Глава 14. Устройства отображения информации

Глава 15. Видеоадаптеры

 Глава 16. Средства обработки видеосигнала

ЧАСТЬ IV. ВИДЕОСИСТЕМА PC

Глава 14

Устройства отображения информации

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

Примечание    

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.

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:

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

□ Плоскопанельные   мониторы,   выполненные,   как   правило,   на   основе жидких кристаллов.

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.

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.

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 для PC 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: логической 1 и логического 0 ("да" и "нет"). Уровню логической единицы соответствует напряжение около 5 В, уровню логического нуля — не более 0,5 В. Поскольку такие же уровни "1" и "0" 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 или Hercules, изредка — EGA. Уже из самого понятия 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 728x348; растр на его экране появляется только при подключении к PC. 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 потребляемая 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.

Внимание!

При одинаковом разъеме монохромные и цветные TTL-мониторы имеют различное назначение контактов.

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, для чего на нем имеется специальный разъем типа RCA.

Цифровые RGB-мониторы предназначены для подключения к видеокартам стандарта CGA и EGA. Размер палитры 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  изменяет интенсивность трех пушек 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, позволяю щие индивидуально регулировать интенсивность 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. Назначение контактов разъемов мониторов CGA и EGA приведено в табл. 14.1 и 14.2 соответственно.

Таблица 14.1. Назначение контактов разъема CGA

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 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 цифро-аналогового 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, табл. 14.3). 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.

Таблица 14.3. Назначение контактов разъема VGA

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 (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 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 (рис. 14.1) 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 осуществляется 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 еле- дующей 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.

Рис. 14.1. Формирование растра на экране монитора

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 2-ой (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 растр изображения.

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

□  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.

Остальные важнейшие свойства зрения мы рассмотрим ниже в этой главе.

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. 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 (рис. 14.2). В соответствии с теорией трехкомпонентного цветовосприятия , используя смещение трех основных цветов, оказалось возможным получить требуемую гамму цветовых оттенков. При смешении в определенной пропорции основных цветов — красного, синего и зеленого — получаются цвета, приведенные на рис. 14.2. Отметим, что цветовой оттенок результирующей смеси всегда зависит только от соотношения интенсивностей смешиваемых цветов.

□ Пространственное усреднение цвета. Если на цветном изображении име-.  ются 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.

Рис. 14.2. Модель аддитивного смешения цветов

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 (рис. 14.3, 14.4). Чтобы каждая пушка "стреляла" только по своим пятнам люминофора, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска.

Рис. 14.4. Полная модель образования цветов на экране монитора

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

□ ЭЛТ с теневой маской (Shadow mask) и дельтаобразным расположением электронных пушек — наиболее распространенные ЭЛТ (рис. 14.5, а).

□ ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP — Enhanced Dot Pitch) и планарным расположением электронных пушек, обеспечивающие повышенное разрешение (такими ЭЛТ оснащены мониторы фирмы Hitachi) (рис. 14.5, б).

□ЭЛТ со щелевой маской (Slot mask) — этот тип ЭЛТ, широко используемый в телевизорах, применяется в мониторах фирмы NEC и носит название Cromaclear (рис. 14.5, в).

□ ЭЛТ с апертурной решеткой (Aperture grill, AG), к которым относятся ЭЛТ типа Trinitron фирмы Sony, DiamondTron фирмы Mitsubishi и SonicTron фирмы ViewSonic (рис. 14.5, г).

Теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала — инвара с системой отверстий, соответствующих точкам люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность кинескопа (рис. 14.6). Очень низкий- коэффициент линейного расширения инвара обеспечивает стабильность формы теневой маски при ее разогреве за счет электронной бомбардировки.

Рис. 14.6. Конструкция электронно-лучевой трубки с теневой маской

Апертурная решетка образована системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске (рис. 14.7).

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 0,25 до 0,41 мм (у хороших мониторов — не более 0,28 мм).

Рис. 14.7. Конструкция электронно-лучевой трубки с апертурной решеткой

Чтобы узнать, в каком режиме ваш монитор может разделять отдельные пикселы, необходимо определить размер пикселов в различных режимах работы монитора.

Для обычного монитора размером 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 ни» 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.

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 электронно-лучевой 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-Shift (сдвиг по вертикали) сдвигает все изображение по вертикали

В плане регулировки геометрических размеров изображения на экране электронно-лучевой 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 качестве стандарта для PC выделились мониторы с диагональю 15", что примерно соответствует 36—39 см диагонали видимой области. Для работы в Windows с более высоким разрешением, прежде всего, необходимо иметь монитор размером, по крайней мере, 17", хотя разница в цене между мониторами 15" и 17" уже достаточно ощутима (примерно в полтора раза и более). Для профессиональной работы с настольными издательскими системами и САПР лучше иметь монитор размером 20" 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 (рис. 14.8).

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.

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 0,26 мм, а у самого качественного известного нам монитора (и, естественно, самого дорогого) эта величина равна 0,21 мм.

Рис. 14.8. Трактовка параметра Dot Pitch для ЭЛТ различных типов

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 от- носительно 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 электроннолучевой 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.

Другим недостатком является большое различие между представлением уровней светлого и темного. Данные кинескопы исключительно контрастны, но это не является 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.

Существукгпискажения 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 так далее. Антибликовый слой можно узнать по пленке с голубым оттенком.

При подобной обработке поверхность не будет волнистой, как при напылении, а останется без изменения, поэтому контуры изображения будут совершенно четкими. Недостаток этого метода — значительные затраты, необходимые для нанесения антибликового слоя.

Излучение и защитные экраны

Медицинские исследования показали, что излучение, сопровождающее работу монитора, может весьма отрицательно сказываться на здоровье человека.

Примечание       

Спектр этого излучения достаточно широк: это и рентгеновское излучение, и инфракрасное, и радиоизлучение, а также электростатические поля. Именно поэтому, приобретая монитор, не следует забывать о защитном экране (фильтре) к нему.

По технологии изготовления защитные фильтры бывают следующих видов:

□ Сеточные                      □ Пленочные                   □ Стеклянные

Их защитные свойства и цена возрастают в порядке перечисления. Фильтры могут крепиться к передней стенке монитора, навешиваться на верхний край, вставляться в специальный желобок вокруг экрана или надеваться на монитор.

Сеточные фильтры практически не защищают от электромагнитного излучения и статического электричества. Кроме того, они несколько ухудшают контрастность изображения. Однако эти фильтры неплохо ослабляют блики от внешнего освещения, что при интенсивной работе за компьютером является немаловажным фактором.

Пленочные фильтры также не защищают от статического электричества, но значительно повышают контрастность изображения, практически полностью поглощают ультрафиолетовое излучение и снижают уровень рентгеновского излучения. Обычные пленочные фильтры стоимостью 3—7 USD плохо защищают от бликов внешнего излучения, однако существуют также поляризационные пленочные фильтры, например фирмы Polaroid, которые способны поворачивать плоскость поляризации отраженного света и подавлять возникновение бликов. Поляризационные фильтры, как правило, стоят дороже обычных.

Стеклянные фильтры производятся в нескольких модификациях. Простые стеклянные фильтры стоимостью 3—10 USD снимают статический заряд, ослабляют низкочастотные электромагнитные поля, снижают интенсивность ультрафиолетового излучения и повышают контрастность изображения.

Выпускаются также стеклянные фильтры категории полная защита. Они обладают наиболее полной совокупностью защитных свойств: практически не дают бликов <доля отраженного света составляет менее 1%), повышают контрастность изображения в полтора-два раза, устраняют электростатическое поле и ультрафиолетовое излучение, значительно снижают низкочастотное магнитное (менее 1000 Гц) и рентгеновское излучение. Эти фильтры изготавливаются из специального стекла, легированного атомами тяжелых металлов, и имеют сложное многослойное покрытие. Стоят такие фильтры недешево — свыше 150 USD.

В первую очередь, такие мониторы имеют более чувствительный люминофор, который обеспечивает ту же яркость свечения при менее интенсивной электронной бомбардировке. В результате удается значительно снизить величину ускоряющего анодного напряжения, а вместе с ним — интенсивность рентгеновского излучения. Кроме того, меньшая скорость соударения снижает температуру разогрева люминофора, в результате чего уменьшается интенсивность инфракрасного и ультрафиолетового излучений.

В мониторах класса low radiation экран сделан из специального стекла, которое значительно ослабляет все виды излучений. По своей конструкции это стекло аналогично защитным экранам, которые используются совместно с обычными мониторами. Экран монитора такого класса имеет характерную матовую поверхность, которая устраняет блики.

Снижение электростатического потенциала достигается использованием специальных экранирующих материалов, соединенных с заземляющим проводом.

В результате принятия указанных мер отпадает необходимость использования специальных защитных экранов, которые считались непременным атрибутом первых мониторов.

Спецификации MPR II, ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99

В настоящее время практически все выпускаемые мониторы имеют низкий уровень излучения — так называемые LR-мониторы (Low Radiation). Они отвечают одной из спецификаций стандарта MPR, выработанных Шведским национальным советом по измерениям и тестированию (Swedish National Board of Measurement and Testing) или ТСО 92, разработанный шведской конфедерацией профессиональных служащих (The Swedish Confederation of Professional Employees).

Первая спецификация (MPR I) устанавливала нормы в основном для магнитных полей и определяла уровень излучения в полосе частот от 1 до 400 кГц. Вторая спецификация (MPR //), утвержденная в декабре 1990 г., была распространена и на электрические поля. До недавнего времени спецификация MPR II была международной, устанавливающей предельные величины статических и низкочастотных полей, излучаемых мониторами.

Появившейся в 1992 г. стандарт ТСО 92 налагает более жесткие требования к мониторам. Это выражается, во-первых, в более низких значениях предельных уровней излучения, и, во-вторых, в меньшей дистанции напротив экрана при проведении измерений (50 см MPR II против 30 см в ТСО 92). Сравнительная характеристика двух стандартов представлена в табл. 14.4.

Для того чтобы получить этот логотип, монитор должен удовлетворять требованиям, указанным ниже.

□  Монитор должен соответствовать требованиям ТСО, определяющим понятие "low radiation monitor" — монитор с низким уровнем вредных излучений. Это значит, что монитор должен обеспечивать предельные уровни электрического и магнитного полей, указанные в табл. 14.4.

□  Монитор   должен   обладать   функцией    автоматического   отключения (снижения энергопотребления). Если монитор не используется в течение некоторого времени, он должен отключиться.

□ Производитель монитора обязан включить в комплект поставки декларацию об энергопотреблении своего изделия.

□  Монитор должен удовлетворять европейским требованиям по пожарной и электробезопасности.

□  Производитель обязан заключить соглашение о сертификации своего изделия в лабораториях ТСО.

Как следует из изложенного выше, далеко не каждый монитор на самом деле имеет право носить логотип ТСО 92. В особенности это касается изделий типа No-name из Юго-Восточной Азии. К настоящему времени сертификат ТСО 92 получили только 600 моделей мониторов на основе ЭЛТ.

Спецификация ТСО 92 определяла только требования к мониторам. Появившаяся в 1995 г. версия ТСО 95 сформулировала требования по эргономике ко всему PC в целом, т. е. с учетом вредных излучений не только монитора, но также системного блока и клавиатуры. Кроме того, в новый стандарт были включены требования по экологии (отсутствие в изделии вредных веществ типа фреонов, тяжелых металлов, полная утилизация после эксплуатации и др.). Все это отражено в логотипе нового стандарта (см. рис. 14.9), на котором присутствуют четыре буквы Е: Emissions, Energy, Ergonomics, Ecology — излучения, энергосбережение, эргономика, экология.

Примечание       

С точки зрения уровней вредных излучений монитора спецификации ТСО 92 и ТСО 95 идентичны, поэтому их нельзя рассматривать как альтернативные.

В настоящее время в заключительной стадии подготовки находится новый стандарт — ТСО 99. Его параметры открыты для обсуждения до мая 1999 г. Как и ТСО 95, он основан на упомянутой выше концепции "четырех Е" и предлагает аналогичные предельные уровни излучений, однако имеются и некоторые отличия по каждому из разделов.

□  Эргономика. Стали более строгими требования к яркости, равномерности и контрастности изображения, мерцанию и бликам, впервые введены ограничения на уровень шума. Предусмотрены альтернативные конструкции клавиатуры.

□  Энергосбережение. Снижены максимально допустимые уровни энергопотребления в дежурном режиме, время восстановления рабочего режима ограничено 3 секундами.

□ Излучения. Максимально допустимые уровни вредных излучений остались прежними, однако стали более строгими методики их измерения.

□ Экология. Экологические требования по сравнению с ТСО 95 не изменились, однако для компаний-производителей облегчены процедурные аспекты получения сертификатов. Предусмотрены широкое использование безопасных для окружающей среды материалов и кооперация с компаниями, производящими утилизацию электронного оборудования.

Энергосбережение

Проблемами энергосбережения занимаются не только шведские организации. Американское агентство ЕРА давно и успешно реализует программу Energy Star, обеспечивающую энергосберегающие функции в системном блоке компьютера. А ассоциация VESA разработала специальный стандарт на систему управления энергопотреблением дисплея DPMS {Display Power Management Signaling).

Используемую схему энергосбережения можно определить по документации к монитору.

Energy Star

Компьютерное и другое оборудование, удовлетворяющее данным требованиям Energy Star, принято называть "зеленым" (например, "зеленые" мониторы, "зеленые" материнские платы и т. п.). Таких изделий сегодня подавляющее большинство. Например, "зеленую" материнскую плату легко отличить по характерному логотипу (рис. 14.10) в правом верхнем углу экрана, который появляется при включении PC.

Оборудование, удовлетворяющее спецификации  Energy Star, должно обеспечивать выполнение следующих требований:

□ Иметь потребляемую в среднем мощность не более 30 Вт

□ Не содержать в своей конструкции токсичные материалы

□  Допускать после окончания срока службы 100% утилизацию

DPMS

Стандарт DPMS заметно отличается по своим параметрам от требований ТСО 92 и в настоящее время устарел, однако многие используемые сегодня мониторы используют именно эту систему энергосбережения.

Стандарт DPMS предусматривает четыре состояния монитора в порядке убывания уровня потребляемой им мощности:

□   On (включено, 100% потребляемой мощности).

□  Standby (дежурный режим или режим ожидания, 80% потребляемой мощности).

□  Suspend (приостановка работы, 30% потребляемой мощности).

□   Cff (выключено, 5% потребляемой мощности).

Переход из режима в режим осуществляется при помощи DPMS-котроллера монитора и аналогичных схем на материнской плате" и видеоадаптере (естественно, что для реализации всех этих функций они также должны быть "зелеными"). Данные схемы постоянно контролируют фактическую загруженность всего компьютера в целом и его отдельных элементов. При отсутствии взаимодействия оператора с PC (нет сигналов с клавиатуры и мыши, процессор не занят решением задач и вводом-выводом информации на внешние устройства) указанные DPMS-контроллеры организуют последовательный перевод видеосистемы из первого состояния в четвертое. Интервалы времени, через которые производится каждый новый переход, обычно задаются в CMOS Setup.

Срок службы

Относительно надежный критерий для оценки продолжительности работы монитора — это количество выделяемого им тепла. Если монитор очень сильно нагревается, то можно ожидать, что срок его службы будет невелик. Если же монитор в течение долгого времени остается чуть теплым, то это указывает на небольшие потери энергии и предполагаемый длительный срок службы. Монитор, корпус которого имеет большое количество вентиляционных отверстий, соответственно хорошо охлаждается. Хорошее охлаждение препятствует быстрому выходу его из строя.

