Глава 5. Видеосистема PC

5.1. Устройства отображения информации

Важнейшим устройством отображения компьютерной информации является монитор. Так же как имеется большое число видеостандартов, так и типы мониторов, существующие в настоящее время, отличаются большим разнообразием.

Помимо мониторов, в PC могут использоваться и другие устройства отображения информации, ориентированные на решение мультимедийных или презентационных задач:

• проекционные устройства, подключаемые к PC;
• устройства формирования объемных (стереоскопических) изображений.

5.1.1. Мониторы

Прежде чем перейти к разговору о принципах работы современных мониторов и рассмотрению их характеристик, кратко перечислим основные типы мониторов, используемых совместно с PC. С точки зрения принципа действия все мониторы для PC можно разделить на две большие группы.

1.Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), называемой также кинескопом.

2.Плоскопанельные мониторы, выполненные, как правило, на основе жидких кристаллов, т. е. иначе жидкокристаллические (ЖК) или иначе LCD-мониторы (Liquid Crystal Display).

5.1.1.1. Мониторы на основе ЭЛТ

Наиболее распространенными устройствами отображения информации являются мониторы на основе ЭЛТ. Принцип действия таких мониторов мало отличается от принципа действия обычного телевизора и заключается в том, что испускаемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка электронов и связанную с ней яркость изображения, фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна, а также размещенные на горловине ЭЛТ катушки отклоняющей системы, позволяющие изменять направление пучка.

В зависимости от расположения электронных пушек и конструкции цветоделительной маски различают ЭЛТ четырех типов, используемых в современных мониторах:

• ЭЛТ с теневой маской (Shadow mask) и дельтаобразным расположением электронных пушек - наиболее распространенные ЭЛТ;
• ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP - Enhanced Dot Pitch) и планарным расположением электронных, пушек, обеспечивающие повышенное разрешение (такими ЭЛТ оснащены мониторы фирмы Hitachi);
• ЭЛТ со щелевой маской (Slot mask) - этот тип ЭЛТ, широко используемый в телевизорах, применяется в мониторах фирмы NEC и носит название Cromaclear;
• ЭЛТ с апертурной решеткой (Aperture grill, AG), к которым относятся ЭЛТ типа Trinitron фирмы Sony, DiamondTron фирмы Mitsubishi и SonicTron фирмы ViewSonic.

Теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала - инвара - с системой отверстий, соответствующих триадам точек люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность кинескопа. Очень низкий коэффициент линейного расширения инвара обеспечивает стабильность формы теневой маски при ее разогреве за счет электронной бомбардировки.

Апертурная решетка образована системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске.

Рис.5.1. Конструкция электронно-лучевой трубки с апертурной решеткой

Размер точек люминофора, необходимый для обеспечения требуемого разрешения, зависит от размеров экрана. Чем больше нужно разместить точек и чем меньше экран, тем плотнее приходится располагать точки.

При прочих равных условиях четкость изображения на мониторе тем выше, чем меньше размер точки люминофора (Dot Pitch) на внутренней поверхности экрана. Размер точек, а точнее, среднее расстояние между ними, называется зерном. У различных моделей мониторов данный параметр имеет значение от 0,21 до 0,41 мм (у хороших мониторов - не более 0,28 мм).

Чтобы узнать, в каком режиме ваш монитор еще может разделять отдельные пикселы, необходимо определить размер пикселов в различных режимах работы монитора. Для обычного монитора с размером экрана 14" по диагонали ширина экрана составляет около 265 мм. Режим 640x480 требует отображения 640 точек на одну линию. Следовательно, расстояние между точками должно быть не более 0,41 мм (265/640).

Люминофорное покрытие экрана

Качество люминофора определяется составом и свойствами химических элементов, из которых его получают. В дешевых химических соединениях используются частицы, которые хотя и высвечиваются при попадании на них электронного пучка, но имеют короткий период послесвечения.

Высвеченные пикселы экрана должны продолжать светиться в течение времени, которое необходимо электронному лучу, чтобы просканировать весь экран и вернуться снова для активизации данного пиксела при прорисовке уже следующего кадра. Следовательно, минимальное время послесвечения должно быть не меньше периода смены кадров изображения - 20 мс. При невыполнении этого требования появляется мерцание изображения. При использовании высококачественных и дорогих материалов такой эффект не наблюдается. Каждая точка светится ровно столько, сколько необходимо лучу для сканирования всего экрана. Изображения на экранах, покрытых высококачественным люминофором, кажутся контрастными, абсолютно чистыми и немерцающими.

Вместе с тем, электронный пучок должен обладать определенной энергией, вызывающей послесвечение точек экрана. Это обеспечивается соответствующими значениями анодного (высокого) и ускоряющего напряжений электронно-лучевой трубки.

Характеристики мониторов

В этом разделе рассмотрим те характеристики, на которые обязательно нужно обращать внимание при покупке монитора.

Keystone - служит для выравнивания вертикальных линий растра (коррекции трапецеидальных искажений)

Parallel - служит для выравнивания вертикальных линий растра (коррекции искажений типа "параллелограмм")

Rotation - вращает растр относительно центра экрана

Converge (сведение) - регулировки для статического (по всей плоскости растра) сведения красного (R) и синего (В) лучей (линий). Эта регулировка имеется у мониторов с диагональю экрана 17" и более.

В плане регулировки геометрических размеров изображения на экране электроннолучевой трубки очень удобны мониторы с цифровым управлением, у которых выполненная один раз юстировка изображения запоминается цифровым способом.

При юстировке на непрогретом мониторе по краям экрана должна оставаться темная полоса шириной около 5 мм. Это необходимо, поскольку в процессе длительной работы монитора и его нагрева изображение может расширяться и порой выходит за края рабочего поля электронно-лучевой трубки.

В настоящее время в качестве стандарта для PC выделились мониторы с диагональю 17", что примерно соответствует 40-43 см диагонали видимой области. Для профессиональной работы, особенно с настольными издательскими системами и САПР, лучше использовать монитор размером 19" или 21".

Размер зерна экрана (Dot Pitch)

Качество изображения в значительной степени зависит от типа используемой цветоделительной маски. Важнейшей характеристикой маски является расстояние между ближайшими отверстиями, предназначенными для луча одного цвета. Очевидно, что это расстояние определяется размером зерен люминофора, образующих триаду (в идеале эти размеры совпадают). Например, для теневой маски этот параметр называется шаг точки (Dot Pitch). Для апертурной решетки используют понятие шаг полосы (Strip Pitch). Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах.

Примечание

Очень часто в обиходе для любого типа ЭЛТ используют один термин - Dot Pitch - не совсем правильная, но устоявшаяся практика, поэтому, используя данный термин, следует помнить, что для различных ЭЛТ данный параметр определяется по-разному.

Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения. Проведем аналогию с матричными принтерами: печатное изображение у 24-игольчатого принтера значительно лучше, чем у 9-игольчатого, т. к. в первом случае на одном и том же знакоместе иголки ударяют на значительно меньшем расстоянии друг от друга.

