ZOBRAZOVACIE JEDNOTKY Základné určenie: umožňujú vizuálne zobrazenie informácií z počítačových alebo riadiacich systémov. Principiálna bloková schéma:
počítačový alebo riadiaci systém <- rozhranie zobraz.adaptéra
s riadiacim systémom (napr.ISA,SCSI v PC) video RAM
radič
<- zobrazovací adaptér
(napr.CGA,VGA v PC) <- rozhranie zobrazovacej jednotky
zobrazovacia jednotka (monitor)
Monitory Špecifikácia: Je to zariadenie (časť zariadenia), ktoré obsahuje obvody potrebné pre realizáciu zobrazenia požadovaných informácií cez príslušný zobrazovací prvok.
technickú
Princípy zobrazovania na zobrazovacích prvkoch: - rastrový lúč na zobr. prvku je postupne periodicky vychyľovaný v riadkoch, ktoré sú postupne vertikálne umiestňované po celej aktívnej ploche zobraz. prvku. Obraz sa vytvára jasovou moduláciou bodov v požadovaných miestach. - vektorový - lúč na zobr. prvku je vychyľovaný v smeroch vytvárania požadovaného zobrazovaného obrazca pri súčasnej jasovej modulácii lúča. Druhy zobrazovaných obrazcov: - monochromatický (čierno-biely, BW) - jasová modulácia iba v jednej farbe (sivá, oranžová, zelená) - farebný (RGB) - jasová modulácia je farebná, skladaná z 3 samostatných jasových lúčov vo farbách ČERVENÁ(R), ZELENÁ(G), MODRÁ(B)
Zobrazovacie prvky najčastejšie používané v PC: - obrazovka - LCD displej
Princíp obrazovky: V sklenenej banke vo vákuovom prostredí je umiestnený systém elektród, ktorý emituje elektrónový lúč, ktorý zaostrovaný a vychyľovaný dopadá na fotocitlivú vrstvu na zobrazovacej ploche obrazovky, kde vytvára svetelný obrazec. Modulácia jasu - zmenou elektrického prúdu elektrónováho lúča (50 - 100 łA) Ostrenie
- elektrostatické - elektromagnetické (málo používané)
Vychyľovanie- elektrostatické (pri vektorovom zobrazovaní) - elektromagnetické (pri rastrovom zobraz.) Dosvit obrazovky: - krátky (v µs) - zväčša tam, kde sa sníma aktuálna poloha lúča (napr. svetelným perom) - stredný (do 100 ms) - väčšina zobrazovacích jednotiek zobrazujúcich obraz v reálnom čase (monitory, televízory) - dlhý (rádovo sekundy) - pamäťové obrazovky pomalých dejov (riadiace systémy v lekárstve, radary a pod.) Tvorba farebného obrazu: 3 samostatné systémy tvorby elektrónových lúčov vyrábajú lúče, ktoré sú zaostrované a vychyľované tak, aby na celej ploche obrazovky dopadali vždy na spoločné miesto. Lúč je prepúšťaný cez masku, ktorá pre každú farbu lúč prepúšťa na plôšku príslušného farabného luminoforu. Obraz je vnímaný optickým klamom, že z určitej vzdialenosti oko nedokáže rozoznať malé farebné plôšky samostatne. Farba je vytváraná intenzitou svietivosti jednotlivých farebných bodov voči sebe v príslušnom bode na obrazovke. Používané systémy: - delta - farebný bod je vytvorený RGB plôškami umiestnenými v tvare rovnostranného trojuholníka - jemnejšia bodová štruktúra. - in-line - farebný bod je vytvorený RGB plôškami umiestnenými vedľa seba v riadku (na obrazovke zvislé pásiky pre jednotlivé farby) - výrobne menej náročný. Konvergencie - presnosť dopadu všetkých 3 farebných lúčov na spoločné miesto na tienidle obrazovky Čistota farieb - rovnomernosť farebného jasu na celej ploche obrazovky pri nemennej modulácii jasu Rozlišovacia schopnosť - priemer zobrazovaného jasového bodu na tienidle obrazovky. Udáva sa v mm (0.39,0.31,0.28,...) Vychyľovací uhol - maximálny uhol vychýlenia elektrónového lúča voči jeho poočiatočnému smeru (smeru osi obrazovky). Býva 90, 120 stupňov (väčší - kratšia obrazovka). Udáva sa v smere uhlopriečky. Prekrývanie (prepletanie, interlace) - taký spôsob rastrového zobrazovania, že sa zobrazujú najprv nepárne, potom párne riadky Znížená radiácia (tiež filtre pred tienidlom obrazovky) Frekvencia horizontálnej a vertikálnej synchronizácie Polarita horizontálnej a vertikálnej synchronizácie Šírka pásma (zobrazovaného videosignálu) - maximálna frekvencia modulácie jasového signálu, pri ktorom nedochádza k výraznému
