Продолжая разговор о видеосистеме PC, рассмотрим главный (самый видимый и самый дорогой) ее элемент я дисплей.

Дисплей

Самым главным устройством вывода визуальной информации в PC является дисплей (display я устройство отображения). Дисплей может быть основан на различных физических принципах: здесь применимы, электронно-лучевые трубки, газо-плазменные матрицы, жидкокристаллические индикаторы и другие приборы. Наибольшее распространение получили дисплеи на электронно-лучевых трубках, которым и уделим здесь основное внимание, а об остальных лишь кратко упомянем. Электронно-лучевая трубка ЭЛТ по-английски сокращенно называется CRT (Cathode Ray Tube я катодно-лучевая трубка). Иногда CRT расшифровывается и как Cathode Ray Terminal, что соответствует уже не самой трубке, а устройству, на ней основанному. Вместо сокращения ЭЛТ в нашем обсуждении можно использовать и название кинескоп я это ЭЛТ с электромагнитной системой отклонения луча, что всегда применяется и в телевизионных, и в компьютерных мониторах. Монитор содержит только ЭЛТ с видеоусилителями сигналов яркости лучей, генераторы разверток, блок питания и схемы управления этими узлами.

Параметры монитора

Мониторы подразделяются на монохромные (Monochrome или Mono) и цветные (Colour или Color). Монохромные мониторы сочетают высокую разрешающую способность (у них отсутствуют трехцветные зерна люминофора) с низкой ценой. Высокая четкость изображения при режимах высокого разрешения позволяет длительно работать с текстом, не утомляя глаза (автор этих строк я приверженец данного типа мониторов). Эти мониторы достаточно компактны и потребляют немного энергии (около 30 Вт). К сожалению, линия монохромных мониторов практически перестала развиваться я трудно найти монитор, поддерживающий режим 1024 x 768 и выше, а цифровое управление в таких мониторах, похоже, и не применяется. Многие современные приложения ориентированы на цветное изображение, и работа с ними на монохромном мониторе становится некомфортной.
Цветные мониторы получили наибольшее распространение несмотря на довольно высокие цены. В настоящее время распространены мониторы классов VGA и SVGA, имеющие аналоговый интерфейс. Мониторы VGA, допускающие работу в режиме 640 x 480, практически вытеснены мониторами класса SVGA, которые должны поддерживать по крайней мере режим 800 x 600. Именно об этих мониторах в основном и пойдет речь.
Главным параметром монитора является размер диагонали экрана Screen Size, который принято измерять в дюймах. По умолчанию считается, что ширина экрана больше его высоты и соотношение этих размеров составляет 4:3. Заметим, что стандартные графические режимы с высоким разрешением (640 x 480, 800 x 600 и далее) имеют то же соотношения числа точек в строке и числа строк. Этим достигается неискаженное изображение фигур: квадрат на экране будет иметь стороны с одинаковым числом пикселов. Существуют и мониторы с "портретной" ориентацией, у которых высота больше ширины я они предназначаются для издательских систем и позволяют более полно использовать площадь экрана при выводе книжных страниц. В настоящее время "портретные" мониторы встречаются редко, а в издательской деятельности используют "просто" большие мониторы (17", 20" и больше). Заметим, что размер дагонали не является размером изображения, выводимого с гарантированным уровнем качества. По краям экрана (особенно по углам) возможны геометрические искажения, нарушение фокусировки и сведения лучей. По этим причинам изображение (видимая часть растра) выводится на меньшую площадь. Так, например, для 15" экрана размер видимой (высококачественной) части изображения может составлять, например, 13.7".
Для цветных мониторов важным параметром является размер зерна экрана. Здесь уместно пояснить принцип работы цветной ЭЛТ. Ее экран покрывается не однородным слоем люминофора, как это делается в монохромных трубках, а отдельными зернами-триадами. Каждое зерно состоит из трех крупиц люминофора, которые при попадании на них потока электронов светятся базисными цветами. Крупицы триад имеют строго фиксированное относительное расположение, и сами триады наносятся на поверхность в виде равномерной матрицы. Крупицы каждого цвета "обстреливаются" из отдельной электронной пушки через теневую маску с отверстиями, соответствующими зернам матрицы. Точность попадания лучей именно в свои крупицы обеспечивается тщательностью изготовления кинескопа и настройкой системы сведения лучей. Шаг матрицы зерен экрана я Dot Pitch я принято измерять в миллиметрах. В первом приближении можно считать, что он совпадает и с размером зерна. Однако отождествлять эти два параметра не очень корректно, и параметр Dot Pitch лучше перевести как зернистость экрана, но не размер зерна. Существуют мониторы с зернистостью 0.42, 0.39, 0.31, 0.28, 0.26 мм и тоньше.
