Количество полутонов основных цветов, формируемых на экране монитора, определяет точность цветопередачи, а, значит, определяет качество изображения. Большинство современных LCD-панелей поддерживает до 64 полутонов каждого цвета, что позволяет создавать достаточно реалистичные изображения. Однако далеко не все задумываются над тем, каким же образом на «цифровом» экране можно создавать полутона, которые являются результатом плавного изменения яркости источника света. Прояснить этот вопрос в некоторой степени поможет данный обзор.
Напомним нашим читателям, что в мониторах с электронно-лучевой трубкой различные полутона основных цветов создаются путем модуляции тока лучей. Так как величина тока лучей прямопропорциональна значению входного аналогового сигнала, то и передавать оттенки любого цвета можно практически без ограничений. Модуль обработки сигналов цвета в мониторах с ЭЛТ является просто усилителем аналоговых сигналов, и поэтому никаких аналого-цифровых преобразований не требуется.
В LCD-мониторах, наоборот, данные об оттенке того или иного цвета на LCD-панель передаются в цифровом виде. Эти данные (в упрощенном представлении) формируются аналого-цифровым преобразователем. Кроме того, физические свойства самой жидкокристаллической (ЖК) ячейки, описываемые в различных публикациях, предполагают наличие двух ее состояний: проводящего свет и препятствующего прохождению света.
Однако, несмотря на такую дискретность состояний ЖК-ячейки, формировать полутона все-таки необходимо. И для генерации полутонов было предложено два способа модуляции:
1. Метод FRC – метод модуляции по кадрам.
2. Метод PWM – метод широтно-импульсной модуляции.
Здесь стоит еще оговориться, что полутона в англоязычной литературе обозначаются термином «уровни серого» – grey scale. А в отечественных публикациях можно встретиться и с понятием гамма-коррекции, хотя в это понятие входит не только формирование полутонов, но и обеспечение их соответствия необходимым значениям.
Метод FRC
Метод модуляции по кадрам (Frame Rate Control) основан на временной модуляции пиксела с одним и тем же положением на экране во время формирования различных кадров. В этом способе модуляции, пиксел не принимает каких либо промежуточных значений яркости – он либо включен, либо выключен во время формирования кадра. А вот то, в течение какого количества следующих подряд кадров будет включен (или выключен) пиксел, и будет определять значение полутона. На рис.1 показан пример формирования пяти уровней gray scale за время формирования четырех кадров. Естественно, что большее количество полутонов можно получить за большее количество кадров.
Рис. 1
Этот способ возможет лишь за счет такого свойство человеческого зрения, как инерционность, т.е. в процессе восприятия человеческий глаз интегрирует последовательность оптических стимулов (черная точка – белая точка), в результате чего и получается полутон. Кроме того, здесь стоит еще учесть и интегрирующие свойства самой ЖК-ячейки, обладающей емкостными свойствами.
При описании метода FRC вводится понятие мультикадра. Мультикадр состоит из N-го количества кадров, необходимых для создания серой шкалы с заданным количеством полутонов. В мультикадре полутона получаются посредством усреднения контраста за N-кадров, образующих этот мультикадр. Количество кадров в мультикадре может достигать значения от 16 до 64, в зависимости от требований по количеству доступных полутонов. Как сообщается в некоторых источниках, для получения 16 градаций серого требуется мультикадр, состоящий из 16 кадров. Стоит отметить, что для получения широкой шкалы полутонов необходимо использовать ЖК-материал, имеющий линейный участок вольт-контрастной характеристики. Именно на этом участке и должна работать (при использовании метода FRC) ЖК-ячейка.
