kunnen karakteriseren op gebied van snelheid.
Via deze tool is het vrij gemakkelijk om zowel de responstijd tussen 2 toestanden alsook de MPRT (Moving Picture Response Time) van het scherm snel te bepalen.
Door gebruik te maken van deze tool en te kijken naar fenomenen die men met het blote oog niet kan zien, zal men een beter zicht krijgen over de prestaties display en/of projector. Deze gebruiksaanwijzing zal duidelijk maken wat u allemaal nodig hebt om deze tool te runnen, welke stappen men hiervoor moet volgen en welke belangrijke functies deze tool biedt. Merk wel op dat deze tool nog in zijn kinderschoentjes staat en dat Moving Picture Response Time nog geen standaard is. Iedere meting wordt best met een korreltje zout bekeken, door eens grondig te analyseren wat de tool eigenlijk weergeeft. Hiervoor is voldoende functionaliteit voorzien.
Systeemvereisten Om gebruik te kunnen maken van de MPRT measurement tool moet men beschikken over een PC waar men lokaal het MPRT measurement tool kan op draaien en de videogenerator die de metingen zelf uitvoert, u moet daarvoor minimum beschikken over : -
Besturingssysteem: Windows 95/98/XP/Vista/NT Netwerkverbinding: Zowel de PC waar de GUI op draait als de plaats waar het videogeneratorbord staat moet aangesloten worden op een gemeenschappelijk netwerk.
121
Hoofd menu
Figuur 14 : MPRT measurement tool Hoofdmenu
Settings
Gebruik het Settings menu om de netwerkinstellingen te configureren al vorens een meting te starten. Measurement
Gebruik het Measurement menu om de meting zelf te starten, u kan kiezen voor het meten van een transitie naar keuze of voor het opmeten en berekenen van de MPRT van het display. Tevens is ook de mogelijkheid voorzien om een full range (256x256) responstijdmeting uit te voeren. Plot
Gebruik het Plot menu om de gemeten resultaten weer te geven, u kan kiezen uit de 42 transities, de convolutie van die transities, De MPRT 3D-chart of een rapport van de meting. Help
Gebruik het Help menu om iets meer te weten over deze software.
122
MPRT Measurement Tool Overzicht 1.
Instellingen
De MPRT Measurement Tool maakt gebrik van TCP/IP als communicatiekanaal, daarom dient het IP-adres en poortnummer van het videogeneratorbord correct te worden opgegeven. Dit kan ingesteld worden onder het menu Settings -> TCP/IP :
Figuur 15 : Settings TCP/IP
Bij het verkeerd in geven van deze gegevens zal men volgende foutmelding krijgen :
Figuur 16 : Foutmelding
Indien men deze foutmelding krijgt kan men best kijken of het videogenerator bord wel degelijk opgestart is en goed verbonden is met het netwerk.
123
2.
Metingen
Om metingen uit te voeren kan men kiezen uit een overgang tussen 2 op te geven toestanden en uit een volledige MPRT meting.
2.1
Transitie tussen 2 toestanden
Figuur 17 : Transitie tussen 2 toestanden
Hier kan men een transitie opmeten tussen twee op te geven RGB waarden, al dan niet voorafgegaan van een “autogain“ calibratie. Bij het aanvinken van de autogain functie, wordt voor elk analoog signaal afkomstig van de fotodiode, de grootst mogelijke versterking gekozen, waarbij het signaal nog binnen het bereik van de ADC valt.
Bij het invullen van twee correcte RGB waarden, wordt de startknop actief en kan men overgaan op de feitelijke meting. Eens de meting gedaan is komt deze transitie samen met zijn convolutie automatisch op het scherm. De samplewaarden (ruwe data) zelf zijn ook beschikbaar in de file transitie.txt die gecreëerd werd in de zelf de map als het programma.
124
2.2
Volledige MPRT meting
Figuur 18 : MPRT meting
Bij een volledige MPRT-meting kan men kiezen tussen een meting met grijswaarden of een meting in een basiskleur. Wanneer men voor alles kiest wordt iedere meting afzonderlijk na elkaar uitgevoerd. De gamma-waarde van het te meten scherm of projector dient te worden opgegeven. Op deze manier worden de correcte tussenliggende waarden berekend (volgens de MPRT standaard), waartussen de overgangen gemeten worden. Ook hier is het mogelijk de autogainfunctie aan te vinken. Indien men dan op Send klikt wordt de meting uitgevoerd en worden de ruwe datasamples opgeslagen onder de files reeksgrijs.txt, reeksrood.txt, reeksgroen.txt, reeksblauw.txt, deze files kan men dan terugvinden in dezelfde directory waar het programma staat. Eens de meting gedaan is sluit het Measure MPRT venster zich automatisch en kan men het plot menu gebruiken.
125
3.
Plot
3.1
Plot Transition
Om één enkele overgang uit de volledige MPRT-meting weer te geven, kiezen we tussen de 7 begintoestanden en de 7 eindtoestanden, en de kleuren die men wil weergeven.
Figuur 19 : Plotten van een transitie
Men kan kiezen om de gewone responscurve weer te geven of voor de convolutie van de respons. Dit kan men doen door het convolutievakje aan te vinken. Eens we op OK klikken zien we de overeenkomstige respons. Via de muis is het mogelijk om voor elk punt een tijdsaanduiding te verkrijgen.