Примечание       

Проводите при покупке монитора своеобразный "тепловой тест". Если его корпус кажется только теплым, тогда это хороший монитор.

Мультимедийные мониторы

Что такое мультимедийный монитор и каким требованиям он должен удовлетворять?

Формальным признаком мультимедийности монитора принято считать наличие встроенной акустической системы. Однако реалистичность изображения на его экране все же играет первоочередную роль. Реализм обеспечивается, во-первых, размерами изображения и, во-вторых, его качеством. Сравните свои впечатления от просмотра кинофильма на большом экране и по телевизору. Различие в восприятии обусловлено отсутствием в кинозале отвлекающих факторов и высоким качеством изображения и звука, чего трудно добиться в домашних условиях. Поэтому истинно мультимедийным может считаться только тот монитор, который:

□  Обеспечивает перекрытие поля зрения оператора

□  Формирует изображение высокого качества

□   Имеет встроенную акустическую систему

Перекрытие поля зрения пользователя необходимо для того, чтобы исключить влияние многочисленных отвлекающих факторов окружающей обстановки, что особенно важно для пользователя при работе с игровыми приложениями. Реально эту задачу решает монитор с диагональю экрана не менее 17". Как правило, такие мониторы отличаются зерном небольшого размера (не более 0,27—0,28 мм) и имеют частоту строк не менее 70 кГц, что обеспечивает четкое изображение, лишенное мерцаний. Тем самым выполняются первые два из вышеназванных требований. Следующим непременным атрибутом мультимедийного монитора является наличие встроенной акустической системы и микрофона. Кроме того, на передней панели такого монитора должны находиться регулятор громкости и гнезда для подключения стереофонических головных телефонов (наушников) и внешнего микрофона. Мультимедийные мониторы первых моделей имели навесные акустические системы (рис. 14.11, слева) по бокам — "уши", которые портили общий дизайн. В современном мониторе колонки устанавливаются внутри его корпуса (рис. 14.11, справа) и располагаются либо по бокам от экрана (что более предпочтительно), либо под экраном. Благодаря такому размещению акустической системы не только экономится место на рабочем столе, но и более гармонично воспринимается пользователем изображение и сопровождающий его звук.

Рис. 14.11. Мультимедийные мониторы

При наличии встроенной акустической системы накладываются специфические требования на форму и конструкцию корпуса монитора. Он должен иметь не только привлекательный дизайн, но и обеспечивать необходимые для получения качественного звука резонансные свойства.

Акустическая система монитора характеризуется следующими параметрами:

□  Максимальной акустической мощностью П Диапазоном воспроизводимых частот

□  Количеством динамических  головок в  каждом  громкоговорителе  (колонке)

□   Коэффициентом нелинейных искажений

Типичная акустическая мощность каждого из громкоговорителей составляет от 1,5 до 5 Вт. Поскольку мощность выходного сигнала звуковой карты значительно ниже, в мультимедийном мониторе имеется встроенный стереофонический усилитель мощности. Как правило, входное сопротивление этого усилителя невелико (около 1 кОм), поэтому на его вход следует подавать сигнал от устройства с аналогичным выходным сопротивлением (например, с выхода звуковой карты, магнитофона или тюнера, предназначенного для подключения головных телефонов). Если же подать на такой усилитель сигнал со стандартного линейного выхода магнитофона или проигрывателя компакт-дисков (R_вых ≈100 кОм), то звук будет слабым и искаженным. Диапазон воспроизводимых частот встроенных (портативных) акустических систем обычно составляет от 100 Гц до 17—20 кГц, что значительно хуже, чем у бытовых акустических систем, особенно на низких частотах (т. к. размеры корпуса встроенных колонок ограничены, нельзя добиться резонанса на низких частотах).

В зависимости от количества динамических головок (динамиков) колонки могут быть одно- и двухполосными. В однополосной колонке имеется только один широкополосный (универсальный) динамик, который воспроизводит всю полосу звуковых частот. Это самый дешевый и распространенный вариант, однако с помощью единственного динамика не удается получить достаточно широкий диапазон воспроизводимых частот и равномерную частотную характеристику. Лучшие характеристики имеют двухполосные колонки с двумя динамиками для раздельного воспроизведения низких и высоких частот. Мониторы с двухполосной акустической системой стоят значительно дороже, чем с однополосной.

Еще одним показателем качества акустической системы и встроенного усилителя мощности является коэффициент нелинейных искажений {коэффициент гармоник), показывающий относительную долю побочных мешающих частот (гармоник), искажающих оригинальное звучание фонограммы. Чем выше громкость, тем сильнее заметны искажения в виде хрипов, дребезжания и других посторонних звуков. Если для бытовых акустических систем этот показатель не должен превышать десятых и даже сотых долей процента, то для портативных и встроенных систем он может составлять единицы процентов.

Очевидно, что до уровня специализированных акустических систем класса Hi-Fi акустическое оборудование мультимедийного монитора явно не дотягивает и по-настоящему хороший звук обеспечить не в состоянии. Создаваемый акустической системой стереоэффект также ограничен: ширина монитора значительно меньше ширины минимально необходимой стереобазы (расстояния между левой и правой колонками). Поэтому для ценителей качественного звука мультимедийный монитор — не лучший выбор. Однако для типовых мультимедийных приложений (игр, видеоконференций), где не требуется звук высокого качества, такие мониторы, без сомнения, удобны и полезны. Они позволят сэкономить драгоценное место на рабочем столе и отчасти — деньги на приобретение отдельных колонок.

Мониторы Plug&Play

Любой современный PC поддерживает технологию Plug&Play, обеспечивающую автоматическое конфигурирование подключаемого оборудования.

Мониторы Plug&Play позволяют системе автоматически установить оптимальные для конкретной модели характеристики вывода изображения (частоту кадровой и строчной развертки, цветовую модель и др.).

В целях реализации данной технологии для мониторов ассоциация VESA разработала спецификацию DDC {Display Data Channel), которая предусматривает обмен информацией между монитором и PG по обычному кабелю, т. е. через стандартный VGA-разъем. Существует несколько версий этого протокола:

□  DDC1 — односторонняя передача данных от монитора к видеоадаптеру.

□ DDC2 — двухсторонний обмен данными между монитором и видеоадаптером.

Отметим, что реализация обмена данными в соответствии с протоколом DDC возможна только в том случае, если его одновременно поддерживают и монитор, и видеоадаптер. К сожалению, не редки случаи, когда две конкретные модели монитора и видеоадаптера, каждый из которых поддерживает данный протокол в отдельности, вместе оказываются неработоспособными (в смысле автоматического конфигурирования). Кроме того, для реализации технологии Plug&Play необходима соответствующая программа, обеспечивающая ее поддержку (например, утилита ICU для DOS либо операционная система типа Windows 95/98/NT с поддержкой Plug&Play).

Информационный пакет, передаваемый монитором видеоадаптеру, называется блоком параметров расширенной идентификации (Extended Display Identification, EDID). Блок EDID состоит из сегментов, характеризующихся смещением от начала блока и длиной. Размер блока EDID составляет 128 байт, причем его структура (табл. 14.5) — смещение и длина каждого сегмента — не зависит от версии протокола DDC.

Таблица 14.5. Структура блока EDID

Переданную монитором информацию можно оценить визуально, используя программные средства: диалоговые окна настройки Windows 95/98, а также специальные программы. В частности, если операционная система распознала монитор, то в окне диалога Свойства: Экран вы сможете выбрать только те разрешение и частоту кадров, которые действительно поддерживаются данным монитором.

Получить полную информацию о содержимом блока EDID позволяет программа PowerStrip фирмы En Tech. В окне диалога Конфигурация монитора программы с помощью кнопки Возможности можно выполнить повторное считывание блока EDID (рис. 14.12).

Из всей содержащейся в блоке EDID и отображаемой в окне на рис. 14.12 информации наиболее ценными для обеспечения согласованной работы монитора и видеоадаптера являются сведения о поддерживаемых видеорежимах. Основываясь на этой информации, можно корректно установить требуемый видеорежим и исключить сбои в работе монитора.

Не менее полезны сведения, содержащиеся в поле Monitor details. Они позволяют проверить серийный номер, дату выпуска и основные характеристики монитора. Для специалистов, занимающихся компьютерной обработкой изображений, указаны цветовые характеристики люминофорного покрытия (цветовые координаты (х, у) красного, зеленого, синего и белого цветов), а также значение параметра, характеризующего нелинейность модуляционных характеристик ЭЛТ (коэффициента гамма), используемого при выполнении гамма-коррекции.

Канат VESA DDC реализован на основе шины ACCESS.Blis (Accessory Bus) фирмы DEC. Эта шина представляет собой модификацию низкоскоростного последовательного интерфейса PC (Inter Integrated Circuit), разработанного фирмой Philips для организации двунаправленного обмена данными между различными устройствами бытовой радиоаппаратуры. Она предназначена для взаимодействия операционной системы с компонентами PC: монитором, интеллектуальным источником питания, модулями оперативной памяти и др. С точки зрения назначения и принципа действия ACCESS.Bus и 1²С — это одно и то же. Различие заключается лишь в конструктивном исполнении разъемов.

Шина ACCESS.Bus используется для обмена данными между низкоскоростными устройствами. Она содержит всего два сигнальных провода: линию данных (Serial Data, SDA) и линию синхронизации (Serial Clock, SCL). По линии SDA выполняется двунаправленный обмен данными между двумя устройствами (подобно тому, как это происходит при обмене данными через последовательный порт RS232). Синхронизация обмена осуществляется тактовыми импульсами, передаваемыми по линии SCL. Циклы приема и передачи данных разнесены во времени, т. е. в каждый момент времени устройство, подключенное к шине ACCESS.Bus, либо передает, либо принимает информацию. Третьей линией шины является общий (нулевой) провод.

Обычно в качестве линий шины ACCESS.Bus используются незадействованные провода (5, 12 и 15) соединительного кабеля монитора (табл. 14.6). Такая конструкция канала VESA DDC получила название DDC2B.

Таблица 14.6. Назначение контактов разъема соединительного

кабеля Р1ид&Р1ау-монитора

Мониторы некоторых моделей оборудованы отдельным разъемом для подключения к шине ACCESS.Bus. Такой канал называется DDC2AB. Назначение контактов разъема шины ACCESS.Bus приведено в табл. 14.7.

Таблица 14.7. Назначение контактов разъема шины ACCESS.Bus

Порядок обмена данными между монитором и видеоадаптером по линии SDA определяется версией протокола DDC.

Протокол DDC1 предусматривает одностороннюю передачу данных от монитора к видеоадаптеру. При этом данные передаются по линии SDA (контакт 12), а в качестве тактовых импульсов используются импульсы кадровой развертки (контакт 14). С целью ускорения обмена данными по линии SDA видеоадаптер может повысить частоту кадровых синхроимпульсов в несколько десятков раз (до 25 кГц). Поскольку генератор кадровой развертки монитора не предназначен для работы на столь высокой частоте, он будет формировать сигнал той частоты, которая предусмотрена выбранным видеорежимом, в результате не произойдет нарушения синхронизации изображения на экране монитора.

Протокол DDC2 позволяет организовать двунаправленную передачу данных между монитором и видеоадаптером. При этом используются обе линии — SDA и SCL.

Плоскопанельные мониторы

Несмотря на широкое распространение, мониторы на основе ЭЛТ имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих (а порой и делающих невозможным) использование мониторов. Такими недостатками являются:

□  Большие масса и габариты

□  Значительное энергопотребление, наличие тепловыделения

□ Излучения, вредные для здоровья человека

□  Значительная нелинейность растра, сложность ее коррекции

Первые два недостатка не позволяют использовать мониторы на основе ЭЛТ в переносных компьютерах типа Laptop и Notebook, остальные осложняют работу оператора и наносят вред его здоровью.

Однако главными недостатками обычных мониторов все же являются большие габариты, масса и энергопотребление. Для устранения этих недостатков были разработаны малогабаритные дисплеи на основе жидких кристаллов, которые в дальнейшем будем называть ЖК-мониторами. Главное отличие ЖК-монитора от обычного состоит в том, что он совершенно плоский (рис. 14.13). По этой причине мониторы подобного типа стали называть плоскопанелъными.

Рис. 14.13. pl; типа Notebook, оснащенный ЖК-монитором

Рис. 14.14. ПлЬскопанельный мультимедийный монитор SyncMaster 400TFT фирмы Samsung

В настоящее время плоскопанельные мониторы используются не только в составе переносных компьютеров типа Notebook, но и в качестве самостоятельного устройства отображения, которое можно подключить к любому PC (рис. 14.14). Обладая рядом важных преимуществ по сравнению с мониторами на основе ЭЛТ, плоскопанельные мониторы, несмотря на более высокую стоимость, получают все более широкое распространение.

Основными представителями плоскопанельных мониторов в настоящее время являются ЖК-мониторы. Они составляют основную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном размером 13—17", поэтому устройство и принцип действия плоскопанельных мониторов на основе жидких кристаллов рассмотрим более подробно.

Жидкокристаллические мониторы

Основным элементом ЖК-монитора 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 нематическшш. 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 (закрученной на 90°) ориентацией молекул (рис. 14.15, а). 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 поляризацион-ных 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. 14.15, 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.

Рис. 14.15. Принцип действия ячейки ЖК-монитора

Подсветка ЖК-экрана

В качестве ламн подсветки ЖК-экранов используют специальные электро-люминисцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Это, наряду с низким управляющим напряжением ЖК-ячейки, объясняет низкое энергопотребление ЖК-экранов (обычно на 70% меньше, чем потребляют ЭЛТ-мониторы). В зависимости от места рас-положения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади {backlight, или backlit) и с подсветкой по бокам (sidelihgt, или sidelit).

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 (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.

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

Различия в принципах работы обычных и ЖК-мониторов отражаются на потребительских характеристиках последних: ЖК-мониторы имеют несколько иную иерархию качественных показателей. 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° (рис. 14.16), при этом ориентация изображения останется прежней.

Рис. 14.16. Монитор MultiSync LCD1510V фирмы NEC Technologies в ландшафтном (слева) и портретном (справа) режимах работы

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 (рис. 14.17):

□ По горизонтали — ±45x70°

□  По вертикали — от —15x50° (вниз) до +20x70° (вверх)

Рис. 14.17. Размеры поля зрения ЖК-монитора

Очевидно, что лучше выбирать монитор с такой максимальной характеристикой, как поле зрения, и имеющий экран со специальным антибликовым покрытием.

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.

Инерционность

Инерционность ЖК-экрана характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки. Это время у современных ЖК-экранов значительно уменьшилось по сравнению с первыми моделями. Инерционность современных ЖК-экранов составляет 30—70 мкс, т. е. соответствует значениям аналогичных параметров обычных мониторов.

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 м 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 USB.

В табл. 14.8 приведены параметры наиболее распространенных в настоящее время плоскопанельных ЖК-мониторов.

Таблица 14.8. Характеристики ЖК-мониторов

Технологии изготовления плоскопанельных мониторов

В настоящее время мониторы на основе жидких кристаллов являются наиболее популярными и технологически отработанными представителями семейства плоскопанельных мониторов. Однако они не единственные —. продолжают активно развиваться альтернативные технологии изготовления плоских экранов, благодаря которым появились, например, такие:

□   Плазменные дисплеи

□  Электролюминесцентные мониторы

□  Мониторы электростатической эмиссии

□  Органические светодиодные мониторы

Кратко рассмотрим эти технологии.

