Свет и цвет
Хотя конечный результат должен быть один и тот же — качественное цветное киноизображение (под «кино» подразумевается подвижное) без помех и дрожаний, непрерывное в динамике для каждого устройства, технически оно создается совершенно по-разному. И даже иногда возникает только в сознании зрителя.
Кинематограф
Рис. 1. Мальтийская система кинопроектора
Как известно, основой кинематографа, телевидения и всех других техногенных способов, создающих ощущение непрерывного движения на экране, является способность подсознания зрителей сохранять изображение в течение 0,05–0,06 секунды после его исчезновения. В профессиональном кинематографе реализуется прерывистое движение кинопленки с частотой 24 кадра/с. Широко применяемый механизм продергивания пленки с четырехлопастным мальтийским крестом иллюстрируется на рис. 1. Здесь, на валу мальтийского креста, укреплен скачковый барабан, венцы которого, выполненные из твердого сплава и содержащие по 16 зубцов, входят в перфорационные отверстия демонстрируемой фильмокопии. Мальтийский крест поворачивается на четверть оборота, что соответствует одному кадру (4 парам перфораций и зубцов барабана) каждый раз, когда палец эксцентрика входит в одну из прорезей лопасти креста. Вращение эксцентрика осуществляется механизмом проектора через приводную шестерню. При работе проектора эта шестерня с эксцентриком равномерно вращаются, что обеспечивает прерывистое движение мальтийского креста, зубчатого барабана и, следовательно, фильмокопии в кадровом окне.
На рисунке для наглядности показана только часть фильмового канала, содержащая кадровое окно. На самом деле этот канал длиннее, и до входа в него есть еще один зубчатый барабан, вращающийся непрерывно, а между ним и входом в фильмовый канал пленка образует свободную петлю длиной в несколько кадров. Такая же петля предусмотрена и после прохода пленки зубчатого барабана, что необходимо для сочетания прерывистого движения пленки в фильмовом канале с непрерывным в каналах фонограммы, подачи и приема ленты бобышками.
В данном случае, при проекции с частотой 24 кадра/с, равной частоте вращения эксцентрика, продергивание каждого кадра в фильмовом канале происходит за 1/96 с, а в течении 3/96 с он неподвижен и может проецироваться. Чтобы исключить заметность смазов изображения на экране при кадросменах, световой поток проектора, поступающий в кадровое окно, перекрывается обтюратором, т.е. экран гасится. При этом сами продергивания кадров становятся незаметными, но смена освещенного и темного экрана (с частотой 24 Гц) воспринимается зрителями как неприятные мелькания, утомляющие зрение. Для устранения эффекта мельканий необходимо, чтобы частота затемнений при проекции кинофильмов была не меньше так называемой критической частоты, зависящей от яркости и угла визирования экрана. В кинематографе считается, что при нормативной яркости экрана 25–50 кд/м2 критическая частота мельканий составляет 48–52 Гц. Поэтому в кинопроекторах часто применяется двухлопастный обтюратор, перекрывающий кадровое окно (световой поток проектора) дважды за один оборот эксцентрика: один раз при смене кадра и второй, на такое же по длительности время (1/96 с) — в середине его демонстрации.
Таким образом, в кинотеатре нам показывают чередование цветных слайдов и темного экрана с частотой мельканий, близкой к критической по утомляемости зрения.
