что такое, виды матриц, характеристики и особенности матрицы
Основная деталь любого монитора – экран, который, собственно, и выводит изображение. Не так давно он был представлен только в виде люминофорных трубок – кинескопов. Соответственно сам монитор представлял собой громадный и очень тяжелый ящик.
Что собой представляет матрица монитора?
В старых моделях мониторов использовался кинескопСовременные разработки удешевили другие виды покрытий, которые можно применять для создания изображений. Больше нет необходимости в использовании электронной пушки. Сейчас наиболее распространены и изготавливаются дисплеи на основе двух технологий или их вариаций – LCD и LED. Выглядят они внутри монитора одинаково, как относительно тонкие, прямоугольные матрицы. Различается только принцип действия.
- LCD, или полностью Liquid Crystal Display, Экран на основе жидких кристаллов. Сам он свет не излучает, только меняет полярность падающего на него или проходящего сквозь поток, в каждой точке или пикселе, в зависимости от подаваемого на нее напряжения. Одна из первых разработанных тонкопленочных технологий для отображения информации. Основной минус, от которого стараются уйти производители абсолютно всех видов экранов на основе ЖКТ – время отклика. Переориентация жидкого кристалла в любом случае занимает определенное время, пусть и в современных моделях микроскопическое. Кроме того, большой проблемой служит угол обзора – взгляд, отличный от 90° к экрану, приводит к тому, что для глаза нарушается передача оттенков цвета и его яркость.
Устройство подобных матриц относительно просто. Источник света (зачастую люминесцентный) освещает поверхность своеобразного пластикового бутерброда, каждый пиксель в котором расположен в виде матрицы – рядной последовательности элементов. Эта точка, изменяющая световой поток, представлена двумя поляризаторами, положение которых друг относительно друга изменяется за счет воздействия тока на размещенное между ними активное вещество – жидкий кристалл через прозрачные электроды.
Различия в видах ЖКТ матриц выражаются в последовательности расположения молекул на электродах, соприкасающихся с жидкими кристаллами и самой их форме.
- LED или Light Emitting Diode. Экранная матрица на основе светоизлучающих диодов. Ее поверхность – сетка микроскопических, испускающих свет элементов трех основных цветов, каждый из которых выдает поток своего спектра, с яркостью, зависящей от силы подаваемого тока на конкретный участок экрана. По сравнению с ЖКТ, подобные дисплеи имеют меньший срок жизни, но в то же время в них практически отсутствуют проблемы с откликом, как, впрочем, и с углами обзора. Кроме того, некоторые экзотические варианты исполнения подобных матриц позволяют сделать их гибкими.
Маркетинговые названия, применяемые для матриц различных мониторов, требуют небольшого комментария. В действительности под названием LED дисплея, указанным на упаковке, может применяться обычная TN матрица, но с осветительной частью на основе светодиодов.
TN матрица монитора
Жидкокристаллическая матрица, со всеми присущими виду недостатками – маленькими углами обзора, высоким потреблением энергии, слабой контрастностью и передачей цветов. Для TN экранов характерна очень высокая инерционность. В защиту можно назвать только низкую стоимость и долговечность.
Аббревиатура в названии расшифровывается «Twisted Nematic» или «извивающаяся нитевидная», от формы расположения молекулы жидкого кристалла. В этих матрицах она свернута в спираль и при подаче тока распрямляется, изменяя положение поляризаторов относительно друг друга.
Для всех вариантов TN матриц характерна прозрачность прохождения света между поляризаторами в нулевом положении, когда никакого питания на жидкий кристалл не подается.
TN+Film матрица монитора
От обычной TN отличается добавлением дополнительного слоя, предназначенного для повышения оптического угла обзора. В среднем для TN+Film мониторов допустимый угол наблюдения может достигать 150°. Часто подобные матрицы используются в бюджетном сегменте техники и для изготовления недорогих телевизоров.
TFT матрица монитора
На текущий момент – один из самых распространенных видов матриц. От обычной TN отличается микроэлектронной системой управления жидким кристаллом. В ней используются тонкопленочные транзисторы, которые дают меньшее время отклика (относительно) и потребление энергии. Собственно говоря, поэтому такой вид матриц наиболее распространен к применению среди изготовителей ноутбуков, сотовых телефонов и прочей мобильной техники.
IPS матрица монитора
Super Fine TFT — так расшифровывается название этого вида ЖКТ. То есть, «очень хороший TFT». Отличается от обычного лучшей цветопередачей и большими углами обзора, которые могут доходить до 178°. Кроме того, отмечается более низкое, в сравнении с TN экраном, время отклика. По некоторым данным оно может достигать и 16 мс, что считается очень долгим для активно изменяющихся изображений.
Основная ниша применения IPS матриц – профессиональные, дизайнерские приложения и обработка фотографий, в которых как раз необходима натуральная цветопередача. Кроме того, для использования дома у подобных устройств слишком высока цена.
Матрицы IPS также бывают разных видов, в зависимости от конкретных технологий, направленных на улучшение качества изображения:
- AFFS – отличаются более высоким энергопотреблением для улучшения обзорности и яркости цветов;
- H-IPS и H-IPS A-TW – характерны меньшим временем отклика, высокой контрастностью и для A-TW более натуральным белым цветом;
- AS-IPS – основные изменения в подобных матрицах направлены на усиление контраста изображения.