Плазменные дисплеи

В плазменных дисплеях {Plasma Display Panel, PDF) вместо жидкокристаллического вещества используется ионизированный газ. Его молекулы обладают способностью излучать свет в процессе рекомбинации (т. е. восстановления электрической нейтральности). Для приведения молекул газа в ионизированное состояние, т. е. в состояние плазмы (отсюда и происходит название данной технологии), используется высокое напряжение. При ярком свете изображение на экране плазменного дисплея выглядит немного расплывчатым. В настоящее время выпускаются модели с экраном очень большого размера — 42" (рис. 14.18). Плазменные дисплеи стоят очень дорого.

Рис. 14.18. Плазменные дисплеи PlasmaSync TM 3300 фирмы NEC (слева) и Plasmavision фирмы Fujitsu (справа)

Электролюминесцентные мониторы

Электролюминесцентные мониторы (ElectroLuminescent displays, ELs) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам, но их принцип действия основан на другом физическом явлении — испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом /ьл-переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Тем не менее, уступают ЖК-мониторам по энергопотреблению (на ячейки подается сравнительно высокое напряжение — около 100 В), а также по чистоте цветов, которые тускнеют при ярком освещении.

Мониторы электростатической эмиссии

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays, FED) являются своего рода гибридом двух технологий: традиционной, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в обычном кинескопе. Благодаря этому удалось получить очень чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Но активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами наподобие тех, что используются в TFT-экранах. Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-экрана. Для работы такого монитора необходимо высокое напряжение — около 5000 В. Энергопотребление мониторов электростатической эмиссии значительно выше, чем ЖК-мониторов, но на 30% ниже, чем энергопотребление обычных мониторов с экраном того же размера. В настоящее время эта технология обеспечивает наилучшее качество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс), однако промышленные образцы, имеющие экран размером 14—15", на рынке пока не появились.

Органические светодиодные мониторы

Технология изготовления органических светодиодных мониторов (Organic Light-Emitting Diode displays, OLEDs), или LEP-мошторов (Light Emission Plastics — Светоизлучающий пластик), также во многом похожа на технологии изготовления ЖК- и EL-мониторов, но отличается материалом, из которого изготавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полупроводимости. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться.

Основные преимущества технологии LEP по сравнению с упомянутыми выше заключаются в следующем:

□  Очень низкое энергопотребление  (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В).

□ Простота и дешевизна изготовления.

□  Тонкий (около 2 мм) и, возможно, эластичный экран.

□ Низкая инерционность (менее 1 мкс).

Недостатком этой технологии являются низкая яркость свечения экрана, монохромность изображения (изготовлены только черно-желтые экраны), маленький экран. LEP-мониторы используются пока только в портативных устройствах, например, в сотовых телефонных трубках.

Проекторы

Проекционное устройство само по себе не является новинкой. Принцип его действия хорошо знаком каждому, кто смотрел диафильмы, слайды или был в кинотеатре. Во всех этих случаях происходит одно и то же: изображение на тонкой цветной полупрозрачной пленке просвечивается мощной проекционной лампой и с помощью оптической системы проецируется на экран (рис. 14.19). В результате изображение может быть показано большой аудитории. Имеются также специальные проекторы для презентационных и учебных целей, способные переносить на экран изображения с непрозрачных носителей.

А можно ли проектировать на большой экран изображение с экрана монитора? Оказывается, можно. Для этой цели используются специальные проекционные устройства, подключаемые к PC.

В этих устройствах в качестве источника проецируемого изображения используется специальный электронно-управляемый модулятор, на который подается сигнал от видеоадаптера PC. Как кинопленка или слайд, он используется в качестве управляемого светофильтра, модулирующего световой поток от проекционной лампы.

Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в подавляющем большинстве они построены на основе ЖК-панелей. В зависимости от места расположения модулятора все компьютерные проекторы можно разбить на две большие группы:

□  Универсальные проекторы общего назначения (оверхед-проекторы), в качестве источника изображения в которых используется специальный внешний модулятор — ЖК-панель.

□  Мультимедийные проекторы со встроенным модулятором.

Помимо компонентного RGB-сигнала, снимаемого с выхода видеоадаптера, на проекторы можно подавать обычный видеосигнал, источником которого может быть бытовая или полупрофессиональная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами. По конструкции и принципу действия они аналогичны   мультимедийным,   но   в   них   не   предусмотрена   возможность подключения к компьютеру. Напротив, на большинство мультимедийных проекторов можно подавать видеосигнал.

Оверхед-проекторы и ЖК-панели

Оверхед-проектор (Over Head Projector — Проектор, расположенный над головой) представляет собой обычный проектор, в котором изображение от источника проецируется на экран при помощи наклонного проекционного зеркала. В зависимости от места размещения проекционной лампы различают отражательные и просветные проекторы.

Отражательные проекторы

Отражательные проекторы представляют собой малогабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Поскольку мощность проекционной лампы у таких проекторов невелика, они не могут использоваться совместно с ЖК-панелями.

Просветные проекторы

В просветных проекторах проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания (рис. 14.20). Поскольку в этом случае можно обеспечить принудительное охлаждение, мощность лампы может быть увеличена в десятки раз. Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее прозрачные ЖК-панели.

Такую панель, подключенную к видеоадаптеру PC, кладут на прозрачную рабочую поверхность проектора вместо прозрачной пленки. Свет от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу просвечивает ЖК-панель и через рассеивающую линзу поступает на проекционное зеркало. В некоторых моделях просветных проекторов предусмотрена возможность установки перед проекционным зеркалом дополнительной линзы, предназначенной для увеличения размера изображения на 25—50% (рис. 14.21).

ЖК-панель по форме и размеру напоминает дисплей PC типа Notebook, выполненный в виде самостоятельного устройства (рис. 14.22). На корпусе панели имеются органы управления параметрами изображения; в комплект поставки часто входит пульт дистанционного управления (обычно инфракрасный).

Типы ЖК-панелей

Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к PC, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанельных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количество воспроизводимых оттенков цветов, яркость и др. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов (в скобках указано максимальное разрешение экрана):

□  VGA-панели (640x480)

□  SVGA-панели (800x600)

□  XGA-панели (1024x768)

□  SXGA-панели (1280x1024)

С точки зрения общепринятой классификации видеосистем это не совсем правильно, поскольку любое разрешение свыше 640x480 принято называть SVGA-разрешением. В проекционной технике сохранился термин XGA {eXtended Graphic Army). Напомним, так назывались высокопроизводительные видеоадаптеры фирмы IBM, снабженные графическим сопроцессором и обеспечивающие сравнительно высокое быстродействие в режиме 1024x768.

У дешевых VGA-панелей, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основанная на применении технологии DSTN; в более качественных панелях используется активный TFT-экран.

Дополнительные функции ЖК-панелей

Помимо основной задачи — преобразования электрического сигнала от видеоадаптера в изображение на экране (для его последующего проецирования на большой внешний экран), — ЖК-панели могут иметь ряд дополнительных возможностей, полезных, например, при обучении, проведении презентаций:

□  Дистанционное управление (ДУ).

□  Возможность увеличения изображения или его фрагмента.

□  Функцию "Указка"; ЖК-панель на своем экране формирует маркер, напоминающий указатель мыши, управлять положением которого можно с помощью пульта ДУ (понятно, что использовать обычную указку неудобно, так как она создает тень).

□  Функцию "Замораживание" — запоминание и фиксация на экране текущего изображения на время подготовки компьютера или презентационной программы к показу следующего сюжета (полезна тогда, когда необходимо   предотвратить  показ" аудитории   содержимого  экрана   PC,   не прибегая при этом к отключению изображения проектора).

□  Функцию "Занавес" — одно изображение плавно заменяется другим снизу вверх или сверху вниз.

□  Возможность подключения видеомагнитофона или видеокамеры.

□  Аудиовход и выход.

В табл. 14.9 приведены основные характеристики ЖК-панелей, предназначенных для совместного использования с оверхед-проектором.

Таблица 14.9. Характеристики ЖК-панелей фирмы Medium

Примечание      

Разъем типа RCA используется для подачи композитного, a S-Video — компонентного видеосигнала.

Для управления работой ЖК-панели или компьютера, к которому эта панель подключена, кроме обычного инфракрасного пульта дистанционного управления может использоваться дистанционная мышь (рис. 14.23). Она соединяется с адаптером, подключенным к последовательному порту компьютера, при помощи кабеля или по радиоканалу. Наряду со стандартными функциями мыши такое устройство позволяет создавать различные видеоэффекты, полезные, например, при проведении презентаций: увеличение размера изображения, выделение нужной информации и т. п.

Рис. 14.23. Дистанционная мышь GyroPoint Pro

Мультимедийные проекторы

В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система составляют единое целое и размещаются в одном корпусе Мультимедийные проекторы (рис. 14.24) напоминают обычные диапроекторы, предназначенные для просмотра слайдов или диафильмов, но их конструкция значительно сложнее.

В целом принцип действия мультимедийного проектора такой же, как и оверхедпроектора: изображение создается с помощью мощной проекционной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера PC, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний экран. Однако конструкция этого модулятора, способы построения и переноса изображения на экран в разных проекторах существенно отличаются. В зависимости от конструкции модулятора проекторы бывают следующих типов:

□  TFT-проекторы

□   Полисиликоновые проекторы

□  DMD/DLP-проекторы

Кроме того, в зависимости от способа освещения модулятора различают мультимедийные проекторы просветного и отражательного типа.

TFT-проекторы

В TFT-проекторах в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT. Принцип действия и конструкция TFT-проектора просветного типа иллюстрируется схемой, представленной на рис. 14.25.

Рис. 14.25. Схема TFT-проектора просветного типа

Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица. Подобно ЖК-экрану плоскопанельного цветного монитора, каждый элемент этой матрицы образован триадой тонкопленочных транзисторов. Очевидно, что количество элементов матрицы равно количеству пикселов изображения на экране.

Поскольку прозрачность ЖК-матрицы невелика, в проекционном аппарате используется мощная проекционная лампа. Под действием света от проекционной лампы ЖК-матрица сильно разогревается, поэтому для ее охлаждения используется вентилятор, встроенный в проектор. Для равномерного освещения поверхности матрицы применяется система линз, называемая конденсором.

Полисиликоновые проекторы

Более яркое изображение можно получить, если вместо одной цветной TFT-матрицы использовать три монохромных матрицы — по одной для каждого из основных цветов. Такая технология получила название полисиликоновой (обозначается p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тонкопленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем размер элемента TFT-матрицы (это позволяет повысить четкость изображения). В полисиликоновых проекторах используются три миниатюрных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц формирует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора (рис. 14.26) обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в результате чего формируется цветное изображение.

Рис. 14.26. Устройство полисиликонового проектора

Цветоделительная система

Для того чтобы подать на каждую из трех матриц световой поток соответствующего цвета, белый свет проекционной лампы необходимо предварительно разложить на три составляющие основных цветов, т. е. решить задачу цветоделения.

Цветоделительная система полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных (Dl, D2) и одного обычного (N1) зеркал.

Дихроичное (цветоделительное, светорасщепляющее) зеркало пропускает свет одного цвета и отражает — другого. Принцип его действия основан на явлении интерференции, т. е. сложении световых волн. В простейшем случае дихроичное зеркало представляет собой хорошо отполированное стекло с нанесенной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала (рис. 14.27).

Система цветосмешения

Цветное изображение формируется путем наложения друг на друга трех монохромных изображений при помощи системы цветосмешения, состоящей из двух дихроичных (D3, D4) и одного нормального (N2) зеркал (см. рис. 14.26). Процесс совмещения трех монохромных изображений требует исключительно точной пространственной юстировки всех зеркал оптической системы.

Полисиликоновые проекторы обеспечивают лучшее качество изображения, чем проекторы на основе TFT-матриц: более высокие яркость изображения и насыщенность цветов. Это позволяет проецировать изображение на больший экран, поэтому полисиликоновые проекторы можно использовать в таких помещениях, как конференц-залы, кинотеатры и т. п. Кроме того, три раздельных ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, нежели одна. Поэтому полисиликоновые проекторы более надежны в работе и долговечны.

Конвертор поляризации

Обе рассмотренные выше схемы относятся к проекторам просветного типа. Они имеют один серьезный недостаток, который принципиально ограничивает максимальную яркость изображения. Поскольку ЖК-ячейка пропускает только свет с линейной поляризацией, а проекционная лампа излучает не-поляризованный свет, то около 50% мощности светового потока лампы поглощаются ЖК-матрицей, вызывая ее интенсивный нагрев. За счет этого, во-первых, вдвое снижается яркость изображения, и во-вторых, нерационально расходуется мощность проекционной лампы и уменьшается срок службы проектора.

Для решения данной проблемы между проекционной лампой и ЖК-матрицей устанавливается конвертор поляризации. Такой конвертер расщепляет световой луч на две составляющие, плоскости поляризации которых сдвинуты на 90°, а затем поворачивает одну из них на 90°. В результате весь световой поток приобретает единую (линейную) поляризацию, совпадающую с плоскостью поляризации ячеек ЖК-матрицы. На практике конверторы поляризации размещают в конденсорах. В проекторах фирмы Sony такие конденсоры имеют обозначение PBS {Polarized Beam Splitter — Ращепитель поляризованных лучей). Аналогичные конденсоры фирмы Panasonic называются РСО (Polarization Converter Optic — Оптика с преобразованием поляризации). На рис. 14.28 приведена схема полисиликонового проектора, в котором используется конденсор типа PBS.

Микролинзовые растры

Другим способом повышения прозрачности ЖК-матрицы является применение так называемых микролинзовых растров (рис. 14.29), позволяющих сфокусировать проходящий свет именно на прозрачной части ячейки и "обойти" ее непрозрачные элементы, например — электроды тонкопленочного транзистора.

Однако эти приемы все же полностью не устраняют два главных недостатка ЖК-проекторов просветного типа — разогрев матрицы и сравнительно низкую яркость изображения. Даже с использованием технологии PBS и микролинзовых растров недостаточная прозрачность пикселов матрицы не позволяет получить мощный световой поток (световой поток ЖК-проекторов просветного типа обычно не превышает 500—600 лм).

ЖК-проекторы отражательного типа

В дорогих профессиональных ЖК-проекторах, предназначенных для работы в больших аудиториях, используется другой принцип действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. В результате удается решить две главные задачи — снизить до минимума разогрев ЖК-матрицы и добиться исключительно мощного светового потока.

Принцип работы отражательных ЖК-проекторов заимствован у появившихся в 50-х годах мощных светоклапанных проекторах системы эйдофор {Eidophor). В качестве отражающей поверхности в этих проекторах использовался слой прозрачной вязкой жидкости (масла). Модуляция отраженного светового потока обеспечивалась за счет деформации этой поверхности при помощи падающего на нее электронного пучка. Нетрудно понять, что такое "жидкое" зеркало крайне неудобно в эксплуатации, поэтому разработчики стали искать другие способы модуляции отраженного света. В настоящее время наиболее освоенными являются технологии ILA и DMD/DLP.

