Система отображения

Во всех устройствах отображения, в том числе в плоских дисплеях, используют общий подход для вывода полного цветового спектра: разделение цветов на базовые цвета (красный, зеленый и синий: RGB). Вместо сложных пикселей, способных выдавать множество оттенков, используется некая структура, состоящих из трёх суб-пикселей, каждый из которых отображает оттенки своего цвета: красного, зелёного или синего.

Структура пикселей в разных типах дисплеев

Структура пикселей в разных типах дисплеев

При наблюдении экрана дисплея с большого расстояния, человек не может отличить суб-пиксели друг от друга и воспринимает их как единое целое. Используя все три цвета в разных пропорциях через смешение цветов, можно создавать оттенки серого - от белого до чёрного.

Плазменные дисплеи

Каждый суб-пиксел плазменного дисплея представляет собой микроскопическую флуоресцентную лампу, излучающую только один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Регулируя яркость свечения лампы можно получить различные оттенки.

Каждый пиксел состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено напряжение, плазма начнёт перемещаться (двигаться). При этом она излучает ультрафиолетовый свет (показан на рисунке черным), который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя.

Лицевая сторона панели

Лицевая сторона панели

Излучаемый свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля. Но приложения постоянного потенциала к электродам полости недостаточно. Внутри плазмы должно постоянно существовать движение, чтобы излучать свет, поэтому к полюсам прикладывается переменный ток. В итоге ионы газа движутся то в одну сторону, то в другую. Есть движение плазмы – есть свечение, нет движения плазмы – нет свечения. Т.е. суб-пиксел может либо светиться, либо не светиться, промежуточных состояний не существует. Потому для управления яркостью свечения суб-пикселя используется метод импульсно-кодовой модуляции.

PWM

Чтобы пиксел горел ярко, его поджигают чаще. Глаз человека не замечает отдельные вспышки и усредняет значение яркости. Однако в данной технологии трудно отличить темные оттенки.

ЗА

  • широкий угол обзора
  • яркие контрастные цвета

ПРОТИВ

  • выгорание пикселей (статическое изображение)
  • бОльшая потребляемая мощность
  • мерцание при наблюдении с малого расстояния

ЖК-дисплеи (LCD, Liquid Crystal Display)

Основное различие между технологиями плазменных и ЖК-дисплеев состоит в том, что пиксели ЖК-дисплея, сами по себе, свет не излучают. В ЖК-дисплее всегда присутствует источник света (лампа), который создает непрерывный и постоянный световой поток. ЖК кристалл, являющийся ключевым элементом пикселя, управляет яркостью светового потока, создаваемого источником света.

В 1969 году Джеймс Фергюссон (James Fergason) обнаружил эффект скручивания жидких кристаллов-нематиков (twisted nematic effect, TN effect) Это открытие было фундаментальным, поскольку многие ЖК-дисплеи используют принцип вращения кристалла в плоскости поляризации.

Схема экрана на жидких кристаллах

Схема экрана на жидких кристаллах

Как и в других технологиях, пиксел ЖК-дисплея состоит из трёх суб-пикселей основных цветов (RGB). ЖК-кристалл не излучает свет, он работает в качестве переключателя светового потока. Свет, излучаемый источника света, проходит через жидкий кристалл, а затем окрашивается цветовым фильтром. Каждый суб-пиксел имеет одинаковое строение и отличается только цветовым фильтром. Жидким кристаллом каждого суб-пикселя можно управлять как клапаном. В зависимости от угла поворота кристалла, через кристалл проходит больше или меньше света, в результате чего каждый пиксел даёт то или иное количество красного, зелёного или синего цвета.

Свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, где векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно к направлению распространения волны. Источник света ЖК-дисплея излучает обычный неполяризованный белый свет, поэтому вектор электрического поля может быть направлен во все стороны перпендикулярно направлению распространения волны. После того, как свет пройдёт через поляризатор, вектор его электрического поля будет иметь преимущественное направление (в примере вертикальное). Если свет затем попадёт на второй поляризатор, где ось поляризации перпендикулярна первому (в примере горизонтальная), то на выходе системы света не будет, он не пройдет.

Если разместить между двумя поляризаторами жидкий кристалл, то он сможет повернуть ось поляризации света таким образом, чтобы она совпадала с осью второго поляризатора. Тогда свет сможет пройти через систему. В зависимости от угла поворота оси поляризации света жидким кристаллом, прошедший через систему свет будет различной яркости.

На первый взгляд такая конструкция кажется избыточной: нет необходимости в двух поляризаторах, достаточно одного, а вторым поляризатором будет собственно жидкий кристалл. Не вдаваясь в подробности можно сказать, что второй поляризатор необходим, например, с точки зрения реализации данной конструкции.