Диагональ экрана монитора

Диагональю экрана монитора, как и телевизора, называется расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана. Это расстояние измеряется в дюймах. Не путайте этот параметр с диагональю рабочей области экрана, доступной для отображения информации. В отличие от телевизоров многочисленные производители под диагональю экрана понимают геометрический размер диагонали электроннолучевой трубки и не учитывают размеры черного поля, расположенного по периметру экрана. Это черное поле не входит в рабочую область экрана. Размеры его определяются конструкцией электронно-лучевой трубки. Все регулировки обычно обозначены английскими терминами и имеют следующую символику:

H-Size (размер по горизонтали) служит для регулировки расстояния между левым и правым краями изображения

V-Size (размер по вертикали) служит для регулировки расстояния между верхним и нижним краями изображения

H-Shift (сдвиг по горизонтали) сдвигает все изображение по горизонтали

V-Shifi (сдвиг по вертикали) сдвигает все изображение по вертикали

Sidepin - служит для выравнивания вертикальных линий растра (коррекции подушкообразных искажений)

Balance - служит для выравнивания вертикальных линий растра (коррекции искажений типа "полумесяц")

Расстояние между отверстиями теневой маски часто отождествляют с зерном экрана монитора. В принципе, это вполне оправданно, поскольку оба параметра должны быть равны. Однако это условие выполняется не всегда, а в зависимости от технологии и качества производства электронно-лучевой трубки. Кроме того, расстояние между отверстиями теневой маски не является наглядной характеристикой качества экрана монитора, а зерно можно увидеть непосредственно с помощью увеличительного стекла. Поэтому здесь и далее при обсуждении качества монитора будем иметь в виду размер зерна экрана, оговаривая случаи, когда будем говорить о параметрах маски.

Все мониторы с зерном более 0,28 мм относятся к категории дешевых и грубых. Лучшие мониторы имеют зерно 0,24 мм, а у самого качественного известного нам монитора (и, естественно, самого дорогого) эта величина равна 0,21 мм.

Возможности установки параметров

Следующим показателем качества монитора является уже упомянутая выше возможность запоминания однажды установленных регулировок геометрических параметров изображения для соответствующих значений частот разверток и разрешений.

Очевидно, что монитор, который всегда восстанавливает предварительно установленные значения параметров настройки, предпочтительнее того, который необходимо каждый раз регулировать заново.

Мы не хотим сказать, что у подобных мониторов на установку параметров уходит больше времени, чем на работу с компьютером, но так может получиться, если вы работаете в мультизадачном режиме (например, в Windows) с несколькими приложениями одновременно, причем в каждом из них используется свой режим работы монитора.

Разрешение

При покупке монитора обращайте внимание на разрешение, поддерживаемое им. С разрешением VGA 640x480 точек в настоящее время работают относительно редко. Если даже сейчас ваша видеокарта не обеспечивает (пока еще) более высокого разрешения, то все равно при выборе монитора нужно ориентироваться на будущее. Ведь новый монитор дороже, чем новая видеокарта.

Аналоговые мониторы должны обеспечивать разрешение не ниже 1024x768, а мультичастотные - до 1280x1024 и выше.

Тип электронно-лучевой трубки

При выборе монитора следует обращать внимание на тип электронно-лучевой трубки (кинескопа). Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron, Black Matrix или Black Planar. Мониторы этих типов имеют люминофорное покрытие, которое состоит из специального химического вещества. Однако у него есть и недостаток: оно крайне восприимчиво к свету. Если монитор с подобным кинескопом находится длительное время под воздействием яркого цвета, это значительно сокращает срок его службы.

Качество экрана монитора является решающим фактором для сохранности зрения пользователя PC, поэтому при покупке выбирайте монитор не только с позиции толщины вашего кошелька. Дешевый монитор хорош для кармана, но не для зрения. Наши собственные наблюдения позволяют сделать вывод, что интенсивная работа в течение многих часов является очень сильной нагрузкой на глаза.

Другим недостатком является большое различие между представлением уровней светлого и темного. Данные кинескопы исключительно контрастны, но это не янляется показателем качества ЭЛТ. Помните о том, что кинескоп - это источник искусственного света, с которым нужно работать длительное время.

Возьмите за правило делать регулярные паузы при работе с монитором, чтобы давать отдых глазам.

Искажения

Монитор, у которого круг рисуется прямоугольником, конечно же, никуда не годится. Плох и монитор, у которого прямоугольник изображается с углами, меньшими 90 Однако все современные мониторы практически лишены этих недостатков. Вы обращаете внимание на эти подушкообразные искажения прежде всего при вытягивании изображения на экране далеко вверх, вниз, вправо или влево.

Геометрические искажения легко выявить, если вывести регулировки контрастности и яркости на максимум, а также можно проверить по тестовой таблице (как и в телевизорах), которую имеют многочисленные программы для видеокарт.

Существуют искажения еще одного типа, на которые следует обращать внимание: те, которые возникают при резких светло-темных переходах, так называемые тянучки. Если у монитора 14" подобное искажение более 5 мм, то это плохо. Искажение размером не более 3 мм является нормальным, 1-2 мм - это хорошо. Только у совершенных мониторов "тянучки" практически отсутствуют.

Искажения изображения на светло-темных переходах объясняются значительными перепадами мощности тока анода кинескопа, отдаваемой выходным каскадом строчной развертки на нагрузку, в качестве которой выступает электронно-лучевая трубка. При больших перепадах яркости изображения степень этих искажений зависит от мощности строчного трансформатора.

Частота переключения

Монитор должен переключаться из одного режима в режим с другим разрешением (прежде всего, из графического в текстовый и обратно) без особых проблем и быстро. Иногда наблюдаются яркие кратковременные вспышки растра. Не следует из-за этого беспокоиться, хотя хорошие мониторы с цифровым управлением должны быть избавлены от такого недостатка.

Потребляемая мощность

Потребляемая мощность монитора указывается в его технических характеристиках или, возможно, на стандартном шильдике с обратной стороны корпуса монитора. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт. Чем больше потребляемый монитором ток, тем выше его нагрев. Хотя еще есть мониторы, потребляющие 60-80 Вт, они должны заменяться более экономичными. Мониторы с мощностью более 80 Вт в холодное время могут заменить дополнительный обогреватель - это их лучшее применение.

Все приведенные выше значения соответствуют мониторам с диагональю 14". Большие по размерам мониторы имеют, соответственно, большую потребляемую мощность.

Антибликовое покрытие

Все мониторы должны иметь антибликовое покрытие. При напылении поверхность экрана обрабатывается при помощи воздушного пистолета, в котором находятся песочные частицы.

Такой метод характерен для дешевых мониторов. Его недостатком является то, что графика и картинки на таком экране не могут быть резкими, изображение становится смазанным и рыхлым.