Figuur 20 : Voorbeeld van een transitie plot
126
3.2
De 3D-chart
De 3D-chart kan men weergeven door plot->3Dchart te klikken, indien men dit doet krijgt men de 3D-chart voor de 42 grijsovergangen te zien. Ieder blokje komt overeen met de overgang tussen de begintoestand op de x-as en de eindtoestand op de y-as. De hoogte van het blokje komt dan overeen met de Blurred Edge Time van het respectievelijke overgang.
Figuur 21 : Voorbeeld van een 3D-chart
De eigenlijke MPRT-waarde komt overeen met het wiskundig gemiddelde van de 42 EBET’s (EBET = BETx1,25). Deze waarde is af te lezen boven de figuur. Indien men een blokje niet goed kan lezen kan men door rechts te klikken de figuur roteren. Men kan ook de 3D-grafiek zien van rood, groen of blauw door rechts te klikken en dan te klikken op het overeenkomstig kleur.
127
3.3
Creëren van een rapport van de meting
Door te klikken op plot->Rapport kan men automatisch een HTML-rapport van het gemeten toestel genereren. We hoeven daarvoor enkel het type scherm op te geven samen met de temperatuur van het panel en de omgevingstemperatuur. De verkregen tabellen kunnen gemakkelijk gekopieerd worden naar Excel om bijkomende bewerkingen op te doen.
Figuur 22 : Creëren van een Rapport
Rapport: Te meten scherm Temperatuur Panel: 40 °C Temperatuur Omgeving: 20 °C MPRT: 17.42
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
16.36
14.76
14.57
14.67
14.13
13.37
Y1
13.97
0.00
13.62
13.95
14.03
14.09
13.82
Y2
13.39
12.89
0.00
13.97
14.51
14.09
13.93
Y3
13.72
12.97
13.26
0.00
14.57
14.20
13.93
Y4
13.76
13.26
13.53
13.76
0.00
14.30
14.03
Y5
13.80
13.62
13.41
13.97
14.09
0.00
13.93
Y6
13.95
13.80
13.70
13.80
13.62
14.20
0.00
128
MPRT: 17.43
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
16.71
14.51
14.65
14.49
14.72
14.11
Y1
13.45
0.00
13.59
14.65
14.24
14.30
14.26
Y2
13.76
12.81
0.00
13.72
13.39
14.24
14.13
Y3
13.78
12.79
13.03
0.00
14.45
14.26
13.99
Y4
13.66
13.18
13.76
13.68
0.00
14.57
14.05
Y5
13.72
13.49
13.49
13.89
13.30
0.00
13.99
Y6
13.80
13.76
13.35
13.66
13.91
14.22
0.00
MPRT: 17.50
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
15.98
15.05
14.53
14.69
14.40
13.95
Y1
13.57
0.00
13.80
14.43
14.24
14.22
14.18
Y2
13.91
12.83
0.00
14.20
14.47
14.22
14.34
Y3
13.66
12.52
13.20
0.00
14.47
14.51
14.09
Y4
13.74
13.24
13.62
13.80
0.00
14.16
14.16
Y5
13.76
13.66
13.35
13.84
13.95
0.00
13.84
Y6
13.93
13.93
13.62
13.82
13.97
14.05
0.00
MPRT: 17.40
Blurred Edge Time Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y0
0.00
14.53
16.27
14.36
14.28
13.89
13.68
Y1
13.89
0.00
15.38
13.43
14.07
13.84
13.78
Y2
13.72
12.97
0.00
13.91
14.18
14.01
13.89
Y3
13.80
12.89
13.30
0.00
14.49
14.09
13.72
Y4
13.64
13.16
13.66
13.76
0.00
14.51
13.91
Y5
13.72
13.55
13.30
13.91
14.01
0.00
14.18
Y6
13.89
13.84
13.66
13.68
13.78
14.28
0.00
Figuur 10 : Voorbeeld van een MPRT Rapport
129
Bibliografie [1]
Wen Song, Xiaohua Li, Yuning Zhang, Yike Qi, Xiaowei Yang, “Motion-Blur characterization on liquid-crystal displays”, SID Symposium Digest 16/05, 2008.
[2]
Jun Someya, Hiroaki Sugiura, “Evaluation of liquid-crystal-display motion blur with moving-picture response time and human perception”, SID Symposium Digest 15/01, 2007.
[3]
J. Lee, T Jun, J. Lee, J han, Jun H. Souk, “Advanced Motion Artifact Analysis Methods in FPDs”, SID Symposium Digest, 2006
[4]
B.-w. Lee, K. Song, D.-j. Park, Y. Yang, U. Min, S. Hong, C. Park, M. Hong and K. Chung, “Mastering the Moving Image: Refreshing TFT-LCDs at 120Hz”, SID Symposium Digest, 2005
[5]
M. Anandan, “LED Backlight: Enhancement of picture quality on LCD screen”, SID Symposium Digest, 2006
[6]
Jun Somey, “Correlation between Perceived Motion Blur and MPRT Measurement”, SID Symposium Digest, 2005
[7]
T. Yamamoto, S. Sasaki, Y. Igarashi, Y. Tanaka, “Guiding principles for high-quality moving picture in LCD TVs”, SID Symposium Digest, 2006
[8]
M. V. Khazimullin, T. Borjoni, A. P. Krekhov and Yu. A. Ledebev, “Optical Response of Hybrid Nematic Liquid-Crystal Layer under the Oscillatory Shear Stresses”, 1999
[9]
J. P. Boeuf, “Plasma display panels: physics, recent developments and key issues”, 2003
[10] G. Vermeir, “Licht op grootheden”, 2003
130