VA матрица монитора
Один из видов TN матриц. В отличие от обычной – в выключенном состоянии поляризаторы расположены так относительно друг друга, что свет сквозь них не проходит.
PVA матрица монитора
Один из вариантов матриц VA, созданный с целью повышения обзорности. Конкретно PVA находится под действием патентов Samsung. Есть вариант дисплеев подобного типа, которые разработаны в содружестве с концерном Sony. У них обычно в названии можно увидеть аббревиатуру S-PVA. Суть совместной технологии – еще большее повышение углов обзорности для матриц PVA.
MVA матрица монитора
Вариант PVA, но разработанный сторонними производителями, чтобы не зависть от патентов Samsung. Для увеличения угла обзорности, яркости и контраста используется технология OverDrive, которая хоть и улучшает эти параметры, тем не менее, производит искажение некоторых цветов и обладает большим временем отклика. Кроме того, функции, добавляющие OverDrive в монитор, приводят к его конструктивному усложнению.
PLS матрица монитора
Один из вариантов IPS матриц, но разработанный брендом Samsung, а соответственно попадающим под действие патентных ограничений этого концерна. По сравнению с обычными, обладают более низкой стоимостью при сохранении всех плюсов IPS матриц, при этом имеют меньше проблем с временем отклика от оригинальной технологии.
OLED дисплеи
Собственно, технология, за которой пророчат будущее. По большей части, благодаря своей эффективности к расходу энергии, распространена в мобильных устройствах, в качестве основного источника передачи изображения. Это светодиодные экраны, каждый пиксель на их матрице сам излучает световой поток, а его яркость зависит от силы подаваемого на конкретный участок напряжения. Для передачи каждого из основных оттенков палитры используется диод своего цвета.
Полимерные технологии производства полупроводников позволяют создавать гибкие варианты подобных дисплеев, которые в сложенном состоянии занимают минимум места, а в развернутом практически не имеют никаких искажений в цветопередаче.
Единственным минусом подобной технологии можно назвать относительно низкий срок жизни диодов определенных цветов, сравнительно с общим для матрицы, и более высокую цену изготовления, а значит и конечную для покупателя. Что касается срока жизни, – он все равно раз в пять превышает срок жизни любого старого кинескопа ЭЛТ.
Основа OLED – углеродные органические полупроводники, свечение которых дает очень близкий к реальному оттенок цвета и его высокую яркость. Ну а за счет того, что черный в подобных матрицах – это реально пиксель с отсутствием цвета, контраст подобных дисплеев очень высок. Ведь в обычном варианте TN или даже IPS подсветка экрана все равно создает своеобразный блик и темные цвета в реальности таковыми полностью не являются.
Кроме «чистокровных» OLED дисплеев, получили распространение и гибридные, в основном применяемые для сотовых телефонов и прочих мобильных устройств – AMOLED и Super AMOLED. Название полностью звучит как «Active Matrix Organic Light-Emitting Diode» или активная матрица с органическими светодиодами. Сущность технологии – использование экрана с применением как классических жидких кристаллов, так и светодиодов попеременно в качестве и подсветки и источника изображения.
Как определить, какая матрица у монитора?
Кроме информации от производителя можно воспользоваться приметами, показывающими недостатки или достоинства той или иной технологии производства. В основном, рекомендуют обратить внимание на одну из трех примет:
- Угол обзора. Если при наблюдении изображения под наклоном относительно экрана сильно искажаются цвета и возникает своеобразная инверсия, то с высокой вероятностью для создания этого монитора использовалась TN матрица или какой-то из ее вариантов.
- Если при просмотре темных изображений под углом черный цвет становится фиолетовым – это один из признаков IPS или его модификаций.
- Если в темноте не видно серого или фиолетового свечения черных участков изображения, то это означает OLED дисплей или его варианты. AMOLED экраны будут давать слегка сероватый оттенок в темных точках. Тем не менее, он будет обладать гораздо более глубоким цветом, чем у TN панелей.
Влияние матрицы монитора на зрение
В сущности, ЖКТ и светодиодные мониторы намного более безопасны для зрения и здоровья, чем их кинескопные аналоги. Тем не менее, определенный вред глазам они все же приносят. Первое и основное – частота мерцания подсветки изображения на экране. Оно в отличие от ЭЛТ мониторов никакого отношения к частоте обновления изображения не имеет, которой для LCD экранов вполне достаточно и 60Гц при любом разрешении. Суть его – чтобы улучшить характеристики цветопередачи, во многих мониторах используется определенное мерцание светового потока, от 200 до 400 Гц.
Определить его достаточно просто. При низких показателях этой характеристики будет виден след от проводимого предмета между глазами человека и экраном. Опять же, важна и четкость изображения, а также яркость основных цветов. При размытом, тусклом или не контрастном – зрение быстро устает, что может привести к его последующему ухудшению, особенно если приходится много времени проводить за монитором.
TN матрица
Весь вред подобных экранов вырастает из-за недостатков технологии. Изменение светового потока, в зависимости от угла обзора, мерцание и размытость изображения – все это дает очень большую нагрузку на глаза пользователя.