Кроме кинескопов с теневой маской (Shadow Mask) существует и конструкция с апертурной решеткой (Apperture Grilles) я так называемые щелевые трубки Trinitron (изобретение фирмы Sony), суть эффекта зернистости для них остается почти той же. По зернистости и размеру экрана можно определить "честную" разрешающую способность экрана, поскольку зерно является мельчайшей единицей изображения. Количество зерен по строке равно ширине рабочей области, деленной на зернистость. Однако (может, для скрытия реальной картины?) размер экрана задают по диагонали, а не как ширину и высоту, причем указывается внешний размер, а не размер рабочей области, и в дюймах, а не в миллиметрах. Так что пользователю, которого утомят длинные пересчеты, остается поверить, что для режима 800 x 600 зернистость 0.28 мм экрана 14" является приемлемой. А вот для режима 1024 x 768 при такой же зернистости только-только хватает экрана размером 15". Конечно, никто не запретит использовать и режимы с большим разрешением на небольших или (и) крупнозернистых мониторах, но качество отображения мелких элементов будет оставлять желать лучшего. В результате работа (не игра) на таком мониторе будет сильно утомлять и может даже привести к ухудшению зрения.
На реальную разрешающую способность влияет и полоса пропускания видеотракта (Video Bandwidth). Ее связь с выбранным видеорежимом (количество точек и строк) и параметрами развертки (частота и режим) была показана раньше. При недостаточно широкой полосе пропускания мелкие детали я точки или вертикальные линии толщиной в один пиксел, могут становиться нечеткими и даже незаметными. В технических данных на монитор обычно указывают предельное разрешение и максимальные частоты разверток. Однако это вовсе не означает, что максимальное разрешение можно использовать на максимальной частоте, да еще и при нечередующейся развертке. Оценить предел возможностей позволяет полоса пропускания. Заботливый производитель, конечно, избавит пользователя от решения таких головоломных задач и приведет таблицы оптимальных настроек для всех режимов (если ему нечего стесняться). Грубо требуемую полосу пропускания можно оценить как произведение частоты горизонтальной развертки на число точек в строке и на поправочный коэффициент 1.3. Так, например, для прогрессивной развертки (NI) с частотой кадров 75 Гц для режима 800 x 600 требуется полоса 45 МГц, для 1024 x 768 я 75 МГц, а для 1280 x 1024 я 125 МГц. Связь требуемой полосы частот с размером экрана вполне очевидна я чем больше экран, тем большего от него требуют разрешения. Так по самым жестким меркам высококачественный монитор 14" должен иметь полосу 65 МГц, 15" я 100 МГц, а 17" я более 135 МГц.
Качество изображения определяется массой параметров, многие из которых поддаются регулировке.
Яркость (Brightness) и контрастность (Contrast) изображения обычно регулируют с помощью органов управления, расположенных на лицевой панели монитора. Иногда пользователю дают возможность регулировки баланса базисных цветов, но для задачи верного воспроизведения цвета (в режиман High Color и True Color) такая регулировка может оказаться и вредной. В высококачественных мониторах предусматривают возможность регулировки цветовой температуры (Colour Temperature) белого цвета, вручную или используя канал DDC. "Истинно белый" цвет имеет температуру между 5000 и 10000 К. Kodak, например, для цветной фотопечати принимает за белый цвет с температурой 5300 К. В мониторах используют более высокие значения я 6500 и даже 9300 К. Произвольное значение температуры белого цвета можно задать балансировкой яркости двух цветов (красного и синего) относительно фиксированного уровня зеленого. Конечно, с такими нюансами столкнутся только пользователи, связанные с задачами точной цветопередачи (хранение и отображение репродукций картин, профессиональная цветная печать и т.п.). Рядового пользователя больше интересует чистота цвета (Colour Purity), которая может ухудшаться при намагничивании элементов кинескопа. Для размагничивания кинескопа предназначена специальная катушка, расположенная по контуру экрана. Она кратковременно включается в момент включения монитора, но некоторые мониторы позволяют выполнить размагничивание (Degauss) и во время работы.
Важным параметром монитора, не имеющим численного определения, является качество сведения лучей. При хорошем сведении тонкие белые линии (например, символы) должны быть белыми, а не радужными. Сведение лучей чаще всего "хромает" по углам экрана. Регулировка сведения я занятие непростое, а плохое качество сведения бывает трудно предъявить как претензию на гарантийный ремонт или замену монитора. Поэтому имеет смысл "покапризничать" при приобретении монитора, по возможности выбирая самый хороший из ряда предложенных я даже в пределах одной модели может оказаться большой разброс качества.