Кинескопные телевизоры и компьютерные мониторы
Рис. 2. Чересстрочная развертка в кинескопе
Визуализирующим устройством телевизоров является кинескоп, содержащий три электронные пушки R, G и B, излучающие пучки электронов, воздействующие на цветные люминофоры соответствующих пикселей экрана. Эти три луча являются единственными источниками энергии, обеспечивающими свечение пикселей с интенсивностями, зависящими от токов лучей. Поэтому они последовательно воздействуют на все пиксели экрана, сканируя его по строкам слева направо и сверху вниз, что обеспечивается электромагнитной отклоняющей системой, устанавливаемой на горловине кинескопа. При отображении очередного кадра сканирование возобновляется, но для того, чтобы не видеть траекторию возврата лучей в исходное положение, электронные пушки на это время запираются. Получается, что в любой момент на прямом ходе развертки электронные лучи воздействуют только на один цветной пиксель экрана. Поэтому люминофоры покрытия экрана кинескопа должны обладать послесвечением. Так как визуальная яркость ТВ экрана по закону Тальбота определяется как ее среднее значение за период отображения, основная ее доля определяется послесвечением люминофора. Поэтому желательно, чтобы пиксели экрана кинескопа слабо угасали, пока сканируется кадр, и переставали светиться непосредственно перед началом отображения следующего кадра.
Разумеется, опыт кинематографа был использован при создании телевидения. Было учтено, что для того, чтобы свечение экрана кинескопа воспринималось зрителями без мельканий, необходимо повторять возбуждение всего экрана 48–50 раз в секунду. Кроме того, всегда актуальной является проблема ограничения полосы частот, занимаемой спектром видеосигнала, которая пропорциональна количеству ежесекундно передаваемой информации. Обе проблемы (мельканий и сокращения полосы частот) решены в телевидении путем применения чересстрочной развертки. Ее сущность заключается в том, что полный кадр (Frame) изображения развертывается, т.е. передается и отображается в два поля (Field). В первом поле развертываются нечетные строки растра, а во втором — четные. Каждое из полей представляет собой растр с вдвое меньшим числом строк, чем у полного кадра, т.е. содержит половину зрительной информации, как показано на рис. 2 .
По ряду причин телевизионные поля передаются с частотой сети электропитания. Это удобно для стран с сетью 50 Гц, так как эта частота попадает в диапазон допустимых частот мельканий, а ее половина близка к кинематографической частоте 24 к/с. В странах с частотой сети 60 Гц транслируемый по телевидению кинофильм приходится приспосабливать для показа с кадровой частотой 30 Гц (растяжка 2:3). Напомним также, что число кадровых строк у систем PAL/SECAM и NTSC получилось разным, 625 и 525 соответственно, из которых 576 и 480 видимы на экране, а остальные приходятся на обратный ход развертки, т.е. на интервалы гашения экрана. Обычные телевизоры рекомендуется смотреть на не менее чем 5-кратном расстоянии по отношению к высоте кинескопного изображения, что ослабляет его влияние как источника невидимых паразитных излучений, вредно действующих на зрение. Это расстояние соответствует полю зрения экранного изображения по вертикали около 11° или не менее чем 660 строкам пикселей экрана. Если руководствоваться критерием слитного восприятия строк, то не более одной угловой минуты на каждую из них. К сожалению, пикселизация экрана типовых телевизоров не превышает уровня 640х480 или VGA в терминологии компьютерной графики, что гораздо меньше необходимых 800х600 (SVGA) по критерию Найквиста (теореме Котельникова) при полосе частот канала изображения 6 МГц, и обусловливает появление муаров на изображении с периодическими структурами.
В последнее время размеры экранов телевизоров и их яркость значительно увеличились, и стали заметнее проявляться такие недостатки чересстрочной развертки, как мелькания изображения с частотой полей, отдельных строк четного или нечетного поля с частотой 25 Гц. Мелькание с частотой полей стало особенно заметно на новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях большой внешней засветки. Это явление усугубляется тем, что зрители часто наблюдают изображения на малом расстоянии от экрана, т.е. в повышенном поле зрения, когда в процесс восприятия вовлекаются периферийные участки сетчатки глаз, обладающие меньшей инерционностью к световому возбуждению. Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизонтальных границах и наклонных структурах изображения, особенно при наблюдении алфавитно-графической информации с близкого расстояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четкости изображения по вертикали.
Таким образом, по телевизору нам предлагается смотреть вредные для зрения изображения, визуализируемые в виде последовательности послесвечений люминофоров экрана кинескопа и мелькающие с недостаточной частотой.