Кроме того, чисто психологически для человека важно видеть чистый белый цвет, который многие TN мониторы не дают, заменяя его светло-желтым. Опять же, контрастность подобных экранов ниже, чем у более дорогих собратьев.
IPS матрица
Среди жидкокристаллических дисплеев – это, наверное, самый лучший вариант для зрения. Низкий уровень мерцания, сочная цветопередача – вот плюсы подобных матриц. К сожалению, не всегда бывает оправдано их приобретение, как ценой, так и определенными нишами применения. К примеру, большинство обладает некоторой, вроде бы незаметной, тем не менее создающей дискомфорт инерционностью.
OLED матрица
С точки зрения современной медицины – это один из наиболее безопасных для зрения видов экранов. Яркое, а главное четкое изображение — их основной плюс. К этому стоит добавить правильную цветопередачу, отсутствие мерцания и изменения цвета в зависимости от углов обзора.
То же самое по большей части касается гибридных AMOLED дисплеев. Единственный недостаток, но не для здоровья – цена, которая, впрочем, постепенно уменьшается в связи с распространением и развитием технологии.
Существует, правда, и мнение об определенном вреде для зрения от OLED дисплеев. Оно пока не доказано, но тоже имеет право на существование. Здесь как раз проявляется фактор удешевления производства. Для регулирования яркости горения конкретной точки экрана можно пользоваться двумя методами – регуляцией напряжения для каждого пикселя (аналоговый метод) или используя токи одной характеристики, но подаваемые импульсным методом (ШИМ – широтно-импульсная модуляция). Зрение же человека, за счет инерционности, будет видеть разную силу света в зависимости от частоты вспышек.
Так вот, для удешевления производства и уменьшения сложности прибора, изготовители предпочитают применять второй метод изменения тона изображения в каждой конкретной точке. Проблема здесь может быть сокрыта в самой частоте. Глаз, при использовании мерцания менее 300 Гц – его видит, что может вызывать определенную усталость при работе сетчатки.
Но хотелось бы заметить два фактора: цена на OLED и AMOLED дисплеи настолько высока, что смысла в подобной экономии просто нет или, по крайней мере, характеристики частот будут намного выше небезопасного уровня. Ну а второй – никакому из производителей не выгодно, чтобы его продукцию, особенно премиум – класса, начали ругать и перестали приобретать.
Выбор монитора, для конкретного пользователя, конечно же, его личное дело. Но для здоровья и согласно качеству, все же стоит брать OLED варианты, хоть они и дороже. Это все-таки тот прибор, при котором придется проводить основное время при работе с компьютером. Что касается качества и долговечности – их вполне хватит для любого применения. Просто нечему там ломаться.
Чем отличается VA от IPS: противостояние матриц | Мониторы | Блог
Обе технологии появились довольно давно по меркам мира электроники — и VA, и IPS впервые появились в 1996 году — почти четверть века назад. Обычного такого срока бывает достаточно для выявления явного фаворита, но не в этом случае — обе матрицы соревнуются на равных как в любительском, так и профессиональном сегменте и пока незаметно, чтобы какая-нибудь из них «брала верх». Иной раз даже может показаться, что особой разницы между этими матрицами нет.
В чем разница?
Действительно, за прошедшие годы, отличия между VA и IPS матрицами во многом нивелировались. И та, и другая технология не стояли на месте — производителями прилагались все усилия, чтобы, сохранив преимущества технологии, убрать её недостатки. В итоге сегодня не так уж и много сводится к типу матрицы — и если вам нужны какие-то конкретные характеристики телевизора или монитора, то лучше по этим характеристикам и подбирать. Однако некоторые различия между IPS и VA матрицами все же остались.
Глубокий черный цвет и контрастность.
Здесь VA по-прежнему далеко впереди. Благодаря конструкции, черные пиксели VA-матрицы пропускают намного меньше света, чем у IPS. Это особенно заметно в затемненном помещении. Очевидно, это создает определенное преимущество телевизорам на основе VA-матриц — ведь фильмы мы предпочитаем смотреть в полумраке.
| Слева — VA, справа — IPS. Комментарии излишни. |
Благодаря глубокому черному цвету, VA-матрицы обычно обладают и лучшей контрастностью. Визуально это выражается в повышенной сочности «картинки», что, опять же, будет плюсом для любого телевизора.
Угол обзора
В первую очередь, не стоит обращать внимания на цифры, которые приводятся в характеристиках монитора — во-первых, твердой методики измерения угла обзора нет. Некоторые производители дают в этом параметре угол, под которым контрастность монитора падает до 10:1, некоторые — до 5:1. Но это — очень малая контрастность, при 5:1 на экране можно будет разобрать только крупные контрастные объекты, а все детали «потеряются».
 |
| То, что экран имеет угол обзора 160º, ничуть не гарантирует, что под этим углом на него будет комфортно смотреть. |
Контрастности 100:1 уже маловато для просмотра фильмов, а для профессиональной работы с графикой желательно никак не меньше 1000:1. И здесь IPS-мониторы пока впереди, хотя предельные углы обзора у VA порой такие же. Последние намного сильнее теряют контрастность при небольших отклонениях от перпендикуляра.
