Τεχνολογίες Ψηφιακής Εικόνας

Transcript

1 Τεχνολογίες Ψηφιακής Εικόνας ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΕΙΚΟΝΑΣ Προσαρµογέας (κάρτα) Γραφικών Οθόνες CRT Οθόνες Υγρών Κρυστάλλων (LCD) Οθόνες αφής

2 Προσαρµογέας (κάρτα) γραφικών Graphics adapter Υποσύστηµα εικόνας Προσαρµογέας γραφικών Οθόνη Προσαρµογέας Γραφικών οδηγεί την οθόνη Πχ. στις οθόνες CRT ο προσαρµογέας γραφικών µετατρέπει την ψηφιακή πληροφορία σε αναλογική ηλεκτρική τάση

3 Βασικά χαρακτηριστικά Επεξεργαστής Γραφικών Graphics Processor Unit (GPU) Μνήµη Video RAM ίαυλος επικοινωνίας Μέγιστη ανάλυση

4 Επεξεργαστής Γραφικών Ρόλος: Συνεπεξεργαστής (coprocessor) Επιταχυντής (accelerator) γραφικών (α) ως συνεπεξεργαστής, βοηθά τον κεντρικό επεξεργαστή στο να εκτελέσουν µαζί τις απαραίτητες εργασίες, (β) ως επιταχυντής γραφικών. δέχεται εντολές από τον κεντρικό επεξεργαστή και τις εκτελεί αυξάνοντας την ταχύτητα εκτέλεσης της συνολικής εργασίας. Πχ. Radeon X800XL, Geforce 6600GT Χρονισµός (τυπικές τιµές): 350, 400, ή 500 MHz

5 Μνήµη Video-RAM Η video RAM αποτελεί ουσιαστικά µια ενδιάµεση αποθηκευτική µονάδα (buffer) Όσο µεγαλύτερη είναι η video RAM τόσο υψηλότερες αναλύσεις οθόνης και βάθος χρώµατος µπορεί να προσφέρει η κάρτα Χαρακτηριστική απαίτηση για τη video RAM είναι να αποκρίνεται γρήγορα στις αιτήσεις ανάγνωσης δεδοµένων ώστε να επιτρέπει υψηλούς ρυθµούς ανανέωσης της εικόνας στην οθόνη

6 Μέγιστη ανάλυση, Βάθος χρώµατος, ίαυλος Μέγιστη ανάλυση: UXGA (1600x1200) (ενδεικτικά) Βάθος χρώµατος: πραγµατικό χρώµα (24 bit) ίαυλος επικοινωνίας µε τονη/υ AGP (Accelerated Graphics Port) PCI Express

7 RAMDAC RAMDAC: µετατρέπει την ψηφιακή πληροφορία των εικονοστοιχείων σε αναλογική για την οδήγηση των κυκλωµάτων της οθόνης CRT «ρυθµός ανανέωσης» (refresh rate) πόσες φορές ανά δευτερόλεπτο µπορεί το κύκλωµα RAMDAC να ανανεώνει την πληροφορία της οθόνης. flickering σε ρυθµούς ανανέωσης µικρότερους από 60 Hz ελάχιστοι το διακρίνουν πάνω από τα 72 Hz Hz: θεωρείται ως εξαιρετικά ικανοποιητικός για κάθε παρατηρητή.

8 Σύνδεση µέσω θύρας DVI Digital Video Interface Σύνδεση µε οθόνες LCD αποκλειστικά µε χρήση ψηφιακού σήµατος ηλ. χωρίς µετατροπή από ψηφιακό σε αναλογικό µέσω RAMDAC

9 Οθόνες CRT Cathode Ray Tube

10 Αρχή λειτουργίας Η τεχνολογία CRT µετατρέπει ηλεκτρικά σήµατα σε εικόνα χρησιµοποιώντας το φαινόµενο του φωσφορισµού Η ένταση αυτής της φωτεινής ακτινοβολίας είναι δυνατόν να ρυθµιστεί καθορίζοντας την ένταση της δέσµης των ηλεκτρονίων που διεγείρει τον φωσφόρο.