Лучший способ покрытия кинескопа - нанесение специального антибликового слоя: на поверхность экрана электронно-лучевой трубки наносится химическое вещество, обеспечивающее эффект, в результате которого свет не может отражаться от поверхности. Этот метод применяется в высокочувствительных приборах, таких как фотоаппараты, микроскопы, очки и т. д. Антибликовый слой можно узнать по пленке с голубым оттенком. Основными представителями плоскопанельных мониторов в настоящее время являются ЖК-мониторы. Они составляют основную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном размером 13-17".

Рис.5.2. Плоскопанельный монитор i612 фирмы ADI

5.1.1.2. Жидкокристаллические мониторы

Основным элементом ЖК-монитора или иначе LCD-монитора (Liquid Crystal Display) является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жидкокристаллического вещества. Эти стеклянные панели обычно называют подложками. Как и в обычном мониторе, экран ЖК-монитора представляет собой совокупность отдельных элементов - ЖК-ячеек, каждая из которых генерирует 1 пиксел изображения. Однако, в отличие от зерна люминофора ЭЛТ, ЖК-ячейка сама не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света, поэтому ЖК-мониторы всегда используют подсветку.

Принцип действия ЖК-монитора

По сути ЖК-ячейка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны. Жидкокристаллическое вещество, размещенное между подложками, имеет молекулы вытянутой формы, называемые нематическими. Благодаря этому молекулы ЖК-вещества имеют упорядоченную ориентацию, что приводит к появлению оптической анизотропии, при которой показатель преломления ЖК-вещества зависит от направления распространения световой волны. Если нанести на подложки мелкие бороздки, то молекулы ЖК-вещества будут ориентированы вдоль этих бороздок. Другим важным свойством ЖК-вещества является зависимость ориентации молекул от направления внешнего электрического поля. Используя два этих свойства, можно создать электронно-управляемый светофильтр.

Технология Twisted Nematic

В ЖК-мониторах чаще всего используются ЖК-ячейки с "твистированной" (twisted) (закрученной на 90°) ориентацией молекул. Для создания такой ячейки применяются подложки, у которых ориентирующие канавки также развернуты друг относительно друга на угол 90°. Такая ячейка называется твистированной нематической (Twisted Nematic). Проходя через эту ячейку, плоскость поляризации световой волны также поворачивается на 90°. Помимо ориентирующего действия, подложки ЖК-ячейки играют роль поляризационных фильтров, поскольку пропускают световую волну только с линейной поляризацией. Верхняя подложка называется поляризатором, а нижняя - анализатором. Векторы поляризации подложек так же, как и векторы их ориентирующего действия, развернуты на 90° друг относительно друга.

При отсутствии внешнего электрического поля падающий на ячейку свет проходит через поляризатор и приобретает определенную поляризацию, совпадающую с ориентацией молекул жидкокристаллического вещества у поверхности поляризатора. По мере распространения света по направлению к нижней подложке (анализатору) его плоскость поляризации поворачивается на 90°. Достигнув анализатора, свет свободно проходит через него, поскольку плоскость его поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора. В результате ЖК-ячейка оказывается прозрачной.

Ситуация изменится, если к подложкам приложить напряжение 3-10 В. В этом случае между подложками возникнет электрическое поле и молекулы жидкокристаллического вещества расположатся параллельно силовым линиям поля (рис. 14.12, б). Твистированная структура жидкокристаллического вещества исчезает, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непрозрачной.

Подсветка ЖК-экрана

При работе с ЖК-ячейкой, принцип действия которой описан выше, используется просветная система подсветки. При использовании отражательной системы ЖК-ячейка дополнительно снабжается специальным зеркалом, расположенным за анализатором, и отражающим прошедший через него свет (рис. 14.13, а). Если напряжение между подложками отсутствует, то поворот плоскости поляризации света происходит дважды: при распространении света в прямом и обратном направлениях. При обратном распространении поляризатор выполняет функцию анализатора и пропускает отраженный от зеркала свет. Если к подложкам приложить напряжение, падающий свет поглотится анализатором и не дойдет до зеркала. Ячейка оказывается темной. Изображение на экране ЖК-мониторов с такими ячейками хорошо видно только при достаточном внешнем освещении.

В комбинированной, отражательно-просветной системе подсветки используется полупрозрачное зеркало, за которым размещается лампа подсветки. В результате ЖК-ячейка может работать как на просвет, так и на отражение. Комбинированная система подсветки является наиболее эффективной, поскольку позволяет работать при любом освещении. В настоящее время именно она получила наиболее широкое распространение. В зависимости от места расположения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади (backlight, или backlit) и с подсветкой по бокам (sidelihgt, или sidelit).

Заметим, что любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (так же как и телевизора) состоит из множества дискретных точек люминофора, представляющих собой минимальный элемент изображения (растра), называемых пикселами. Такие мониторы называются растровыми. Электронный луч в этом случае периодически сканирует весь экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024x768 пикселов. Если в телевизоре видеосигнал, управляющий яркостью (интенсивностью электронного пучка), является аналоговым, т. е. непрерывным по времени и уровню, то в мониторах PC может использоваться как аналоговый, так и цифровой видеосигнал. В зависимости от этого мониторы на основе ЭЛТ принято разделять на аналоговые и цифровые. Исторически первыми устройствами отображения информации - мониторами для PC - были именно цифровые мониторы (TTL).

Цифровые (TTL) мониторы

Управление цифровыми мониторами осуществляется двоичными сигналами, которые имеют только два значения: логическую единицу - "1" и логический ноль -("да" и "нет"). Уровню логической единицы соответствует напряжение около 5 В, уровню логического нуля - не более 0,4 В. Поскольку такие же уровни логической "1" (2,4-5 В) и логического "О" (0-0,4 В) используются в широко распространенной стандартной серии микросхем на основе транзисторно-транзисторной логики, или TTL (Transistor Transistor Logic- транзисторно-транзисторная логика), цифровые мониторы часто называют TTL-мониторами. Первые TTL-мониторы были монохромными, более поздние модели - цветными.

Монохромные цифровые мониторы

К этой группе относятся монохромные мониторы, сигналы управления которыми формируются графическими картами стандартов MDA (Monochrome Display Adapter) или Hercules, изредка - EGA (Enhanced Graphics Adapter). Уже из самого названия "монохромный" ясно, что точка на экране может быть только светлой или темной. В лучшем случае точки могут различаться еще и своей яркостью.

Монитор Hercules формирует изображение только в виде светлых и темных точек с разрешением 720x350; растр на его экране появляется только при подключении к Р( Это происходит потому, что блок развертки монитора генерирует сигналы для отклоняющей системы только при наличии внешних синхроимпульсов от видеоадаптера. Поскольку ЭЛТ монохромного монитора имеет только одну электронную пушку. она меньше цветных ЭЛТ, благодаря чему мониторы Hercules компактнее и легче других мониторов.

