ZOBRAZOVACÍ JEDNOTKY

Zobrazovací jednotky jsou výstupní periferní zařízení, které slouží k viditelnému zobrazení textu a

grafiky. Mezi zobrazovací jednotky řadíme především:

• displeje,

• monitory,

• projektory.

Obrazovou informaci v počítači zpracovává grafický adaptér. Zobrazovací jednotka dle výstupního

elektrického videosignálu (analogový, digitální) vytváří výsledný obraz pomocí světla vyzařujícího z

obrazovky (monitory, displeje) nebo z projekční čočky na projekční plochu (projektory).

Obraz je tvořen maticí obrazových bodů (pixelů). U každého

obrazového bodu se definuje jeho jas a barva a sestává se z

trojice základních bodů, tzv. subpixelů (červená, zelená a

modrá barva) – barevný model RGB1. Mají-li RGB subpixely

maximální jas, svítí obrazový bod bílou barvou. Je-li jas

nulový, má obrazový bod černou barvu, nesvítí.

Základní parametry zobrazovacích jednotek

1. Typ a zobrazovací technologie:

a. Monitory, displeje – technologie CRT, LCD, plazma, OLED, EPD, EInk

b. Projektory – technologie DLP, LCD, LCoS

2. Maximální rozlišení – maximální počet obrazových bodů, které je monitor schopen zobrazit

při určitém poměru stran obrazovky (4:3, popřípadě 16:9). Rozlišení se uvádí jako:

počet bodů na řádek × počet řádků, např. 1024 × 768.

3. Úhlopříčka obrazovky

Udává se obvykle jako vzdálenost mezi protilehlými rohy

obrazovky v palcích (angl. palec = inch). Někteří výrobci uvádí

úhlopříčku včetně plochy, která je skryta plastovým rámem.

4. Rozteč bodů – Je vzdálenost mezi jednotlivými body obrazovky. Udává se v milimetrech.

Čím nižší je tato hodnota, tím kvalitnější je obrazovka.

1 R = Red (červená), G = Green (zelená), B = Blue (modrá)

5. Jemnost displeje PPI (Pixel Per Inch) – parametr specifikuje počet pixelů na anglický palec.

Určuje tedy hustotu pixelů v přesně vymezené ploše displeje (šířka × výška). Čím vyšší číslo,

tím vyšší jemnost a tím méně je schopno lidské oko od sebe rozlišit jednotlivé pixely. Přibližně

nad 300 PPI již není lidské oko schopno rozlišovat jednotlivé pixely a vnímá jednolitý obraz

na displeji.

6. Obnovovací frekvence – hodnota udává, kolikrát se změní obraz za jednu sekundu při daném

rozlišení monitoru. Typické hodnoty jsou v rozmezí 60 Hz až 120 Hz.

7. Elektrický příkon (Watt) – režim zapnuto a pohotovostní režim „Stand By“.

8. Rozhraní grafického adaptéru (D-Sub, DVI, HDMI, DisplayPort)

9. Svítivost – udává se v cd/m2 a jeho hodnota se měří podle svítivosti všech pixelů, které

zobrazují bílou barvu. (pozn.: cd = jednotka svítivosti kandela)

10. Kontrast – hodnota udává poměr mezi bílou a černou barvou. Typická hodnota u dnešních

LCD panelů je 1000:1. Zároveň se uvádí také dynamický kontrast (např. 1 000 000 : 1).

Tohoto kontrastu dosahuje monitor navíc regulací podsvícení v daném místě pro každou

zobrazenou scénu.

11. Doba odezvy (milisekundy) – určuje čas, za který se dokáže změnit stav z černé barvy na

bílou a zpět na černou. Čím kratší čas, tím menší má LCD displej problém při rychlých

(dynamicky se měnících) scénách s rychlým střídáním tmavých a světlých míst. To se může

projevit rozmazáním obrazu v těchto místech. Kvalitní monitory mají tento údaj v řádu

jednotek milisekund.

Někdy se udává údaj označený jako GTG (Grey To Grey). Pro většinu aplikací je spíše

rozhodující rychlost, s jakou se pixel dokáže změnit z/do jednotlivých odstínů šedé. Toto číslo

je vždy nižší než hodnota měřená pro mezní změny jasu (černa – bílá – černá).

12. Pozorovací úhly (horizontálně / vertikálně)

Tento údaj udává, v jakém rozmezí

horizontálního i vertikálního pohledu

na obrazovku (ve stupních) vnímá

pozorovatel obraz bez barevného

zkreslení. V opačném případě barvy

rychle ztrácí odstín, obraz šedne a

může docházet například k inverzi

barev či dokonce ztrátě obrazu.