11 Χαρακτηριστικά στοιχεία Τα χαρακτηριστικά στοιχεία µιας οθόνης CRT είναι: ο µηχανισµός εκποµπής ηλεκτρονίων (γνωστός και ως «κανόνι» ηλεκτρονίων) ο µηχανισµός στόχευσης, και η οθόνη προβολής, καλυµένη µε στρώµα φωσφόρου

12 Έγχρωµες οθόνες Μηχανισµός οθόνης CRT: (Α) Εκποµπή ηλεκτρονίων από την κάθοδο, (Β) Εσωτερικό της συσκευής καλυµµένο από ειδικό υλικό για την αποµάκρυνση της δευτερογενούς ακτινοβολίας ηλεκτρονίων, (D) Πλαίσιο για τη ρύθµιση της σωστής πρόσπτωσης της δέσµης (Shadow mask), (E) Τρεις δέσµες ηλεκτρονίων µία για κάθε χρώµα RGB, (F) Λεπτοµέρεια του shadow mask και της πρόσπτωσης των δεσµών στα σηµεία του φωσφόρου στην οθόνη

13 Βασικά Χαρακτηριστικά Μέγεθος διαγωνίου, πχ. 17 Στην πράξη: η διαγώνιος του ενεργού µέρους της οθόνης είναι πάντοτε µικρότερη από το ονοµαστικό µέγεθός του µόνιτορ Dot Pitch (Βήµα κουκκίδας) Θεωρητικά: απόσταση µεταξύ των διαδοχικών τριάδων φωσφόρου Στην πράξη: το βήµα κουκκίδας είναι η απόσταση ανάµεσα στις διαδοχικές οπές του πλέγµατος (shadow mask) Τυπικές τιµές: ανάµεσα σε 0.2 και 0.3 χιλιοστά, πχ mm ιαπλεκόµενη σάρωση (Interlacing) ιαπλεκόµενη είναι η σάρωση σε ένα µόνιτορ όταν η δέσµη των ηλεκτρονίων σαρώνει δύο φορές την οθόνη για να δηµιουργήσει µια ολοκληρωµένη εικόνα.

14 Οι οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD)

15 Τι είναι ένας υγρός κρύσταλλος Υγρός κρύσταλλος: υλικό που βρίσκεται πλησιέστερα στην υγρή παρά στη στερεά φάση. Χρειάζεται µικρή ποσότητα θερµότητας για να µετατραπεί σε κανονικό υγρό Οι υγροί κρύσταλλοι είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στις αλλαγές της θερµοκρασίας και χρησιµοποιούνται πχ. για την κατασκευή θερµοµέτρων.

16 Κατηγορίες υγρών κρυστάλλων θερµοτροπικοί (thermotropic) λυοτροπικοί (lyotropic) Οι θερµοτροπικοί αντιδρούν στις αλλαγές της θερµοκρασίας ισοτροπικοί (isotropic) νηµατικοί (nematic) Συνεστραµµένοι νηµατικοί κρύσταλλοι (Twisted Nematic ή ΤΝ): εµφανίζουν ένα είδος οργανωµένης στρέψης κάθε νέου στρώµατος µορίων σε σχέση µε το προηγούµενο. ο βαθµός στρέψης της δοµής των µορίων τους επηρεάζεται από την εφαρµογή ηλεκτρικής τάσης στα άκρα του κρυστάλλου

17 Τι είναι µια Οθόνη Υγρών Κρυστάλλων Οθόνες υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Displays ή LCDs) πρωτοεµφανίστηκαν αρχές της δεκαετίας το 70. Αρχή λειτουργίας LCD αποτελείται ουσιαστικά από έναν πίνακα στοιχειωδών κελιών υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystall Cell ή LCC). Ένα LCC λειτουργεί ως «διακόπτης» φωτός, δηλ. µπορεί να καθορίζει αν θα περνά από την άλλη πλευρά η φωτεινή δέσµη που προσπίπτει σ αυτό. Σε ένα LCD εποµένως εκείνο που γίνεται είναι να καθορίζεται το ποσοστό του φωτός που µπορεί να περνάει µέσα από κάθε LCC έτσι ώστε να σχηµατίζεται η επιθυµητή εικόνα.

