1.3 Съемка с экрана монитора

В настоящее время жидкокристаллические (ЖК, LCD) мониторы и телевизоры практически вытеснили электронно-лучевые (ЭЛТ, CRT)

Тип матрицы. Хотя некоторые производители эту характеристику и не указывают, современный рынок предлагает ЖК мониторы со следующими типами матриц:

Матрица TN

TN-матрица является самым старым типом матриц. Тем не менее, эта матрица является и самой распространенной в современных мониторах. Аббревиатура TN расшифровывается как Twisted Nematic. Нематические ЖК субстанции состоят из продолговатых кристаллов с пространственной ориентацией. Благодаря тому, что они не имеют жесткой структуры, такое вещество довольно легко поддается внешним воздействиям.

В TN матрицах кристаллы выстроены параллельно плоскости экрана. Верхний и нижний слой кристаллов повернуты перпендикулярно относительно друг друга. Слои между ними как бы «скручены» по спирали. Пропущенный свет также скручивается и беспрепятственно проходит сквозь внешнюю поляризирующую пленку. Поэтому в выключенном состоянии ячейка TN матрицы светится. При подаче напряжения кристаллы поворачиваются. Как только они развернуться параллельно световому потоку, ячейка «закрывается» и свет не проходит. Однако для TN типа матриц добиться идеального черного цвета очень тяжело.

Главный недостаток TN матрицы состоит в возникающем разнобое при повороте кристаллов. При несогласованном повороте одни кристаллы уже полностью развернуты, другие только начинают поворачиваться. Из-за этого световой поток рассеивается. В конечном итоге картинка выглядит неодинаково под разными углами. Горизонтальный угол обзора в современных матрицах вполне приемлем. Но с вертикальным углом обзора до сих пор остаются проблемы. Цветопередача в TN матрицах также далека от идеальной. Недостаток в выдаче палитры цветов компенсируется с помощью хитрых алгоритмов. Выводить полную палитру цветов такой тип матриц не может в принципе. Также к недостаткам мониторов с TN матрицей стоит отнести среднюю контрастность.

Главными техническими достоинствами TN матриц является минимальное время отклика пикселя на управляющее воздействие и рекордно низкое энергопотребление. Еще одним весомым аргументом в пользу покупки монитора с TN матрицей является ее цена. ЖК монитор с TN матрицей имеет цену на порядок ниже, чем ЖК монитор с другим типом матрицы. Примером такого монитора является Acer S243HL.

IPS матрицы

Аббревиатура IPS расшифровывается как In Plane Switch. Такие матрицы производят Hitachi, LG. Philips. NEC. Правда, NEC используют схожую технологию, для которой придумали собственное название SFT (Super Fine TFT), но по сути разницы между ними нет.

Как следует из названия этой технологии, все кристаллы располагаются постоянно параллельно плоскости панели и поворачиваются одновременно. Для этого на нижней стороне каждой ячейки расположено по два электрода. В выключенном состоянии ячейка черная. Поэтому на мониторах с IPS матрицей нерабочая ячейка будет черной, а не светящейся, как у мониторов с TN матрицей.

К недостаткам мониторов с IPS матрицей следует отнести большее, чем у TN, время отклика, более заметную сетку между пикселями, повышенное энергопотребление, среднюю контрастность. Также мониторы с IPS матрицей имеют высокую стоимость.

Существуют улучшенные матрицы S-IPS и SA-SFT (соответственно у LG.Philips и NEC). Время отклика у них приближается к приемлемому значению. Мониторы с IPS матрицей обладают прекрасной цветопередачей и имеют большие, чем у мониторов с TN матрицей, углы обзора. Примером монитора с такой технологией является Dell UltraSharp 2209 WA.

MVA/PVA

Мониторы с матрицами MVA/PVA являются своего рода компромиссным вариантом между мониторами с матрицами TN и IPS. Сама технология VA (Vertical Alignment) была разработана компанией Fujitsu. В выключенном состоянии в этом типе матриц кристаллы располагаются перпендикулярно плоскости экрана. Поэтому черный цвет получается максимально чистый и глубокий.