Проекторы ILA

Технология ILA (Image Light Amplifier — Усилитель света от изображения) была разработана совместно корпорациями Hughes Aircraft и JVC, хотя в настоящее время оборудование данного типа полностью контролируется японской компанией JVC. Проектор ILA, по аналогии с полисиликоновым, также имеет три модулятора для монохромных изображений основных цветов, которые затем совмещаются для получения цветного изображения. Схема светомодулирующего блока такого проектора представлена на рис. 14.30.

Одним из главных компонентов модулятора является зеркало-поляризатор, одновременно выполняющее функции зеркала, поляризатора и анализатора. Световая волна, падающая на него под углом 45°, разделяется на две составляющие: одна с поляризацией, параллельной поверхности зеркала, и другая—с поперечной поляризацией, перпендикулярной к поверхности зеркала. Первая составляющая свободно проходит через зеркало, а вторая (полезная) — полностью отражается в направлении модулятора, выполненного на основе ЖК-панели особой конструкции.

Эта ЖК-панель лишена матричной структуры и является сплошной. В качестве элементов, управляющих поляризацией участков ЖК-панели, выступают не тонкопленочные транзисторы, как в TFT-матрице, а участки фоторе-зистивного слоя, на котором создается потенциальный рельеф, повторяющий спроецированное на него изображение. Между фоторезистивным слоем и ЖК-панелью размещается диэлектрическое зеркало, которое выполняет роль основной отражающей поверхности. Внесение в отраженный свет дополнительных поляризационных сдвигов, повторяющих потенциальный рельеф (спроецированное на фоторезистивный слой изображение), будет влиять на степень прохождения отраженного света через зеркало, т. е. эквивалентно модуляции отраженного потока.

Примечание       

В данной системе усилению подвергается именно изображение, создаваемое миниатюрной проекционной/системой, чем и объясняется название данной технологии.

Благодаря отсутствию зернистой структуры ЖК-панели можно получить исключительно четкое изображение, а низкие потери на разогрев и поглощение света обеспечивают фантастический для обычных ЖК-проекторов световой поток — примерно до 12 000 лм! Однако необходимость в наличии встроенной проекционной системы и очень сложная конструкция модулятора значительно влияют на габариты и массу (от 120 до 500 кг), а также на стоимость проектора (до 250 000$), что, естественно, ограничивает его применение. Более того, проекторы ILA предназначены для работы с аналоговым видеосигналом (обусловлено конструкцией встроенного проектора), поэтому относятся к классу видеопроекторов.

Проекторы D-ILA

Развитием технологии ILA применительно к мультимедийным проекторам стала технология D-ILA (Digital ILA), также разработанная специалистами фирмы JVC. Основу проекторов D-ILA составляет так называемая отражательная {Reflective) ЖК-, или R-ЖК-панель (рис. 14.31). Ее главное отличие от обычной ЖК-матрицы состоит в том, что электроды, управляющие поляризацией ячеек, имеют квадратную форму. Они выполняют роль зеркал.

Рис. 14.31. Структура R-ЖК-панели

За счет этого коэффициент отражения R-ЖК-панели для белого света доходит до 95%. По сравнению с обычной TFT-панелью, R-ЖК-панель обеспечивает более высокие яркость, четкость и контрастность изображения. Кроме того, на R-ЖК-панель вместо аналогового видеосигнала подается цифровой сигнал, поэтому не нужен встроенный проектор. В результате схема модулирующего канала проектора D-ILA (рис. 14.32) оказывается гораздо проще, чем схема проектора ILA.

Рис. 14.32. Схема модулятора проектора D-ILA

Конструкция проектора D-ILA (рис. 14.33) напоминает конструкцию полисиликонового  проектора с той  разницей,   что  вместо   просветных  TFT- матриц в нем используются отражательные R-ЖК-панели совместно с блоком поляризатора-анализатора.

Рис. 14.33. Схема проектора D-ILA

Технология D-ILA является перспективной, поэтому в настоящее время выпуск проекторов D-ILA наладили, помимо фирмы JVC, несколько конкурирующих фирм (InFocus, Pioneer, Panasonic и др.).

DMD/DLP-проекторы

Параллельно с технологией ILA/D-ILA развивается технология DMD/DLP, разработанная фирмой Texas Instruments. В DMD/DLP-проекторах в качестве отражающей поверхности вместо ЖК-матрицы используется матрица, состоящая из множества электронно-управляемых микрозеркал (рис. 14.34, слева). Каждое микрозеркало (рис. 14.34, справа) отражает падающий на него свет либо в объектив, либо в поглотитель в зависимости от уровня поданного на него электрического сигнала. В первом случае образуется яркий пиксел экрана, во втором — темный. Такие матрицы обозначаются аббревиатурой DMD {Digital Micromirror Device — Цифровой микрозеркальный прибор), а технология, на которой основан их принцип действия, — DLP {Digital Light Processing — Цифровая обработка света).

Рис. 14.34. Матрица DMD (слева) и ее отдельный элемент — микрозеркало (справа)

Обычно в одной DMD-матрице содержится около 848x600 = 508 800 микрозеркал. Это даже лучше, чем при SVGA-разрешении (800x600 = 480 000 пикселов).

Для получения цветного изображения используются проекторы с тремя или одной матрицей DMD. Трехматричный проектор по способу формирования цветного изображения аналогичен полисиликоновому (рис. 14.35).

Рис. 14.35. Схема трехматричного проектора DMD/DLP

В одноматричных DMD/DLP-проекторах Полный цветной кадр формируется в результате последовательного отображения трех быстро меняющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Благодаря инерционности человеческого зрения при достаточно высокой частоте смена монохромных кадров будет незаметна. Монохромные кадры > формируются путем последовательного освещения DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания света проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами (рис. 14.36). Управление микрозеркалами осуществляется синхронно с поворотом светофильтра.

По сравнению с рассмотренными выше ЖК-технологиями технология DLP обладает важными преимуществами.

□ Благодаря исключительно малыми размерами микрозеркал (около 1 мкм), практически полностью отсутствует зернистость изображения (незаметна растровая структура).

□Отсутствует эффект засветки соседних пикселов экрана, свойственный ЖК-матрицам.

□Обеспечиваются высокая яркость изображения и равномерность ее распределения.

Рис. 14.36. Схема одноматричного проектора DMD/DLP

Однако одноматричные DMD-проекторы не лишены и недостатков.

□ Заметное мелькание кадров. Чтобы сделать его незаметным, частоту смены монохромных кадров необходимо увеличить в три раза по сравнению с частотой кадров в проекторах с одновременным цветосмешением (в трехматричной схеме). Это требует повышения скорости вращения светофильтра, тем самым значительно усложняется схема управления DMD-матрицей.

□  При использовании вращающегося светофильтра невозможно обеспечить раздельную регулировку яркости и насыщенности изображения: т. к. насыщенность   определяется   площадью   цветных   светофильтров,   а   яркость — площадью неокрашенного участка светофильтра, предназначенного  для   формирования   монохромного   изображения,   то   увеличение яркости ведет к снижению насыщенности, и наоборот.

Основные характеристики мультимедийных проекторов

Проектор — это, прежде всего, оптический прибор. Он не только формирует изображение с заданными разрешением и палитрой, но и проецирует изображения на экран, обеспечивая при этом требуемую яркость, контрастность и насыщенность. Разрешение и палитра определяются соответствующими характеристиками модулятора. Проекционные свойства проектора определяются его светотехническими параметрами, которые и являются основными характеристиками устройства. Ведь, в конце концов, основная цель приобретения проектора, стоимость которого в 5—10 раз превышает стоимость PC, — это обеспечение возможности коллективно просматривать изображения на большом экране.

Проектор как оптическое устройство характеризуется следующими параметрами:

□  Световым потоком.

□  Контрастностью изображения на внешнем экране.

□ Показателем светотехнической эффективности оптической системы, или световой отдачей, равной отношению светового потока к потребляемой проектором мощности.

Световой поток

Световой поток в фотометрии измеряют в люменах (лм). Численно световой поток в 1 лм — это световая энергия, излучаемая точечным источником света силой 1 кд (кандела) в пределах телесного угла 1 ср (стерадиан). Исходной, базовой величиной в фотометрии является именно сила света; все остальные светотехнические величины определяются с ее помощью.

Для оценки светового потока, формируемого проекционным аппаратом, используется не обычный люмен, а так называемый 'ANSI-люмен (ANSI-лм). Для оценки светового потока в ANSI-люменах измеряют освещенность в 9 точках экрана, на который проецируется изображение, находят среднее значение и умножают его на площадь экрана.

Очевидно, что при одном и том же световом потоке освещенность будет обратно пропорциональна площади экрана: чем крупнее экран, тем больший световой поток необходим для получения заданной освещенности. В частности, для обеспечения приемлемой освещенности экрана шириной 2,6 м в затемненном помещении необходим световой поток не менее 400 лм.

Световой поток, формируемый проектором, в наибольшей степени зависит от характеристик проекционной лампы. В настоящее время широко используются лампы двух типов:

□  Стандартные металлогалогенные, или металлогалоидные, лампы (Metal-Haloid, МН).

□  Новые миниатюрные металлогалоидные лампы сверхвысокой производительности (Ultra High Performance, VHP).

Наиболее эффективны лампы UHP. При мощности 100—150 Вт их световая отдача достигает 100 лм/Вт. Эти лампы обеспечивают высокую яркость изображения, имеют более продолжительный срок службы и намного удобнее в эксплуатации по сравнению со стандартными металлогалоидными лампами. Если световая отдача проектора с металлогалоидной лампой не превышает 3 ANSl-лм/Вт, то у проекторов с лампой UHP этот показатель составляет 4 ANSI-лм/Вт и выше.

Коэффициент контрастности

Оценка контрастности, или коэффициента контрастности, согласно требованиям ANSI, осуществляется по двум методикам:

□ Checkerboard — тест "шахматная доска"

□  Full on/off— тест "полное включение/выключение"

В первом случае на экран проецируется изображение черно-белого шахматного поля. Контрастность при этом определяется как отношение средней освещенности в центрах белых и черных клеток.

Во втором случае на экран проецируется белое поле, а затем — черное, после чего определяется отношение освешенностей в их центре. Более объективным является значение, полученное в результате проведения теста Checkerboard, поскольку учитывается изменение освещенности темных полей, обусловленное наличием соседних светлых. Очевидно, что это значение всегда будет меньше, чем значение, полученное в результате теста Full on/off (примерно в 1,5—2,5 раза).

Разрешение

Помимо оптических, мультимедийные проекторы характеризуются традиционными показателями качества изображения. Наиболее важным из них является разрешение.

Так же, как и плоскопанельные мониторы, мультимедийные проекторы обеспечивают наилучшее качество изображения при конкретном разрешении, соответствующем количеству элементов ЖК- или DMD-матрицы. Некоторые проекторы поддерживают несколько разрешений, однако такая возможность обеспечивается за счет дополнительного преобразования исходного изображения. Очевидно, что качество преобразованного изображения будет хуже, чем исходного. Наиболее часто используются следующие методы преобразования:

□ Технология LIMESCO (Line Memory Scan Converter— Преобразователь растра с запоминанием строк) используется в мультимедийных проекторах фирмы Philips.

□ Масштабирование исходного изображения.

□ Прокрутка.

При выборе проектора просветного типа необходимо учитывать, что прозрачность матрицы уменьшается с увеличением числа элементов. Это значит, что при использовании одной и той же проекционной лампы проектор с более высоким разрешением обеспечит меньший световой поток, чем проектор с более низким разрешением. Например, VGA-проектор Hitachi CL-P 550 обеспечивает поток 550 ANSI-лм с лампой мощностью 250 Вт. XGA-проектор ASK Impression 970, снабженный лампой мощностью 575 Вт, — всего лишь 400 ANSI-лм. В свою очередь, снижение светового потока приводит к уменьшению размеров внешнего экрана и максимального расстояния до него. У проектора Hitachi CL-P 550 эти параметры составляют 14,5 м и 10,2 м соответственно, а у проектора ASK Impression 970 — только 3,9 м и 2,7 м. Таким образом, разрешение проектора должно соответствовать его предназначению. Если он будет применяться для воспроизведения телевизионных и видеопрограмм, мультимедийных презентаций и т. п., то не имеет смысла использовать разрешение выше 800x600, а при просмотре видеофильмов с качеством, обеспечиваемым форматом VHS, — выше 640x480. С одной стороны, более высокое разрешение снижает зернистость изображения, позволяя зрителю расположиться ближе к экрану, с другой — при воспроизведении видеозаписей низкого качества слишком высокое разрешение только подчеркивает дефекты изображения.

Существует немного областей, где принципиально необходимо высокое разрешение - XGA (1024x768) или SuperXGA (1280x1024). Это, главным образом, профессиональные приложения: инженерная графика, системы автоматизированного проектирования, настольные издательские системы, медицина и др. Применение же XGA-проекторов в домашних условиях не целесообразно.

Дополнительные возможности

В отличие от оверхед-проекторов с ЖК-панелями, мультимедийные проекторы обеспечивают дополнительные возможности коррекции изображения, проецируемого на экран.

□  Увеличение/уменьшение размера изображения (zoom) за счет изменения фокусного расстояния объектива (вручную или автоматически, с помощью электропривода).

□   Коррекция трапецеидальных искажений растра (рис. 14.37), возникающих в том случае, когда проектор расположен ниже (выше) экрана и его луч падает под углом 5, заметно отличающимся от прямого. Угол 5 отсчи-тывается от нормали к поверхности экрана. В технических характеристиках приводится максимальный угол 5, при котором возможна коррекция трапецеидальных искажений.

□ Обратная проекция — зеркальный поворот изображения по горизонтали (при проецировании не на отражающий, а на просветный экран).

□ Возможность крепления проектора к потолку.

Кроме того, все мультимедийные проекторы оборудованы встроенной акустической системой, аудиовходом, выходом для подключения внешней акустической системы и видеовходами RCA и S-Video для подключения внешнего источника видеосигнала.

В табл. 14.10 приведены основные характеристики мультимедийных проекторов.

Таблица 14.10. Основные характеристики мультимедийных проекторов

Устройства формирования объемных изображений

Теперь рассмотрим группу нетрадиционных и, по нашему мнению, наиболее интересных устройств отображения для PC. Речь идет об особой группе устройств, позволяющих создавать объемные (трехмерные) изображения. Первоначально появившись в качестве весьма дорогостоящих и недостаточно совершенных элементов системы виртуальной реальности, эти устройства в настоящее время интенсивно совершенствуются, постепенно превращаясь в непременный атрибут домашнего мультимедийного PC. Способ формирования трехмерных изображений основан на эффекте бинокулярного зрения, или стереозрения, поэтому по своей конструкции такие устройства принципиально отличаются от традиционных мониторов.

Особенности восприятия человеком объемных изображений

Значительное влияние на естественность восприятия видеоинформации оказывает способность человека оценивать объемность (глубину) изображения. Наряду с высоким разрешением и большим количеством оттенков цветов, объемный характер изображения имеет важнейшее значение для создания у пользователя подсознательного ощущения реальности наблюдаемой сцены.

Способность человека к зрительному объемному восприятию объектов определяют две группы факторов, приведенных ниже.

□ Первичные (врожденные) факторы, основанные на использовании бинокулярного зрения.

□ Вторичные (эмпирические) факторы, позволяющие оценить глубину наблюдаемого объекта по косвенным признакам, доступным при монокулярном зрении (при этом, как правило, подсознательно используется накопленный человеком опыт ориентации в пространстве).