При реализации различных вариантов метода FRC используется еще одна особенность восприятия человеком полутонов – это способность различать градации цвета либо на объектах, имеющих достаточную площадь, либо на объектах с высокой яркостью. Поэтому, в принципе, формировать полутона можно и изменением соотношения количества черных и белых точек на какой-то определенной площади экрана. Этот способ наибольшее применение нашел в печати (в лазерных и струйных принтерах), но и при создании изображения на экране LCD- монитора можно встретиться с так называемым макроблочным кодированием. Такое кодирование применяется для предотвращения паразитной модуляции при получении полутонов по методу FRC. Суть метода заключается в том, чтобы в каждом кадре для группы пикселов, образующих «логическую точку», поддерживать одинаковую плотность черных и белых точек. Если в каждом кадре будут включены одни и те же точки, образующие макроблок («логическую точку»), то на экране появляется муар – паразитный узор. Так вот для подавления муара, черные и белые точки макроблока чередуются по закону псевдослучайной последовательности, т.е. внутри макроблока положение черных и белых точек меняется, хотя их плотность остается прежней, а значит остается прежним и значение полутона.
Метод FRC использовался достаточно широко в STN-матрицах.
Так как точки экрана очень малы, то различить полутона одной точки человеческий глаз не способен. Поэтому несколько экранных точек объединяют в «логическую точку», имеющую большую площадь. «Логическая точка» состоит из 9-16 точек экрана, расположенных в квадратной матрице. Соотношение количества черных и белых точек в этом квадрате определяет значение полутона «логической точки». Рис.2 демонстрирует пример получения полутонов «логической точки». Термин макроблок соответствует понятию «логической точки».
Рис. 2
Метод PWM
Метод широтно-импульсной модуляции (Pulse Width Modulation) основан на изменении времени включенного состояния пиксела за время выборки строки. В упрощенном варианте этот принцип получения полутонов можно описать следующим образом.
Если пиксел будет выключен в течение всего времени отображения строки, то такая точка будет восприниматься как черная. Если же пиксел включить на все время вывода строки, то точка будет иметь максимальное значение яркости, т.е. будет белой. Если же за время вывода строки, пиксел часть времени будет включен, а часть времени – выключен, то инерционность человеческого зрения опять же «превратит» такую точку в серую. Изменяя соотношение времени включенного и выключенного состояния пиксела можно получать различные уровни серого цвета (рис.3).
Рис. 3
Поддержка метода обеспечивается аппаратурой столбцовых драйверов. Данные, описывающие значение полутона поступают в столбцовый драйвер в виде цифрового двоичного кода состоящего из 4-8 битов. Эти коды записываются во внутренний регистр столбцового драйвера, после чего преобразуются в импульс, длительность которого пропорциональна коду.
Еще раз скажем, что мы рассмотрели лишь «идеологию» метода PWM. Для обеспечения практической реализации этого метода необходимо учитывать множество особенностей физических и электрических свойств ЖК-ячейки и особенностей адресации LCD-матрицы.
В начале данной статьи было сделано предположении о дискретном поведении ЖК-ячейки, и именно из этого предположения и рассматривались лишь два способа получения полутонов. На самом же деле ЖК-ячейка имеет вольт-контрастную характеристику, вид которой показан на рис.4. Вольт-контрастная характеристика определяет значение оптического состояния (контраста) в зависимости от уровня эффективного напряжения, приложенного к электродам ЖК-ячейки. Из приведенной на рис.4 зависимости видно, что контраст в значительной степени зависит от уровня напряжения, приложенного электродам ячейки. Причем эта зависимость имеет относительно линейный участок в некотором диапазоне приложенных напряжений (примерно от 2 до 3 Вольт). Именно зависимость контраста от напряжения и положена в основу третьего способа получения полутонов – амплитудной модуляции.
Рис. 4
Метод амплитудной модуляции
Метод амплитудной модуляции подразумевает изменение величины напряжения, приложенного к ЖК-ячейке (рис.5).
Рис. 5
Поддержка данного способа модуляции также невозможна без аппаратной поддержки микросхемами столбцовых драйверов. В состав микросхем столбцовых драйверов в этом случае вводится цифро-аналоговый преобразователь, формирующий на выходах микросхемы такой уровень напряжения, который необходим для получения соответствующего полутона. Значение полутона передается на вход столбцового драйвера в виде цифрового кода, обычно 6-ти разрядного. Полученные данные фиксируются во внутреннем регистра драйвера и далее используются для управления ЦАП.