Ideální úhel pohledu je 180ο / 180ο,

vhodná reálná hodnota 178ο / 178ο.

13. Počet zobrazitelných barevných odstínů – souvisí s počtem bitů, které slouží k popisu

hodnoty barevných složek R, G, B:

• 8 bitů na barevnou složku: 28 × 28 × 28 = 224 = 16,7 milionů barevných odstínů

• 10 bitů na barevnou složku: 210 × 210 × 210 = 230 = 1,07 miliardy barevných odstínů

14. Příslušenství monitoru – integrované reproduktory, USB hub, web kamera, apod.

15. Hmotnost, rozměry (výška × šířka × hloubka)

16. Pro věrnou simulaci barev při tisku (barevný model CMYK) musí kvalitní monitor umět

pokrývat takzvaný Adobe RGB barevný prostor. Tyto monitory bývají vybaveny jak

hardwarovou kalibrací, tak i programy pro její provedení a často i integrovanou měřicí

(kalibrační) sondou.

Technologie zobrazování obrazu

Zobrazovací jednotky vybavené obrazovkou (monitory, displeje) můžeme podle používaných

technologií rozdělit na několik skupin:

1. CRT (klasická vakuová obrazovka),

2. LCD (displeje využívající vlastností tekutých krystalů),

3. OLED (obrazovka z organických světlo-emitujících materiálů),

4. EPD, EInk (displeje využívající technologie elektronického inkoustu),

5. plazmová obrazovka (převážně velkoplošné obrazovky TV přijímačů).

Zobrazovací technologie projektorů (DLP, LCD, LCoS) budou podrobněji probrány v učebním

materiálu „Dataprojektory“.

1. CRT (Cathode Ray Tube) technologie

Obrazovka monitoru je tvořena velkou elektronkou. Na jedné

straně je rozšířena do plochy obrazovky (představuje anodu) a na

druhém konci je úzká válcová část s emitory elektronů tvořená

žhavenou katodou (elektronová děla).

Na vnitřní straně obrazovky je luminofor. Rozsvítí se po dopadu

elektronového svazku. Svazek elektronů musí dopadat na

jednotlivé subpixely přesně (nerozostřený obraz). Proto je mezi

obrazovkou a elektronovými děly mřížka (maska) s přesně

rozmístěnými otvory. Celkový obraz je vykreslován po řádcích -

paprsek je po řádcích (vertikálně) a na další řádku (horizontálně)

vychylován dvojicí elektromagnetických cívek.

Emise elektronů pro tři barvy (RGB – červená, zelená, modrá) je zajištěna třemi samostatnými děly

nebo jediným emitorem, který vyzařuje tři samostatné paprsky.

Provedení masky monitoru:

Invar (Delta)

• tři elektronové děla uspořádané do trojúhelníku, maska je tvořena kruhovými otvory.

• v okrajích obrazovky dochází ke zkreslování obrazu.

•

zkreslení se dá potlačit klenutím obrazovky (vypouklý tvar obrazovky).

Trinitron

Technologii Trinitron vyvinula forma SONY, kde nejde o klasickou bodovou mřížku, ale o svisle

umístěné drátky, které rozdělují obrazovku do sloupců. Ty jsou dále přirozeně rozděleny do řádků

(a tedy jednotlivých bodů) vodorovným pohybem paprsku. Technologie se vyznačuje vyšším jasem

a lepším podáním barev. Trinitronová obrazovka není dokonale plochá, oproti invarové obrazovce

má válcovitý tvar. Malou nevýhodou této technologie je přítomnost jednoho až dvou (dle úhlopříčky

obrazovky) vodorovných drátků, které fixují drátky svislé. Jsou jen málo viditelné, přesto mohou

působit rušivě. Drátky nahrazující masku jsou velmi tenké, a tedy i lehce ovlivnitelné magnetickým

polem. I běžné magnetické pole z reproduktorů může způsobit nejenom vychýlení paprsků, ale také

trvalou deformaci drátků tvořících masku.

CromaClear (Inline)

Obrazovka byla vyvinuta firmou NEC. Spojuje klady invarové a trinitron

obrazovky. Jedná se o seřazení pásků stejně jako u trinitronu, ale s pevnou

maskou ve tvaru obdélníku odolnou proti magnetickému poli.