Конечно, если вы сидите прямо перед монитором или смотрите телевизор издалека и прямо по центру, это неважно. А вот если экран предназначен для аудитории, то IPS-матрица скорее обеспечит достойную «картинку».
 | |
| VA | IPS |
Еще одна проблема угла обзора вылезает на больших широкоформатных экранах. Чем он шире и чем ближе вы находитесь к такому экрану, тем под большим углом идут лучи от его углов. При некоторых размерах экрана падение контрастности в его углах становится хорошо заметным — и этим чаще страдают как раз экраны на основе VA-матрицы. Называется этот эффект «Black Crush».
| Широкоформатный монитор с VA-матрицей, снятый с небольшого расстояния широкоугольным объективом. Обратите внимание на «замыливание» градиента по краям. |
 |
| На самом деле картинка на мониторе вот такая. Но если сесть к нему близко, то будет, как на предыдущем кадре. |
Одним из способов решения проблемы являются изогнутые телевизоры и мониторы — это не только мода и разрекламированный, но совершенно неизмеримый, «эффект присутствия». Такая конструкция позволяет уменьшить угол, под которым лучи от краев экрана идут к глазам зрителя — и сохранить качество изображения без изменения технологии.
Правда, для профессиональной работы с графикой изогнутый монитор не очень подходит — его форма вносит в изображение сферические искажения при взгляде сверху или снизу. Поэтому профессионалы часто отдают предпочтение IPS-матрицам — они скорее обеспечат равномерное качество изображения по всему экрану.
Глоу-эффект
Однако у IPS есть своя беда, немного схожая с искажением контрастности при изменении угла обзора. Глоу-эффект — это неравномерность подсветки экрана, создающая при взгляде сбоку впечатление «светящихся» углов или краев экрана. Особенно хорошо этот эффект заметен в темноте на темном же экране. Неправда, будто глоу-эффект присущ только IPS-матрицам, но именно на IPS он встречается чаще и более ярко выражен.
Особенно хорошо глоу-эффект заметен в полной темноте на черном экране.
Но при слабом освещении и на реальном темном изображении глоу-эффект тоже может проявляться и вносить свои искажения.
Производители борются с этим эффектом с помощью различных технологических решений, но все они удорожают изделие. Поэтому если на профессиональных мониторах глоу-эффект сведен к минимуму, то недорогой домашний монитор с IPS-матрицей вполне может «порадовать» цветными углами на темных сценах.
Впрочем, при дневном освещении глоу-эффект практически незаметен.
Выводы
Если вам нужна визуально «впечатляющая» картинка для просмотра фильмов или для игр, то матрица VA скорее обеспечит вам желаемое. Если же вы работаете с компьютерной графикой, IPS может оказаться более подходящим вариантом. Кстати, среди недорогих мониторов с матрицей IPS намного чаще попадаются модели с широким цветовым охватом — для начинающего полиграфиста это может оказаться немаловажным доводом.
Матрица монитора
Здравствуйте дорогие друзья.
Как я и обещал, в этой заметке я закончу тему компьютерных мониторов и дисплеев.
Поговорим мы с вами, о матрицах ЖК экранов. Матрица это непосредственно рабочая часть монитора, которая отвечает за передачу цветов на экране.
Существует несколько технологий матриц мониторов.
TN+film (Twisted Nematic + film)
Это одна из наиболее простых и дешёвых технологий . Чаще всего её называю просто TN. На данный момент наиболее распространена. Минусом такой матрицы является достаточно небольшой коэффициент контрастности, что влияет на качество отображаемых цветов.
Зато отклик матрица при этом небольшой.
P.S. Отклик матрицы измеряется в миллисекундах (например 2мс). Чем он меньше, тем более плавно буду сменяться кадры на вашем мониторе. Это значение выражает, насколько быстро кристаллы в матрице реагируют на изменение напряжения.
Ещё одним минусом являются довольно маленькие углы обзора. Что за углы такие? Всё очень просто. Если вы смотрите на монитор не под прямым углом, а под наклоном, то яркость кардинально падает. Наглядно это видно на фотографии ниже.
IPS (In-Plane Switching) или SFT (Super Fine TFT)
Это более дорогая технология матрицы, обладает высокой контрастностью и чёткостью передаваемых цветов. Мониторы с таким типом матрицы стоят достаточно дорого. Однако качество изображения не сравнить с матрицей TN.
Изначально IPS имела небольшой отклик матрицы, но в дальнейшем инженерам удалось уменьшить отклик. Позже как компромисс между этими двумя технологиями (TN и IPS), была разработана технологи:
VA (Vertical Alignment)
Этот тип матриц даёт качество изображения нечто среднее между TN и IPS, а стоит при этом дешевле технологии IPS.
Кроме отклика матрицы и её типа, есть ещё один важный параметр.
Разрешение – это количество точек пикселов. Тут всё просто, если собираетесь играть в игры на большом мониторе, то и видеокарта должна быть достаточно мощной. Разрешение зависит от диагонали вашего экрана.
Частота кадровой развёртки. Измеряется в герцах. Для обычных мониторов это значение, как правило, составляет 60-75 Гц, для мониторов поддерживающих вывод объёмного 3D изображения, через специальные очки – 120 Гц.