Кроме того, монохромный монитор работает с более низким анодным напряжением, чем цветной (15 кВ против 21-25 кВ), поэтому потреби мая им мощность значительно ниже (30 Вт вместо 80-90 Вт у цветных). Эти значения приводятся на обратной стороне корпуса монитора.

TTL-мониторы можно отличить от аналоговых также по количеству контактов на разъеме для подключения к PC: все они имеют двухрядный 9-контактный штекер типа D (вилка), тогда как аналоговые (VGA и выше) - трехрядный 15-контактный.

В качестве ламп подсветки ЖК-экранов используют специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Работу ламп подсветки в ЖК-мониторе обеспечивает так называемый блок стартера. Лампы располагаются горизонтально в верхней и нижней частях панели. В более прогрессивных панелях для обеспечения равномерности освещения используется четырехламповая система подсветки, причем лампы располагаются попарно в верхней и нижней частях панели.

Отметим, что в двухламповой системе потеря яркости одной из ламп приводит к появлению затемнения изображения в верхней или нижней частях монитора. Четырехламповые системы свободны от этого недостатка, поскольку снижение яркости одной из двух ламп в паре не приводит к заметному ухудшению освещенности экрана. Четырехламповые системы впервые стали применяться в 17-дюймовых ЖК-мониторах, поскольку там дефект двухламповой системы выражен наиболее ярко. В настоящее время подобная система применяется и в 15-дюймовых мониторах.

Если пиксел изображения образован единственной ЖК-ячейкой, изображение на экране будет монохромным. Для получения цветного изображения ЖК-ячейки объединяют в триады, снабдив каждую из них светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.

Недостатки технологии Twisted Nematic

Благодаря применению технологии Twisted Nematic была решена проблема габаритов и энергопотребления, однако эта технология имеет ряд серьезных недостатков.

• Низкое быстродействие ячеек - на изменение ориентации молекул жидкокристаллического вещества требовалось до 500 мс, что не позволяло использовать такие ЖК-экраны для отображения динамических изображений (например, на экране монитора пропадало изображение указателя мыши при ее быстром перемещении).
• Сильная зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок.
• Сильное взаимное влияние ячеек, вызванное влиянием управляющего сигнала одной ячейки на соседние.
• Ограниченный угол зрения, под которым изображение на ЖК-экране хорошо видно.
• Низкая яркость и насыщенность изображения.
• Ограниченные размеры ЖК-экрана.
• Высокая стоимость.

Технология Super-Twisted Nematic

Для устранения перечисленных выше недостатков технология Twisted Nematic была усовершенствована. С целью улучшения контрастности изображения угол закручивания молекул ЖК-вещества был увеличен сначала до 120°, а затем - до 270°. Такие ячейки получили название STN, или S-TN (Super-Twisted Nematic - сверхзакрученные нематические ячейки).

Технология Dual Super-Twisted Nematic

Дальнейшим шагом в этом направлении стало использование не одной, а двух ячеек одновременно, последовательно поворачивающих плоскость поляризации в противоположных направлениях. Эта технология получила название DSTN (Dual Super-Twisted Nematic - двойные сверхзакрученные нематические ячейки).

Двойное сканирование ЖК-экрана

Проблема низкого быстродействия ЖК-ячеек была частично решена путем использования так называемого двойного сканирования, когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.

Технология TFT

Радикально повысить контрастность и быстродействие ЖК-экранов позволила так называемая технология активных ЖК-ячеек. От обычной (пассивной) активная ЖК-ячейка отличается наличием собственного электронного ключа, выполненного на транзисторе. Такой ключ позволяет коммутировать более высокое (десятки вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В).

Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и, тем самым, решить проблему частичной засветки соседних пикселов. Поскольку электронные ключи выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-экраны получили название TFT-экраны (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор).

Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (например, яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор. Каждый элемент такой ЖК-матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой управляемых ими ЖК-ячеек. Каждая ячейка триады снабжена светофильтром одного из трех основных цветов: красного, зеленого или синего. Изменяя уровень поданного на транзистор управляющего сигнала, можно регулировать яркость каждой ячейки триады. Таким образом, TFT-экран ЖК-монитора состоит из таких же триад, как экран обычного монитора на основе ЭЛТ.

Контроллер ЖК-экрана

Формирование и подача управляющего сигнала видеоадаптера на каждую ЖК-ячейку экрана - трудная задача. Для ее решения в состав плоскопанельного монитора входит специальная электронная схема управления - контроллер ЖК-экрана. Контроллер является наиболее сложным элементом ЖК-монитора. Он выполняет синхронизацию по частоте и фазе выходных сигналов видеоадаптера и управляющих ЖК-экраном синхросигналов, формируемых схемами управления строками и столбцами. Рассогласование этих сигналов по частоте ведет к нарушению корректности обновления строк: нарушается соответствие положения элементов растра на экране временным параметрам видеосигнала. В результате этого появляются такие дефекты изображения, как дрожание растра, появление вертикальных линий на изображении либо его полное пропадание. После выравнивания частот указанных сигналов контроллер ЖК-экрана производит их синхронизацию по фазе, что позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить его дрожание.

Помимо адресации ячеек и синхронизации изображения, контроллер ЖК-экрана выполняет дополнительное аналого-цифровое преобразование видеосигнала. Необходимость преобразования обусловлена тем, что ЖК-экран (как совокупность огромного количества ячеек) представляет собой устройство с цифровым управлением, т. е. на схему адресации ячеек необходимо подавать цифровой код. В результате значительно уменьшается количество оттенков цвета, отображаемых ЖК-монитором.

ЖК-экран и контроллер (одна или несколько больших микросхем, иногда называемых Gate Driver), который управляет пикселами на экране, т. е. занимается обслуживанием строк и столбцов матрицы, вместе составляют монолитную неразборную конструкцию, которая и продается изготовителем ЖК-панелей изготовителю монитора. Однако для подключения к PC, создания экранного меню (OSD), управления остальными блоками в состав ЖК-монитора входит процессор, размещенный, как правило, на отдельной, главной, плате монитора. С помощью этой платы осуществляется коммутация всех узлов и блоков монитора, а также подключение его к видеоадаптеру PC.

Существуют три способа соединения панели и процессора ЖК-монитора:

• Стандартный
• Использование LVDS
• Использование TMDS

Технология Digital Flat Panel Initiative

С целью устранить промежуточные преобразования была разработана новая технология DFPI (Digital Flat Panel Initiative - цифровая инициализация плоской панели), в соответствии с которой содержимое ячеек видеопамяти передается непосредственно в ячейки ЖК-экрана. Реализация этой технологии позволяет повысить скорость обновления экрана и разрешить проблему синхронизации работы контроллера экрана и видеоадаптера. Многие современные видеоадаптеры позволяют обнаружить факт подключения к ним ЖК-монитора и соответствующим образом изменить свой выходной сигнал.

