8.3 Дисплеи

Устройства оперативного отображения информации, или дисплеи, долгое время строились исключительно на основе ЭЛТ. Экран такого дисплея можно рассматривать как прямоугольную сетку, в узлах которой расположены отдельные элементарные индикаторы (ЭИ), изменяющие свои оптические свойства под воздействием управляющих сигналов. На экране ЭЛТ такая сетка может создаваться в процессе формирования изображения. Включение и выключение ЭИ для формирования видимого изображения производится в последовательности, называемой опросом.

В настоящее время используют исключительно растровый метод, при котором последовательность опроса всегда постоянна и не зависит от характера изображения. Луч (а точнее, три луча – красный, зеленый и синий, или RGB – для создания цветного изображения) равномерно перемещается по экрану слева направо, прочерчивая строку растра. Это прямой ход луча. Затем выполняется обратный ход луча, по окончании которого он занимает положение в начале следующей строки, т.е. происходит перемещение луча сверху вниз. После выполнения последнего прямого хода, когда луч достиг крайнего нижнего положения, осуществляется его возврат в начало. Этот полный цикл принято называть кадром.

Во время прямого хода интенсивность луча можно менять, что в свою очередь ведет к изменению интенсивности излучения строго определенной точки экрана. Но точка на экране «светится» недолго, и нужно поддерживать ее состояние, т.е. нужно многократно повторять весь процесс, чтобы изображение стало видимым. Частота повторения процесса, или частота кадров должна быть не меньше критической частоты мерцаний, и в современных дисплеях она составляет от 80 до 160 Гц.

Совершенно очевидно, что многократное повторение процесса отображения информации на экране ЭЛТ требует запоминания этой информации в какой-либо буферной памяти. Если используется растровый метод формирования изображений, то объем такого буфера нетрудно подсчитать: он определяется произведением числа «адресуемых» точек на экране и числа бит, необходимых для записи параметров (цвета, яркости и т.п.) каждой точки. В современных дисплеях число адресуемых точек, а, следовательно, и разрешающая способность экрана, составляет от 768х1024 до 1200х1600, а число бит для записи параметров – до 64. Таким образом, необходима буферная память объемом от 64 до 128 Мбайт. Именно необходимость памяти большого объема и не позволила создавать дисплеи до появления БИС. Первые дисплеи были алфавитно-цифровыми: они позволяли формировать изображения ограниченного числа символов (описания всех отображаемых символов хранились в ПЗУ) и требовали буферной памяти сравнительно небольшого объема.

Растровые графические дисплеи, по сравнению с алфавитно-цифровыми, требуют значительно большей буферной памяти, обладающей высоким быстродействием. Эта буферная видеопамять должна хранить описания каждого графического примитива (элементарного графического изображения) в растровой форме, т.е. в виде отдельных точек, а не в векторной форме, в которой этот примитив обрабатывается в машине. Кроме того, графический дисплей позволяет производить ряд процедур над графическим примитивом – перемещать, поворачивать, масштабировать, стирать и т.д. А эти процедуры реализуются над примитивом, представленным в векторной форме. По этой причине в структуре дисплея должен быть предусмотрен блок, выполняющий функции векторного графического процессора (ВГП) и ОЗУ для хранения описания дисплейного файла (ОЗУ ДФ), рисунок 8.х. Преобразованный файл в растровую форму посредством растрового графического процессора (РГП) сохраняется в памяти видеоконтроллера (ВК). Оператор взаимодействует с таким дисплеем посредством специального блока интерактивного взаимодействия (БИВ) с помощью клавиатуры, мыши и других средств.

Рисунок 8.х. Структура графического дисплея

Помимо формирования описания растровый графический процессор совместно с видеоконтроллером выполняет функцию кадрирования, т.е. формирует «окно» изображения. Процедура кадрирования может выполняться программными и аппаратными средствами. Для аппаратного выполнения этой процедуры в видеоконтроллере предусматривают специальные счетчики размера окна.

Графические дисплеи имеют жесткую временную диаграмму. Это значит, что время экспозиции точки растра всегда постоянно и определяется частотой регенерации кадра, количеством строк в кадре и числом растровых элементов в строке. Эти параметры оказывают существенное влияние на преобразования, выполняемые растровым графическим процессором.