Время отклика у матриц PMVA и SPVA уступает TN, хоть и приближается к ним благодаря применению особых технологий. Цветопередача практически так же хороша, как и у IPS матриц. Передача черного цвета лучшая среди всех типов матриц. Углы обзора максимально широкие. Яркость и контрастность максимально возможные среди всех существующих технологий. Существует, пожалуй, один недостаток, да и тот критичен для специалистов узкого профиля - при небольшом отклонении направления взгляда от перпендикуляра, даже на 5-10 градусов можно заметить искажения в полутонах. Для большинства этот недостаток останется незамеченным, но профессиональные фотографы всё же недолюбливают мониторы с матрицами VA технологии. Примером монитора с использованием такой технологиии является Samsung SyncMaster 971P.

Ориентировочная таблица сравнительных пользовательских характеристик LCD-мониторов в зависимости от использованного типа матрицы представлена ниже (таблица 1.1.)

Таблица 1.1

Ориентировочная таблица сравнительных пользовательских характеристик LCD-мониторов в зависимости от использованного типа матрицы:

Технология изготовления матрицы	Время отклика	Углы обзора	Цветопередача	Контрастность
TN+film	Отлично	Удовлетворительно	Удовлетворительно	Удовлетворительно
S-IPS	Хорошо	Отлично	Отлично	Хорошо
MVA	Удовлетворительно	Хорошо	Хорошо	Хорошо
PVA	Удовлетворительно	Хорошо	Хорошо	Отлично

На сегодняшний день на рынке ЖК-мониторов можно наблюдать примерно следующую картину:

TN+Film решение не приводит к существенному увеличению времени отклика, однако, оно достаточно дешево и несколько увеличивает угол рассмотрения. На сегодняшний день эта технология имеет самое широкое распространение.

Технология IPS, благодаря активной поддержки со стороны компаний Hitachi и NEC может претендовать на достаточно большую рыночную долю. Решающими факторами успеха этой технологии являются большой угол видимости до 170° и приемлемое время отклика.

*VA /. IPS

Плюсы *VA в сравнении с IPS:

• Более низкая цена.

• Более высокое время отклика (чаще, но не всегда).

• Более глубокий чёрный цвет.

• Более высокая контрастность матриц.

Минусы *VA в сравнении с IPS:

• Хуже цветопередача.

• Выбеление и потеря тёмных тонов, полутеней при взгляде перпендикулярно.

• Более выраженная смена оттенков при просмотре с разных углов.

*VA /. TN

Плюсы *VA в сравнении с TN:

• Лучшая цветопередача и глубина цвета.

• Более высокие углы обзора.

• Выше контрастность матриц.

Минусы *VA в сравнении с TN:

• При взгляде перпендикулярно – искажения и выбеление тёмных и полу тонов.

• Выше цена.

Разумеется, эффективность использования новой технологии зависит от типа матрицы (TN, S-IPS, MVA или PVA), но, что касается проблем, связанных со временем отклика, то наиболее интересны TN-матрицы, которые по данному параметру всегда шли впереди, пусть даже это и было их единственным техническим преимуществом перед другими типами матриц.

Параметры современных мониторов рассмотрены в работе О. Артамонова [14].

Для дальнейшей работы, связанной с оценкой качества систем объемного телевидения, эта статья представляет значительный интерес, приведем основные ее положения, подкрепив собственными съемками.

Если раньше время отклика определялось согласно стандарту ISO 13406-2 как суммарное время переключения ячейки с чистого черного на чистый белый цвет и обратно, то с появлением компенсации времени отклика изготовители начали использовать новую методику. Дело в том, что у новых матриц улучшилось время переключения между промежуточными полутонами, которое раньше не измерялось вообще; в новой же методике под «временем отклика» понимается среднеарифметическое время переключения с одного полутона на другой. Измеряется время при изменении каждого из полутонов, между которыми осуществляется переключение, от чистого черного до чистого белого с некоторым шагом (с каким именно — зависит от изготовителя монитора). Возможно измерение от грубого, по восьми полутонам, до точного, по 256 полутонам, максимально возможным для 8-бит матрицы. Чтобы различать методики измерения, время отклика, полученное по новой методике, указывают с приставкой Grey-to-Grey (GtG), подчеркивая тем самым, что оно измерено на переходах между различными уровнями серого, а не только между черным и белым.