18 ΗλειτουργίατωνLCC Βασίζεται στα εξής σηµαντικά χαρακτηριστικά των υγρών κρυστάλλων: (α) Η δοµή τουυγρού κρυστάλλου επηρεάζει το επίπεδο ταλάντωσης του πολωµένου φωτός (β) Η δοµή του υγρού κρυστάλλου αλλάζει µε την εφαρµογή ηλεκτρικής τάσης

19 Σχεδίαση Passive Matrix Τα εικονοστοιχεία (LCC) οργανώνονται σε πίνακα Για να ενεργοποιηθεί κάποιο LCC (δηλ. pixel) πρέπει να σταλεί ηλεκτρικό σήµα στην κατάλληλη γραµµή και στήλη που προσδιορίζουν τη θέση του. Ρυθµίζοντας το ηλεκτρικό σήµα και το χρόνο εφαρµογής του στο κρύσταλλο είναι δυνατόν να επιτευχθούν 256 διακριτές καταστάσεις φωτεινότητας του LCC στη µονοχρωµατική απεικόνηση (από το απόλυτο λευκό µέχρι το απόλυτο µαύρο). Οι γρήγορες µεταβολές στην εικόνα δεν µπορούν να παρουσιαστούν σωστά

20 Σχεδίαση Active matrix Ευρύτερα γνωστή µε την ονοµασία Thin Film Transistors (TFT). Ο έλεγχος και η εφαρµογή της τάσης σε κάθε εικονοστοιχείο γίνεται από ειδικό κύκλωµα µε τρανζίστορ εγκατεστηµένο πίσω από το στρώµα του υγρού κρυστάλλου. Το TFT δρα ως διακόπτης για το εικονοστοιχείο.

21 Χαρακτηριστικά των LCD οθονών (1/3) Χρωµατική απόδοση (Color gamut) Ποικιλία χρωµάτων που µπορεί να αποδώσει η οθόνη Πολλές οθόνες LCD είναι 6-bit ηλ. υποστηρίζουν (2^6)^3 = 2^18 αποχρώσεις Προσοµοιώνουν το πραγµατικό χρώµα (2^8^3=24bit) µε τεχνικές dithering Επίπεδο µαύρου (Black level) Οι οθόνες LCD χρησιµοποιούν κάποια πηγή φωτός Πχ. Cold Cathode Fluorescent Lights (CCFL) ή LED Όταν οι κρύσταλλοι είναι «κλειστοί» (off) δεν πρέπει να περνά φως Το Black Level µετρά τα nits (candelas/m 2 ) εκπέµπονται όταν παρουσιάζεται «µαύρο» στην οθόνη (δηλαδή την φωτεινότητα)

22 Χαρακτηριστικά των LCD οθονών (2/3) Χρόνος απόκρισης (Response time) Ο χρόνος που χρειάζεται ο κρύσταλλος για να µεταβεί από την κατάσταση on στην off Ποικίλλει ανάλογα µε την ιδιαίτερη κατασκευή (τύπο) της οθόνης αλλά και τον τρόπο µέτρησης του κατασκευαστή Τυπικές τιµές: < 8ms (αρκετά µικρός χρόνος, γρήγορη οθόνη) >16ms (µεγάλος χρόνος, αργή οθόνη)

23 Χρόνος Απόκρισης Χρόνος Απόκρισης: T rise + T fall

24 Χαρακτηριστικά των LCD οθονών (3/3) Γωνία θέασης (Viewing angle) Ηγωνία(σε σχέση µε την κάθετη) µέσα στην οποία η θέαση της εικόνας στην οθόνη παραµένει αναλλοίωτη Είσοδοι σήµατος (Input) VGA (Video Graphics Array) Αναλογικό DVI (Digital Visual Interface) Ψηφιακό

25 Τύποι οθονών LCD TN (Twisted Nematic) Ενεργά Pixels (active) µαύρα / (ανενεργά λευκά) Γρηγορότερος χρόνος απόκρισης της οικογένειας LCD (χωρίς χρήση overdrive) Μειωµένη (σχετικά) γωνία θέασης και πιστότητα χρωµάτων / Χαµηλή αντίθεση (contrast) Χρώµα 6-bit P-MVA (Premium Multidomain Vertical Alignment) Ενεργά Pixels (active) λευκά / (ανενεργά µαύρα) εύτερος γρηγορότερος χρόνος απόκρισης (χωρίς χρήση overdrive) Βελτιωµένη γωνία θέασης (~45 ο ) σε σχέση µε ΤΝ Υψηλή αντίθεση (contrast)