Настройка, синхронизация и цифровое управление монитора

Регулировка размеров по вертикали (V.Size) и горизонтали (H.Size) позволяет подогнать параметры генераторов развертки так, чтобы изображение попадало в заданную область. Кроме регулировки размеров важна и юстировка я подбор смещения по вертикали (V.Shift, V-Position или V.Phase) и горизонтали (H.Shift, H-Position или H.Phase). Название этих регулировок смещением (Shift) или позицией (Position) ближе к пользователю, поскольку отражает видимое на экране действие. Название их же фазой (Phase) ближе инженеру, поскольку отражает фазовый сдвиг генераторов относительно синхроимпульсов. Кроме размера и положения мониторы могут иметь регулировку геометрических искажений типа трапеции (Trapezoid) и "бочки" (Pincushion). Все эти регулировки удобнее всего производить при выводе тестового изображения в виде сетки с квадратными ячейками. Все квадраты должны выглядеть действительно квадратными. Желательно проверять одно и то же изображение с разным уровнем яркости я его размеры и форма не должны заметно изменяться. Если размер меняется (чем ярче, тем крупнее), это означает недостаточную мощность источника высокого напряжения кинескопа и его нестабильность при изменении яркости. Объяснение связи простое: чем ниже напряжение, тем ниже скорость электронов и больше угол отклонения луча при таком же магнитном поле развертки.
При изменении параметров синхронизации (например, при переключении задач, работающих в разных графических режимах) приходится подстраивать геометрические параметры изображения, что вручную делать не очень удобно. Решитьпроблему подстройки позволило цифровое управление (Digital Control, или DC), которое стало обычным практиески для всех современных мониторов. Суть цифрового управления сводится к тому, что в монитор встраивается специализированный микроконтроллер, управляющий практически всеми параметрами монитора. Потенциометры, традиционно использовавшиеся для всех регулировок, заменили кнопками управления (пара кнопок заменяет одну ручку). В первых мониторах цифровое управление только повышало надежность (потенциометры подвержены износу), но вскоре пошли дальше. Поскольку микроконтроллер может хранить большое количество параметров (он для этого имеет энергонезависимую память), несложно его заставить запоминать наборы параметров, заданных для каждого используемого видеорежима. Таким образом, после первоначального "обучения", контроллер быстро устанавливает запомненные настройки для текущего видеорежима. Установленный видеорежим распознается по частотам и полярности сигналов синхронизации. Цифровое управление множеством параметров потребовало бы большого количества кнопок. Чтобы не загромождать лицевую панель монитора и облегчить работу пользователя, тому же микроконтроллеру поручили на экране монитора организовать дисплей для диалогового режима настройки. Такой дисплей, встроенный в экран, сокращенно называется OSD (On Screen Display). Применение OSD позволяет всего тремя-четырьмя кнопками обеспечить неограниченное число регулировок: одна или две кнопки требуются для выбора настраиваемого параметра в меню дисплея, и еще две кнопки позволяют изменять настраиваемый параметр в обе стороны. Впрочем, такая крайность необязательна я для таких регулировок, как, например, яркость, можно выделить и специальную пару кнопок. Меню дисплея появляется на экране во время настройки, перекрывая небольшую часть выводимого изображения, и автоматически исчезает по окончании настройки. От функций OSD сделали еще один небольшой шаг я ввели в монитор режим самотестирования. В этом режиме микроконтроллер при отсутствии сигнала от компьютера сам формирует цветное графическое изображение, по которому можно произвести настройку и оценить качество монитора.