Первое поколение «разогнанных» TN-матриц имело время отклика 4 мс GtG. Если по той же методике определить время отклика старой матрицы с паспортным показателем 8 мс (измеренным согласно ISO), то оно составит 12—16 мс GtG в зависимости от конкретной матрицы. Если учесть, что 4 мс — среднее арифметическое значение, то значит, на каких-то полутонах матрица переключается быстрее, на каких-то — медленнее; однако отрицать преимущества новой технологии невозможно.

Время отклика пикселей означает полное время, за которое ячейка экрана монитора изменит цвет, измеряется в миллисекундах. При большом времени отклика изображение на ЖК экране будет с видимыми шлейфами за движущимися объектами. В современных моделях мониторов производители снизили этот показатель до 2-16 миллисекунд и данная проблема не столь актуальна.

Следующий шаг привел к удвоению скорости матриц — в продаже появились мониторы с паспортным временем отклика 2 мс GtG, и не за горами уже и модели с откликом 1 мс. Казалось бы, можно навсегда забыть о смазывании изображения на ЖК-мониторах. Но, несмотря на такие цифры, субъективные отзывы не столь оптимистичны: да, смазывания почти не видно, но лишь «почти»: если поставить рядом новый сверхбыстрый ЖК-монитор и обычный ЭЛТ, то подвижная картинка на последнем выглядит явно четче.

Причина здесь уже не во времени отклика мониторов (2 мс — это очень быстрая матрица), а в специфике работы человеческого глаза. Как известно, сетчатка глаза имеет заметную инерционность, она продолжает хранить образ изображения некоторое время после того, как само изображение уже на сетчатку не проецируется.

Разумеется, разговор о тонкостях восприятия заходит тогда, когда параметры обсуждаемых устройств достаточно хороши для того, чтобы такие тонкости оказывали заметное влияние. Пока время отклика матриц составляло десятки миллисекунд, обсуждать особенности восприятия изображения сетчаткой глаза просто не было смысла; теперь же, когда время отклика сократилось до единиц миллисекунд, внезапно оказалось, что быстродействие монитора — не паспортное быстродействие, а его субъективное восприятие человеком — определяется не только миллисекундами.

В случае с ЭЛТ-мониторами эта инерционность позволяет нам не замечать (при достаточно высокой частоте кадровой развертки) мерцания экрана. Электронный пучок, заставляющий светиться люминофор, движется слева направо и сверху вниз, рисуя изображение. Пикселы, которых он коснулся при движении, после ухода с них пучка гаснут примерно за 1—2 мс, в то время как полный обход экрана лучом на современном мониторе с частотой развертки 100 Гц занимает 10 мс, т. е. в пять—десять раз больше. Если бы сетчатка нашего глаза не была инерционной, мы бы вместо изображения видели бегающую сверху вниз по экрану узкую светлую полосу с сереньким шлейфом затухающего люминофора — такую картину можно получить, сфотографировав экран ЭЛТ-монитора с малой выдержкой, скажем, не более 1/500 с.

Полученные изображения, снятые фотокамерой с различной выдержкой и с ЭЛТ мониторов, показаны на рисунках 1.4 – 1.6.

Рисунок 1.4 – ЭЛТ выдержка 1/50 сек (20 мс)

Видно обычное изображение, занимающее весь экран целиком.

Рисунок 1.5 – ЭЛТ выдержка 1/200 сек (5 мс).

При снижении выдержки до 1/200 сек (5 мс) на изображении появляется широкая тёмная полоса — за это время при развёртке 100 Гц луч успевает обойти лишь половину экрана, в то время как на другой половине экрана люминофор успевает погаснуть.

Рисунок 1.6 – ЭЛТ выдержка 1/800 сек (1,25мс).