2. LCD technologie

LCD = Liquid Crystal Display (displej z tekutých krystalů)

Tekutými krystaly se označují takové chemické látky, které pod vlivem

elektrického pole (resp. elektrického napětí) mění svoji molekulární

strukturu a díky tomu mění polarizaci procházejícího světla. Chovají

se jako kapalina, ale vykazují optické vlastnosti krystalických látek.

U LCD displejů se využívá tekutých krystalů, které jsou složeny z

podlouhlých molekul orientovaných v jednom směru, tzv. nematické

uspořádání (viz obrázek).

2.1. Konstrukce LCD displeje

Každý obrazový bod LCD displeje se skládá z molekul tekutých krystalů uložených mezi dvěma

průhlednými elektrodami a mezi dvěma polarizačními filtry, přičemž osy polarizace filtrů jsou na sebe

kolmé. Bez krystalů mezi filtry by bylo světlo procházející jedním filtrem blokováno filtrem druhým.

Tento systém slouží k regulaci množství světla procházejícího obrazovkou v daném bodě.

Fyzikální základy:

Světlo chápeme jako elektromagnetické vlnění o určité vlnové délce a je obecně nepolarizované.

Světlo, jehož elektrická složka kmitá stále ve stejném směru (resp. rovině), nazýváme polarizované

světlo. K polarizaci světla se používají speciální polarizační filtry.

Polarizační filtr si můžeme představit jako „mřížku“, která propustí pouze světlo se shodnou

polarizací, jakou má samotná „mřížka“. Pokud je polarizační rovina filtru rovnoběžná s rovinou

polarizace světla, projde filtrem všechno světlo, pokud jsou roviny navzájem kolmé, neprojde nic.

Téměř všechny LCD displeje potřebují vlastní zdroj světla (podsvícení displeje). Toto světlo je

nepolarizované, k jeho polarizaci slouží první polarizační filtr displeje. Typy podsvícení:

1. CCFL (Cold-Cathode Fluorescent Lamp)

Katodové zářivkové trubice umístěné v zadní části displeje, které vyzařují

bílé nepolarizované světlo. Tyto displeje mají menší životnost, nižší jas a

vyšší spotřebu elektrické energie.

U menších LCD displejů (fotoaparáty, MP4 přehrávače, apod.)

se nepoužívají).

2. LED (Light Emitting Diode)

Tyto displeje se vyznačuje obecně lepším podáním barev, dokonalejší černou barvou, neboť u

většiny technologií lze ovládat svítivost jednotlivých LED diod, vyznačují se větší úsporou elektrické

energie, jsou velice tenké, obrazovky mají vyšší životnost, než v případě podsvícení CCFL

zářivkami.

a. Matice RGB LED

U počítačových monitorů se technologie nepoužívá, typické

např. pro velkoplošní reklamní a sportovní tabule.

Používají se skupiny čtyř LED (červená, modrá a dvě

zelené), které jsou rozmístěny maticově po celé ploše

panelu.

b. Matice bílých LED

Používají se pouze bílé LED rozmístěné pod celou plochou displeje. Součástí displeje je navíc RGB

filtr pro každý obrazový bod, kterým se vytváří různé barevné odstíny.

c. Edge LED

Bílé LED jsou umístěny pouze po okrajích panelu a pomocí sítě speciálních světlovodů s odraznými

ploškami se světlo z LED rovnoměrně rozptýlí za LCD panelem. Výhodou této technologie je použití

menšího počtu LED a tím i snížení nákladů na výrobu a tedy i ceny, panel může být také velmi tenký.

U všech LED technologií lze použít tzv. „LED local dimming“ a dosáhnout vyššího kontrastu (rozdílu

mezi černou a bílou barvou), neboť při zobrazení černé barvy se „zavře" nejen LCD filtr pro daný

pixel, ale zároveň se zhasne odpovídající podsvětlující LED. Tyto displeje mají výborné barevné

podání.

2.2. Monochromatické LCD displeje

a. LCD s odrazem světla (pasivní)

Nemají vlastní podsvícení, potřebují vnější zdroj světla, které na LCD

displej dopadá. Za normálního stavu jsou tekuté krystaly průhledné,

světlo prochází na zadní reflexní (odraznou) elektrodu, odráží se a

vystupuje ven. Celý displej je světle zelený.