Недостатки дисплеев на ЭЛТ – большие габариты и масса, высоковольтное питание, сравнительно большое энергопотребление – давно уже определили их участь: они постепенно вытесняются плоскими мониторами на жидких кристаллах (ЖК). Однако и в ЖК-мониторах сохраняется необходимость векторно-растрового преобразования.

Принцип действия любого ЖК-монитора основан на способности некоторых типов жидкокристаллических веществ поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света, при этом положение кристалла можно менять электрическим полем.

Такая панель представляет собой две стеклянные пластины с нанесенными на них прозрачными электродами. Между стеклянными пластинами находятся жидкие кристаллы, а сверху и снизу они покрыты поляризующими пленками, или поляроидами (рисунок 8.х). Снизу эта конструкция подсвечивается ртутной флюоресцентной лампой с холодным катодом. Пусть обе пленки имеют горизонтальную поляризацию, а жидкие кристаллы расположены так, что не меняют направление поляризации света, когда электрическое поле отсутствует. Тогда свет от лампы, пройдя сквозь первую поляризующую пластину, получит горизонтальную поляризацию, без изменений пройдет сквозь слой жидких кристаллов, а затем и через второй поляризатор. Такая панель будет казаться прозрачной.

Рисунок 8.х Структура жидкокристаллической панели

Если же изменить положение жидких кристаллов (а для этого нужно создать электрическое поле) так, чтобы они поворачивали плоскость поляризации проходящего через них света на 90, то свет не пройдет сквозь вторую поляризующую пластину и панель станет непрозрачной. (Свет будет полностью поглощен вторым поляризатором, так как направление его поляризации будет перпендикулярно направлению поляризации второй пластины) Поворачивая жидкие кристаллы на промежуточные углы, можно плавно регулировать прозрачность панели. Для получения цветного изображения каждый пиксел панели разбивается на три субпиксела и на него накладывается цветоделительная маска, окрашивающая проходящий через каждый субпиксел свет в один из основных цветов: красный, синий и зеленый.

Однако ЖК-мониторы, в основу которых положена модуляция внешнего света, обладают низкой контрастностью. Это вызвано тем, что поляризаторы всегда пропускают пусть даже небольшую часть света, т.е. черный цвет не может иметь нулевую интенсивность свечения. Кроме того, из-за большой толщины панели угол обзора оставался крайне небольшим, а из-за большой длины электродов, подходящих к каждой точке, такие панели обладали весьма большим временем реакции. По этим причинам такие панели в настоящее время уже не используются, а вместо них выпускаются активно-матричные, в которых каждый пиксел имеет собственный управляющий транзистор и снабжен поддерживающим напряжение конденсатором. Такие панели называют «активными матрицами», а часто и TFT-панелями, так как в них используют тонкопленочные транзисторы (толщиной менее 0,1 мкм) для обеспечения прозрачности матрицы.

В ЖК-мониторе используется постоянная подсветка элемента экрана. Она позволяет избежать мерцаний. Управляющее напряжение приложено к каждой ячейке в течение кадра (в отличие от дисплеев на ЭЛТ, где используется импульсный способ засветки элементов экрана), поэтому нет нужды в высокой частоте регенерации. Однако длительное свечение точек изображения ухудшает воспроизведение быстродвижущихся объектов. По этой причине далеко не все ЖК-мониторы пригодны для динамичных игр и просмотра видеофильмов.

Размеры современных ЖК-мониторов составляют 15, 17, 19 и даже 26 дюймов, а стандартное разрешение 1280х1024 при размере пиксела в 0,264 мм. Они обладают достаточно высокой яркостью, а углы обзора по горизонтали и вертикали составляют порядка 150 - 170⁰. Время переключения пиксела лежит в пределах от 16 до 25 мс. Благодаря компактности конструкции в ЖК-мониторах можно предусмотреть возможность поворота экрана на 90⁰, что весьма удобно при работе с текстовой информацией. Кроме того, для ЖК-мониторов не требуется высокого напряжения, а потребление электроэнергии у них сравнительно невелико.