Жидкий кристалл способен поворачивать ось поляризации света под действием внешней силы – электрического поля. Электроды, управляющие полем, наносятся на поверхности подложек, ограничивающих кристалл в виде покрытия. Качество данного ориентирующего покрытия и определяют селективность процесса поляризации.

Если подать на кристалл электрический потенциал, то он будет поворачиваться в зависимости от разницы потенциалов - подобно стрелке компаса. Изменяя напряжение возможно управлять углом поворота оси поляризации от полного прекращения прохождения светового потока через систему до полного открытия с промежуточными положениями.

Созданный таким образом ЖК-дисплей будет черно-белым. Для того, чтобы дисплей стал цветным, между дисплеем и зрителем помещают систему светофильтров. Процесс изготовления матрицы ЖК-дисплея сходен с процессом изготовления полупроводниковых элементов.

Важной характеристикой ЖК-дисплеев является тип используемого источника света. В последнее время получает большое распространение использование в качестве источника света полупроводниковых светодиодов белого цвета (ЖК-дисплей с использованием LED подсветки).

Плазменные дисплеи имеют существенное ограничение по длительному отображению статической информации, дисплеи выгорают. В ЖК-дисплеях данное ограничение снимается только частично. Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

ЗА

  • меньшая потребляемая мощность
  • меньшая цена

ПРОТИВ

  • менее яркие и контрастные цвета
  • бОльшее время отклика

Таблица сравнения характеристик (для сравнения используется качество изображения электронной лучевой трубки – ЭЛТ).

Параметр Плазменный дисплей ЖК-дисплей
Время отклика Не применимо Существует
Контрастность Великолепная Приемлемая
Яркость Больше, чем у самых хороших ЭЛТ
Качество цветопередачи Лучше, чем у ЭЛТ, но заметно мерцание Нет мерцания, но чёрный цвет недостаточно глубок
Энергопотребление 250 Вт для 42" (107 см) экрана 150 Вт для 42" (107 см) экрана
Углы обзора Хорошие Не всегда хорошие, разнличные по осям X и Y
Продолжительность работы (ресурс) 20 000 ч 40 000 ч
Дефектные панели Редки Возможны

Технологии производства постоянно совершенствуются, параметры все более и более сходятся

Профессиональные дисплеи

Производители дисплеев выделяют в отдельный ряд так называемые “профессиональные дисплеи”. Четкого отличия профессиональных дисплеев от непрофессиональных (видимо, любительских) дисплеев не найти. Процентов на 50, а может быть и более – это маркетинговые шаги (профессиональные дисплеи существенно дороже!).

И в профессиональных и непрофессиональных дисплеях используются одни и те же матрицы. Если посмотреть технические характеристики дисплеев, заявляемые производителями, то трудно найти существенные различия.

Но различия все-таки есть, прежде всего – это конструктивные различия.

  • Профессиональные дисплеи имеют более прочный (и более громоздкий корпус). Больший корпус позволяет обеспечить более благоприятный тепловой режим работы электронных блоков.
  • В процессуальных дисплеях может быть использовано более прочное стекло.
  • Количество и типы разъёмов у профессиональных дисплеев представлены более широко.
  • Профессиональные дисплеи всегда имеют вход управления (RS-232 или Ethernet).

Параметры надежности профессиональных дисплеях чаще всего носят сравнительные, ни к чему не обязывающие характеристики: очень надежные, очень хорошие и т. п.

Видеостены

Видеостена - экран больших размеров, на который обычно выводится единое изображение. Видеостена собирается из нескольких модулей-экранов, в результате образуется составной экран больших размеров – полиэкран.

Видеостены строятся на основе:

  • дисплеев (плазменных и ЖК);
  • проекционных видеокубов;
  • многопроекторных систем со сшивкой изображений.

 
Суммарное разрешение полиэкрана равно сумме разрешений модулей (например, полиэкран из 6-ти экранов с разрешением 1366х768 в формате 3х2 имеет разрешение 4098х1536). Полиэкран может иметь нестандартное, произвольное соотношение сторон, в данном случае 16:6 (стандартные соотношения сторон 4:3, 16:9, 16:10).

Каждый модуль представляет собой самостоятельное устройство, которые связываются в единое целое с помощью специальных электронных блоков.

В конструкции любой видеостены можно выделить две основные составляющие:

  1. конструктивная часть, с помощью которой устройства механически соединяются друг с другом, образуя единую конструктивную систему;
  2. электронную часть, которая позволяет работать с видеостеной как с единым устройством отображения информации.

Видеостена из панелей.

В принципе видеостену можно построить из любых панелей, но лучше использовать специальные панели, предназначенные для построения видеостен.

Конструктивная особенность таких панелей заключается в том, что такие панели имеют минимальные размеры внешней рамки (бесшовные панели) с целью минимизации размеров стыковочного шва. Наименьший размер стыковочного шва, равный 1,9 мм, обеспечивают плазменные бесшовные панели ORION OPM-4260. ЖК-панели, в силу своей конструкции обеспечивают сегодня минимальный размер стыковочного шва равный 5,6 мм.

Особенность реализации электронной схемы специальных панелей заключается в следующем:

  1. панель имеет встроенный видеопроцессор - устройство, выполняющее нелинейную обработку видеосигнала. Видеосигнал, поступающий на вход панели, масштабируется и всегда выводится во весь экран. Если формат видеосигнала не совпадает с форматом панели, изображение искажается (линейно растягивается, или сжимается), но всегда выводится во весь экран.
  2. панель умеет выделять из получаемого сигнала часть изображения и выводить эту часть изображения во весь экран.
  3. все разъемы панели проходные. Видеосигнал, подаваемый на вход панели, без изменений поступает на соответствующий выход панели. Это обеспечивает возможность включения нескольких панелей в цепочку.
  4. панель имеет вход управления (обычно это RS-232), который также является проходным.
  5. панель является адресуемой. Т.е. каждой панели можно задать адрес и адресовать команды управления конкретной панели.

 
Вариант 1

На рисунке видеостена из 4-х панелей. Панели соединены между собой кабелями, каждой панели присвоен адрес. С помощью специального ПО (входит в комплект поставки панелей) определяется формат видеостены. В данном случае формат видеостены 2х2.

1

Каждая панель, зная формат и зная свое положение, выделяет из получаемого видеосигнала фрагмент изображения (в данном случае – это соответствующая четверть изображения) и выводит фрагмент во весь экран.

Это простейший вариант вывода изображения на видеостену. Никаких дополнительных электронных устройств не требуется. С точки зрения источника изображения видеостена представляет собой просто монитор.

Вариант 2

На рисунке видеостена из 6-ти панелей. В состав включено дополнительное устройство – матричный переключатель 3х6. Данная схема позволяет выводить на видеостену одновременно до 3-х изображений от 3-х различных источников. Ограничение данной схемы: размер выводимого изображения совпадает с границами панелей.

2

На рисунке пример вывода на видеостену изображений от трех источников. Подобные видеостены находят применение в конференц-залах типа “Аудитория”.

3

Для формирования изображения необходимо:

На видеостене:

  • для панелей с адресами 01, 02, 04 и 05 установить формат 2х2;
  • для панели с адресом 03 установить формат 1х1;
  • для панели с адресом 06 установить формат 1х1.

 
На матричном переключателе:

  • сигнал с входа 1 переключить на выходы 2, 3, 4 и 5;
  • сигнал с входа 2 переключить на выход 1;
  • сигнал с входа 3 переключить на выход 6.

 
Такой вывод трех изображений возможен и без использования матричного коммутатора (соединить панели кабелями, как в простейшем варианте). Матричный коммутатор позволяет сформировать произвольное размещение трех изображений на видеостене, не изменяя коммутацию кабелей.

Ограничение данной схемы: невозможность создания окон произвольного размера и размещения окон произвольным образом.

Вариант 3

Для устранения ограничений, указанных выше в состав видеостены включается графический контроллер видеостены. В случае использование графического контроллера нет необходимости использовать панели с встроенным видеопроцессором.

4

Графический процессор “внутри себя” формирует поле изображения, соответствующее изображению видеостены и выдает на соответствующие выходы фрагменты поля изображения. Как видно на рисунке, панели не имеют адреса, нет и сигналов управления панелями.

Процессор способен поместить в поле изображения сигнал с любого видеовхода, масштабировать его произвольным образом и перемещать по полу произвольным образом.

5

Видеостена из проекционных видеокубов.

При построении видеостены из видеокубов, все описанное выше для видеостен из панелей, применимо и для видеостен из видеокубов.

При построении видеостен для диспетчерских управления технологическими процессами особое внимание уделяется качеству изображения. Максимальное качество (максимальная детализация) изображения достигается в случае, когда разрешение выводимого изображения точно соответствует разрешению устройства изображения, т.е. когда не производится никакого масштабирования изображения.

Видеостена из 8-ми видеокубов с разрешением 1400х1050 пикселей формата 4х2 имеет суммарное разрешение 5600х2100 пикселей. В качестве графического контроллера видеостены используется промышленный компьютер со специализированными видеоадаптерами на 8 видеовыходов. Разрешение видеовыходов задаются равными 1400х1050 пикселей. Рабочий стол ПК графического контроллера в данном случае является источником изображения для видеостены.

Как правило, рабочий стол является единственным источником изображения видеостены. Хотя такие графические контроллеры допускают установку карт видеозахвата, к которым возможно подключение других источников изображения.