Характеристики жидкокристаллических мониторов

Основные характеристики монитора в первую очередь зависят от параметров матрицы, установленной в нем. Главной характеристикой матрицы в настоящее время является время отклика ее элемента. Основным направлением совершенствования технологии LCD-матриц является улучшение свойств жидких кристаллов путем изменения их химического состава с целью уменьшения времени отклика элемента LCD-матрицы.

Пройдет еще немного времени и время отклика точки LCD-матрицы уменьшится настолько, что человеческий глаз не будет замечать эффекта постсвечения точки. В то же время такой параметр, как контрастность панели приближается к контрастности обычного листа бумаги, что позитивно сказывается на восприятии изображения в целом.

Качество изображения определяется не только типом используемой матрицы, но и моделью установленного в мониторе видеопроцессора. Большую роль играют алгоритмы масштабирования изображения, автоматической подстройки, коррекции цвета, типы поддерживаемых интерфейсов, которые используются в данном типе процессора. Алгоритмы масштабирования и автоподстройки постоянно совершенствуются, наиболее удачные из них патентуются в виде отдельных технологий (например, SmartSet и SureSync в процессорах компании Genesis). Чем современней процессор, тем более совершенные алгоритмы применяются в нем, поэтому выбор процессора при разработке монитора играет немаловажную роль. Все современные процессоры поддерживают несколько типов внешних интерфейсов передачи сигнала, таких как Analog VGA, DVI, а также Video, S-Video, реализуемых с помощью внешних микросхем-конвертеров.

Таким образом, качество LCD-монитора напрямую зависит от компаний - поставщиков компонентов. Разброс цен определяется степенью известности фирмы, наличием широкой сервисной сети, спецификой сборки и т. п.

Производство мониторов основано на изготовлении ЭЛТ или ЖК-матрицы. Поскольку производство ЭЛТ - процесс высокотехнологичный, существуют примерно 2 десятка фирм - - непосредственных изготовителей ЭЛТ, огромное количество фирм, специализирующихся только на сборке и использующих уже собранные и отъюстированные трубки, и достаточно многочисленная группа так называемых OEM-заказчиков (OEM - Original Equipment Manufacturer), которые покупают полностью готовые изделия других фирм и продают их под собственной торговой маркой. В случае с ЖК-панелями круг компаний-производителей достаточно ограничен, более того, иногда они вынуждены объединяться (например, LG и Phillips), поскольку увеличение сложности технологического процесса влечет за собой значительный рост интеллектуальных и финансовых затрат. Таким образом, создание матриц для ЖК-мониторов - удел избранных, остальные вынуждены искать компромисс между отпускной ценой завода - изготовителя матриц и конечной ценой изделия. Этим обусловлены примерно одинаковые цены на ЖК-мониторы одного класса и одинаковый гарантийный срок, поскольку гарантия на монитор определяется гарантией на ЖК-панель. Так, в области производства ЖК-мониторов, например, компания СТХ является типичным сборщиком, a RoverScan - OEM-заказчиком.

В настоящее время в мире PC имеется 5 ведущих производителей ЖК-матриц (в порядке убывания доли рынка):

• Samsung Electronics (Южная Корея)
• LG-Phillips (Южная Корея и Голландия)
• AU Optronics (Тайвань)
• Chi Mei Optoelectronics (Тайвань)
• Quanta Display (Тайвань)

Таким образом, различия в принципах работы обычных и ЖК-мониторов обусловливают несколько иную иерархию качественных показателей последних. Рассмотрим наиболее важные, сравнивая их с аналогичными характеристиками мониторов с ЭЛТ.

Размер и ориентация экрана

Размер экрана ЖК-мониторов пока меньше, чем у обычных мониторов: размер ЖК-экрана большинства моделей находится в пределах от 13" до 16". Однако, в отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер их экрана и размер его видимой области (растра) практически совпадают. Эта приятная особенность обусловлена отсутствием геометрических искажений растра на краях ЖК-экрана (эти искажения отсутствуют в принципе), что устраняет необходимость уменьшения видимой области Другим важным аспектом является ориентация экрана: портретная или ландшафтная. Традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьютеров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию. Это обусловлено тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном. Однако в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. Здесь в полной мере проявляется преимущество ЖК-экрана - его можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения останется прежней.

Рис.5.3. Монитор MultiSync LCD1510V фирмы NEC Technologies в ландшафтном (слева) и портретном (справа) режимах работы

Инерционность

Инерционность, или время отклика - важнейшая характеристика ЖК-экрана, характеризуемая минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки. Именно низкая инерционность первых ЖК-экранов являлась основным сдерживающим фактором широкого распространения ЖК-мониторов, поскольку использовать их можно было только при решении офисных задач со статической картинкой на экране монитора.

Каждый жидкокристаллический элемент ЖК-экрана обслуживается своим тонкопленочным транзистором. При отсутствии данных тонкопленочный транзистор закрыт и свет проходит свободно. При наличии данных транзистор открывается, соответствующий жидкокристаллический элемент меняет свою ориентацию и при достаточном напряжении система полностью не пропускает свет. Таким образом, варьируя подачу напряжения на TFT-транзистор, можно регулировать пропускание света компонентом матрицы. Время полного открытия транзистора обозначается Тг (передний фронт), соответственно Tf (задний фронт) - время полного закрытия транзистора. Их сумма и есть время отклика. Иногда в спецификации к монитору указывают оба времени Тг и Tf, иногда их сумму. Уменьшение времени отклика на 5-10 мс считается большим достижением разработчиков ЖК-панелей. Например, Samsung с гордостью демонстрирует серию своих панелей с логотипом Wise View, где суммарное время отклика 25 мс.

Инерционность современных ЖК-экранов значительно уменьшилась по сравнению с первыми моделями. Инерционность современных ЖК-экранов составляет 25- 40 икс, т. е. близка к значениям аналогичных параметров обычных мониторов. В результате этого ЖК-мониторы стали серьезным конкурентом мониторам на основе ЭЛТ - теперь их можно использовать в мультимедийных задачах, для просмотра видео и анимации, а также в играх.

Поле обзора

Небольшое поле обзора и блики традиционно были слабыми местами ЖК-экранов, хотя с появлением технологии TFT этот недостаток в значительной степени был устранен. Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзора, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экрана по горизонтали и вертикали. Современные модели ЖК-мониторов обеспечивают следующие значения углов обзора:

• по горизонтали - +45x70°;
• по вертикали - от -15x50° (вниз) до +20x70° (вверх).

Для увеличения углов обзора (решения проблемы бокового обзора) изготовители используют различные технологии изготовления матриц. Одна из них, самая простая, заключается в нанесении на верхний слой дисплея рассеивающих пленок, которые переориентируют выходящий перпендикулярно из панели свет и направляют его от экрана под разными углами. Другая технология связана с полной реструктуризацией жидкокристаллического слоя. Эта технология получила название планарной (плоскостной) коммутации (In-Plane Switching, IPS). Электроды помещаются не сверху и снизу ячейки, а по ее сторонам, в результате чего ток проходит через слой жидких кристаллов в горизонтальном направлении. Верхний слой обычно поляризован в том же направлении, что и нижний, поэтому свет с неизменной поляризацией пропускается. Выстраивание молекул ЖК-вещества по горизонтали приводит к расширению угла обзора, т. к. при этом боковое рассеяние света больше, чем в случае, когда кристаллы расположены в виде скрученной структуры.