Vytvořením elektrostatického pole u příslušné transparentní

(průhledné) elektrody dochází k natočení molekul, světlo se rozptýlí,

neodráží se, místo je tmavší. Transparentní elektrody mají tvar segmentů, z kterých se vytváří

požadovaný znak.

b. LCD s průchodem světla (aktivní)

CELOPLOŠNÁ

REFLEXNÍ

ELEKTRODA

SV Ě TLO

SKLO

SKLO

TRANSPARENTNÍ

ELEKTRODY

TEKUTÉ KRYSTALY

SM Ě R POHLEDU

SV Ě TLO

SKLO

SKLO

CELOPLOŠNÁ

TRANSPARENTNÍ

ELEKTRODA

TRANSPARENTNÍ

ELEKTRODY

TEKUTÉ KRYSTALY

SM Ě R POHLEDU

U tohoto zařízení je displej podsvícený. Má svůj zdroj světla, displej je čitelný i ve tmě. Světlo

prochází tam, kde mezi elektrodami nepůsobí elektrostatické pole.

2.3. Barevné LCD displeje

Jednotlivé obrazové body LCD displeje fungují jako světelné ventily - samy nezáří, jen regulují

množství procházejícího ze zdroje světla, který se nacházejí za panelem (CCFL nebo LED).

Abychom dosáhli barevného zobrazení, musíme do systému zařadit soustavu filtrů základních barev

(RGB - červená / zelená / modrá) - výsledný počet buněk (subpixelů) je pak dán:

výška × šířka (v obrazových bodech) × 3 základní barvy (RGB).

Pokud jsou RGB "ventily" v zatemnělém stavu, získáme dojem černé barvy, pokud všechny

subpixely svítí na maximum, získáme dojem bílé barvy. Ostatní odstíny jsou tvořené mixováním

poměru RGB barev.

Každý subpixel je řízen jedním tranzistorem (některé displeje využívají dva tranzistory na každý bod

RGB) umístěným u každé barevné buňky. Vzhledem k tomu, že tyto jednotlivé tranzistory jsou

umístěné na celé ploše panelu, ujal se název TFT (Thin Film Tranzistor) - tenký foliový tranzistor.

2.3.1. Technologie barevných LCD

Technologie TN + film

TN – Twisted Nematic (kroucené, spirálovité uspořádání nematických molekul)

U displejů s technologií TN je tekutý krystal nanesen mezi vzájemně pootočené polarizační filtry.

Na obr. A je zachycena situace, kdy je tekutý krystal v základním stavu (bez elektrického napětí).

V tomto případě je světlo natáčeno takovým způsobem, že může projít druhým polarizačním filtrem

a v konečném důsledku prochází plný jas světla – vzniká bílá barva.

Na dalším obr. B je znázorněna situace, kdy jsou krystaly pod plným elektrickým napětím, molekuly

tekutého krystalu se srovnají se směrem elektrostatického pole a světlo nemůže projít druhým

polarizačním filtrem. Vzniká černý obrazový bod.

obr. A – světlo prochází obr. B – světlo neprochází

Uvedeným způsobem lze optické vlastnosti

tekutého krystalu regulovat v několika

desítkách až stovkách různých stavů a vzniká

tak výsledný jas barevných odstínů. Protože

se obrazový bod skládá ze tří barevných

subpixelů, vznikají tak statisíce až miliony

různých odstínů barev.

Nevýhodou této technologie je velká ztrátovost světla a fakt, že vždy nějaké světlo projde i v

uzavřeném stavu – nelze vytvořit dokonale černou barvu (tmavě šedá). Jas daného bodu závisí také

na tom, pod jakým úhlem jej budeme pozorovat: jestli kolmo nebo ze strany. Na povrchu displeje je

vytvořena vrstva, pro zvýšení pozorovacího úhlu. Tyto displeje se vyznačují pomalou dobou odezvy.

Poškozené pixely trvale propouštějí světlo (jasně svítí).

Výhodou je, že se jedná se o velice jednoduchou technologii s levnou výrobou.

Technologie IPS

IPS – In Plane Switching (molekuly tekutých krystalů jsou vyrovnané souběžně se základní rovinou)

V základním stavu (bez elektrického napětí mezi elektrodami) filtr nepropouští světlo. Po přivedení

napětí se molekuly tekutých krystalů pootočí až o 90 stupňů. Oba krajní stavy jsou tedy mnohem

přesnější a lépe definované. Panely IPS proto vynikají věrnými barvami a širokými pozorovacími

úhly. Při změně úhlu pohledu navíc prakticky nedochází ke změně odstínu barev tak jako u panelů

TN.

Jelikož elektrody jsou umístěné v jedné (spodní) rovině, zabírají více prostoru než u panelů typu TN

nebo MVA, dalším problémem je slabší elektrostatické pole na okrajích buněk, kde se část molekul

plně neotáčí - to ve výsledku způsobuje nižší jas a kontrast těchto panelů (je na úrovní panelů typu

TN). U panelů IPS zůstává poškozený bod tmavý.