В заключении хотелось бы отметить, что при выборе монитора прежде всего ориентируйтесь на возможности вашего бюджета и на то для чего он вам нужен.
Для дизайнера однозначно подойдёт монитор с матрицой IPS. Для домашнего потребительского использования: TN. На этом всё.
Крепких вам компьютерных знаний. Если заметка вам понравилась, то свои комментарии вы можете оставить ниже в специальной форме.
С Уважением Артём Ющенко
Это интересно:
Вы можете оставить комментарий ниже.
Матрица — что это такое в компьютере?
Матрица в компьютере, а точнее сказать, в мониторе или дисплее – это то, благодаря чему пользователь видит картинку на своём ЖК экране. Говоря упрощённо – это и есть экран.
Пиксели
По аналогии с математической матрицей, где числовая информация строго распределена по ячейкам столбцов и строк, матрицы компьютеров содержат в себе упорядоченную структуру точек пикселей. Каждая точка в ней имеет свой адрес, по которому поступают команды о нужном цвете.
Точки работают в формате RGB. Английская аббревиатура RGB означает «Red, Green, Blue» или «красный, зелёный, синий». Сочетание этих цветов обеспечивает отображение любых оттенков, видимых человеческому глазу.
Физически матрица представляет собой пластину, чаще всего прямоугольную и закреплённую в рамке. Рамка же устанавливается на лицевую часть стационарного монитора или в крышку ноутбука.
Параметры матриц
Размеры выпускаемых матриц зависят от размеров тех устройств, на которые они будут установлены. Эта характеристика отображает их величину по диагонали экрана или показатели ширины и высоты в дюймах.
Например, экраны с показателем 21,1 по диагонали могут иметь 9,6 в ширину и 7,3 в высоту, но другой экран с такой же диагональю имеет размеры 10,2 х 6,4.
Другим параметром матриц является их разрешение. Этот параметр обусловлен количеством пикселей. Чем больше их число, тем выше разрешение, а значит, и качество картинки.
В числовом виде этот параметр отображается в виде количества точек по ширине и высоте. Например, для большинства ноутбуков наиболее распространённым показателем является 1366х768, что соответствует такому известному сочетанию латинских букв, как HD. A вот Full HD – это уже 1920х1080.
Физические размеры экрана не привязаны жёстко к степени их разрешения. Мониторы одинакового размера могут отличаться количеством пикселей. Чем меньше размер самих этих точек, тем плотнее их можно расположить на единице площади.
Замена матрицы
Проблемы, связанные с некорректной работой экрана, зависят от конкретных причин поломок. Некоторые из них можно устранить точечным ремонтом, но иногда нужно менять всю матрицу целиком. Очень часто причиной поломки является физическое повреждение экрана. То есть экран просто был разбит в результате неосторожного обращения.
Материал его хрупок, он может повредиться даже от незначительного удара. Модульная замена не занимает много времени. Деталь крепится в корпусе при помощи винтов, после чего её подключают к соответствующему шлейфу.
CSTroN — самодельный монитор на винтажной CSTN-матрице с VGA-входом и платой управления на ПЛИС / Habr
Что если бы TFT никогда не изобрели? ЖК-монитор с CSTN-матрицей
Когда ЭЛТ-мониторы преобладали, в их пользу выдвигали следующий аргумент: несмотря на все усовершенствования, ЖК-дисплеи никогда не превзойдут по качеству изображения трубочные. Они, как и прежде, будут находить применение лишь там, где требуются энергоэффективность и малая толщина [1]. Прошли десятилетия, и теперь мы знаем, правы ли были сторонники этого аргумента. Но сегодня интересно взглянуть на ЖКИ того времени: действительно ли они настолько некачественные? Каково это — смотреть на CSTN-матрицу в 2019 году?
Слева TFT, справа CSTN, оба дисплея из девяностых
До перехода на TFT в портативных компьютерах находили применение самые разные дисплейные технологии. Поначалу применяли такие же ЭЛТ-мониторы, как в настольных компьютерах, только поменьше. Например, в Compaq Portable (1983), IBM 5155 (1984) или Commodore SX-64 (также 1984).
IBM 5155, автор: Soupmeister, лицензия: CC-BY-SA-2.0, отсюда
Таскать такой ПК с собой повсюду было тяжело, совсем другое дело — ноутбук с TN-ЖКИ (twist nematic), например, IBM 5140 (1986), Toshiba T1000 (1987). У этих дисплеев малы контрастность и угол обзора.
Toshiba T1100 с монохромным TN-дисплеем, автор: Johann H. Addicks, лицензия: GFDL, отсюда, ссылка битая, в оригинале тоже
Некоторые производители экспериментировали с газоразрядными матрицами, так увидели свет ноутбуки Toshiba T3200 (1987) и IBM PS/2 P70 (1991). Они обеспечивали высокую контрастность и несколько градаций яркости красно-оранжевого света, но стоили довольно дорого. Наконец, были разработаны STN-ЖКИ (supertwist nematic), как, например, в Электронике МС1504 и его прототипе Toshiba T1100. Контраст получался значительно лучше — от 1:5 до 1:50, а нескольких градаций яркости было достаточно для деловых применений (использовать ноутбук в быту было пока слишком дорого). Но что если пользователь хочет цветное изображение? На этот случай ему предложили две технологии: TFT и CSTN (color supertwist nematic). Первый ноутбук с TFT — NEC PC9801NC — был представлен в 1990 году, качество изображения для тех лет было выше всех похвал, но стоила «такая игрушка» значительно дороже других и так недешёвых портативных компьютеров. Ну а CSTN-дисплей — это просто STN-дисплей, на который наложен светофильтр. Довольно долго в ноутбуках применяли матрицы обоих типов. А в вагонах нью-йоркского метро CSTN-мониторы работают до сих пор.