Третий способ технологического решения заключается в многодоменном вертикальном выстраивании (Multidomain Vertical Aligned, MVA) молекул ЖК-вещества. Для этого применяется специальное ЖК-вещество с естественной вертикальной ориентацией. Под действием приложенного напряжения молекулы этого вещества ориентируются в горизонтальном направлении, и свет пропускается. При изменении напряжения моле-'кулы поворачиваются не полностью, и свет пропускается частично, что соответствует оттенкам серого. Чтобы кристаллы могли ориентироваться в нескольких направлениях, ячейка разбивается на несколько областей, или доменов, а на стеклянные поверхности анализатора и поляризатора наносят штрихи, чтобы заранее придать молекулам наклон в нужном направлении. В результате обеспечивается высокая равномерность оттенков серого цвета на экране при больших углах обзора.

Для офисных работ большой угол обзора не требуется, а зачастую и просто бывает лишним. Для домашнего использования большой угол обзора может играть роль, например, в случае просмотра на мониторе видеофильма. Таким образом, большой угол обзора не является важной характеристикой - он хорош лишь там, где он действительно нужен.

Разрешение

Важной особенностью плоскопанельных мониторов является то, что они предназначены для работы с каким-либо одним разрешением, оптимальным с точки зрения качества изображения (как правило, 1024x768). Это разрешение определяется размером ЖК-экрана и размером отдельной ЖК-ячейки. Если разрешение экрана обычного монитора можно менять в широких пределах без заметного ущерба для качества изображения, то подобные манипуляции с плоскопанельными мониторами приводят к появлению лестничного эффекта - края объектов становятся шероховатыми, зазубренными. Особенно негативно это сказывается на качестве отображения экранных шрифтов.

Необходимость работы с фиксированным разрешением экрана обусловлена тем, что в ЖК-мониторах понятия "пиксел" и "зерно" означают практически одно и то же. Пиксел изображения может быть образован только целым количеством ЖК-ячеек. При максимальном разрешении, которое одновременно является основным рабочим разрешением ЖК-монитора, каждый пиксел образован одной триадой ЖК-ячеек. Если необходимо снизить разрешение, то оно должно быть уменьшено в целое число раз. В частности, при основном разрешении 1024x768 более низкое разрешение составит 512x384, чего явно недостаточно для нормальной работы.

• В обычных ЭЛТ-мониторах также существует зависимость между размерами пиксела и зерна, однако она не является столь жесткой по ряду причин.
• Зерно люминофора экрана обычного монитора меньше, чем ЖК-ячейка, поэтому растровая структура экрана менее заметна.
• При смене разрешения ЭЛТ-монитор изменяет диаметр электронного пучка.
• Отдельные зерна люминофора могут засвечиваться электронным лучом не полностью, а частично, в результате чего можно получить пиксел произвольного размера.
• Эти особенности позволяют гибко изменять размер пиксела изображения на экране
• ЭЛТ-монитора, в результате чего эти мониторы одинаково хорошо поддерживают несколько различных разрешений.
• Дополнительной причиной, вынуждающей использовать при работе с ЖК-монитором только одно разрешение, является сложность синхронизации выходных сигналов видеоадаптера и контроллера ЖК-экрана.

Некоторые модели ЖК-мониторов поддерживают несколько разрешений, однако эта возможность является формальной: изменение разрешения сопровождается простым масштабированием самого изображения, при этом фактическое разрешение экрана остается прежним. В частности, при увеличении разрешения количество пикселов, образующих изображение, возрастает, однако видимой оказывается лишь часть изображения, ограниченная размерами экрана. Для просмотра невидимой части изображения приходится использовать прокрутку (при перемещении курсора мыши к краю экрана изображение будет перемещаться в противоположную сторону).

Полоса пропускания видеотракта ЖК-мониторов обычно составляет 65-80 МГц, за счет чего получается четкое изображение при разрешении 1024x768. Однако есть и исключения. Так, монитор 9516 В13 фирмы IBM с экраном размером 16,1" рассчитан на разрешение 1280x1024, поэтому полоса пропускания его видеотракта составляет 135 МГц!

Частоты развертки

Частота строчной развертки ЖК-мониторов изменяется в диапазоне 30-60 кГц. Для получения стабильного и сфокусированного изображения сигналы строчной развертки ЖК-экрана обычно необходимо подстраивать по частоте и фазе каждый раз при подключении к новому PC.

Важная особенность ЖК-мониторов - они предоставляют возможность комфортно работать при сравнительно низкой частоте кадров порядка 60 Гц, что обусловлено большей инерционностью ЖК-ячейки по сравнению с люминофором. Типичная частота кадров в ЖК-мониторе обычно не превышает 75-85 Гц, хотя в некоторых моделях она может быть 100 Гц и более (120 Гц у модели 9516 В13).

Яркость

Важнейшим параметром, на который следует обратить внимание при выборе плоскопанельного монитора, является яркость. Чем выше яркость, тем лучше: изображение будет более красочным, блики станут менее заметны, углы обзора увеличатся. Яркость всегда можно уменьшить с помощью регуляторов, а вот недостаток ее восполнить нельзя. Типовая яркость для ЖК-мониторов составляет 150-200 кд/м2 (ранее эта единица измерения называлась "нит").

Контрастность

Контрастность изображения на ЖК-экране показывает, во сколько раз изменяется его яркость при изменении уровня видеосигнала от максимального до минимального. Эту величину часто называют коэффициентом контрастности и обозначают в виде отношения (например, 150 : 1) Чем выше контрастность ЖК-экрана, тем более четкое изображение можно на нем получить. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130 : 1, высококачественная цветопередача требует контрастности 300 : 1.

Палитра

В отличие от традиционных, плоскопанельные мониторы имеют ограниченную палитру, т. е. характеризуются ограниченным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов.

Эта ограниченность объясняется тем, что ЖК-монитор является цифровым и требует выполнения дополнительного аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала видеоадаптера перед подачей его на ЖК-ячейки. Типовой размер палитры современных ЖК-мониторов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов. Очевидно, что в первом случае режим True Color нельзя реализовать даже тогда, когда на карте видеоадаптера имеется достаточно видеопамяти. Это обстоятельство следует учитывать при выборе монитора и видеоадаптера.