Для получения 64-градаций серого цвета, микросхема драйвера столбцов должна иметь возможность формировать 64 различных уровня напряжения. Эти уровни напряжений получают табличным способом, т.е. каждому цифровому значению на входе драйвера соответствует вполне определенное значение выходного напряжения. В описании микросхем столбцовых драйверов обязательно приводится таблица, в которой указывается входной цифровой код полутона и соответствующая ему формула и коэффициенты для расчета значения выходного напряжения.
Для уменьшения разрядности ЦАП применяется комбинация внутреннего нелинейного ЦАП с массивом различных опорных напряжений. Таким образом, на вход микросхемы столбцовых драйверов кроме управляющих сигналов подается еще и целый ряд опорных напряжений, формируемых отдельной схемой.
Современные схемы формирования опорных напряжений, как правило, являются интегральными микросхемами, которые также формируют и напряжение противо-электрода LCD-панели, обозначаемое Vcom (рис.6).
Рис. 6
Для большинства современных столбцовых драйверов требуется от 4 до 8 различных уровней напряжения для получения 64 градаций серого (не забудьте, что эти опорные напряжения комбинируются с внутренним нелинейным ЦАП, и поэтому прямой зависимости между количеством опорных напряжений и количеством выходных уровней нет). Внутренний нелинейный ЦАП чаще всего представляет собой набор 63 резисторов с различными номиналами сопротивлений. Эти резисторы и задают ранее упоминавшиеся коэффициенты для расчета уровня выходного напряжения. В столбцовых драйверах используются именно нелинейные ЦАП, т.к. они позволяют проводить гамма-коррекцию оттенков серого цвета. Но не будем сейчас вдаваться в подробности формирования аналогового напряжения – это будет темой одного из наших будущих обзоров, посвященных столбцовым драйверам
Стоит сказать еще несколько слов и об опорных напряжениях, подаваемых на вход столбцовых драйверов. Как уже отмечалось, этих напряжений несколько (от 4 до 8), но чаще всего в LCD-мониторах применяются столбцовые драйверы с пятью номиналами опорных напряжений. Величина опорных напряжений обычно находится в диапазоне от 1.25 до 2.5 В, причем шаг следования опорных напряжений разный, т.е. график их уровней также является нелинейным (рис.7), позволяя проводить все ту же самую гамма-коррекцию. Изменяя форму кривой, изображенной на рис.7, можно проводить гамма-коррекцию полутонов с учетом характеристик ЖК-материала реальной LCD-панели.
Рис. 7
Кроме того, физические свойства жидких кристаллов предполагают, что к ЖК-ячейкам необходимо прикладывать разнополярное напряжение – это предотвращает явление диссоциации в жидких кристаллах. Таким образом, если для амплитудной модуляции требуется пять опорных напряжений, то на вход микросхемы столбцовых драйверов должно подаваться десять опорных напряжений: пять «положительных» (на рис.6 обозначены «+») и пять «отрицательных» (на рис.6 обозначены «-»). Напряжения считаются «положительными» и «отрицательными» относительно потенциала противоэлектрода ЖК-панели Vcom.
Как уже говорилось выше, для получения опорных напряжений и напряжения противоэлектрода Vcom, разработаны специальные микросхемы, одним из примеров которых является микросхема AN80001 от Panasonic.
В заключении разговора о принципах формирования полутонов на экране LCD-монитора, позвольте подвести некоторые итоги и сделать несколько выводов.
Вывод первый. Итак, для создания полутонов на экранах, так популярных ныне, ЖК-панелей могут использоваться три, совершенно различных метода:
1. Метод модуляции по кадрам – FRС.
2. Метод широтно-импульсной модуляции – PWM.
3. Метод аналоговой модуляции – AM.
Вывод второй. Эти методы могут использоваться независимо друг от друга, но наибольшую эффективность они приобретают в комбинации между собой, и в комбинации с методом макроблочного кодирования.
Вывод третий. Кроме того, для обеспечения правильной передачи полутонов, необходимо осуществлять еще и гамма-коррекцию, позволяющую учитывать особенности используемого материала жидких кристаллов. Гамма-коррекцию проще всего реализовать за счет амплитудной модуляции.
Вывод четвертый. Для амплитудной модуляции требуются разноуровневые и разнополярные опорные напряжения, общее количество которых может достигать 16. Для формирования опорных напряжений используются специализированные микросхемы.