На эти неприятные особенности обратили внимание при разработке кинескопов для персональных компьютеров (ПК). Выяснилось, что 625-строчное изображение с построчной (прогрессивной) разверткой эквивалентно примерно 900-строчному изображению с чересстрочной разверткой. Поэтому с самого начала перешли к прогрессивной развертке. Так как компьютерный оператор находится на близком расстоянии от экрана, и на ПК не распространяются вещательные ограничения на ширину полосы частот, занимаемую видеосигналами, стартовая частота кадров 60 Гц, число строк и пикселизация экрана растра у компьютерных мониторов стали увеличиваться, достигнув сегодня значений 150 Гц и 1600x1200 (UXGA). Обратили внимание и на красные глаза тех, кто по роду деятельности или в силу своего фанатизма долгое время общается с компьютером, выпустив серию мониторов Low Radiation с встроенной экранировкой паразитных излучений. Но существенными недостатками кинескопных мониторов применительно к использованию в электронном кинотеатре продолжают оставаться небольшие размеры экрана и громоздкость конструкции.
Жидкокристаллические проекторы
Рис. 3. Оптическая схема проектора с отражающими ЖК-панелями
Впервые проектор с просветной ЖК-панелью был выпущен японской фирмой Sharp 15 лет назад. Он назывался SharpVision XV-100, содержал одну большую ЖК-панель с фильтрами RGB и проецировал на экран размерами 2х1,5 м. Как известно, ЖК-пиксель представляет собой сэндвич из скрещенных поляризаторов с полевым транзистором и конденсатором с прозрачными обкладками, заполненными жидкокристаллической средой. Прозрачность пикселя зависит от управляющего напряжения. В обесточенном состоянии ЖК-панель прозрачна, с ростом управляющего напряжения сдвиг поляризации, вносимый жидкими кристаллами, и прозрачность пикселя уменьшаются до нуля. Основной проблемой, которая стояла при создании и совершенствовании ЖК-проекторов, была и остается инерционность жидкокристаллических пикселей, оцениваемая постоянной времени или временем отклика, складывающимся из времени нарастания и времени спада. В ЖК-панелях почти всех проекторов до сих пор используются холестерические жидкие кристаллы типа ТN (Twisted Nematic), характеризующиеся постоянной времени порядка 20 мс. Так как длительность активной части строки гораздо меньше (0,052 мс для систем PAL и SECAM), управлять прозрачностью пикселей в реальном времени вдоль строк растровых изображений невозможно. Поэтому уже в первых ЖК-проекторах при переходе к очередному кадру применялось и одновременное изменение прозрачности пикселей целой группы строк в количестве, зависящем от емкости и цены существовавших в то время микросхем буферной памяти. Сегодня это память на целый кадр, и так как формирование очередных управляющих напряжений на все пиксели ЖК-панелей занимает время, равное длительности одного кадра, они проецируются с задержкой на один кадр относительно поступающих в отображаемых видеосигналах. При этом нет необходимости в электронном или обтюраторном гашении экрана, и последующие кадры изображений на экране возникают не через черное поле, как в кино и телевидении, а появляются (как бы вырастают) из предыдущих с быстродействием жидких кристаллов. При этом иногда заметны тянущиеся продолжения на динамичных фрагментах кадра, зато в остальном ЖК-изображения смотрятся превосходно.
Заметим, что проекторы Sony на отражающих панелях технологии SXRD (Silicon X-tall Reflective Display), в которых используются жидкие кристаллы VA (Vertically Aligned), отличаются лучшим быстродействием, по сравнению с аналогами технологий D-ILA и LCOS, и уменьшенным до 5 мс временем отклика. Его дальнейшее уменьшение теперь уже не столь актуально.