Проблемные пикселы

Еще одной отличительной чертой плоскопанельных мониторов является наличие на некоторых ЖК-экранах проблемных, или "заклинивших", пикселов, яркость которых при смене изображения и даже при выключении монитора остается неизменной. Этот недостаток обусловлен несовершенством технологии производства ЖК-экранов. Рекомендация по этому поводу звучит тривиально - при выборе монитора следует внимательно изучить поверхность его экрана на предмет наличия таких пикселов и при их обнаружении потребовать у продавца заменить монитор.

Массогабаритные характеристики и энергопотребление

Эти характеристики ЖК-мониторов выгодно отличают их от ЭЛТ-мониторов. Имея массу в несколько килограммов и толщину (с учетом подставки) около 20 см, такие мониторы на рабочем столе занимают очень мало места. Во многих моделях предусмотрена возможность отсоединить от подставки экран и повесить его на стену.

Потребляемая мощность ЖК-мониторов не превышает 35-50 Вт в рабочем режиме и 5-8 Вт в режиме ожидания (дежурном режиме). Столь низкие значения обусловлены отсутствием в этих мониторах блоков разверток и высокого напряжения, необходимых для работы мониторов с ЭЛТ.

Мультимедийное оборудование

Большинство моделей ЖК-мониторов снабжается встроенными в подставку динамиками мощностью от 1 до 3 Вт, а также разъемами для подключения головных телефонов. Кроме того, они имеют микрофонный вход и аудиовход для подключения к звуковой карте или внешнему источнику звука. Отдельные модели имеют разъем для подключения к шине LJSB.

Цветные (RGB) цифровые мониторы

Поскольку кинескоп цветного монитора имеет не одну, а три электронные пушки для красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) цветов с раздельным управлением, его также называют RGB-монитором. Заметим, что современные аналоговые мониторы также являются RGB-мониторами, поскольку термин "RGB-монитор" обозначает только тот факт, что сигналы основных цветов подаются на монитор независимо, по трем отдельным проводам, при этом характер сигнала (цифровой или аналоговый) значения не имеет. Данный термин был введен для того, чтобы отличать такие мониторы от более ранних моделей цветных мониторов, управление которыми, подобно телевизору, осуществлялось композитным видеосигналом, несущим информацию о яркости и цветности и передававшимся по одному проводу. В частности, такой композитный видеосигнал может формировать видеоадаптер CGA (Color Graphic Adapter), для чего на нем имеется специальный коаксиальный разъем типа RCA, также известный под названием "тюльпан".

Цифровые RGB-мониторы предназначены для подключения к видеокартам стандарта CGA и

EGA. Размер палитры (максимально возможное количество отображаемых цветов) каждого из мониторов определяется количеством двоичных сигналов, используемых для управления электронными пушками.

Видеосигнал на монитор CGA подается по четырем проводам: трем основным (R, G, В) и одному дополнительному (Intensity, или I). Сигнал I изменяет интенсивность электронных пучков, излучаемых всеми тремя пушками одновременно. В этом случае говорят о цветовой модели IRGB, позволяющей отобразить 24= 16 цветов.

На монитор EGA видеосигнал подается уже по шести проводам: сигналы трех основных (R, G, В) и трех дополнительных (г, g, b) цветов, позволяющие индивидуально регулировать интенсивность электронного пучка каждой пушки. Такая модель называется RrGgBg. Она позволяет отобразить 26 = 64 оттенка цвета, однако ее возможности использованы в видеосистеме EGA лишь частично - из-за ограниченного объема видеопамяти для кодирования цвета пиксела используется не более 4 бит, поэтому одновременно можно отобразить только 16 цветов.

Помимо цветного, цифровые RGB-мониторы поддерживают и монохромный режим работы с отображением до 16 градаций серого (в этом случае сигналы трех цветов имеют одинаковую интенсивность). Цифровые RGB-мониторы (в частности, CGA) по сравнению с мониторами Hercules имеют меньшее разрешение.

В настоящее время цифровые мониторы являются большой редкостью, поскольку по современным меркам качество формируемого ими изображения, а также их эргономические свойства не выдерживают никакой критики. Можно смело утверждать, что они вредны для здоровья в целом и для зрения - в особенности.

Аналоговые мониторы

В данном случае речь пойдет о мониторах, которые работают с видеокартами стандарта VGA (Video Graphics Array) и выше. Они способны поддерживать разрешение 640x480 пикселов и более высокое.

Главная причина перехода к аналоговому видеосигналу состоит в ограниченности палитры цифрового монитора. При использовании двоичных видеосигналов расширение палитры возможно только за счет увеличения количества цветов, однако это тупиковый путь: если количество проводов в кабеле еще можно увеличить, то количество управляющих электродов (модуляторов) электронной пушки увеличить нельзя.

Если, к примеру, задаться целью получить режим True Color (24 бита на пиксел) на цифровом мониторе, то придется сконструировать ЭЛТ с тремя электронными пушками, каждая из которых должна иметь 8 модуляторов. Совершенно очевидно, что это нереально.

В результате разработчики стали использовать не цифровой (двоичный), а аналоговый видеосигнал, который может принимать любое значение в диапазоне от 0 до 0,7 В. Поскольку этих значений бесконечно много, то палитра аналогового монитора неограничена. Другое дело, что видеоадаптер может обеспечить только конечное количество градаций уровня видеосигнала, что в итоге ограничивает палитру всей видеосистемы в целом.

Аналоговые мониторы так же, как и цифровые, бывают цветными и монохромными, при этом цветной монитор может работать в монохромном режиме. Наиболее распространены, естественно, цветные мониторы, однако и монохромные аналоговые мониторы пользуются спросом, поскольку имеют ряд преимуществ по сравнению с цветными: меньшие габариты и энергопотребление, более низкую стоимость, лучшую резкость изображения (в них отсутствует зернистая структура люминофора, свойственная цветным мониторам).

Максимальное количество градаций серого, которое может отображать видеосистема с монохромным монитором, определяется видеоадаптером (точнее, разрядностью его цифроаналогового преобразователя и объемом видеопамяти). При использовании стандартного видеоадаптера VGA можно получить 64 оттенка серого, при использовании более современных адаптеров SVGA - 256.

Видеосигнал на аналоговый монитор подается через 15-контактный трехрядный D-образный разъем (стандартный разъем VGA). Поскольку полоса частот видеосигнала аналогового монитора значительно шире, чем у цифрового, для передачи RGB-сигналов используются витые пары (1-6, 2-7, 3-8). Наличие специальных битов идентификации позволяет видеоадаптеру автоматически определить, какой монитор подключен: цветной или монохромный. В последнем случае для передачи видеосигнала задействуется только одна пара контактов 2-7.

Мультичастотные мониторы

В книге мы уже достаточно часто использовали термин синхронизация. Синхронизация означает не что иное, как временное согласование двух или более элементов. Она необходима также для согласования работы видеоадаптера и монитора. С этой точки зрения видеоадаптер формирует два сигнала синхронизации: строчной частоты (сигнал синхронизации по горизонтали, или строкам; измеряется в килогерцах) и кадровой частоты (сигнал синхронизации по вертикали, или кадрам; измеряется в герцах). В различных режимах и, соответственно, при различных разрешениях частоты этих сигналов могут различаться. Все современные мониторы в первом приближении можно разделить на три большие группы:

• с фиксированной частотой;
• с несколькими фиксированными частотами;
• многочастотные (их также называют мультичастотными).