Важнейшими, безусловно, являются вторичные факторы. Поэтому в данной главе рассмотрим устройства отображения, основанные именно на этом свойстве, т. е. использующие бинокулярное зрение человека (стереозрение).

Вторичные факторы объемного восприятия основаны на подсознательной фиксации человеческим мозгом тех особенностей изображения, которые обусловлены пространственным положением наблюдаемых объектов и их

частей:

□  Оценка расстояния до предмета на основе информации о его размерах (чем меньше объект — тем он дальше).

□ Оценка порядка наложения предметов друг на друга (кто выше — тот ближе).

□  Определение глубины пространства за счет использования эффекта перспективы — визуального сближения параллельных линий, уходящих вдаль.

□ Анализ световых эффектов на предмете (теней, бликов и т. п.).

Объемное восприятие объектов возможно как при бинокулярном, так и при монокулярном зрении, поэтому иллюзию трехмерности изображения можно создать при помощи традиционных, двумерных устройств отображения (телевизора, монитора). В качестве примера можно привести фотоснимок: сам по себе он является двумерным, плоским изображением, однако при его просмотре человек подсознательно оценивает его особенности, благодаря чему у него создается хоть и не полное, но достаточно четкое представление о форме и пространственном положении изображенных на фотографии объектов.

Указанные выше особенности изображения (тени, взаимное положение и т. д.) можно не только наблюдать у естественных объектов окружающего мира, но и создавать на искусственных моделях виртуального компьютерного мира. До недавнего времени абсолютное большинство создаваемых компьютером визуальных объектов (например шрифты, диаграммы, окна диалога) выглядели совершенно плоскими. Оно и понятно — все эти объекты изначально программируются и обрабатываются как двумерные. Однако сегодня бурно развивается новая технологии, которую принято называть трехмерной графикой, или 3D. В основе этой технологии лежит другой подход: все объекты компьютерного мира описываются в трехмерной системе координат. Имея математическое описание трехмерного объекта, можно корректно рассчитать его двумерную проекцию на плоскость экрана, которая будет обладать всеми перечисленными выше характеристиками. Поскольку объем вычислений, необходимый для расчета трехмерной сцены, исключительно велик, эту работу возлагают на специализированные графические процессоры, называемые ускорителями трехмерной графики, или ЗВ-акселераторами (см. главу 16). Наиболее яркий пример 3D — многочисленные трехмерные компьютерные игры (Quake II, Final Realty, Tomb Rider и многие другие). Для лучшего понимания принципа действия устройств отображения, формирующих объемные изображения, кратко опишем механизм бинокулярного зрения человека.

Механизм бинокулярного зрения

Известно, что в основе стереозрения лежит явление одновременного раздражения светом горизонтально расположенных несимметричных точек сетчатки глаз. Асимметрия этих точек обусловлена тем, что оба глаза, расположенные друг от друга на расстоянии 6—7 см по горизонтали, видят один и тот же объект под разными углами. Благодаря этому проекции объекта на глазном дне каждого глаза оказываются смещенными в горизонтальном направлении. Головной мозг анализирует эти проекции, в результате чего у человека создается ощущение объемности объекта, т. е. он может оценивать размер объекта не только по ширине и высоте, но и в глубину. Первые опыты провел в 1838 г. Ч. Уитстон, а в 1858 г. П. Панум дал им объяснениение, а также предложил практический способ формирования стереоизображения. Суть предложенного Ч. Уитстоном способа заключалась в том, что два изображения одного и того же предмета, проецируемые на каждый глаз, были развернуты в горизонтальной плоскости друг относительно друга на небольшой угол, образуя так называемую стереопару (рис. 14.38). Созданный им стереоскоп позволял видеть объемное изображение за счет раздельного наблюдения каждым глазом двух почти одинаковых плоских изображений, образующих стереопару. Формирование стереопары происходило за счет использования специальной оптической системы, позволявшей из исходного изображения получить два, немного сдвинутых относительно друг друга.

Рис. 14.38. Пример стереопары

Принцип действия стереоскопа Уитстона и сегодня в том или ином виде реализуется во всех современных устройствах формирования объемных изображений. Однако используемые в них конкретные способы формирования стереопары значительно отличаются друг от друга, в результате появилось множество разнообразных устройств данного типа. Остановимся на этих различиях более подробно.

Не представляет большого труда сформировать два плоских изображения, составляющих стереопару. Значительно труднее заставить каждый глаз видеть только одну половину стереопары. Решить эту задачу можно двумя способами. Указанными ниже.

□ Путем использования для каждого глаза отдельного экрана (двухэкранный способ).

□ Проецированием двух изображений, составляющих стереопару, на общий экран с последующей селекцией элементов стереопары, обеспечивающей их раздельный показ каждому глазу (одноэкранный способ).

Двухэкранные устройства

Применение двухэкранного способа потенциально обеспечивает наилучшие результаты, поскольку учитываются особенности строения глаз человека (два глаза — два экрана). Однако для его реализации требуется специальное устройство отображения. При использовании в качестве экранов миниатюрных ЭЛТ удается получить весьма высокое разрешение (до 1280x1024 на каждом экране), однако все устройство отображения получается весьма тяжелым и громоздким, поэтому для его крепления используют специальную штангу (рис. 14.39). Такие устройства относят к типу BMD (Boom Mounted Display — Дисплей, закрепленный на штанге). Как правило, они весьма дороги и применяются в составе профессиональных тренажеров-симуляторов.

Основной недостаток таких устройств — громоздкость — был устранен с появлением компактных ЖК- экранов. По мере совершенствования технологии и удешевления их производства появились и непрерывно совершенствуются удобные и привычные для использования устройства отображения в виде шлемов, биноклей или специальных очков. Их принято называть устройствами типа HMD (Head Mounted Display — Дисплей, закрепленный на голове). Именно они являются в настоящее время основными устройствами формирования объемных изображений и широко используются в системах виртуальной реальности. Наиболее распространенным устройством отображения типа HMD является шлем виртуальной реальности, или VR-шлем (рис. 14.40).

Существует также группа устройств типа HHD (Hand Held Display — Дисплей, удерживаемый в руках). Типичным представителем устройств типа HHD являются подключаемые к PC бинокли (рис. 14.41), в которых вмонтированы две ЖК-матрицы. Бинокли значительно меньше весят, их габариты намного меньше по сравнению с устройствами типа BMD, поэтому они находят все более широкое применение в сфере мультимедиа.

Одноэкранные устройства

В отличие от рассмотренного выше двухэкранного способа, при котором оба элемента стереопары отображаются одновременно на двух экранах, одноэкранный способ формирования трехмерных изображений подразумевает показ частей трехмерного изображения на одном экране. Его основное достоинство заключается,в том, что данный метод позволяет отображать элементы стереопары при помощи обычных, двумерных устройств отображения (например, монитора PC или проекционного экрана). Однако при этом необходимо специальное оборудование для разделения (селекции) изображений, составляющих стереопару. Существует несколько способов селекции.

□ Одновременный (метод поляризационной селекции). На один экран одновременно проецируются два изображения, образующих стереопару, при этом каждое из изображений имеет различную поляризацию световой волны. Обычно используется линейная поляризация (вертикальная — для одного изображения и горизонтальная — для другого), реже — круговая. Надев поляризационные очки, наблюдатель может видеть стереоскопическое изображение. Такой способ применяется в стереокино, а также в мультимедийных ЗВ-проекторах. В последнем случае одновременно используются два проекционных аппарата, изображения от которых должны быть тщательно совмещены на экране.

□ Последовательный (затворный метод). Элементы стереопары отображаются на экране монитора по очереди, при этом между каждым глазом и экраном располагается специальное устройство в виде "шторки" или "затвора" (shutter), которое синхронно со сменой элементов стереопары теряют прозрачность, перекрывая поле зрения одному из глаз. Наиболее часто в качестве таких "шторок" используются специальные электронно-управляемые очки (Shutterglasses — Очки затворного типа). В качестве управляющего сигнала для таких очков, называемых также активные поляризационными очками, используется выходной сигнал видеоадаптера PC. В настоящее время эти очки являются наиболее простыми и доступными по цене устройствами, которые совместно с обычным монитором PC позволяют получить трехмерное изображение. Заметим, что последовательный способ показа элементов стереопары требует увеличения частоты кадров монитора в 2 раза.

□ Комбинированный метод. Отличается от затворного метода тем, что позволяет использовать простые (пассивные) поляризационные очки вместо более дорогих активных. Поскольку реализация этого метода обходится значительно дороже, чем затворного, он пока не нашел широкого применения (ЗЭ-проекторы, специальные ЗБ-экраны для обычных мониторов).

Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы)

Шлемы виртуальной реальности {VR-шлемы), называемые также кибершлемами (см. рис. 14.40), являются в настоящее время наиболее совершенными (и дорогостоящими) устройствами формирования трехмерных изображений, которые могут быть использованы в домашних условиях совместно с PC или бытовой видеоаппаратурой. Принцип их действия основан на двухэкранном методе. Помимо наличия двух индивидуальных экранов для каждого глаза, VR-шлемы, благодаря своей конструкции, обеспечивают отсечение поля периферийного зрения человека, что усиливает эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир.

В VR-шлемах используются миниатюрные экраны, выполненные на основе активных ЖК-матриц, подобных тем, что используются в мультимедийных проекторах. Каждая из двух ЖК-матриц формирует цветное изображение, которое, благодаря особой конструкции шлема, видит только один глаз. Кроме экранов, VR-шлем снабжен стереофоническими головными телефонами и микрофоном. Узел шлема, объединяющий в себе эти матрицы и органы регулировки, называют визором. Важное требование к визору — возможность регулировать расстояние между матрицами по горизонтали, которое должно соответствовать расстоянию между зрачками пользователя, называемому IPD (InterPupil Distance). Визоры некоторых шлемов оборудованы специальной оптической системой автоматического определения IPD, благодаря чему отпадает необходимость в индивидуальной настройке шлема.

Главным недостатком VR-шлема является недостаточно высокое разрешение стереоскопического изображения. Это обусловлено ограниченным количеством элементов ЖК-матрицы и, что наиболее существенно, малым расстоянием между глазом и визором, при котором зернистость ЖК-матриц наиболее заметна.

Важнейшей особенностью VR-шлемов является наличие так называемой системы виртуальной ориентации (СВО), часто обозначаемой VOS — (Virtual Orientation System), которая отслеживает движение головы и в соответствии с ним корректирует изображение на экранах: при повороте головы в одну сторону панорамное изображение "прокручивается" через ЖК-матрицы в противоположном направлении, благодаря чему у пользователя возникает иллюзия стабильности наблюдаемой картины (так, как это происходит в реальной жизни). В итоге возникает неповторимое ощущение реальности изображения. Благодаря наличию СВО VR-шлемы представляют собой нечто большее, чем просто устройство отображения: они помогают человеку окунуться в иную, виртуальную реальность, что и отражено в их названии.

Максимальный эффект от применения VR-шлемов достигается в том случае, когда они используются совместно со специфическими устройствами ввода, называемыми VR-контроллерами. Примером VR-контроллера является трехмерная мышь, специальные перчатки и другие устройства.

В качестве входного сигнала для VR-шлема может использоваться либо видеосигнал от бытовой видеоаппаратуры, либо RGB-сигнал видеоадаптера PC. В подавляющем большинстве менее дорогие модели VR-шлемов рассчитаны на использование композитного телевизионного видеосигнала с чересстрочной разверткой. Это объясняется тем, что невысокое разрешение изображения, создаваемого ЖК-матрицами визора, примерно соответствует четкости обычного телевизионного изображения. Для подключения таких VR-шлемов к компьютеру необходим специальный адаптер. VR-шлемы с более качественными визорами, способными обеспечить разрешение не хуже 640x480, обычно рассчитаны на подключение непосредственно к видеоадаптеру PC.

Помимо визора, VR-шлем оборудован высококачественной стереофонической аудиосистемой. Стереозвук на шлем подается по отдельным проводам, через два RCA-разъема или стандартный 3,5-миллиметровый стереофонический разъем. Источником звука может быть либо телевизор (видеомагнитофон), либо звуковая карта компьютера.

Системы виртуальной ориентации (СВО)

Как уже отмечалось, система виртуальной ориентации предназначена для определения положения головы пользователя и передачи полученных координат в PC. Это позволяет оперативно корректировать формируемую VR-шлемом картину с учетом движения пользователя, усиливая тем сам реализм ЗD-изображения. Чаше всего элементы СВО вмонтированы в шлем. Однако, поскольку СВО применяются не только в игровых, но и в ряде профессиональных приложений, существуют универсальные самостоятельные высокоточные системы данного типа, одинаково пригодные для различных целей.

Пространственные координаты

СВО обеспечивает слежение по шести координатам (иногда их называют степенями свободы):

□ Трем пространственным координатам X, Y и Z, измеряемым в прямоугольной системе координат и характеризующим положение объекта относительно начала координат.

□ Трем угловым координатам, характеризующим ориентацию объекта (головы пользователя) относительно трех осей системы координат.

В VR-шлемах, предназначенных для игровых приложений (таких на рынке абсолютное большинство), достаточно отслеживать только ориентацию. Это положение характеризуется тремя углами (рис. 14.42).

Рис. 14.42. Углы, характеризующие ориентацию головы в пространстве

□ Yaw (Azimuth) — углом рыскания, или азимутом, отсчитываемым в горизонтальной плоскости (0—360°).

□  Pitch (Elevation) — углом возвышения, или углом места, отсчитываемым в вертикальной плоскости (±90°).

□  Roll (Tilt) — углом крена (наклона), отсчитываемым в плоскости, перпендикулярной линии визирования (+180°).

Изображенные на рис. 14.42 углы называются углами Эйлера. Измеренные значения углов СВО передает в PC (обычно через последовательный порт) программе, которая корректирует изображение на ЖК-матрицах шлема. Частота, с которой измеряются показания датчиков и передача результатов в PC, называется частотой опроса. Значение частоты опроса, а также точность измерения углов, оцениваемая величиной среднеквадратической ошибки, являются важными техническими характеристиками СВО.

В зависимости от принципа действия и типа используемого поля различают магнитные, ультразвуковые и инерциальные СВО.

Магнитные СВО

Наиболее широко распространены магнитные СВО, в которых используются миниатюрные магнитные датчики (катушки индуктивности). Магнитная СВО включает в себя блок внешних неподвижных передатчиков, выполняющих роль радиомаяков, датчик-приемник, расположенный на шлеме, а также системный электронный блок, который формирует электрические сигналы, поступающие на передатчик, и обрабатывает сигналы, принятые приемником. Интенсивность и фаза принятых сигналов зависят от расстояния между передающими и приемными катушками, а также от их взаимной ориентации. Обрабатывая передаваемые и принимаемые сигналы, системный электронный блок вычисляет пространственные координаты приемника относительно передатчика. Результаты вычислений передаются в PC через стандартный последовательный интерфейс RS-232 с частотой 50—60  Гц.

Типовая магнитная СВО имеет следующие характеристики:

□  Максимальное расстояние,  на котором  обеспечивается  заданная точность, — от 0,5 до 1,5 м.

□ Частота съема измерений — до 60  Гц.

□  Среднеквадратическая ошибка определения положения — 0,24 см.

□ Среднеквадратическая ошибка определения углов — 0,75°.

Магнитные СВО сравнительно просты, однако обладают серьезным недостатком: результаты полученных с их помощью измерений могут быть искаженными вследствие влияния внешних магнитных полей от работающих электробытовых приборов либо находящихся рядом с крупными металлическими предметами. Чтобы уменьшить это влияние, используют ультразвуковые СВО.