Technologie PVA (resp. MVA)

MVA - Multi-Domain Vertical Alignment (orientace molekul tekutých krystalů vertikálně) PVA

(Patterned Vertical Alignment)

U původní technologie Mono-VA (obrázek vlevo)

byla problémem bylá silná závislost jasu daného

bodu na úhlu pozorování (záviselo dokonce na

straně L-P pohledu).

Proto byly buňky rozdělené na domény

(Multi-domain VA), které tuto závislost vzájemně

kompenzují. Ve výsledku je jas daného bodu stejný

jako při čelním pohledu.

Výhodou těchto panelů je především výborný

pozorovací úhel a dobrá doba odezvy.

3. OLED technologie

OLED - Organic Light Emitting Diode (světloemitující diody vyrobené z organického materiálu)

Základem obrazového bodu je organický

materiál, který emituje (vyzařuje) světlo určité

barvy (RGB model), pokud se na něj přivede

stejnosměrné napětí určité hodnoty.

Díky použití organického materiálu mají LED

tvořící jednotlivé subpixely velmi malé

rozměry a lze je nanášet v podstatě na

libovolný základní materiál. Pixely jsou

propojeny do matice a velikost přiváděného

napětí pro konkrétní pixel řídí tranzistor.

Organické emitory jsou napájeny z kovové

katody, přes vodivou vrstvu (vrstva pro přenos

elenktronů). Ta je zde pouze proto, aby se

napětí dostalo na správný subpixel.

Z druhé strany je transparentní anoda, ve které se vytvářejí kladné díry, jež jsou přenášeny přes

speciální organickou vrstvu až do jednotlivých subpixelů (organické emitory).

Velkou výhodou technologie OLED tedy je, že pokud se

na subpixel (organický materiál) nepřivede žádné napětí,

bod nesvítí. V rozmezí napětí 0V až 2V subpixely

nevyzařují žádné fotony a proto zbytkové napětí nebude

mít vliv na kvalitu obrazu.

Jelikož každý subpixel je sám zdrojem světla, nepotřebují

OLED displeje celoplošné podsvícení jako LCD displeje.

Má-li zůstat bod černý, napětí bude nulové (velká úspora

elektrické energie). Výhodou OLED displeje je také fakt,

že není problém vyrobit jej průhledný, ohebný, apod.

Základní rozdělení OLED

FOLED (Flexible OLED), tedy flexibilní OLED - organická vrstva emitující světlo, je nanesena na

pružném substrátu, jako například plastické nebo kovové fólie. Tyto lze tvarově přizpůsobit objektu:

implantují se např. do hledí přileb, tvarovaných přístrojových desek automobilů, atd.

TOLED (Transparency OLED), tedy transparentní OLED - organická vrstva emitující světlo, je

nanesena na transparentním (průhledném) substrátu.

Průhlednost displeje umožňuje nasazení v aplikacích, kde je

potřeba zobrazovat dodatečné informace v zorném poli

pozorovatele, například v hledí přilby, v brýlích, čelních i

bočních sklech automobilů, oknech domů apod.

4. EPD (Electronic Paper Display) a EInk (Elektronic Ink)

Jedná se o velmi tenký displej tvořený dvěma listy plastu. Mezi nimi je umístěno velké množství

(řádově miliony) mikroskopických trubiček (EPD) nebo mikrokapslí (EInk). Ty obsahují v čirém

roztoku uložené kladně nabité bílé částečky společně s černými částečkami, které jsou nabity

záporně.

Mikrokapsle (EInk displeje) jsou uloženy mezi elektrodami a jsou vystaveny působení elektrického

pole. Je-li potenciál elektrického pole u vrchní (průhledné) elektrody zápornější než u spodní

elektrody, bílé částečky se přesunou do horní části mikrokapsle a stanou se viditelnými na displeji.

Černé částečky naopak putují do dolní části a přestávají být viditelné. Když se celý tento proces

otočí, lze naopak zobrazit černé částečky a zneviditelnit bílé.

Výhodou elektronického papíru je jeho téměř nulová spotřeba (nemění-li se na displeji obraz,

spotřeba elektrické energie je nulová), velmi malou energii potřebuje jen v okamžiku změny obrazu,

navíc nepotřebuje podsvícení.

Elektronický papír může být i barevný, doplněný ultratenkými bateriemi, s bezdrátovým síťovým

rozhraním. Používají se především pro čtečky elektronických knih (e-book).