Впервые технология SXRD была реализована в прошлом году в проекторе Sony Qualia 004 (1500 ANSI-лм, 2К), о чем уже сообщалось. На недавней выставке Infocomm'2004 (9–11 июня, Атланта, США) демонстрировались две новинки проекторов технологии SXRD с разрешением 4096х2160: модели Sony SRX-R105 и SRX-R110 со световым потоком 5000 и 10000 ANSI-lm соответственно. Обе новинки удовлетворяют критериям SMPTE 292M, 372M и предложены комиссии DCI в Голливуде для D-Cinema (см. «Прощай, пленка», №7'04) как альтернатива проекторам категории DLP-Cinema.
Таким образом, ЖК-проекторы создают немелькающие и безвредные для зрения изображения, визуализируемые в виде последовательности слайдов со сдвигом по времени на один кадр относительно исходных.
Аналогично работают плоские телевизоры на основе ЖК-матрицы, только там используется одна ЖК-панель, а цветное изображение создается тремя светофильтрами (см. «ЖК-дисплеи», №6'04).
Плазменные дисплеи
Рис. 4. Формирование цветов у PDP, содержащей 768 линий пикселей с трехразрядным полевым разбиением. Общая продолжительность 16,7 мс складывается из трех участков записи по 768і3 мкс » 2,3 мс и интервалов 5,6, 2,8 и 1,4 мс, в течение которых все адресованные ячейки включены. В первой строке каждой пары строк показаны примеры загорающихся RGВ-ячеек, составляющих на экране горизонтальную полосу, а во второй — интегральная цветность этой полосы, получающаяся в результате зрительного усреднения их цветов
Первые серийные образцы Plasma Display Panel (PDP) демонстрировались на Telecom’95. Как известно, плазменный экран состоит из множества светоизлучающих ячеек R, G и В, образующих цветные пиксели. Их видимое свечение возникает в результате воздействия на люминофоры ультрафиолетового излучения из плазменной среды разреженных инертных газов, заполняющих ячейки. Лицевая часть плазменного экрана представляет собой сэндвич из стеклянной пластины, диэлектрического слоя с прозрачными шинами разрядных электродов, защитного слоя и непрозрачных перегородок, разделяющих поверхность экрана на пиксели и ячейки. Задняя часть экрана состоит из подложки с шинами адресных электродов, диэлектрического слоя и перегородок, стенки которых и основания покрыты люминофорами чередующихся цветов. В процессе сборки панели пространство между ее половинами заполняется смесью разреженных инертных газов.
Зажигание ячейки происходит только при превышении определенного уровня напряжения на разрядных электродах, уменьшающегося при подаче напряжения на адресный электрод (Data). Быстро выключить зажегшуюся ячейку можно только замыканием разрядных электродов. Так как ячейки PDP могут находиться только во включенном (светоизлучающем) или выключенном состоянии, воспринимаемая зрением интенсивность их свечения регулируется изменением относительного времени нахождения каждой из них во включенном состоянии. Для этого полный кадр NTSC отображается на PDP в течение длительности каждого поля 16,7 мс с разбиением по времени как минимум на восемь субполей (sub-field, SF) с весовыми коэффициентами их длительностей, соответствующими восьмиразрядному кодированию.
Каждое из SF содержит по два основных участка, в течение первого из которых на ячейки нужных для отображения данного кадра пикселей, в прогрессивной последовательности по горизонтали и вертикали, поступает сигнал, подготавливающий их к зажиганию в каждом SF. Время записи с учетом первичной инициализации и адресации составляет 3 мкс на одну линию пикселей. Вторые участки каждого субполя состоят из времени свечения и выключения пикселей.
Получается, что изображение на PDP в любой момент времени не соответствует по цветности реальному и пропадает вовсе восемь или более раз в течение каждого поля. Поэтому, хотя изображение здесь не разворачивается в реальном времени вдоль строк, как в телевизорах, а синтезируется по сигналам кадровой памяти, его нельзя считать спокойным, как от ЖК-проекторов, так как зрению приходится выполнять низкочастотное усреднение цветности. Что же касается вредных излучений, то у PDP они отсутствуют, так как даже обычное стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение.