И, наконец, при выдержке 1/800 сек (1,25 мс) мы видим бегающую по экрану узкую светлую полосу, за которой тянется небольшой и быстро темнеющий след, основная же часть экрана попросту чёрная. Ширина светлой полосы как раз и определяется временем послесвечения люминофора. При этом вспыхнувший на мгновение пиксел оставляет на сетчатке глаза изображение, затухающее значительно медленнее — чуть дольше 10 мс. Поэтому электронный луч успевает вернуться к пикселу и снова его зажечь чуть раньше, чем на сетчатке пропадет остаточное изображение, сетчатка получает новый импульс света, которого ей хватает на следующие 10 мс. Иначе говоря, сетчатка глаза не успевает зафиксировать, что пиксел вообще гас на какое-то время, а значит, мы воспринимаем его как непрерывно светящийся.

Здесь важно то, что время инерционности сетчатки сравнимо с периодом развертки монитора — если мы немного уменьшим кадровую частоту (на современных мониторах достаточно и до 75 Гц, на более старых, где время послесвечения люминофора больше — до 60 Гц или ниже), глаз начнет замечать неприятное мерцание экрана. Но здесь более существенно другое следствие такого согласования: допустим, мы наблюдаем движущуюся картинку, и именно в этот момент изучаемый нами пиксел должен сменить цвет с белого на черный. При первом проходе луч высветит пиксел на его полной яркости как белый. Наша сетчатка зафиксирует этот образ и благодаря своей инерционности будет удерживать его 10—15 мс; при следующем проходе луча пиксел уже сменил свой цвет, поэтому луч его не высвечивает и сетчатка не получает подпитки, а так как время инерционности сетчатки сравнимо с периодом кадров, то вскоре после второго события глаз «понимает», что пиксел стал черным, и передает соответствующую информацию в мозг.

В современных ЖК-мониторах на активных матрицах мерцания нет. К ним также применимо понятие «развертка», хотя это уже не электронный пучок, а просто сигнал, «обегающий» всю матрицу с частотой кадровой развертки. Этот сигнал по очереди открывает управляющие транзисторы пикселов, через которые на них подается нужное напряжение. Но после закрытия транзистора пиксел ЖК-панели, в отличие от люминофора ЭЛТ, не гаснет — благодаря емкости самой ячейки и дополнительного конденсатора, включенного в параллель с ней, состояние пиксела остается неизменным до момента следующего прохождения через него сигнала развертки.

Активно матричные ЖК-мониторы, в отличие от ЭЛТ, не мерцают — картинка на них сохраняется в течение всего периода между кадрами. В течение промежутка между кадрами изображение на ЭЛТ-мониторе быстро погасло, а вот на ЖК оно осталось неизменным. Только теперь старую картинку хранит не медленная матрица монитора, а медленная сетчатка нашего собственного глаза.

В промежутке между кадрами (16,7 мс при стандартной 60-Гц развертке) пиксел продолжает светиться. В момент прихода второго кадра он гаснет, а зажигается соседний пиксел. И поскольку у нас новый быстрый монитор, пикселы на котором переключаются почти мгновенно, то, если мы положим на экран фотодатчик, он зафиксирует на месте первого пиксела лишь слабый, едва заметный след его былого свечения. Казалось бы, все хорошо, и можно считать, что никакого смазывания у нас больше нет.

Однако учтем инерционность сетчатки. До момента прихода второго кадра она «подпитывалась» непрерывным свечением первого пиксела; с приходом кадра он погас, но сетчатка продолжает фиксировать остаточное изображение, как будто пиксел все еще светится — при этом зажегшийся рядом соседний пиксел уже тоже оставляет на сетчатке свой отпечаток. В результате реальное изображение на мониторе начинает отличаться от того, что видит наш глаз: реально один пиксел уже погас, а второй зажегся, мы же видим картинку так, будто новый пиксел действительно зажегся, а вот старый еще до конца не погас. Получается привычное смазывание ЖК-мониторов?

В итоге можно сказать, что у нашего глаза есть свое собственное и достаточно большое время отклика — порядка десятка миллисекунд. В ЭЛТ-мониторах, где каждый пиксел вспыхивает лишь на мгновение, к моменту прихода следующего кадра отпечаток старого на сетчатке глаза как раз начинает блекнуть и на восприятие нового кадра существенного влияния не оказывает.

В ЖК-мониторах старый кадр держится весь период кадровой развертки, не меняясь до прихода нового кадра, поэтому, когда этот кадр приходит, изображение старого на сетчатке глаза только начинает угасать и делает это медленно. В результате, хотя монитор отображает только новый кадр, мы из-за инерционности сетчатки видим два наложенных кадра — яркий новый и постепенно блекнущий старый. Иначе говоря, к времени отклика ЖК-панели по сути приходится добавить время отклика глаза. И у современных панелей второе слагаемое преобладает. При этом активная ЖК-матрица построена так, что от сохранения состояния пиксела в промежутке между кадрами отказаться нельзя.

Иными словами, когда собственное время отклика ЖК-монитора опускается ниже 10 мс, дальнейшее его снижение даёт меньший эффект, чем можно было бы ожидать — из-за того, что начинает играть заметную роль инерционность сетчатки глаза. Более того, даже если снизить время отклика монитора до совершенно незначительных величин, то ЖК- монитор субъективно будет все равно казаться медленнее, чем ЭЛТ. Разница же заключается в том, с какого момента отсчитывается время хранения остаточного изображения на сетчатке глаза: в ЭЛТ это время прихода первого кадра плюс 1 мс, а в ЖК это время прихода второго кадра — что даёт нам разницу порядка десятка миллисекунд.

Способ решения этой проблемы вполне очевиден — ЭЛТ кажется быстрым из-за того, что большую часть времени между двумя последовательными кадрами его экран черен. Это даёт возможность остаточному изображению на сетчатке глаза начать меркнуть как раз к приходу нового кадра. Следовательно, в ЖК-мониторе для достижения того же эффекта надо искусственным путём вставлять между кадрами изображения дополнительные чёрные кадры.

Что интересно, увеличение частоты кадров само по себе уменьшит смазывание изображения при том же самом паспортном времени отклика панели — и снова эффект связан с инерционностью сетчатки глаза. Допустим, картинка успевает за период одного кадра при развёртке 60 Гц (16,7 мс) сдвинуться на экране на сантиметр — тогда после смены кадра сетчатка нашего глаза запечатлеет новую картинку плюс наложенную на неё сдвинутую на сантиметр тень старой картинки. Если увеличить частоту кадров вдвое, то глаз будет фиксировать кадры с интервалом уже не 16,7 мс, а примерно 8,3 мс — соответственно, и сдвиг двух картинок, старой и новой, относительно друг друга станет вдвое меньше, то есть, с точки зрения глаза, вдвое сократится длина шлейфа, тянущегося за движущимся изображением. Очевидно, что в идеале, при очень большой частоте кадров, мы получим точно такую же картинку, какую видим в реальной жизни, без какого-либо дополнительного искусственного смазывания.

ЖК мониторы, выпускаемые последние 5 лет имеют повышенную частоту смены кадра. В результате этого отпадает надобность моделирования роботы ЭЛТ-мониторов, т.к. и без этого глаз нормально воспринимает изображение без смазывания, мерцания и других дефектов изображения.

В результате такой модернизации мониторов качество картинки не меняется, даже если снимать с задержкой или съемки на камеру с разной частотой переключения затвора.

Ниже на рисунках 1.7 – 1.8 приведены фотографии современных ЖК мониторов.

Рисунок 1.7 - Выдержка 1/200 сек (5 мс)

Рисунок 1.8 - Выдержка 1/800 (1,25 мс)

Как видно из этих фотографий меняется только общая яркость снимаемого изображения, обусловленная особенностью фотоаппарата.

На рисунках 1.9 – 1.10 представлены изображения, полученные при съёмке с разной выдержкой.

Рисунок 1.9 – Видеокамера выдержка 1/200 сек (5 мс)

Рисунок 1.10 - Видеокамера выдержка 1/800 (1,25 мс)

Таким образом, можно сделать вывод, что возможна несинхронная съемка с экрана монитора.

Однако необходимо выполнить работу по выбору мониторов, которые можно использовать для решения поставленной задачи, выбрать параметры необходимые для оценки мониторов, а также оценить качество воспринимаемого изображения в соответствии со стандартами, такими как, ITU-R recommendation BT.500-10. Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures, ITU-R recommendation BT.1438. Subjective assessment of stereoscopic television pictures.