fázovému a zobrazenia
amplitúdovému
skresleniu
Ilustrácia
usporiadania
prvkov
v
klasickom
farebnom
CRT
1.Urýchlovač elektrónov (emitor) 2. Zväzky elektrónov 3. Ostriace doštičky 4. Vychyľovacie cievky 5. Pripojenie anódy 6. Maska pre oddelenie lúčov pre červenú, zelenú a modrú časť zobrazovaného obrazu 7. Fosforová vrstva s červenými, zelenými a modrými oblasťami 8. Detail fosforové vrstvy , nanesenej z vnútornej strany obrazovky Bočný pohľad
monitore:
LCD displej Pasívna a aktívna matica Malé monochromatické displeje obsahujú pasívnu maticu. Znamená to, že každý riadok resp. stĺpec má vlastný elektrický obvod. Pixely sú adresované súčasne adresou riadku alebo stĺpca. Nazývajú sa displeje s pasívnou maticou, lebo pixel musí ostať v požadovanom stave medzí dvoma stavmi bez prísunu konštantného napätia. Zvyšovaním počtu pixelov klesá možnosť výroby daného displeja. Typickými sú pomalšie odozvy a slabší kontrast. Moderné LCD televízory a monitory obsahujú aktívnu maticu. Polarizačným a farebným filtrom je priradený tranzistor (TFT). Keďže každý pixel má vlastný tranzistor, je možné pristupovať ku jednotlivým pixelom zvlášť. Displeje s aktívnou maticou sú oveľa ostrejšie a jasnejšie ako displeje s pasívnou maticou, majú rýchlejšie odozvy a produkujú lepší obraz. Technológia: TFT LCD displeja Vyrobiť TFT displej s aktívnou maticou je veľmi komplikovaná vec, ktorá by sa dala prirovnať k výrobe procesorov. Displeje sa skladajú z veľmi tenkých vrstiev skla, ktorých vzdialenosti musia byť presné a ku každému bodu je priradený tranzistor (odtiaľ TFT = Thin Film Transistor). Pretože tranzistorov je na moderných TFT displejoch mnoho v rádoch milióny, je výroba náročná a výťažnosť klesá s rastúcou uhlopriečkou.
Princíp funkcie TFT LCD displejov
Každý obrazový bod (teda pixel) je aktívne ovládaný jedným tranzistorom. Aby vznikol obraz, potrebujeme dve zložky – svetlo a farbu. Svetlo je zaistené podsvieťujúcimi katódami, ktoré sú u týchto displejov veľmi jasné. Primárne ide o svetlo a je na LCD technológii, aby vyprodukovala výslednú farbu. Akúkoľvek farbu môžeme zložiť z troch farebných zložiek – červenej, zelenej a modrej. A pre každú farebnú zložku každého pixelu existuje jeden tranzistor ovládajuci tekuté kryštály. Tekuté kryštály sú materiály, ktoré pod vplyvom elektrického napätia menia svoju molekulárnu štruktúru a vďaka tomu určujú množstvo prechádzajúceho svetla. Každý obrazový bod je ohraničený dvoma polarizačnými filtrami, farebným filtrom (pre červenú,zelenú alebo modrú) a dvoma vyrovnávacími vrstvami, všetko je vymedzené tenkými sklenenými panelmi.
1. Vertikálny filter na polarizovanie prichádzajúceho svetla 2. Sklenený substrát s elektródami. Tvar elektród určuje obrazec, ktorý sa zobrazí pri zapnutí/vypnutí LCD. 3. Twisted nematic tekuté kryštály 4. Sklenený substrát s horizontálnymi elektródami. 5. Horizontálny filter. 6. Reflexná vrstva na presmerovanie svetla k pozorovateľovi.