Управление энергопотреблением

Монитор, особенно цветной с большим экраном, является одним из основных потребителей электроэнергии я современный цветной монитор 15" потребляет около 80 Вт. Международная организация по защите окружающей среды EPA выдвинуло программу энергосбережения Energy Star, на которую VESA отликнулась соответствующим стандартом. Мониторы, поддерживающие режимы энергосбережения, иногда называют "зелеными" я не по цвету экрана, а по названию общественного движения. Для управления энергопотреблением разработана система DPMS (Display Power-Management Signaling) . Для мониторов определены следующие режимы потребления:
On я активная (нормальная) работа. Для 15" монитора типовое потребление я 80 Вт.
Stand-by я отключение видеосигналов и снижение яркости до минимума, при этом потребление монитора снижается примерно на 20%.
Из этого режима в нормальный (On) монитор переходит быстро (около секунды).
Syspend я отключение строчной развертки, накала и высокого напряжения кинескопа, что снижает потребление на 70%. Переход в режим On занимает около 15 секунд. Для 15" монитора типовое потребление менее 15 Вт.
Off я отключение всех схем монитора, кроме блока DPMS, потребление снижается до единиц ватт. Переключение в нормальный режим займет около 30 секунд (как включение "холодного" монитора). Если в этом режиме обесточивается и блок DPMS, то монитор можно будет включить только вручную (нажатием кнопки).
Для переключения режимов используется управление активностью сигналов синхронизации. Конечно, для работы системы энергосбережения ее должен поддерживать и монитор, и дисплейный адаптер, и BIOS. Переход в режимы с пониженным потреблением и "пробуждающие" события программируются опциями управления энергопотреблением Power Management BIOS Setup.

Эргономические характеристики

Теперь остановимся на некоторых эргономических вопросах. Оператору, работающему с монитором длительное время, небезразлично, каким воздействиям он подвергается. В первую очередь, конечно, интересует качество изображения. Естественно, изображение должно быть четким и достаточно контрастным, а цвета я чистыми. Несфокусированный луч и плохое качество сведения лучей приводят к напряжению глаз и, следовательно, к повышенной утомляемости со всеми вытекающими последствиями. Важно обеспечить и правильную ориентацию экрана относительно источников освещения. Если монитор стоит напротив окна, то на экране возникают блики. Установка монитора экраном от окна, особенно с солнечной стороны, тоже не очень хороша: яркий свет, бъющий в глаза оператору, смотрящему на монитор, также утомляет глаза. Традиционно поверхность экрана является слегка выпуклой я это вызвано стремлением приблизить к прямому угол падения электронного луча ближе к краям экрана. Однако при выпуклом экране довольно трудно избавиться от бликов, вызванных внешними источниками света. Ряд новых моделей кинескопов имеет плоский экран Flat Screen. Такой экран обеспечивает меньшие геометрические искажения восприятия изображения и облегчает избавление от бликов. Уменьшить блики позволяет и специальное антибликовое покрытие экрана (Antiglare coating), а также применение стеклянных поляризационных фильтров. Хороший фильтр позволяет также улучшить контрастность изображения, правда, и с некоторой потерей яркости, которое можно скомпенсировать настройкой монитора.
Кроме видимого света я изображения на экране, монитор является источником высокого статического электрического потенциала а также электромагнитного излучения в широком спектре частот. Для снижения статического потенциала применяют антистатическое покрытие, снимающее электростатический заряд с экрана я это отмечается аббревиатурой ASя(Anti Static) в перечислении достоинств монитора. Потенциал также снижают и многие экранные фильтры я у них даже имеется провод с зажимом "крокодил" на конце, который нужно присоединить, например, к неокрашенной металлической части заземленного корпуса компьютера. Высокий потенциал определить просто я поднести палец к экрану, и, если с расстояния в несколько милиметров произойдет разряд (щелчек со слабым покалыванием или щекотанием), значит, потенциал велик. Если разряд возникает с расстояния сантиметра и больше, защитный антистатический фильтр просто необходим.
Что касается радиации, то многие ошибочно считают, что ее воздействию в наибольшей степени подвергается оператор. На самом деле, большая часть излучения исходит из задней стенки (с тыльной части трубки), и достается не оператору, а его соседу при неудачной расстановке техники. Уровень радиации мониторов стремятся уменьшать, и аббревиатура LR (Low Radiation)яуказывает на заботу производителя о здоровье пользователя, но без конкретных цифр. Строгие нормы по допустимому уровню электромагнитных излучений в различных частях спектра заданы шведским стандартом MPR II, который фактически стал и международным. Этот стандарт был принят в 1990 году и определяет как магнитные, так и электрические составляющие излучения. В 1992 г. был принят более жесткий стандарт, называемый TCO 92.