Таким образом, PDP показывают последовательность изображений с RGB-ячейками пикселей, мелькающими с частотой, достаточной для слитного восприятия реальной цветности.
Микрозеркальные DLP-проекторы
Рис. 5. Структура пикселя DMD
Рис. 6. Оптическая схема DLP-проектора
Первый цифровой проекционный блок, запатентованный под торговой маркой DLP (Digital Light Processing), фирма Texas Instruments представила весной 1996 года. Его основу составляет микрозеркальный чип DMD (Digital Micromirror Device), выполняющий функцию модулятора света. Микрозеркала размером не более 16і16 мкм, количество которых зависит от разрешения проектора, крепятся на подложке DMD с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться и занимать крайние положения, соответствующие попаданию отражаемого ими света в проекционный объектив, или нет. Каждый пиксель содержит управляющий и пару адресных входов (рис. 5). Комбинация управляющего и адресного напряжений отклоняет зеркало к одному из крайних положений, соответствующих состояниям «включено» и «выключено». Время оптического переключения состояний микрозеркал не превышает 2 мкс, а управление их положением осуществляется широтно-импульсной модуляцией.
Совершенные DLP-проекторы содержат DMD-чипы в каждом канале первичных цветов RGB, и уровень цветовых составляющих светового потока по каждому пикселю определяется относительным временем нахождения зеркала во включенном положении на интервалах каждого поля. Его длительность подвергается 10-разрядной дискретизации, обеспечивающей 1024 уровня светового потока по каждому пикселю в каналах первичных цветов. Остальное базируется на способности зрения усреднять мгновенные яркости и цветовые оттенки всех пикселей экранного изображения. Для того, чтобы это получалось лучше, применяется увеличение частоты коммутации пикселей путем преобразования длинных импульсов включения пикселей в совокупность более коротких той же общей продолжительности в пределах каждого поля.
Подавляющее большинство DLP-проекторов реализовано по одночиповой технологии, т.е. содержат стеклянный вращающийся RGB-светофильтр, разделенный на 3, 4 (1 белый) или 6 секторов. Пример оптической схемы такого проектора показан на рис. 6. Очевидно, здесь глазам приходится делать, кроме высокочастотного усреднения яркости, низкочастотное усреднение цветности, так как изображение на всем экране появляется последовательно в первичных цветах. С ранее применяемым светофильтром, содержащим три цветных сектора, частота смены цветов составляет 150 Гц (180 Гц для системы NTSC), что недостаточно для исключения зрительных артефактов. К ним относится, например, эффект «радуги», заключающийся в том, что зритель видит вместо однотонного цвета вспышки первичных цветов, особенно если быстро переводит взгляд по диагонали с одного фрагмента изображения на другой. Замечено также, что усталость зрения при длительных просмотрах и субъективность восприятия цветовой палитры изображения в целом здесь больше, чем для трехчиповых проекторов DLP или других технологий. Поэтому работы по придумыванию новых вращающихся фильтров продолжаются. К ним относятся спиральные, с удвоенной частотой вращения, с семью секторами.
Таким образом, изображение с реальной цветностью от одночиповых DLP-проекторов возникает не на экране, а только в подсознании зрителей.
На выставке Infocomm'2004 фирма Texas Instruments, патентодержатель DLP-технологии, распространяла брошюру. Из нее следует, что в настоящее время выпускается 168 моделей DLP-проекторов, самый мощный из которых, Barco XLM H25, выдает световой поток 27000 ANSI-lm, разрешение 2048x1080 и весит около 170 кг, а самый маленький Infocus LP120 — 1000 лм (ANSI), 1024x768, 0,9 кг, 250x53x94 мм. Любопытно, что в этой брошюре нет сведений о количестве DMD-чипов в конструкции DLP-проекторов, хотя около 40% из них с потоком до 3200 лм позиционированы для домашнего кинотеатра.