Ультразвуковые СВО

В ультразвуковых СВО вместо магнитных используются малогабаритные пьезокерамические преобразователи, выполняющие функции передатчиков и приемников. Обычно используется три передатчика и приемника, размещенных в шлеме (рис. 14.43). Системный блок посылает на передатчики электрический  сигнал  и  регистрирует ультразвуковой   сигнал,   принятый приемником (датчиком). Измеряя временную задержку между посланным и принятым сигналом, а также зная скорость распространения звуковой волны (около 330 м/с), можно с достаточной точностью определить расстояние между передатчиком и приемником. Обрабатывая результаты измерений расстояния между тремя парами датчиков, можно рассчитать положение и ориентацию шлема (головы пользователя) в пространстве.

Рис. 14.43. Ультразвуковая система виртуальной ориентации Logitech Head Tracker

Инерциальные СВО

В VR-шлемов наиболее дорогих моделей, предназначенных главным образом для профессионального применения, используются инерциальные СВО. Свое название они получили благодаря использованию в них инерциальных датчиков — гироскопов и акселерометров, не требующих для своей работы искусственных полей (магнитных или ультразвуковых). С их помощью создается независимая, инерциальная система координат, в которой отслеживается положение головы пользователя.

Модели VR-шлемов

Хотя настоящая книга посвящена, в первую очередь, общим принципам построения и функционирования устройств для PC, мы все же решили отойти от традиции и в этом разделе описать конкретные, наиболее характерные модели VR-шлемов. Дело в том, что, во-первых, такие устройства по конструкции и принципам действия значительно отличаются от всех других устройств для PC, во-вторых, они представляют огромный интерес для любителей компьютерных игр, поскольку открывают двери в мир виртуальной реальности, о котором практически все любители PC знают из множества журнальных статей и кинофильмов, но никогда там не были, и в-третьих, эти устройства до сих пор являются экзотическими и таковыми, видимо, останутся для отечественных пользователей PC еще долгое время, поскольку цена на них колеблется в пределах от 200 до 15 000 USD.

VFX1 Headgear VR System

Первой и наиболее неудачной разработкой стал шлем виртуальной реальности VFX1 Headgear VR System фирмы Forte Technologies (рис. 14.44).

Рис. 14.44. VR-шлем VFX1 Headgear VR System фирмы Forte Technologies

Он на продолжительный период стал негласным стандартом в области VR, поскольку обеспечивал приемлемое качество изображения, удобство, причем был надежным в работе.

В этом шлеме используются две ЖК-матрицы размером 10,6x14,3 мм, каждая из которых содержит по 180 000 элементов. Конструкция визора такова, что матицы отодвинуты дальше от глаз и снабжены устройством автоматической фокусировки. Эта технология, названная SmartVisor, запатентована фирмой-производителем. В результате не только повысилось качество изображения (в первую очередь, резкость), но и отпала необходимость в утомительной индивидуальной настройке визора. Еще одно достоинство конструкции VFX1 — для пользователя предусмотрена возможность откидывать визор при необходимости осмотреться вокруг (раньше приходилось снимать весь шлем целиком). Шлем сконструирован так, что люди со слабым зрением могут использовать его, не снимая очков.

Основной видеорежим, в котором работает VFX1 и видеоадаптер PC, — 640x480/256 при частоте кадров 60 Гц. Конечно, для реализации такого разрешения явно недостаточно 180 000 элементов, которые содержит каждая ЖК-матрица. Однако за счет применения специальных сглаживающих фильтров, входящих в состав визора, а также за счет стереоэффекта это несоответствие не слишком заметно.

Одна из важных причин успеха данного шлема на рынке — эргономичность его конструкции. Несмотря на значительный вес (1,3 кг), нагрузка, создаваемая шлемом на голову, равномерно распределена и оказывается незначительной. Кроме того, обеспечивается хорошая вентиляция. В итоге шлемом можно пользоваться достаточно долгое время, не испытывая при этом сильного утомления.

VFX1 имеет магнитную СВО, измеряющую три угла с точностью 0,077° и обеспечивающую частоту опроса 75 Гц в следующих диапазонах:

□  Азимут 0—360°

□  Угол возвышения ±75°

□  Угол наклона ±45°

Специфическим отличием VFX1 от VR-шлемов других моделей является способ его подключения к PC. Для этого используется специальная интерфейсная карта — VIP Card (VFX1 Interface Protocol Card). Карта устанавливается в стандартный слот ISA материнской платы и представляет собой контроллер шины ACCESS.Bus для подключение нескольких (до 125) внешних устройств: шлемов, джойстиков и т. п.

Видеосигнал от видеоадаптера подается на VIP-карту через специальный 26-контактный разъем Feature Connector, или VESA-connector, который имеется на большинстве видеоадаптеров SVGA. Благодаря наличию интерфейса ACCESS.Bus, шлем VFX1 можно использовать совместно с многими другими устройствами мультимедийного назначения.

Отличительная черта VFX1 — более чем скромные по сегодняшним меркам требования к видеоадаптеру. Самое большее, что необходимо для VFX1, — это видеорежим 640x480/256. Такой режим обеспечит любой видеоадаптер SVGA, имеющий не менее 512 Кбайт видеопамяти. Более того, для работы с VFX1 может подойти даже обычный видеоадаптер VGA (естественно, при наличии на нем разъема Feature Connector), если работать в режиме 320x480/256. Поскольку разрешающая способность используемых в VFX1 ЖК-матриц невелика и практически соответствует такому разрешению, качество получаемого изображения ухудшится незначительно по сравнению с качеством изображения в режиме 640x480/256.

VFX3D

VFX3D — последняя модель кибершлема, созданного фирмой Forte Technologies (рис. 14.45).

По конструкции и внешнему виду он напоминает своего знаменитого предшественника, но имеет значительно лучшие характеристики. В первую очередь усовершенствования коснулись визора, определяющего качество изображения.                                                 , _ч

Шлем VFX3D оснащен двумя новыми активными ЖК-матрицами с диагональю 0,7", имеющими около 360 0Q0 пикселов каждая (789x480). Поддерживаются режимы High Color и True Color, а также возможность работы при различной частоте кадров. Это позволило реализовать видеорежимы, многие из которых ранее были недоступными для устройств данного типа:

□ 640x480 при частоте кадров 60, 62,5, 70, 75  Гц

□  800x600 при частоте кадров 60, 62,5, 70 Гц

□   1024x768 при частоте кадров 60, 62,5  Гц

Регулировка основных параметров изображения — яркости, контрастности, насыщенности и положения растра — выполняется программным путем.

Как и в VFX1, в шлеме VFX3D использована система автоматической фокусировки, избавляющая пользователя от необходимости индивидуальной подстройки изображения. Размер поля зрения по диагонали составляет 35°. Шлем можно использовать совместно с очками.

Рис. 14.45. VR-шлем VFX3D фирмы Forte Technologies

Значительно улучшены показатели системы виртуальной ориентации:

□ Диапазон измерения углов места и наклона — ±70° (ошибка измерения не более 0,05°).

□ Диапазон измерения азимута — 360° (ошибка измерения не более 0,1°).

Обмен данными между СВО и PC осуществляется через последовательный порт, однако может выполняться и через шину USB.

Видеосигнал для VFX3D снимается с обычного выхода видеоадаптера при помощи кабеля pass-through, в который вмонтирован контроллер, формирующий сигнал для каждой из двух ЖК-матриц. Шлем может использоваться не только с IBM PC, но и с компьютерами Macintosh и графическими станциями фирмы SGI.

Как и предыдущая модель, шлем VFX3D оснащен стереофоническими головными телефонами и встроенным микрофоном. VR-контроллер остался прежним, т. е. подключаемым к игровому порту CyberPuck, поскольку хорошо зарекомендовал себя при работе с VFX1.

Не будет преувеличением сказать, что в настоящее время VFX3D — один из лучших VR-щлемов.

Кибершлемы I-Glasses

Еще одним интересным семейством шлемов виртуальной реальности является семейство I-Glasses фирмы I/O Display Systems. Эти устройства пред- ставляют собой изделия так называемого среднего класса, сочетая в себе удачный компромисс между качеством и стоимостью. В настоящее время наиболее распространены три модели:

□  I-Glasses Personal VR Display System (рис. 14.46), или просто I-Glasses

□  I-Glasses X2

□  I-Glasses ProTec

Рис. 14.46. VR-шлем I-Glasses Personal VR Display System фирмы I/O Display Systems

Как и в рассмотренных выше моделях шлемов, в модели I-Glasses использованы две активные ЖК-матрицы с диагональю 0,7", имеющие по 180 000 элементов каждая, поэтому потенциальные возможности данного шлема с точки зрения разрешения остались прежними. Однако он одним из первых стал обладать дополнительной возможностью: конструкция его ЖК-матриц такова, что они могут работать в полупрозрачном режиме, позволяя пользователю, наряду с виртуальным изображением, создаваемым матрицами, видеть окружающую обстановку. Таким образом, шлем как бы превращается в очки (glasses), что и отражено в названии данного изделия (в этом режиме с передней части шлема снимается чехол, который на рис. 14.46 надет на устройство). В этом режиме можно одновременно использовать и шлем, и монитор.

Другая особенность оптической системы данного шлема — практически полное отсутствие ручных регулировок, которые обычно необходимы при настойке под индивидуального пользователя. Наиболее трудоемкие из них — регулировка межзрачкового расстояния и фокусировка — выполняются автоматически, благодаря наличию в шлеме специальной системы Eye Tracker, отслеживающей положение зрачка глаза. В результате любой пользователь, надевший шлем I-Glasses, видит сфокусированное изображение, находящееся от него на расстоянии примерно 3—4 м.

Изначально шлем I-Glasses был предназначен для работы с бытовой видеоаппаратурой, поэтому в качестве входного сигнала в нем используются телевизионные видеосигналы систем NTSC и PAL. Шлем может оснащаться одним или двумя разъемами RCA (в зависимости от модели), на которые подается композитный видеосигнал.

Однако существует и PC-версия шлема, снабженная дополнительным конвертором, преобразующим выходной сигнал VGA-совместимого видеоадаптера в видеосигнал указанных выше систем цветного телевидения.

Система виртуальной ориентации, использованная в шлеме I-Glasses, по своим характеристикам аналогична СВО рассмотренных выше моделей, однако частота опроса датчиков ориентации головы повышена до 250 Гц.

Шлем имеет удобную конструкцию и легко размещается на голове пользователя. Аудиосистема шлема включает в себя высококачественные стереонаушники и встроенный микрофон.

Более дорогая модель — I-Glasses X2. Главное отличие этой модели от I-Glasses Personal VR Display System — наличие специальной оптической системы, производящей "дублирование" изображения, формируемого каждой ЖК-матрицей. Фирма-изготовитель утверждает, что в результате использования этой системы количество элементов каждой ЖК-матрицы увеличивается до 360 000. Насколько справедливо такое заявление, сказать точно трудно, однако повышение резкости изображения в модели I-Glasses X2 бесспорно.

Наконец, наиболее дорогостоящей моделью является I-Glasses ProTec. В шлеме использованы ЖК-матрицы вдвое большего размера: с диагональю 1,35", благодаря чему разрешение 640x480 обеспечивается с большим запасом (поскольку основным источником изображения для шлемов данного семейства является бытовая видеоаппаратура, использование более высокого разрешения нецелесообразно). Благодаря этому запасу стало возможным не только увеличение размеров поля зрения, но и, наряду с обычным aspect ratio, равным 4:3, реализовать формат экрана 16:9, используемого в телевидении высокой четкости.

Кибершлем V8 фирмы Virtual Research Systems

Данный шлем относится к разряду дорогих (он стоит около 10 тыс. USD) высококачественных изделий класса High-End (рис. 14.47).

Шлем оснащен ЖК-матрицами размером 1,3", каждая из которых содержит 1920x480=921 600 элементов, или 307 200 полноценных триад (!). Благодаря столь высокому качеству ЖК-матриц шлем V8 обеспечивает достаточно широкое (60° по диагонали) поле зрения при исключительной четкости цветного изображения с разрешением 640x480.

Рис. 14.47. Шлем V8 фирмы Virtual Research Systems

Шлем V8 предназначен для работы, в первую очередь, с компьютером, поэтому в качестве входного сигнала используется выходной сигнал видео- адаптера VGA в режиме 640x480 при построчной развертке и частоте кадров 60 Гц. Этот сигнал подается на вход блока управления через стандартный 15-контактный VGA-разъем.

Блок управления имеет два таких входа для раздельного подключения левого и правого экранов. При подаче сигнала только на один вход (левый канал) блок управления автоматически переходит в режим "Моно", генерируя для каждого экрана шлема одинаковый видеосигнал. Если используется входной стереосигнал, подаваемый по двум кабелям, происходит переход в режим "Стерео", при котором оба видеосигнала поступают на экраны шлема независимо друг от друга (естественно, что параметры синхросигналов в обоих каналах должны быть идентичными). Таким образом, блок управления выполняет в основном функции коммутирующего устройства.

На шлем можно подавать и видеосигнал систем NTSC, PAL, SECAM от бытовой видеоаппаратуры, однако при этом необходимы дополнительные конверторы, преобразующие разрешение и развертку. Шлем соединяется с блоком управления при помощи 50-контактного SCSI-разъема.

Другой отличительной чертой шлема является удобство конструкции и его небольшой вес (821 г).

Шлемы виртуальной реальности в настоящее время являются наиболее удачными из всех устройств, основанных на использовании особенностей бинокулярного зрения. Они лучше всех других стереоскопических устройств создают эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир и являются поистине мультимедийными устройствами. Однако пока остается низким качество изображения, получаемого с их помощью. Это обусловлено, в основном, низким разрешением. Для повышения разрешения в настоящее время интенсивно ведутся разработки новых ЖК-матриц с большим количеством меньших по размеру элементов. Поэтому перспективы VR-шлемов как наиболее совершенных мультимедийных устройств отображения информации выглядят весьма радужными.

ЗD-очки

ЗD-очки являются наиболее доступными (по цене 30—150 USD) и распространенными устройствами формирования трехмерных изображений. При всем многообразии моделей, представленных на рынке, они работают по одинаковому принципу, основанному на использовании затворного метода разделения элементов стереопары. Этим объясняется другое распространенное название данных очков — Shutterglasses, т. е. очки затворного типа.

Особенности конструкции

ЗD-очки используются в качестве дополнения к обычному монитору и подсоединяются к видеоадаптеру PC при помощи гибкого провода длиной 2—3 м.

Подключение обычно выполняется через специальный внешний или интегрированный на плату видеоадаптера контроллер (как правило, такие специализированные видеоадаптеры продаются вместе с соответствующей моделью 3D-очков). В более дорогих моделях ЗD-очков вместо соединительного провода для передачи команд от контроллера к очкам используется инфракрасный передатчик, причем сами очки оборудованы встроенным миниатюрным инфракрасным приемником.

Принцип действия ЗD-очков весьма прост. На мониторе PC последовательно отображается левая и правая часть стереопары. Одновременно с этим стекла ЗD-очков поочередно теряют прозрачность (соединение между ними необходимо именно для синхронизации работы видеоадаптера и очков). В результате каждый глаз видит только свою часть стереопары, что позволяет получить желаемый стереоэффект.

Несмотря на то что ЗD-очки и шлемы виртуальной реальности предназначены для одной и той же цели — формирования стереоскопических изображений, — между ними есть принципиальные различия.