Tranzistor patriaci k obrazovému bodu kontroluje napätie, ktoré prechádza vyrovnávacími vrstvami a elektrické pole spôsobí zmenu štruktúry tekutého kryštálu a ovplyvní natočenie jeho časti.
Týmto spôsobom môžeme kryštál regulovať v niekoľko desiatkach až stovkách rôznych stavov a tak výsledný jas farebných odtieňov. Pretože sa obrazový bod skladá z troch farebných sub-pixelov, vznikajú tak státisíce až milióny rôznych farieb, aj keď tekuté kryštály stále nie sú presné, aby dokázali zobraziť 32-bitovu farebnú hĺbku, teda 16,777,216 farieb. Nasledovný obrázok zobrazuje sub-pixel LCD:
Ako bolo spomenuté skutočnosti sa každý pixel skladá s troch sub-pixelov. Tieto body sú usporiadane horizontálne na seba, a tak v prípade natívneho (prirodzeného) rozlíšenia displeja 1600 x 1200 je vedľa seba v skutočnosti 4800 sub-pixelov (viď obr.). Šírka týchto bodov musí byt samozrejme veľmi malá a pohybuje sa štandardne v rozmedzí cca 0,24-0,29 mm, u najvyspelejších panelov môže klesnúť až na 0,12mm. Rozptyl bodov takisto ovplyvňuje maximálne rozlíšenie pri danej uhlopriečke, a preto sa iba výnimočne objavujú malé monitory s vysokým rozlíšením.
Technológia uhlu pohľadu Existujú tri základne technológie výroby, ktoré majú rôzne vlastnosti ohľadom pozorovacích uhlov a zároveň ovplyvňujú i dobu odozvy displeja. Ide o technológie (okrem TN) TN+Film, ISP a MVA, ktoré si stručné predstavíme: Twisted nematic (TN) – popísaná vyššie. TN+Film - Táto najlacnejšia a najjednoduchšia technológia výroby je založená na technike Twisted Nematic (TN), ale naviac je na povrch displeja aplikovaná vrstva, ktorá zvyšuje pozorovacie uhly (horizontálne až 90°). Avšak prevažujú nevýhody – slabý kontrast a pomalá doba odozvy - výhodou môže byt snáď len lacná výroba. In-Plane Switching (IPS) - taktiež nazývaná Super-TFT. Technológia IPS od spoločnosti Hitachi je založená na zarovnaní tekutých kryštálov paralelne so substrátom. Najväčšou výhodou je uhol pohľadu až okolo 170°, ale na druhú stranu kvôli paralelnému usporiadaniu kryštálov je nutné umiestniť elektródy "hrebeňovite" na zadnú sklenenú plochu. Dôsledkom je nízky kontrast displeja a doba odozvy taktiež nie je najlepšia. Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) - pravdepodobne najlepšou technológiou výroby je tzv. Multi-Domain Vertical Alignment od Fujitsu. Široké pozorovacie uhly až okolo 160° sú zaistené použitím "výčnelku" (protrusions), ktoré, ako je zrejme z obrázku, taktiež čiastočné blokujú priechod svetla. Vďaka vertikálnemu usporiadaniu tekutých kryštálov sú pre zmenu zaistené skvelé doby odozvy, pretože natočenie netrvá tak dlho ako u TN alebo IPS. MVA je akýmsi kompromisom medzi technológiami výroby. PVA (Patterned Vertical Alignment) – vylepšená metóda MVA od firmy Samsung. Obsahuje tie isté problémy ako MVA, avšak dosahuje vysoké kontrasty až 3000:1. Výhody a nevýhody TFT LCD displejov Výhody Geometria, ostrosť - Vďaka presnému usporiadaniu jednotlivých pixelov prinášajú LCD monitory obraz s dokonalou geometriou, aké u CRT nie je možné dosiahnuť (nakalibrovať katódové delo k presnému premietaniu na rovinu nie je jednoduché). V natívnom (prirodzenom) rozlíšení tak isto nemôže dochádzať k rozmazávaniu, pretože pixel u výstupu z grafickej karty odpovedajú presne bodom na monitore. Obraz je teda čistý a ostrý, čo je veľký rozdiel hlavne u písma.
Jas - Podsvietenie displeja je vďaka katódam veľmi jasné a u kvalitnejších monitorov i dokonale rovnomerné. V porovnaní s CRT monitormi môžu byt LCD až dvakrát jasnejšie a hlavne večer LCD displej presvieti celu izbu. Veľkosť - V dnešnej dobe zaberie cca 20 cm do hĺbky kvôli podstavcu, ale samotný panel býva najviac 5cm hlboký, čo umožňuje jeho montáž aj na stenu. Spotreba - spotreba je oproti CRT polovičná a pohybuje sa do 50W. Nižšia spotreba samozrejme súvisí i s vyžarovaným teplom, takže podsvetľovacie katódy hrejú podstatne menej než katódové delo. Štýl - Vďaka slušným pozorovacím uhlom IPS čí MVA je možné použiť LCD monitory i pre prezentácie, kam sa svojim vzhľadom hodia. Viditeľná plocha - udávaná uhlopriečka je omnoho bližšie skutočnej veľkosti než u katódových monitorov. Preto mažme 17-palcove LCD zrovnávať približné s 18-19" CRT monitorom. Nevýhody Interpolácia - Ako bolo spomenuté vyššie, LCD monitory disponujú určitým natívnym (prirodzeným) rozlíšením, ktoré udáva počet pixelov. Problém nastáva, ak pri použití iného rozlíšenia. Pri zmene rozlíšenia dochádza k tzv. interpolácii, kedy sa obraz roztiahne na celu plochu a dochádza k rozmazaniu, takže výsledok vypadá hrozivo, hlavne v prípade textu. Jediný prípad, kedy ide "beztrestne" znížiť rozlíšenie je u veľkých monitorov, kde môžete s rovnako kvalitným výsledkom prezentovať napr. 1600x1200 a 800x600 (jeden pixel reprezentuje 2x2 body). Tento jav je nepríjemný napríklad v hrách, kedy s neveľmi výkonnou grafickou kartou nie je možné spustiť náročné hry v natívnom rozlíšení monitoru a obraz je teda rozmazaný. Doba odozvy - Než sa kryštály naorientujú zo stavu, kedy prepúšťajú všetko svetlo do stavu "zavretého", musia prejsť molekulárnou zmenou, ktorá trvá určitý čas. Tu nazývame dobou odozvy a udáva dobu prechodu pixel z čiernej na bielu. Na začiatku boli hodnoty ozaj neprijateľné, ale u nových LCD monitorov sa dostavajú na dobu 2ms. Vysoká doba odozvy je na škodu predovšetkým vo filmoch a akčných hrách, kde sa následné objavujú duchovia. Pozorovacie uhly - Tento zápor už nie je v dnešnej dobe tak aktuálny ako na začiatku vývoja, ale aj tak sú obmedzene pozorovacie uhly občas nepríjemné. Tato vlastnosť tekutých kryštálov môže spôsobiť napr. farebne anomálie, kedy pod vplyvom zlého uhla pohľadu dôjde k zakresleniu farieb na niekoľko blízkych odtieňov. U menej kvalitných LCD displejov takisto nastáva problém, keď chce monitor sledovať viac ľudí, pretože s iným pozorovacím uhlom klesá kontrast a menia sa farby. Vadné pixely - Na LCD monitoroch sa vyskytuje spravidla 3,9 miliónov bodov (1280x1024 x 3 farebne zložky) a stáva sa, že nie sú všetky riadiace tranzistory v poriadku. V prípade, že je niektorý s pixelov vadný, je buď trvalo rozsvietený, alebo zhasnutý, čo môže byt na obtiaž. S takto mŕtvym bodom nie je možné nič spraviť. Farby - Aj keď je u všetkých LCD avizovaná podpora 32-bitovych farieb, nikdy takej hĺbky nedosiahnete. Tekuté kryštály proste nie sú schopne realisticky reprodukovať všetkých 16,7 milióna farieb a tým im chyba sýtosť. Opát záleží na výrobcovi, niektorí dôkazu vyrábať monitory s veľkým farebným rozpätím, iný majú farby bledé nič nehovoriace. Kontrast - Kontrast je jedným z faktorov určujúcu kvalitu monitoru. V prípade, že sú všetky tri farebné zložky zhasnuté, mala by byť zobrazená čierna, avšak s ohľadom na jas podsviecujúcich katód a na fyzikálne vlastnosti tekutých kryštálov tomu tak vždy nie je. Iba vysoko-kontrastne monitory majú schopnosť zobraziť ozajstnú čiernu.