Один из них, источник: Transit +PLUS
Автору захотелось посмотреть на CSTN-дисплей. Как? Для начала — просто купить старый ноутбук с ним и попользоваться. В нём оказался процессор AMD 5×86-P133. То есть, самое динамичное, что на нём можно запустить — это DOS-игры (да ладно, он и MPEG1 потянет в программе QV — переводчик). Конечно, играть в них здорово, но захотелось посмотреть, как на таком дисплее выглядит, к примеру, YouTube или современная игра — но это невозможно.
Или?
В общем, надо как-нибудь добавить к нему VGA- или HDMI-вход — и можно подавать сигнал с чего-нибудь современного. TFT-экраны от ноутбуков так переделывают в мониторы довольно часто. Просто покупают плату, подходящую к матрице — и готово. А можно сделать и свою приставку на ПЛИС, преобразующую VGA- или HDMI-сигнал в поток данных о пикселях.
Когда-то выпускались и платы для превращения в VGA-мониторы CSTN-матриц, но такую уже не найти. Но можно приспособить для этого отладочную плату на ПЛИС ML505.
Готовый результат. Довольно непривычно наблюдать такое на CSTN-дисплее: 16 ГБ ОЗУ.
Начнём с азов. Подобно любым матричным дисплеям, CSTN-дисплей имеет строки и стобцы. Вы светодиодной матрицей от микроконтроллера когда-нибудь управляли? Здесь то же самое, но напряжения — переменные. Нужно подать определённые сигналы как на выбранные, так и на невыбранные строки и столбцы — и пиксель на пересечении выбранных строки и столбца покажет то, что нужно. Форма сигналов получается весьма сложной, значение имеют и среднеквадратическое значение напряжения, и сдвиг фаз между напряжениями на строке и столбце, и смещение… И вот так, пиксель за пикселем, формируется изображение.
К счастью, от ПЛИС не требуется вырабатывать все эти сигналы, да ещё и на таком огромном количестве линий. Всё это проделывает модуль, встроенный в дисплей. Там импульсный преобразователь повышает постоянное напряжение, оно проходит через делитель и повторитель, так получается напряжение смещения. Драйверы строк и столбцов превращают это напряжение в переменное необходимой формы. Всё, что требуется — подать в дисплейный модуль поток данных о состоянии пикселей.
На TFT-ЖКИ с интерфейсом DPI (digital parallel interface) за один такт поступают сразу все данные об одном пикселе. На линии строчной и кадровой синхронизации поступают импульсы после каждых, соответственно, строки и кадра. Пиксели просто непрерывно передаются строка за строкой, кадр за кадром. Если передача полного кадра занимает 1/60 с, значит, частота обновления составляет 60 Гц. Разрядность шины данных равна глубине цвета в битах, обычно 16 (5 бит на красный и синий, 6 на зелёный), 18 (по 6 бит на каждый из цветов), or 24 (по 8 бит на каждый из цветов). LVDS — это то же самое, только биты передаются не параллельно, а последовательно по дифференциальным парам, ну а в MIPI DSI они ещё и объединяются в пакеты. Шина SPI/i80 позволяет передавать контроллеру различные команды, а тот, выполняя их, формирует сигналы для DPI или аналогичного интерфейса. Который, в свою очередь, чем-то напоминает VGA, только данные о яркости каждого из цветов поступают не в аналоговом, а в цифровом виде. Существуют преобразователи VGA в DPI и обратно. Очень удобны платы, позволяющие получать VGA-сигнал от Raspberry Pi, хотя изначально этот компьютер вырабатывает только HDMI и композитное видео.
На дисплейный модуль CSTN-матрицы надо подавать сигналы, очень похожие на подаваемые на TFT-матрицу с интерфейсом DPI. В даташите на SX21V001 [2] показано, как управлять CSTN-дисплеем с разрешением в 640х480:
Тут изображена передача целого кадра. На линию CL1 сигнал поступает после каждой строки, на FLM — после каждого кадра. А ещё там шина данных из 16 линий. Вообще-то, на этом рисунке допущена ошибка: во время передачи первой и второй строк по линиям UD0-UD7 поступают данные Y1 и Y2, а не X1 и X2, а по LD0-LD8 — соответственно, Y241 и Y242. Здесь U и L — это, соответственно, upper и lower, то есть, дисплей состоит из двух матриц разрешением в 640х240, расположенных одна над другой. Вот он, загадочный «dual scan» из старой рекламы ноутбуков, от которого происходит горизонтальная полоса через весь экран. У STN- и CSTN-дисплеев контрастность обратно пропорциональна числу строк, поэтому такое разделение позволяет её увеличить. Но это не единственное, чем они отличаются по способу управления от TFT.