Мониторы с фиксированной частотой воспринимают синхросигналы какой-либо одной частоты, например, для кадровой развертки 60 Гц, для строчной - 31,5 кГц. Мониторы с несколькими фиксированными частотами менее критичны к значениям частот синхроимпульсов и могут работать с набором из двух или более сочетаний частот кадровых и строчных синхроимпульсов. Мультичастотные мониторы, называемые иногда Multisync (по названию мониторов, выпускаемых фирмой NEC), обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхросигналов из некоторого заданного диапазона, например, 30-64 кГц для строчной и 50-100 Гц для кадровой развертки.

Примечание

Хотя название "мультисинхронизация" является защищенным товарным знаком фирмы NEC, оно применяется в обиходном разговоре для характеристики мониторов данного типа. Поэтому этот термин можно встретить и при упоминании мониторов других изготовителей. Часто их также называют многочастотными мониторами.

Принцип работы мониторов

Чтобы разобраться, как работает монитор PC, неплохо бы вспомнить физику.

Формирование растра

Для формирования растра в мониторе используются специальные сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Прямой ход луча по горизонтали синхронизируется сигналом строчной (горизонтальной - Н. Sync) развертки, а по вертикали -кадровой (вертикальной - V. Sync) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) происходит с помощью специальных сигналов обратного хода.

Таким образом, наиболее важными для монитора являются следующие параметры: частота вертикальной (кадровой) развертки, частота горизонтальной (строчной) развертки, а при работе с высокими разрешениями важна также ширина полосы пропускания видеотракта.

Описанный выше способ формирования изображения применяется и в телевизорах. Здесь частота обновления изображения (частота кадров) составляет 25 Гц. С первого взгляда кажется, что это очень низкая частота. Однако в телевидении для сокращения полосы частот спектра телевизионного сигнала применяется чересстрочная развертка, т. е. полный растр получается за два приема. Сначала за время, равное 1/50 с, передаются (воспроизводятся) только нечетные строки: 1, 3, 5 и т. д. Эта часть растра называется полем нечетных строк или нечетным полукадром. Затем развертывающий электронный луч быстро переводится от нижнего края экрана вверх и попадает в начало второй (четной) строки. Далее луч прорисовывает все четные строки: 2, 4, 6 и т. д. Так формируется поле четных строк или четный полукадр. Если наложить оба полукадра друг на друга, то получится полный кадр изображения.

Данный способ формирования изображения как в мониторах, так и в телевизорах оказался возможным благодаря двум свойствам, а точнее недостаткам, нашего зрения, перечисленным далее.

• Инерционность восприятия световых раздражений, т.е. возникновение и прекращение фотохимических реакций в сетчатке глаза после начала и окончания воздействия импульса света происходит не мгновенно, а с задержкой, характеризующей эту инерционность. Для обычно встречающихся условий наблюдения время возникновения зрительного ощущения составляет около 0,1 с. Время сохранения светового возбуждения составляет 0,4-1,0 с после окончания действия светового раздражителя. На эту способность зрения вы уже, наверное, обращали внимание. Например, если в темном помещении включить и затем через некоторое время выключить свет, то, спустя еще какой-то промежуток времени вы будете различать предметы в этом помещении. Благодаря такому свойству зрения оказалось возможным производить поэлементную развертку изображения от строки к строке и от одного полукадра к другому (при чересстрочном способе формирования изображения), т.е. изображение представляется в виде быстро сменяющейся последовательности строк и кадров.
• Ограниченная разрешающая способность по перемещениям. Это свойство учитывается при отображении движущихся предметов на экране монитора или телевизора. Для того чтобы движения казались плавными, каждое изменение положения предметов должно быть передано небольшими "порциями", т. е. различия в картинках должны быть достаточно малыми (как в мультипликации). Движение передается путем покадрового воспроизведения отдельных мало отличающихся друг от друга фаз движения.

Как уже отмечалось, глаз человека воспринимает смену изображений как непрерывное движение с частотой не ниже 20-25 Гц. Исходя из этого и выбиралась частота смены полей в телевидении. Для мониторов частота кадров имеет важнейшее значение, поскольку во многом определяет устойчивость изображения по вертикали (отсутствие мерцаний) и, как следствие, утомляемость глаз. Поэтому частоту кадров монитора PC, наряду с использованием построчного способа формирования изображения, стараются по возможности повышать: чем выше частота кадров, тем устойчивее изображение, следовательно, тем менее утомляет работа за таким монитором. У хороших мониторов кадровая частота поддерживается на уровне 70-80 Гц и более. Однако повышение этой частоты требует увеличения частоты строчной развертки, т. к. уменьшается время, отводимое на формирование каждой точки изображения. Частота строк в килогерцах определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество строк, выводимых в одном кадре (разрешающая способность по вертикали).

Полоса частот видеосигнала, измеряемая в мегагерцах, определяет самые высокие частоты видеосигнала или, что то же самое, размер наиболее мелких деталей изображения. Приблизительно эта величина может быть получена как произведение количества точек в строке (разрешающая способность по горизонтали) и частоты строчной развертки. В большинстве мониторов необходимая полоса пропускания видеосигнала обеспечивается с запасом, поэтому практически во всех случаях этот параметр можно не учитывать.

Формирование цветного изображения

Принцип формирования растра у цветного монитора такой же, как и у монохромного. Однако в основу способа формирования цветного изображения положены другие важнейшие свойства цветового зрения.

• Трехкомпонентность цветового восприятия. Это означает, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков, например красного, синего и зеленого, что позволило в цветных телевизорах и мониторах использовать метод аддитивного смешения цветов. Данный метод можно проиллюстрировать путем одновременной непрерывной проекции на экран изображений трех основных цветов при условии перекрывания ими одной и той же поверхности экрана. В соответствии с теорией трехкомпонентного цветовосприятия, используя смешение трех основных цветов, оказалось возможным получить требуемую гамму цветовых оттенков. Отметим, что цветовой оттенок результирующей смеси всегда зависит только от соотношения интенсивностей смешиваемых цветов.
• Пространственное усреднение цвета. Если на цветном изображении имеются близко расположенные цветные детали, то с большого расстояния мы не различаем цвета отдельных деталей. Вся группа будет окрашена в один цвет в соответствии с законами смешения цветов. Это свойство зрения позволяет в электронно-лучевой трубке монитора формировать цвет одного элемента изображения из трех цветов расположенных рядом люминофорных зерен.
• В соответствии с особенностями человеческого зрения, в ЭЛТ цветного монитора имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красный, синий и зеленый. Чтобы каждая пушка "стреляла" только по своим пятнам люминофора, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска.