Характеристики ЖК-мониторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тип матрицы, используемой в ЖК-мониторе, - это, конечно, одна из важнейших характеристик мониторов, но не единственная. Кроме типа матрицы, мониторы характеризуются рабочим разрешением, максимальной яркостью и контрастом, углами обзора, временем переключения пиксела, а также другими, менее значимыми параметрами. Рассмотрим эти характеристики более подробно.

Если традиционные ЭЛТ-мониторы принято характеризовать размером экрана по диагонали, то для ЖК-мониторов такая классификация не вполне корректна. Более правильно классифицировать ЖК-мониторы по рабочему разрешению. Дело в том, что, в отличие от мониторов на основе ЭЛТ, разрешение которых можно менять достаточно гибко, ЖК-дисплеи имеют фиксированный набор физических пикселов. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Косвенно это разрешение определяет и размер диагонали матрицы, однако мониторы с одним и тем же рабочим разрешением могут иметь разную по размерам матрицу. Например, мониторы с диагональю от 15 до 16 дюймов в основном имеют рабочее разрешение 1024х768, что, в свою очередь, означает, что у данного монитора действительно физически содержится 1024 пиксела по горизонтали и 768 пикселов по вертикали.

Рабочее разрешение монитора определяет размер иконок и шрифтов, которые будут отображаться на экране. К примеру, 15-дюймовый монитор может иметь рабочее разрешение 1024х768 пикселов, а может - 1400х1050 пикселов. В последнем случае физические размеры самих пикселов будут меньшими, а поскольку при формировании стандартной иконки и в первом и во втором случаях используется одно и то же количество пикселов, то при разрешении 1400х1050 пикселов иконка по своим физическим размерам окажется меньше. Слишком маленькие размеры иконок при высоком разрешении монитора могут оказаться неприемлемыми для некоторых пользователей, поэтому на рабочее разрешение нужно сразу же обращать внимание при покупке монитора.

Конечно, монитор способен выводить изображение и в другом, отличном от рабочего, разрешении. Такой режим работы монитора называют интерполяцией. Заметим, что в случае интерполяции качество изображения оставляет желать лучшего: картинка получается зарубленной и шероховатой, а кроме того, могут возникать такие артефакты масштабирования, как неровности на окружностях. Режим интерполяции особенно сильно сказывается на качестве отображения экранных шрифтов. Отсюда вывод: если вы, приобретая монитор, планируете использовать его для работы при нестандартном разрешении, то самым простым способом проверки режима работы монитора при интерполяции является просмотр какого-либо текстового документа, набранного мелким шрифтом. По контурам букв легко будет заметить артефакты интерполяции, а если в мониторе использован более качественный алгоритм интерполяции, то буквы будут более ровными, но все же размытыми. Скорость, с которой ЖК-монитор производит масштабирование одного кадра, - тоже немаловажный параметр, на который стоит обратить внимание, ведь электронике монитора требуется время, чтобы произвести интерполяцию.

Одна из сильных сторон ЖК-монитора - его яркость. Этот показатель в жидкокристаллических дисплеях иногда превышает аналогичный параметр в мониторах на основе ЭЛТ более чем в два раза. Для регулировки яркости монитора изменяется интенсивность лампы подсветки. Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 300 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора.

Яркость для ЖК-монитора действительно является важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости некомфортной окажется работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки). Как показывает опыт, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 - но не заявленную, а реально наблюдаемую.

За последнее время контрастность изображения на цифровых панелях заметно выросла, и сейчас нередко этот показатель достигает значения1000:1. Данный параметр определяется как отношение между максимальной и минимальной яркостью на белом и черном фоне соответственно. Но и здесь не все так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы, а кроме того, существует несколько альтернативных методик измерения контраста. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.

За счет поворота на определенный угол ЖК-молекул в каждом из цветовых субпикселов можно получать не только открытое и закрытое состояния ЖК-ячейки, но и промежуточные состояния, формирующие цветовой оттенок. Теоретически угол поворота ЖК-молекул можно сделать любым в пределах от минимального до максимального. Однако на практике есть температурные флуктуации, которые препятствуют точному заданию угла поворота. Кроме того, для формирования произвольного уровня напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже - 24-битные. При использовании 18-битной ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 (26 = 64) различных уровня напряжения и соответственно задать 64 различные ориентации ЖК-молекул, что, в свою очередь, приводит к формированию 64 цветовых оттенков в одном цветовом канале. Всего же, смешивая цветовые оттенки разных каналов, возможно получить 262 К цветовых оттенка.