Непонятно, почему горизонтальную ось здесь назвали Y… Но в любом случае, CL2 здесь — линия для подачи тактовых импульсов, переключающих пиксели. Но по шинам UD и LD за один такт передаются не данные об одном многобитном пикселе, как в TFT, а данные сразу о нескольких пикселях по три бита на каждый. Один бит на цвет, три бита на пиксель — всего восемь цветов.
Но как же так? Понятно, что у CSTN-дисплеев количество цветов мало, например, 4096 или 32768, но ведь не 8 же. Оказывается, здесь применяется ШИМ. Светодиодами же так управляют, значит, и пикселями ЖКИ можно. Нужна, например, яркость в 50% — включаем пиксель в чётных кадрах и выключаем в нечётных. Этот способ называют FRC (frame rate control), ну а ШИМом в данном контексте называют управление яркостью пикселей тем же способом, но в пределах не двух или более кадров, а одного. FRC осуществляет внешнее устройство, а ШИМ — микросхемы дисплейного модуля, если там есть поддержка этой функции. Автору неизвестны CSTN-дисплеи с ШИМ, но он предполагает, что таковы матрицы HPA-типа. В любом случае, раз ШИМ недоступен, необходимую глубину цвета можно получить с помощью FRC.
Ценой этого будет мерцание, поэтому в CSTN-дисплеях бывают чудовищные (по сравнению с TFT) частоты кадров. Например, в этом модуле изначально было 120 Гц, а автор разогнал его до 240.
Перед разработчиком возникло сразу несколько трудностей:
— входной сигнал имеет частоту кадров в 60 Гц, её надо удваивать или даже учетверять
— во входном сигнале кадр не делится на верхнюю и нижнюю половины по 640х240 пикселей каждая, а здесь надо разделить
— а ещё нужно реализовать FRC, иначе глубина цвета будет 3 бита на пиксель
Первые два пункта означают, что необходим фреймбуфер, и не простой, а двухпортовый. Ну а третья задача решается при помощи GLDP LUT (grayscale-level display pattern lookup table) [3]. У таблицы поиска два вида входных данных: цвет, который надо отобразить, и состояние счётчика кадров. И один вид выходных данных: те три бита, которые надо подать на субпиксели того или иного пикселя в данный момент. Значит, потребуются следующие узлы:
Первым делом надо заполнить весь экран каким-нибудь цветом. На этой стадии необязательно знать, где находится какой пиксель, достаточно убедиться, что дисплейный модуль подаёт на матрицу сигналы необходимой формы. Код для заливки в ПЛИС — здесь.
Теперь попробуем что-нибудь вывести, и с неполной яркостью в том числе. Нужны такие таблицы поиска для FRC, чтобы минимизировать мерцание. Автор придумал две таблицы, применяемые к пикселям в шахматном порядке. Поэтому каждые два соседних пикселя мерцают несинхронно. Код — здесь.
Итак, показывать изображение мы уже плату «научили», следующее, что потребуется — фреймбуфер. При 640х480 и 5 битах на каждый из цветов его объём составит около 600 килобайт. Немного, но в ПЛИС столько нет. Хорошо, на плате есть ОЗУ типа DDR2 и Xilinx MIG для управления им. Реализованы два FIFO, один на чтение, другой на запись. Арбитр решает, будет ли следующий обмен данными с DDR2 чтением или записью. Буферов два, запись идёт в один, чтение из другого, а при смене кадров они меняются местами. Код арбитра — здесь.
Осталось реализовать видеозахват, в одном из предыдущих проектов автора уже есть похожая наработка, после доработки код преобразователя из VGA в DPI стал таким.
Смотрите!
Для автора это третий проект на ПЛИС, было интересно поработать с Xilinx MIG и DDR2, а также с несложным конвейером. Запланирован более качественный FRC с дельта-сигма-модуляцией, а также опыты с более поздними CSTN-панелями, использующими технологию HPA (High Performance Addressing) фирмы Sharp.
Спасибо за внимание!
1. Li, W., & Guo, Q. (2000). Liquid Crystal Display Application Technology. Beijing: Electrical Industry Press.
2. HITACHI (1999). SX21V001-Z4 Customer’s Acceptance Specifications.
3. Hsueh, Y., & Lee, J. (2008). Image improvement method for LCD frame rate controller. 2008 IEEE International Symposium on Consumer Electronics. doi:10.1109/isce.2008.4559534
Первое что нужно решить, для каких именно целей, в большей мере, будет использоваться монитор. Здесь не обойтись без поверхностного ознакомления с существующими видами матриц жидкокристаллических мониторов. Существует как минимум три основных вида жидкокристаллических матриц мониторов.