Во-первых, ЗD-очки, в отличие от VR-шлемов, сами никакого изображения не создают, хотя содержат также ЖК-линзы, которые используются в качестве электронно-управляемого фильтра (затвора). Это значит, что качество формируемого изображения (разрешение, цветность) определяется не параметрами очков, а монитором. Поэтому бессмысленно говорить, например, о разрешении, обеспечиваемом ЗD-очками. Другое дело, что затворный принцип действия очков и связанный с ним последовательный характер показа элементов стереопары порождают ряд специфических дефектов изображения.

Во-вторых, ЗD-очки лишены системы виртуальной ориентации, поэтому изображение на экране монитора никак не корректируется в зависимости от положения головы наблюдателя (однако имеются модели, которые, хотя и частично, но делают это). В результате ЗD-очки не в состоянии обеспечить тот эффект погружения в виртуальный мир, который могут создать шлемы виртуальной реальности. В связи с этим при использовании 3D-очков бессмысленно перекрывать зону периферийного зрения — большинство таких изделий выполняется в форме традиционных очков (рис. 14.48).

Рис. 14.48. ЗD-очки Elsa 3D Revelator

Для того чтобы стекла 3D-ohkob могли "терять прозрачность" по командам компьютера, их выполняют по технологии ЖК-ячейки просветного типа, использующей эффект поляризации. Поэтому ЗD-очки иногда называют поляризационными, как и очки для стереокино.

Важная особенность ЗD-очков — ими управляют сигналы видеоадаптера, в результате чего прозрачность их стекол изменяется синхронно со сменой изображения на экране. Такие очки часто называют активными. Напротив, поляризационные очки для стереокино являются пассивными, т. к. прозрачность и поляризация их стекол постоянна и не зависит от изображения на экране. С помощью них невозможно получить стереоэффект, глядя на экран обычного монитора. Напомним еще раз, что термины "активные поляризационные очки", "shutterglasses", "3D-o4kh" — синонимы и обозначают устройства, работающие по одинаковым принципам.

Специфические дефекты изображения

Поочередный способ показа элементов одной стереопары порождает ряд проблем.

Во-первых, в два раза уменьшается фактическая частота смены кадров, что негативно сказывается на качестве изображения (появляются заметные мелькания). Как известно, нижний предел частоты кадров составляет 60— 70 Гц. Следовательно, монитор, используемый для отображения стереопары, должен обеспечивать частоту кадровой развертки не ниже 120—140 Гц. Заметим, что для обеспечения такой частоты кадров при разрешении 640x480 частота строчной развертки монитора должна быть не ниже 70 кГц, а при разрешении 800x600 — не ниже 85 кГц. Таким требованиям удовлетворяет далеко не каждая модель 17"-мониторов. О более высоких разрешениях при использовании активных очков совместно с типовыми моделями мониторов говорить уже не приходится.

Но высокая частота как кадровой, так и строчной развертки — далеко не единственное требование к монитору. Другой проблемой, возникающей при столь высокой частоте смены кадров, является оптическая инерционность люминофора, т. е. эффект остаточного послесвечения (persistence). В результате изображения объектов (особенно подвижных) на экране монитора приобретают специфические дефекты в виде ореолов (ghosts — блики). Для устранения этих дефектов необходим дорогостоящий ЭЛТ-монитор со специальным люминофорным покрытием, имеющим малое время послесвечения.

Подключение 3D-очков к PC

ЗD-очки являются весьма привлекательным дополнением к мультимедийному PC не только благодаря возможности получения высококачественных трехмерных изображений, но и достаточно невысокой цене (на порядок ниже стоимости VR-шлемов). Однако, приобретая такие очки, вы должны помнить, что существует проблема правильного сопряжения очков и PC, без решения которой очки окажутся бесполезными. Во-первых, некоторые модели ЗD-очков работают только с определенными моделями видеоадаптеров. Во-вторых, для их правильного функционирования необходимо установить соответствующий режим работы видеоадаптера. В-третьих, нужно правильно выполнить электрическое соединение между очками и видеоадаптером, в большинстве случаев необходимы дополнительные устройства — контроллеры. Важно также, разъемы какого типа используются.

Наиболее критичным элементом соединения 3D-o4kob с компьютером является контроллер. В общем случае он выполняет задачи, перечисленные ниже.

□  Формирует синхросигнал для ЗD-очков, управляющий поочередным затемнением стекол.

□  Преобразует (при необходимости) выходной видеосигнал и синхросигналы видеоадаптера таким образом, чтобы обеспечить раздельный последовательный показ элементов стереопары на экране монитора.

ЗD-очки простых моделей вторую функцию не поддерживают, при этом задача разделения элементов стереопары целиком ложится на видеоадаптер. В большинстве моделей ЗВ-очков контроллер выполняется в виде отдельного внешнего блока, хотя в настоящее время появилось значительное количество видеоадаптеров с интегрированными контроллерами для ЗD-очков. Существует три основных варианта подключения внешних контроллеров:

□  К выходному разъему видеоадаптера (наиболее часто)

□ К параллельному или последовательному порту PC (значительно реже)

□  К шине ввода/вывода (крайне редко)

Наибольшее распространение получили контроллеры первого типа. Поскольку они представляют собой устройство сквозного типа, их часто называют VGA-Pass-Through (иногда используют сокращение VGA-PT). Как правило, контроллер выполняется в виде блока-переходника, на противоположных концах которого закреплены два 15-контактных VGA-разъема, предназначенных для подключения видеоадаптера и монитора (рис. 14.49).

Рис. 14.49. Контроллер типа VGA-Pass-Through для 3D-omkob Wicked3D Eyescream: без корпуса (слева) и в корпусе (справа)

Этот способ подключения контроллера достаточно прост, но он имеет недостатки. Главным из них является искажение изображения при использовании высоких разрешений (порядка 1024x768), причиной которых являются паразитные задержки видеосигнала, вносимые контроллером типа Pass-Through. Другой недостаток контроллера типа Pass-Through — при его использовании появляется дополнительная механическая нагрузка на выходной разъем видеоадаптера.

Значительно реже применяются контроллеры, подключаемые к параллельному и последовательному портам. Основная причина — сложность синхронизации, поскольку, как известно, на эти порты не выводится кадровый синхроимпульс, являющийся основным синхронизирующим сигналом для 3D-O4KOB.

И, наконец, очень редко используются контроллеры, устанавливаемые в слот шины ввода/вывода (ISA или PCI). Таким контроллером оборудована только одна, уже устаревшая, модель ЗD-очков: 3D МАХ фирмы Kasan Electronics.

Существуют модели видеоадаптеров, оборудованные встроенным контроллером ЗD-очков. Такие видеоадаптеры используются, как правило, в составе профессиональных графических станций и относятся к классу SR (Stereo Ready— Подготовленные для просмотра стерео). Они оборудованы либо специальным разъемом для подключения очков, либо используемого вместе с ними ИК- передатчика (рис. 14.50).

Рис. 14.50. Видеоадаптер совместно с ЗD-очками

Подключение ЗD-очков к контроллеру, вне зависимости от конструкции и расположения последнего, можно выполнять одним из трех способов:

□  При помощи гибкого провода, оснащенного обычным стереоразъемом типа Jack диаметром 3,5 мм.

□  При помощи гибкого провода, оснащенного специализированным разъемом VESA-3 miniDIN-3.

□ Беспроводным способом при помощи инфракрасного приемопередатчика, подключаемого к контроллеру.

ЗD-очки ранних моделей подключались, как правило, первым способом. В настоящее время получил распространение новый разъем, предложенный немецким институтом стандартизации DIN и одобренный ассоциацией VESA. Он называется VESA-3 miniDIN-З (рис. 14.51). Назначение контактов этого разъема приведено в табл. 14.11.

Рис.14.51. Выходной разъем VESA-3 miniDIN-3

Например, выходным (материнским) разъемом VESA-3 miniDIN-3 connector оборудован упоминавшийся выше контроллер для ЗО-очков Wicked3D Eyescream (рис. 14.52).

Рис. 14.52. Контроллер для 3D-ohkob Wicked3D Eyescream без верхней крышки, оборудованный разъемом VESA-3 miniDIN-3

Поскольку провод, соединяющий очки с контроллером, ограничивает свободу движений пользователя, большинство современных моделей ЗР-очков оборудуются малогабаритным инфракрасным приемником, который принимает команды от ИК-передатчика, подключенного к контроллеру (рис. 14.53). Как правило, такой передатчик размешают на корпусе монитора сверху. Для подключения ИК-передатчиков к контроллеру используется тот же самый разъем, что и для подключения самих очков: в него можно включить либо провод ЗО-очков, либо ИК-передатчик для беспроводных очков.

Рис. 14.53. Инфракрасные передатчики для 3D-omkob Wicked3D Eyescream (слева) и ELSA 3D Revelator (справа)

Что лучше: инфракрасный канал или обычный провод? Однозначно ответить на этотвопрос сложно. Преимущество инфракрасной связи заключается только в одном — она предоставляет вам большую свободу движений. Однако насколько эта свобода вам необходима? Ведь стереоэффект возможен только если вы находитесь перед экраном монитора! В то же время недостатки использования инфракрасного канала для управления очками весьма существенны.

Во-первых, более высокая стоимость очков. Во-вторых, очки с ИК-приемником тяжелее и больше по размеру, чем очки с проводным подключением: ведь помимо собственно ИК-применика, в них необходимо разместить и батареи питания, и схему управления прозрачностью ЖК-линз. А батареи имеют свойство разряжаться (а ведь еще, упаси бог, могут и потечь, испортив драгоценные очки), поэтому их периодически надо менять. Если же используются нестандартные малогабаритные батареи (обычное явление), то их замена оборачивается заметными финансовыми потерями. Поэтому выбор конкретного способа соединения — дело не только вкуса, но и толщины вашего кошелька.

Модели 3D-очков

Несмотря на сравнительную новизну стереоскопических устройств отображения, современный рынок ЗD-очков довольно обширен. Вместе с тем. можно выделить лишь несколько групп устройств, основанных на общих технических решениях. Поэтому рассмотрим наиболее распространенные и характерные модели ЗD-очков, оговорив их особенности. Заметим также, что часто ЗD-наборы различных фирм отличаются только контроллерами, а входящие в состав набора ЗD-очки мало различаются как по конструкции, так и по характеристикам.

H3D Eye wear /Wicked3D Wickedvision, Eyescream

Довольно широкое распространение получили беспроводные ЗD-очки Eyewear производства фирмы H3D Entertainment (рис. 14.54). В комплект поставки кроме очков входят контроллер и ИК- передатчик.

Очки имеют удачную конструкцию, поэтому их удобно размещать на голове, а также легко регулировать расстояние между линзами. Питание очков осуществляется от двух малогабаритных литиевых батарей CR-2032. Еще одно важное достоинство — рекордно малый вес (45 г вместе с батареями).

Рис. 14.54. ЗD-очки Eyewear фирмы H3D Entertainment

Недостатком стереоочков Eyewear является небольшой размер ЖК-линз (2x2,5 см), что значительно ограничивает поле зрения, особенно при работе с 17"-мониторами.

Пожалуй, главная особенность 3D-o4kob Eyewear — наличие "интеллектуального" контроллера (используется также с очками Wicked3D Eyescream), no-зволяющего выполнять различные преобразования видеосигнала (см. рис. 14.50 и 14.52).

Казалось бы, столь солидная аппаратная поддержка должна обеспечить этим очкам полную совместимость с любым видеоадаптером. Теоретически это действительно так. Однако на практике все обстоит иначе, можно сказать, с точностью до наоборот. Дело в том, что программное обеспечение, поставляемое вместе с ЗD-очками Eyewear, изначально было предназначено только для ЗВ-ускорителей на основе Chipset Voodoo и Voodoo² фирмы 3Dfx. Вскоре фирма H3D Entertainment покинула рынок и ее продукцию стала продавать под своей торговой маркой фирма Metabyte, известная как производитель программного обеспечения для графических систем. Ее подразделением является компания Wicked3D Board Company, выпускающая высококачественные ускорители ЗD-графики. Первоначально очки H3D Eyewear продавались под маркой Wicked3D в составе пакета Wickedvision. Их можно было использовать только совместно с ЗD-ускорителями от Wicked3D, поскольку в комплекте поставки не было драйверов.

Следующим, и наиболее известным, стал продукт Wicked3D Eyescream, в состав которого, помимо собственно очков, включен набор драйверов на компакт-диске. Эти драйверы позволяют использовать ЗD-очки не только с фирменными изделиями Wicked3D, но и с ЗD-ускорителями на основе Voodoo производства других фирм.

Таким образом, главным недостатком ЗD-очков Eyewear является плохая программная совместимость как с видеоадаптерами на Chipset, отличных от Voodoo² и Voodoo Banshee, так и с программным обеспечением, изначально не предназначенным для работы с очками H3D.

Elsa 3D Revelator

Давно ожидаемой на рынке и недорогой альтернативой ЗБ-очкам Wicked3D Eyescream стали стереоочки 3D Revelator фирмы Elsa, известной своими вы-сококачественными видеоадаптерами. Очки выпускаются в двух модификациях: с соединительным проводом (см. рис. 14.48) и без него (рис. 14.55).

Рис. 14.55. Беспроводные Зй-очки Elsa 3D Revelator

Основное преимущество набора — более совершенная и удобная конструкция очков. Во-первых, увеличен (примерно на 1 см) размер ЖК-линз по горизонтали, что практически устранило проблему ограниченного поля зрения, свойственную очкам Wicked3D Eyescream. Во-вторых, очки Elsa 3D Revelator в настоящее время являются одними из наиболее легких (модель с проводом весит всего 30 г). Заметим, что собственно очки производятся фирмой Ilixco и используются в наборах других фирм (например, фирм H3D, WickecOD, i-3D).

Достоинством очков Elsa 3D Revelator можно также считать простоту подключения к видеоадаптеру. Для этого используется кабель-переходник (рис. 14.56) без сложного электронного контроллера. Вместо него используется так называемый plain-controller. Отсутствие в кабеле контроллера обеспечивает два преимущества:

□ Рекордно низкую стоимость, особенно в проводной версии (этот набор стоит примерно в 3 раза дешевле, чем Wicked3D Eyescream).

□ Отсутствие заметных искажений изображения, характерных для контроллеров типа Pass-Through.

Однако очки Elsa 3D Revelator могут использоваться только с ограниченным набором аппаратного и программного обеспечения.

Рис. 14.56. Кабель-переходник для подключения очков Elsa 3D Revelator

Что касается аппаратного обеспечения, то очки Elsa 3D Revelator разрабатывались для совместного использования только с видеоадаптерами фирмы Elsa: Erazor 2/3, Victory 2, Winner 2 и др. Оперативная память указанных видеоадаптеров содержит специфическую версию Video BIOS данной фирмы — Elsa-BIOS, — обеспечивающую работу с очками 3D Revelator. Если поставляемый с очками драйвер обнаруживает наличие Elsa-BIOS, то инициирует по каналу DDC (провод 12 соединительного кабеля) выдачу специального сигнала, которым включает очки. В противном случае очки работать не будут. В настоящее время набор совместимых с ЗD-очками Elsa 3D Reye-lator видеоадаптеров расширен: помимо изделий фирмы Elsa, могут также использоваться любые видеоадаптеры на основе Chipset Riva TNT и Riva TNT2 фирмы nVidia, но для этого необходимы соответствующие драйверы. Работу с видеоадаптерами на основе других Chipset очки пока не поддерживают.