При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП) на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 (28=256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков.

В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн. цветовых оттенков. В чем же тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет различных ухищрений можно увеличить количество цветовых оттенков так, чтобы это количество приблизилось к количеству цветов, воспроизводимых настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): Dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control).

Суть технологии Dithering заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешивания ближайших цветовых оттенков соседних субпикселов. Рассмотрим простой пример. Предположим, что субпиксел может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние субпиксела формирует черный цвет, а открытое -- красный. Если вместо одного пиксела рассмотреть группу из двух субпикселов, то, кроме черного и красного цветов, можно получить еще и промежуточный цвет и тем самым осуществить экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному (рис.1). В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга монитор будет воспроизводить уже 27 цветов.

Рисунок 1 - Схема дизеринга для получения цветовых оттенков

Если же рассмотреть группу не из двух, а из четырех субпикселов (2х2), то использование дизеринга позволит получить дополнительно еще по три цветовых оттенка в каждом канале и монитор из 8-цветного превратится в 125-цветный. Соответственно группа из 9 субпикселов (3х3) позволит получить дополнительно семь цветовых оттенков, и монитор станет уже 729-цветным.

Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пиксела, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения.

Кроме технологии дизеринга используется и технология FRC, представляющая собой способ манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, будем считать, что субпиксел может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Напомним, что каждый субпиксел получает команду на включение с частотой кадровой развертки, то есть при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз в секунду, что позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться субпиксел не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение субпиксела), то в результате яркость субпиксела составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного.

Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае - это возможность потери деталей изображения, а во втором - возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции.

Однако необходимо отметить, что отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной не всегда возможно. При этом 24-битная матрица будет стоить существенно дороже.

Традиционной проблемой ЖК-мониторов являются углы обзора - если изображение на ЭЛТ практически не страдает даже при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих ЖК-матрицах даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи. Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1 (рис.2).

Рисунок 2 - Схема определения углов обзора ЖК-матрицы

Несмотря на кажущуюся однозначность данного термина, необходимо четко представлять себе, что именно понимает производитель матрицы (а не монитора) под углом обзора. Максимальный угол обзора как по вертикали, так и по горизонтали определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения не менее 10:1. При этом вспомним, что под контрастом изображения понимается отношение максимальной яркости на белом фоне к минимальной яркости на черном фоне. Таким образом, по своему определению углы обзора не имеют прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом.

Время реакции, или время отклика, субпиксела тоже является одним из важнейших показателей монитора. Нередко именно эту характеристику называют самым слабым местом ЖК-мониторов, поскольку, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где время отклика пиксела измеряется микросекундами, в ЖК-мониторах это время составляет десятки миллисекунд, что в конечном счете приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз. С физической точки зрения время реакции пиксела определяется промежутком времени, за который изменяется пространственная ориентация молекул жидких кристаллов, и чем меньше это время, тем лучше.

При этом необходимо различать время включения и выключения пиксела. Под временем включения пиксела понимается промежуток времени, необходимый для полного открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения - промежуток времени, необходимый для полного закрытия ЖК-ячейки. Когда же говорят о времени реакции пиксела, то под этим понимают суммарное время включения и выключения пиксела.

Время включения пиксела и время его выключения могут существенно отличаться друг от друга. К примеру, если рассмотреть распространенные TN+Film-матрицы, то процесс выключения пиксела заключается в переориентации молекул перпендикулярно направлениям поляризации под воздействием приложенного напряжения, а процесс включения пиксела - это своего рода релаксация ЖК-молекул, то есть процесс перехода в их естественное состояние. При этом очевидно, что время выключения пиксела будет меньше, чем время его включения.

На рис.3 показаны типичные временные диаграммы включения (рис.3,а) и выключения (рис.3,б) пиксела TN+Film-матрицы. В приведенном примере время включения пиксела составляет 20 мс, а выключения - 6 мс. Суммарное же время реакции пиксела составляет 26 мс.

Когда говорят о времени реакции пиксела, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Как ни странно, но это не одно и то же, поскольку в первом случае не учитывается вся электроника, требуемая для управления пикселами матрицы. Фактически время реакции пиксела матрицы - это время, необходимое для переориентации молекул, а время реакции пиксела монитора - это время между подачей сигнала на включение/выключение и самим фактом включения/выключения. Кроме того, говоря о времени реакции пиксела, указываемом в технической документации, необходимо учитывать, что производители матриц могут по-разному трактовать это время.

Рисунок 3 - Типичные временные диаграммы включения (а) и выключения (б) пиксела для TN-матрицы

Так, один из вариантов трактовки времени включения/выключения пиксела заключается в том, что под этим подразумевается время изменения яркости свечения пиксела от 10 до 90% или от 90 до 10%. При этом вполне возможна ситуация, когда для монитора с хорошим временем реакции пиксела при изменении яркости в пределах от 10 до 90% полное время реакции пиксела (при изменении яркости от 0 до 100%) будет достаточно большим.

Так, может быть, более корректно производить измерения в пределах изменения яркости от 0 до 100%? Однако яркость от 0 до 10% воспринимается человеческим глазом как абсолютно черный цвет, и в этом смысле практическое значение имеет именно измерение от уровня яркости в 10%. Аналогично не имеет смысла измерять изменение уровня яркости до 100%, поскольку яркость от 90 до 100% воспринимается как белый цвет, и потому именно измерение яркости до 90% имеет практическое значение.

До сих пор, говоря об измерении времени реакции пиксела, мы подразумевали, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксел просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пиксела, если измерять его при переключении между различными полутонами? Этот вопрос имеет огромное практическое значение. Дело в том, что переключение с черного фона на белый или наоборот, которое определяет время реакции пиксела, в реальных приложениях применяется относительно редко - примером может быть прокрутка черного текста на белом фоне. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если окажется, что время переключения между серым и белым цветами будет меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пиксела просто-напросто не имеет, так что ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Действительно, какой смысл в определении времени реакции пиксела, если реальное время переключения между полутонами может быть больше и если при динамическом изменении картинки она будет расплываться?

Ответ на этот вопрос довольно сложен и зависит от типа матрицы монитора. Для широко распространенных и наиболее дешевых матриц TN+Film все достаточно просто: время реакции пиксела, то есть время, которое требуется для полного открытия или закрытия ЖК-ячейки, оказывается максимальным временем. Если цвет описывать градациями R-, G- и B-каналов (R-G-B), то время перехода от черного (0-0-0) к белому (255-255-255) цвету больше, чем время перехода от черного к градации серного. Аналогично время выключения пиксела (переход от белого к черному) оказывается больше, чем время перехода от белого к любой градации серого.

На рис. 4 показана графическая зависимость времени переключения между черным цветом и градациями серого и обратно - между градациями серого и черным цветом. Как видно из графика, максимальным является именно время переключения между черным и белым цветами и обратно, которое и определяет время реакции пиксела. Именно поэтому для TN+Film-матриц время реакции пиксела полностью характеризуют динамические свойства монитора.

Рисунок 4 - График зависимости времени переключения между черным цветом и градациями серого

Для IPS- и MVA-матриц все оказывается не столь очевидно. Для этих типов матриц время переключения между цветовыми оттенками (градациями серого) может оказаться больше, чем время перехода между белым и черным цветами. В таких матрицах знание времени реакции пиксела (даже если вас будут уверять, что это рекордно низкое время) не имеет практического значения и не может рассматриваться как динамическая характеристика монитора. Вследствие этого для данных матриц куда более важным параметром является максимальное время перехода между градациями серого, но это время не указывается в документации к монитору. Поэтому если вам неизвестно максимальное время переключения пиксела для данного типа матрицы, то лучший способ оценить динамические характеристики монитора - это запустить какое-либо игровое динамическое приложение и определить на глаз смазанность картинки.

Все ЖК-мониторы по своей природе являются цифровыми устройствами, поэтому родным интерфейсом для них считается цифровой интерфейс DVI. Интерфейс может обладать двумя видами коннекторов: DVI-I, совмещающим цифровой и аналоговый сигналы, и DVI-D, передающим только цифровой сигнал. Считается, что для соединения ЖК-монитора с компьютером предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный D-Sub-разъем. В пользу DVI-интерфейса говорит то, что в случае аналогового интерфейса выполняется двойное преобразование видеосигнала: первоначально цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (ЦАП-преобразование), а затем аналоговый сигнал трансформируется в цифровой электронным блоком самого ЖК-монитора (АЦП-преобразование), и вследствие таких преобразований возрастает риск различных искажений сигнала. Справедливости ради отметим, что на практике искажения сигнала, вносимые двойным преобразованием, не встречаются, и подключать монитор можно по любому интерфейсу. В этом смысле интерфейс монитора - последнее, на что стоит обращать внимание. Главное, чтобы соответствующий разъем был на самой видеокарте.

Многие современные ЖК-мониторы обладают как D-Sub-, так и DVI- коннекторами, что нередко позволяет одновременно подключать к монитору два системных блока. Также встречаются модели, имеющие два цифровых разъема.

Структурная схема ЖК-монитора представлениа на рис.5

Рисунок 5 - Структурная схема ЖК-монитора

Сигнал от видеоадаптера подается на вход дисплея через аналоговый RGB VGA D-sub или цифровой DVI интерфейс. В случае использования аналогового интерфейса видеоадаптер преобразует данные кадрового буфера из цифрового вида в аналоговый, а электроника ЖК-монитора, со своей стороны, вынуждена выполнять обратное, аналого-цифровое преобразование.Очевидно, что такие избыточные операции как минимум не улучшают качества изображения, к тому же они требуют дополнительных затрат для своей реализации. Поэтому с повсеместным распространением ЖК-дисплеев интерфейс VGA D-sub вытесняется цифровым DVI. В некоторых мониторах производители намеренно не реализуют поддержку DVI-интерфейса, ограничиваясь лишь VGA D-sub, так как для этого требуется применение специального TMDS-приемника со стороны монитора, и себестоимость устройства с поддержкой как аналогового, так и цифрового интерфейсов по сравнению с вариантом с единственным аналоговым входом будет выше.

Схема блока обработки изображения в ЖК-дисплее (от аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала, его масштабирования, обработки и вплоть до формирования выходных сигналов LVDS) выполнена на единственной ИС с высокой степенью интеграции, носящей название Display Engine.

Блок ЖК-матрицы содержит схему управления, так называемый драйвер матрицы, в который интегрированы приемник выходных сигналов управления LVDS и драйверы истоков и затворов, преобразующие видеосигнал в адресацию конкретных пикселов по столбцам и строкам.

В блок ЖК-матрицы входит также система ее подсветки, которая, за редкими исключениями, выполнена на газоразрядных лампах с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL). Высокое напряжение для них обеспечивает инвертор, размещенный в блоке питания монитора. Лампы обычно располагаются сверху и снизу, их излучение направлено в торец полупрозрачной панели, находящейся сзади за матрицей и выполняющей роль световода. От качества матирования и однородности материала этой панели зависит такая важная характеристика, как равномерность подсветки матрицы

Адресация ЖК-дисплеев с пассивной матрицей в принципе может быть реализована так же, как и у газоразрядных панелей. Передний электрод, общий для всего столбца, проводит напряжение. Задний электрод, общий для всего ряда, служит "землёй".

Недостатки у таких пассивных матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному распространению напряжения и слегка "портит" соседние пиксели.

Отмеченные недостатки привели к разработке технологии активных матриц (рис.6).

Рисунок 6 - Схема включения субпиксела активной ЖК-матрицы

жидкокристаллический монитор разрешение матрица

Здесь к каждому пикселю добавляется транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому подводка напряжения к жидкому кристаллу не прекратится, в то время как управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.

Эта технология известна ещё и под названием "TFT" (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название "ЖК" уже давно стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором мы понимаем дисплей, использующий технологию TFT.

Размещено на Allbest.ru