26 Υποστηριζόµενες Αναλύσεις 5:4 4:3 1280x1024 για 17" & 19 «Τετραγωνισµένη» µέγιστο εµβαδόν 1600x1200 σε 20.1" 16: x1050 σε 20.1", 1920x1200 σε 24" Η ανάλυση των περισσότερων "widescreen" οθονών 16:9 1280x720, 1920x1080 Η κανονική widescreen ανάλυση

27 Η τεχνική Overdrive Ηαπότοµη («βίαιη») αύξηση της τάσης στον κρύσταλλο λίγο πάνω από τα επιτρεπτά όρια ώστε να αυξηθεί η ταχύτητα αλλαγής κατάστασης

28 Σύγκριση CRT & LCD οθονών Πλεονεκτήµατα των CRT Ωριµότερη τεχνολογία (χαµηλότερη τιµή ;;) Καταλληλότερη επιλογή για εξαιρετικά υψηλές αναλύσεις οθόνης Μεγαλύτερη γωνία θέασης που επιτρέπει την ταυτόχρονη παρατήρηση από πολλούς χρήστες και σε διαφορετικές γωνίες Μικρότερος χρόνος απόκρισης Καλύτερες για την παρουσίαση full-motion video καθώς υποστηρίζουν ταχύτερους ρυθµούς ανανέωσης οθόνης. Υψηλή αντίθεση Απόλυτο µαύρο

29 Πλεονεκτήµατα των LCD Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής κάτι που σηµαίνει τελικά µικρότερο κόστος για την αναµενόµενη διάρκεια ζωής τους Απαιτούν µικρότερο χώρο για την τοποθέτησή τους. Σε χώρους µε άπλετο φωτισµό περίγυρου αποτελούν καλύτερη επιλογή εν εµφανίζουν το πρόβληµα του flickering Ηαπαιτούµενη ισχύς λειτουργίαςτουςείναιχαµηλότερη (µέχρι και 1/3 λιγότερο από τις CRT) εν παράγουν κανενός είδους δευτερεύουσες ακτινοβολίες ύποπτες για παρενέργειες (πχ. ακτινοβολία Χ στις CRT) Πιο ξεκούραστες;;

30 Οθόνες Αφής

31 Οθόνες αφής (Touchscreen) Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες οθονών αφής, ανάλογα µε τον τρόπο κατασκευής τους: Αντιστατικές (resistive) Χωρητικές (capacitive) Ακουστικού κύµατος (acoustic wave)

32 Αντιστατικές (resistive) πάνω στην οθόνη: δύο αγώγιµες και διάφανες επιφάνειες διατηρούνται σε εξαιρετικά µικρή απόσταση µεταξύ τους (της τάξης των µ) ένα χαµηλής έντασης ηλεκτρικό ρεύµα διαπερνά τις δύο επιφάνειες Η πίεση µε το δάχτυλο ή µε ένα άλλο αντικείµενο σε κάποιο σηµείο φέρνει τις δύο αγώγιµες επιφάνειες σε επαφή η αλλαγή στην ηλεκτρική τάση επιτρέπει στον οδηγό της οθόνης να καταγράψει τις συντεταγµένες του σηµείου όπου ασκήθηκε πίεση

33 Χωρητικές (capacitive) πάνω στην οθόνη: ένα στρώµα υλικού µε χωρητικές ιδιότητες, δηλ. µπορείναλειτουργήσειωςπυκνωτής και να φορτισθεί ηλεκτρικά. Όταν ο χρήστης ακουµπήσει σε ένα σηµείο, ένα µέρος του φορτίου µετακινείται µέσω του δαχτύλου και το στρώµα εκφορτίζεται µερικά. Με βάση αυτή τη µικρή εκφόρτιση ειδικά κυκλώµατα, µπορούν να υπολογίσουν το ακριβές σηµείο της επαφής

34 Ακουστικού κύµατος (acoustic wave) Πάνω στην οθόνη: ένα ζευγάρι αναµεταδοτών κύµατος ακουστικής συχνότητας (πχ. στην περιοχή των υπερήχων) τοποθετείται κατά µήκος κάθε διάστασης της οθόνης. Από τους αναµεταδότες ο ένας εκπέµπει και ο άλλος λαµβάνει το σήµα Αν κάτι διακόψει την µετάδοση του σήµατος ακουµπώντας την οθόνη, το σύστηµα τωναναµεταδοτών είναι σε θέση να το αισθανθεί και να εντοπίσει τις συντεταγµένες του.