NuVision 60GX

Набор 60GX фирмы NuVision отличается от рассмотренных ранее классом изделия: скорее профессиональным, чем бытовым. Характеристики изделий, входящих в комплект, близки к характеристикам изделий профессионального набора CrystalEyes2 фирмы StereoGraphics (стоимость его колеблется от 100 до 170 USD), но набор 60GX значительно дешевле. 60GX поставляется в следующих модификациях.

□  60GX SR (Stereo Ready) — набор, предназначенный для использования с  профессиональными графическими станциями и/или видеоадаптерами с

интегрированным контроллером для ЗD-очков. Содержит ЗD-очки 60GX и ИК-передатчик, соединительный провод которого оснащен разъемом VESA mimiDIN-3.

□  60GX NSR (Non-Stereo Ready) — набор, предназначенный для использования с обычным PC. Помимо 3D-O4KOB и ИК-передатчика, в нем имеется внешний контроллер, подключаемый к выходу видеоадаптера PC при помощи специального кабеля с переходником типа Pass-Through.

Беспроводные очки (рис. 14.57) из набора 60GX имеют ряд особенностей.

Рис. 14.57. Беспроводные 3D-O4KM NuVision 60GX

Во-первых, их ЖК-линзы значительно больше, чем линзы всех рассмотренные выше моделей, кроме того, линзы имеют закругленные края, благодаря чему обеспечивается более широкое поле зрения.

Во-вторых, ЖК-линзы очков выполнены по нетрадиционной технологии, на основе так называемых пи-ячеек, обеспечивающих более высокую скорость переключения (до 180 Гц). Данная технология успешно используется фирмой NuVision на протяжении уже 15 лет при производстве различного стереоскопического оборудования. Помимо высокой скорости переключения, эта технология обеспечивает больший угол обзора и избавляет пользователя от необходимости располагаться строго напротив монитора, чтобы угол зрения находился в допустимом диапазоне (в ЗD-очках с традиционными ЖК-линзами качество стереоэффекта в значительной степени зависит от угла зрения). Однако, у этой технологии есть и недостатки: задержка при переключении линз, а также их низкая прозрачность в выключенном состоянии (подобны солнцезащитным очкам). Поэтому очки всегда находятся во включенном состоянии, независимо от того, используются ли они для просмотра стереоскопического или обычного изображения. В последнем случае очки работают в специальном режиме, причем линзы переключаются с повышенной частотой, благодаря чему обеспечивается их высокая прозрачность.

Для питания используются две малогабаритные литиевые батареи, размещенные в местах крепления дужек (см. рис. 14.57, слева). Если надеть очки, они включаются автоматически, при этом индикация включенного состояния осуществляется светодиодом, размещенным в корпусе очков (см. рис. 14.57, справа).

Размеры и конструкция очков 60GX позволяют легко надевать их поверх обычных очков, которыми пользуются люди со слабым зрением. Весят очки примерно 80 г.

Малогабаритный ИК-передатчик (рис. 14.58) подключается либо к гнезду VESA miniDIN-3 видеоадаптера со встроенным контроллером, либо к внешнему контроллеру. В комплект поставки входят адаптеры-переходники, предназначенные для подключения ИК-передатчика к разъемам типа DIN-7 и DB9 профессиональных графических станций и видеоадаптеров.

Рис. 14.58. ИК-передатчик ЗD-очков NuVision 60GX

Внешний  контроллер  (рис. 14.59)   необходим для  подключения  очков  к обычному PC.

Он соединяется с выходом видеоадаптера специальным кабелем с переходником типа VGA Pass-Through (рис. 14.60).

Рис. 14.59. Внешний контроллер комплекта NuVision 60GX NSR

Рис. 14.60. Соединительный кабель с переходником типа VGA Pass-Through для подключения внешнего контроллера NuVision 60GX

Питание контроллера осуществляется от внешнего источника или от видеоадаптера (лишь современных моделей с пластмассовой вставкой синего цвета в VGA-разъеме).

ЗD-мониторы

Проблемы аппаратной и программной совместимости, недостаточная комфортность использования, а также достаточно высокая стоимость большинства 3D-o4kob побудили некоторых разработчиков искать другие способы получения стереоскопического изображения. В результате появились так называемые ЗD-мониторы, для работы с которыми требуются либо более простые и дешевые пассивные поляризационные очки, либо вообще очков не требуется. Однако, сэкономив на очках, разработчики значительно усложнили сам экран, что привело к повышению цены на монитор.

В настоящее время существуют устройства двух типов, которые можно отнести к категории ЗD-мониторов:

□ Плоскопанельные ЗВ-мониторы на основе ЖК-экранов.

□ Мониторы на основе ЭЛТ, оборудованные встроенным или внешним

поляризационным ЖК-фильтром.

Плоскопанельные ЗD-мониторы

Как уже отмечалось, ЖК-экраны, в отличие от ЭЛТ, пропускают поляризованный свет. Это облегчает разделение элементов стереопары. Примером достаточно простого устройства, основанного на этом свойстве, служит 3D-экран PC типа Notebook Cyberbook фирмы VRex (рис. 14.61).

Опишем принцип его работы. ЖК-ячейки нечетных строк экрана пропускают свет с одной поляризацией, например, с горизонтальной, а ячейки четных строк — с вертикальной. Нечетные строки растра используются для отображения левой части стереопары, а четные — правой. Достаточно надеть пассивные поляризационные очки — и стереоэффект обеспечен. При этом не возникает ни мерцания, ни характерных для ЭЛТ темных линий на экране, ни проблем совместимости. Единственный недостаток этого метода — фактическое разрешение по вертикали будет вдвое меньше номинального.

Другим примером плоскопанельного ЗБ-экрана является 15-дюймовый ЖК-монитор фирмы Sony (рис. 14.62), для работы с которым ЗD-очки не требуются.

Рис. 14.61. ЗР-ноутбук Cyberbook фирмы VRex

Рис. 14.62. Плоскопанельный 3D- монитор фирмы Sony

Принцип действия этого монитора основан на использовании двух разработок фирмы Sony: так называемого двойного расщепителя изображения {Double Image Splitter) и специальной фотодиодной системы слежения за положением головы пользователя.

Первое устройство состоит из двух специальных прозрачных пластин, между которыми размешен ЖК-экран (рис. 14.63). Благодаря этому изображение на ЖК-экране может быть видно только под определенным углом. На экране одновременно отображаются оба элемента стереопары, причем пластины преломляют свет таким образом, что каждый глаз видит только один из элементов стереопары.

Рис. 14.63. Схема двойного расщепителя изображения в ЗР-мониторе фирмы Sony

Как известно, стереоэффект зависит от угла зрения. Поэтому, чтобы не заставлять пользователя неподвижно сидеть перед экраном монитора, используется специальная система слежения за положением головы, в которой в качестве датчиков используется линейка фотодиодов, расположенная над основным экраном (см. рис. 14.62). Эта система формирует электрический сигнал, под действием которого изменяется коэффициент преломления панелей, обеспечивая устойчивый стереоэффект.

Оптимальное расстояние до экрана составляет около 60 см, а максимальное разрешение — 1024x768.

Мониторы с поляризационным фильтром

Трехмерное изображение можно сформировать и с помощью обычного монитора на основе ЭЛТ, оборудованного специальным внешним электронно-управляемым поляризационным фильтром, например, Monitor ZScreen 2000 производства фирмы StereoGraphics (рис. 14.64). Этот фильтр используется вместе с пассивными поляризационными очками.

Фильтром управляют сигналы специального контроллера (в модели 2000i он интегрирован в верхнюю перекладину каркаса фильтра), подключаемого к выходу видеоадаптера, подобно контроллеру ЗD-очков. Однако, в отличие от активных очков, у фильтра изменяется не прозрачность, а направление поляризации, которое он сообщает проходящей через него световой волне.

Чтобы качество наблюдаемого стереоэффекта не зависело от наклона головы пользователя, используется не линейная, а круговая поляризация световой волны, при которой вектор напряженности электрического поля вращается либо по часовой, либо против часовой стрелки. Контроллер управляет фильтром таким образом, что нечетные кадры оказываются поляризованными в одном направлении, а четные — в другом. В свою очередь, одно стекло пассивных очков пропускает свет с круговой поляризацией по часовой, а другое — против часовой стрелки. В результате один глаз видит только одну часть стереопары, а второй — только вторую.

Рис. 14.64. Монитор, оснащенный поляризационным фильтром Monitor ZScreen 2000i производства фирмы StereoGraphics и пассивные поляризационные очки

Таким образом, в фильтре Monitor ZScreen 2000i реализован такой же, как и в активных ЗБ-очках, затворный метод разделения элементов стереопары. Поэтому ему свойственны все характерные недостатки данного метода: ограничение на частоту кадров, ореолы (ghosts) на контурах объектов, приводящие к взаимным искажениям (cross talks) и т. п. Фильтр отличается сравнительно низкой прозрачностью (около 32%), что значительно снижает яркость изображения. Достоинством данного устройства, по сравнению с активными ЗD-очками, является возможность использования легких и удобных пассивных очков и при желании — несколькими пользователями одновременно (в комплект поставки входят три пары очков, (см. рис. 14.64)). Однако слишком высокая цена (около 2000 тыс. USD) сводит это преимущество на нет, тем более, что современные модели активных 3D-ohkob практически так же легки и компактны, как и пассивные очки. Таким образом, фильтр Monitor ZScreen. 2000i вряд ли можно считать разумной альтернативой активным ЗD-очкам.

Помимо фирмы StereoGraphics, аналогичную технологию продвигает фирма Nuvision. Она выпускает внешние ЗD-фильтры Nuvision 17 SX/21 SX (для 17- и 21-дюймовых мониторов соответственно), а также 21-дюймовый монитор Nuvision 21 MX со встроенным поляризационным ЗD-фильтром.

ЗD-проекторы

Все рассмотренные выше устройства формирования стереоскопических изображений предназначены для индивидуального использования и не обеспечивают коллективный просмотр объемных изображений. Для решения этой задачи предназначены ЗD-проекторы (рис. 14.65). Принцип их действия такой же, как и мультимедийных проекторов, однако имеются и важные отличия:

□ Более сложная конструкция оптической системы.

□ Специальные  поляризационные  фильтры  (встроенные  или  внешние), при помощи которых производится селекция элементов стереопары.

Рис. 14.65. ЗD-проектор

Конструктивные особенности ЗD-проекторов

При использовании последовательного метода показа элементов стереопары частота кадров проектора должна быть в 2 раза выше стандартной. Для обычных мультимедийных проекторов на основе ЖК-матриц это требование зачастую невыполнимо из-за инерционности молекул ЖК-вещества. Поэтому в качестве источника изображения в ЗD-проекторах используется менее инерционное устройство — ЭЛТ, экран которой покрыт люминофором особого типа, обеспечивающим повышенную яркость свечения и исключительно малое время послесвечения. В .частности, такими свойствами обладают ЭЛТ на основе "быстрого" фосфора Р43. Более высокая яркость изображения, формируемого ЗD-проектором на проекционном экране, обеспечивается тем, что вместо одной цветной используются три монохромных ЭЛТ для каждого из основных цветов (R, G, В). На каждой ЭЛТ закреплен индивидуальный объектив. Примером такого устройства может служить проектор BARCOGRAPHICS 1209s фирмы BARCO, представленный на рис. 14.66.

Рис. 14.66. Проектор BARCOGRAPHICS 1209s фирмы BARCO, используемый для показа стереоскопических изображений

Этот проектор оснащен сложной электронной системой IRIS {Intelligent Registration Interface System — Интеллектуальная интерфейсная система регистрации), которая автоматически определяет расстояние от проектора до экрана и на основе этих данных с высокой точностью совмещает три монохромных изображения, проецируемые тремя объективами, причем также автоматически компенсирует геометрические искажения растра. Цифровое управление изображением возможно благодаря наличию в ЭЛТ электромагнитной системы фокусировки, позволяющей динамически изменять астигматизм луча. ЭЛТ и объектив представляют собой единый конструктивный узел (рис. 14.67).

Рис. 14.67. Конструкция ЭЛТ проектора BARCOGRAPHICS 1209s

Люминофор светится очень ярко, поэтому для предотвращения перегрева экран ЭЛТ охлаждают с помощью специальной жидкости, находящейся между экраном ЭЛТ и линзой объектива. Помимо электронной, возможна и ручная юстировка объективов. Для этого служат специальные регулировочные винты.

Проектор способен отображать видеосигнал от различных источников: от видеомагнитофона формата VHS до профессиональных графических станций, работающих с разрешением 2500x2000. Столь широкий диапазон разрешений обеспечивается за счет использования специальных электронных конверторов, масштабирующих видеосигнал: при низких разрешениях, характерных для формата VHS, выполняется дублирование строк изображения, а при очень высоких, например, 2500x2000, — прореживание изображения по горизонтали и вертикали. Очевидно, что реальное разрешение изображения на проекционном экране во втором случае будет ниже исходного.

Высокое разрешение проецируемого изображения также является следствием отсутствия зернистости люминофора, поскольку в монохромных ЭЛТ, которыми оснащен проектор, используется сплошное люминофорное покрытие.

Как уже отмечалось, при последовательном показе элементов стереопары важно обеспечить высокую частоту кадров, поэтому проектор BARCOGRAPHICS 1209s имеет лучшие характеристики видеотракта и тракта синхронизации:

□ Полоса пропускания видеотракта 120 МГц

□  Частота строчной развертки 15—135 кГц

□  Частота кадров 37—200  Гц

Несложно подсчитать, что при таких характеристиках можно обеспечить режим 800x600 с частотой кадров 200  Гц, 1152x864 — с частотой 120  Гц!

Помимо достоинств, ЭЛТ имеет и недостатки. Главным из них является невысокая, по сравнению с традиционными проекторами, яркость изображения: ЭЛТ — не такой мощный источник света, как проекционная лампа. Тем не менее, проектор может работать с экраном шириной от 2 до 8,8 м. В зависимости от режима работы проектор обеспечивает следующие значения светового потока:

□   195 лм — экономичный режим

□  240 лм — нормальный режим

□  270 лм — режим повышенной яркости

Способы формирования ЗD-проекций

Для создания стереоэффекта при проецировании изображения необходимо обеспечить раздельное наблюдение элементов стереопары левым и правым глазом. Для решения этой задачи используются один или два проектора и поляризационные очки (активные или пассивные) для каждого зрителя. В зависимости от используемой комбинации упомянутого оборудования различают четыре способа получения стереоскопической проекции.

□ Активная схема. Один проектор на основе ЭЛТ, выполняющий последовательный показ элементов стереопары; у зрителей — беспроводные активные поляризационные очки затворного типа.

□  Пассивная схема 1. Имеется один проектор на основе ЭЛТ с внешним электронно-управляемым поляризационным затвором,  последовательно показывающим элементы стереопары с различной поляризацией. У зрителей — обычные пассивные поляризационные очки (как в стереокино).

□  Пассивная схема 2. Используется два проектора на основе ЭЛТ, выполняющие одновременный показ элементов стереопары. Каждый проектор оборудован внешним пассивным поляризатором, обеспечивающим различную поляризацию элементов стереопары. У зрителей — пассивные очки.

□  Пассивная схема 3.  Используется два ЖК-проектора, обеспечивающие одновременный показ элементов стереопары. Зрители снабжены пассивными очками.