1. Монитор для игр. Оптимальный вид матрицы – TN учитывая время отклика пикселя. Профессионально работать с графическими программами на нёмне рекомендуется.Для игр (геймеров) такой параметр как «время отклика пикселя» является одним из основных.Если время отклика пикселя будет слишком большим, то мы будем видеть так называемый «шлейф», то есть размазывание картинки в динамических сценах (игры и просмотр фильмов). Минимально допустимая величина отклика пикселя для современных игр равна 7–8 миллисекундам, оптимальное 2–5 мс, то есть для игр, чем меньше это число, тем лучше. Соответственно чем меньше это число, тем монитор дороже. Хотя, не могуне сказатьо том, что фактически наш глаз уже не воспринимает разницы между 2 мс и 5 мс, поэтому в этом случае можно задаться вопросом – зачем платить больше? Есть ещё один интересный нюанс, связанный с далеко необъективными параметрами указанными в тех паспорте. Дело в том, что время отклика может отличаться в зависимостиот применённого стандарта. Любая фирма заинтересована продать свою продукцию подороже, указывая при этом максимальные параметры согласно выгодным стандартам. В результатемы получаем, что для игр и просмотра фильмов вполне достаточно 2–5 мс. 2. Монитор для работы с графическими программами (так же существует определение – монитор для «статики»). Данный вид монитора адаптирован в большей степени для работы со статическими объектами и в меньшей степени для просмотра фильмов и игр.В большинстве случаев его покупаю дизайнеры, художники, фотографы, люди работающие со статической графикой. Оптимальный вид матрицы —S-IPS (так же PVA, но в меньшей степени). Как уже упоминалось данный вид матрицы S-IPS самый медленный и вероятно, для игр и просмотра видео (тем более в BD и HD качестве) подходит хуже всего, так же это вид монитора самый дорогой. 3. Универсальный монитор может использоваться как для игр, так и для графической работы, но необходимо отметить, что оптимальную середину найти бывает достаточно сложно. Всё равно продеться чем-то жертвовать, решая, что важнее, хорошая игра и просмотр фильма высокого качества или работа с графикой. Оптимальный вид матрицы — VA (MVA, PVA и прочие названия с -VA). Разделение мониторов на эти три вида условно, поскольку у каждой модели свои параметры от которыхи следует отталкиваться при выборе монитора. Основные технические показатели монитора. 1. Типы матриц — технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей; основные – TN (TN+film), IPS, MVA/PVA. 2. Время отклика (время реакции матрицы) — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости, чем оно меньше, тем лучше. Определяется в миллисекундах (мс). 3. Разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях.В отличиеот ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией. 4. Размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением. 5. Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.) 6. Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относитсяк статическому изображению. 7. Яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделахна квадратный метр. 8. Угол обзора — это максимальный угол, с которого зритель способен различить четкое изображение на экранеЖК-монитора. 9. Диагональ монитора (размер) — это длина диагонали по внешним углам экрана. Определяется в дюймах —1 дюйм = 2,54 см. Статья будет дополняться. |
Где находится матрица в ноутбуке
В основе всех современных жидкокристаллических дисплеев лежат открытые в 1888 году биологом Фридрихом Райнитцером жидкие кристаллы. Одним из их важнейших свойств является способность упорядочивать молекулы под влиянием электрических полей. Бурное развитие электроники в двадцатом веке сначала привело к появлению монохромных, а потом и цветных жидкокристаллических дисплеев.
Основными элементами ЖК-дисплея являются жидкокристаллическая матрица, лампы ее подсветки, шлейф для подключения и металлическая рамка жесткости. Сама матрица состоит из двух прозрачных электродов, между которыми находятся жидкие кристаллы, и двух взаимно перпендикулярных поляризационных фильтров. Молекулы жидких кристаллов изначально ориентированы в одном направлении, внешнее электрическое поле меняет их ориентацию, что позволяет менять прозрачность экрана. Чтобы управлять каждым пикселем экрана в отдельности, используется адресация по строкам и столбцам. Для обеспечения нужной яркости изображения применяется подсветка, обычно в качестве источника света устанавливают миниатюрные люминесцентные лампы или светодиоды.
В ноутбуке матрица находится непосредственно под внешним защитным слоем экрана. Следует учитывать, что жидкокристаллическая матрица является одним из самых уязвимых элементов компьютера, поэтому следует оберегать ее от ударов и других механических повреждений. В случае нарушения целостности матрицы ее придется менять. Как правило, эту операцию осуществляют в сервисных центрах, но ее можно выполнить и самостоятельно.
Чтобы добраться до матрицы, необходимо разобрать экран ноутбука, для этого сначала надо аккуратно поддеть отверткой и вытащить резиновые заглушки, на которые экран опирается в закрытом состоянии. Под ними находятся шурупы, их надо выкрутить. После этого можно будет снять внешнюю пластиковую рамку. Она дополнительно крепится защелками, поэтому ее снятие может сопровождаться довольно громким треском.
Сняв рамку, вы увидите матрицу, удерживаемую несколькими винтами, обычно двумя. Их тоже следует открутить. После этого вы сможете снять ее и положить экраном вниз на мягкую ткань. Обратите внимание на шлейфы, их необходимо аккуратно отключить от разъемов. Процедура разборки окончена, матрица снята. Теперь ее можно заменить новой и выполнить сборку в обратной последовательности.
При выборе ноутбука следует поинтересоваться типом дисплея. В частности, светодиодная подсветка матрицы гораздо надежнее, чем выполненная на основе люминесцентных ламп. Кроме того, она намного экономичнее, что позволит ноутбуку гораздо дольше работать от аккумулятора.