Плоские дисплеи

Дисплеи на электронно-лучевых трубках применительно к портативным компьютерам имеют два принципиальных неустранимых недостатка я большие габариты (объем) и потребляемую мощность. Надо заметить, что в первом портативном компьютере IBM PC Portable был применен все-таки дисплей на ЭЛТ, но если переносить этот компьютер было нетрудно (всего-то килограмм 10-15), то об автономном питании речи и не шло. В наколенных (Lap-Top) и блокнотных (NoteBook) ПК применяют плоские дисплейные панели (Flat Panel Display), основанные на различных физических принципах. Все они пока что имеют небольшие размеры я типичны дисплеи с диагональю 10 я13", ведутся работы и по созданию действительно больших (21") панелей.
Плоские дисплеи выполняются в виде матрицы ячеек с какими-либо электрооптическими эффектами. Матрицы сканируются аналогично телевизионному растру, так что каждая ячейка управляется импульсно. Для повышения контрастности применяют двойное сканирование: экран разбивается на две части, в которых сканирование происходит одновременно. Таким образом повышается частота обращения к каждой ячейке.
Дисплеи на жидкокристаллических (ЖК) панелях LCD (Liquid Crystall Display я ЖК дисплей) основаны на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под действием электрического поля. Панель представляет собой матрицу ячеек, каждая из которых находится на пересечении вертикальных и горизонтальных координатных проводников. В пассивной матрице (Passive Matrix) на жидкие кристаллы воздействуют поля самих координатных проводников. В активной матрице (Active Matrix) каждая ячейка управляется транзистором, которым, в свою очередь, управляют через координатные шины. В любом случае панели требуют подсветки я либо задней (Back Light), либо боковой (Side Light) от дополнительного (чаще люминесцентного) источника освещения. Иногда используют внешнее освещение, при этом за панелью располагается зеркальная поверхность. Активные матрицы обеспечивают более высокую контрастность изображения. Цветные дисплеи имеют более сложные ячейки, состоящие из трех элементов для управления каждым из базисных цветов.
ЖК-дисплеи имеют ряд недостатков, обусловленных их природой: низкую контрастность, зависимость качества изображения от угла наблюдения, иннерционность ячеек. Из-за высокой цены, особенно для активных цветных матриц, эти дисплеи применяются в основном лишь в блокнотных ПК, где составляют существенную долю стоимости.
Газоплазменные панели (Gas Plasma)основаны на свечении газа под действием электрического поля. Эти панели (часто желто-черные) потребляют больше энергии, чем LCD, что препятствует их применению в системах с автономным питанием.
Электролюминесцентные панели EL (Electro-Luminescent) пока не получили широкого распространения из-за технологических трудностей создания долговечных элементов.
Светодиодные матрицы LED (Light Emmited Diode я светоизлучающий диод), казалось бы, могли быть решением всех проблем плоских индикаторов. Однако светодиоды имеют настолько высокую потребляемую мощность, по сравнению с другими типами индикаторов, что их в плоских панелях не применяют.
Недавно появилась технология FED (Field Emission Display), основанная на свечении люминофора при бомбардировке их потоком электронов (тот же эффект используется и в ЭЛТ). Однако в отличие от ЭЛТ, имеющей три пушки (для каждого цвета), FED-панели имеют матрицу микроскопических триад пушек, расположенную между двумя плоскими пластинами. Каждый пиксел обслуживает группа из нескольких сотен микропушек, управляемых общим транзистором (как и в активной LCD-матрице). Вместо отклоняющих систем и генераторов развертки применяется коммутация транзисторов матрицы. Поскольку длина "ствола" пушки существенно сократилась, снизлся и уровень необходимого для работы высокого напряжения.
Продолжение следует. Подробнее о видеосистеме и других подсистемах PC можно узнать в книге М. Гука "Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия".

Михаил Гук (Mgook@stu.neva.ru)
Опубликовано в газете "КомпьютерИнфо" (СПб.) 37/1997г.
Публикация в печатных изданиях только с разрешения автора, ссылка обязательна.
Книги | Статьи | Начало | Продолжение


Copyright (c) М. Гук, 1999. Дизайн (с) О. Гук, 1999.