Плоскопанельные мониторы и цифровой видеоинтерфейс

Плоскопанельные мониторы и цифровой видеоинтерфейс



Всем хорош монитор с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ):

	он может отображать цветовую палитру в 16М оттенков (это во много раз больше, чем воспринимает человеческий глаз);

	прекрасная разрешающая способность (количество пикселей, составляющих экранную матрицу, перевалило за 2 млн);

	возможно изменение режимов отображения (монитор без проблем и искажений воспроизводит старую грубую графику) и масса других достоинств.

Однако со временем стали все более заметны их недостатки:

	мониторы большие и занимают много места на столе,

	они тяжелые (масса 10...15 кг у 15", 16...18 кг у 17"),

	они потребляют много электроэнергии — порядка 80...110 Вт (и это в то время, когда западные пользователи и производители помешаны на энергосбережении),

	электронно-лучевая трубка является источником вредных воздействий на человека и окружающую среду.

Для построения мониторов с иными, чем у ЭЛТ-мониторов, эксплуатационными свойствами должны быть использованы другие технические принципы и материалы с иными свойствами. Они должны быть способны к каким-нибудь электрооптическим эффектам.

Экраны плоскопанельных (или просто плоских) мониторов строятся на так называемых жидких кристаллах (Liquid Crystall Display — LCD) — веществах, под воздействием тока изменяющих светопрово-димость.

Между двумя стеклами (поляризатор и анализатор) слоем в несколько десятков микрон помещается жидкокристаллическое (ЖК) вещество. В упрощенном виде его свойства можно описать следующим образом. Молекулы ЖК-вещества упорядочены (ориентированы) в одном направлении. Под воздействием электрического поля ориентация меняется — вызывается эффект поляризации.

На стекла нанесены вертикальные и горизонтальные проводники, образующие поляризационные решетки. Пересекающимися проводниками ЖК-вещество организуется в виде отдельных ячеек. Их множество имеет матричную организацию. Со стороны поляризатора размещаются источники света. Существует несколько типов системы подсветки: просвет-ная, отражательная, просветно-отражательная.

Для адресации ячеек матрицы используются различные алгоритмы подачи сигналов на вертикальные и горизонтальные линии координатной решетки (однокоординатный, статический двухкоординатный, динамический двухкоординатный).

Для управления пропускающей способностью экрана на жидких кристаллах может быть использовано несколько технических приемов. Технология STN (Super Twisted Nematic) проще в реализации, технология DSTN (Doul-scan Super Twisted Nematic) обеспечивает большую контрастность изображения.

Жидкокристаллические матрицы бывают двух типов. В пассивной матрице (Passive Matrix) на вещество ячеек действует только поле, создаваемое проводниками поляризационной решетки. В активной матрице (Active Matrix) для воздействия на вещество ячейки используется специальный транзистор, а управление им выполняется через поляризационную решетку.

Пассивные матрицы чаще всего применяли для построения черно-белых (точнее бело-серо-черных) экранных панелей. Из употребления они уже практически вышли.

Для построения высококачественных цветных экранов (в ноутбуках, плоских мониторах, демонстрационных панелях) используют активные TFT-матрицы. В структуру жидкокристаллического экрана вводится матрица тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor — TFT, отсюда и название технологии). Один транзистор управляет одной ячейкой. Экранный пиксель составляют три ячейки, они имеют различные световые фильтры (красный, зеленый, синий).

Образно говоря, ячейка — это "стаканчик", заполненный ЖК-вещест-вом. Донышки у "стаканчиков" в составе одного пикселя разноцветные — красные, зеленые и синие. Через ЖК-вещество, когда оно прозрачно, проходят окрашенные световые потоки.

В мониторах с ЭЛТ на экране без проблем организуются матрицы с любыми параметрами (количество пикселей в строке и количество строк). Плоскопанельные мониторы не имеют такой возможности. Матрица определенной разрядности встроена в отображающую панель. Она образует реальную (физическую) разрешающую способность. Чаще всего строится один из следующих вариантов матрицы:

640x480 (применительно к плоскопанельным мониторам этот режим называется VGA); •

800x600 (SVGA);

1024x768 (XGA — extended Graphic Array); 1280x1024 (SXGA).

Для создания больших жидкокристаллических экранов и панелей используются матрицы других форматов: 

1400x1050 (SXGA+);

1920x1080 (HDTV — экран нового TV-формата High Definition Tele-Vision с отношением сторон 16x9);

2048x1536 (QXGA — QuadXGA, учетверенный XGA-экран).

Плоские мониторы с жидкокристаллическими экранами имеют много положительных качеств:

	они тонкие, хоть на стенку вешай (к этому все когда-нибудь и придет);

	масса — 4...6 кг;

	потребление 25...40 Вт;

	никаких вредных излучений.

Это достоинства "общего" плана. Кроме них есть, качества, которые сразу "бросаются в глаза" работающему с ними пользователю.

Яркость. В мониторах с ЭЛТ она прямо пропорциональна энергии, излучаемой "электронными пушками". Просто так их мощность не повысишь, неизбежны побочные эффекты. В плоских мониторах яркость свечения зависит от интенсивности подсветки. Увеличить ее не составляет проблем.

Контрастность. Определяется соотношением максимального и минимального значений яркости. У мониторов с ЭЛТ он колеблется в интервале от 200:1 — 400:1, у плоских мониторов достижим уровень 700:1.

Плоскопанельные мониторы могут работать с пониженной частотой кадров, и у них отсутствует мерцание. Процесс вывода одного кадра на экран можно разделить на несколько последовательных состояний: изображение выведено, погашено, экран темный (до момента вывода следующего кадра). Наличие интервала, когда экран погашен, вызывает эффект, получивший название — мерцание. Зрение человека не успевает воспринять момент отсутствия изображения, но изменение интенсивности освещения фиксирует. Изображение дрожит — мерцает. Этот фактор ведет к повышенной утомляемости глаз. Человек перестает его замечать только с достижением кадровой частоты 85 Гц. Изображение на жидкокристаллическом экране более инерционно, т.е. оно дольше не гаснет (на изменение положения молекул ЖК-вещества требуется больше времени). Интервал, когда экран погашен, значительно короче. Монитор может работать с частотой 60 Гц и мерцания не будет. На современных TFT-мониторах кадровая частота находится в пределах от 44 до 85 Гц.

Отсутствует такое понятие, как плохая фокусировка (сведение лучей у ЭЛТ-мониторов). Лучей нет, ячейки в составе пикселя неподвижны.

Несмотря на небольшое потребление (по сравнению с построенными на основе ЭЛТ) в плоских мониторах предусматривается поддержка энергосберегающих технологий. Чаще всего организуется работа в режимах пониженного потребления, предписываемых стандартом DPMS (Display Power Management Signaling). Он разработан ассоциацией VESA. Включение режимов DMPS выполняется при помощи программы Setup (см. раздел 8.5). В случае простоя монитор последовательно переходит из рабочего состояния ("On") в режимы пониженного потребления:

	"Standby" — уровень потребления снижается на 20 %, прекращается подача видеосигнала;

	"Suspend" — уровень потребления снижается на 70 %, отключается строчная развертка и высокое напряжение;

	"Off" — отключаются все системы, кроме блока DPMS, уровень потребления — менее 5 % от рабочего.

Дополнительно многие мониторы строятся с учетом требований по эргономике, сформулированных авторитетными организациями: NUTEK (Шведский национальный совет по промышленному и техническому развитию), ЕРА (US агентство по охране окружающей среды).

Чтобы не сложилось впечатления о плоскопанельных мониторах как об идеальных изделиях, упомянем о некоторых свойственных им недостатках.

Никто и никогда не слышал о неработающих пикселях на экране кинескопа. Из миллионов транзисторов, составляющих TFT-матрицу, несколько вполне могут со временем выйти из строя. Черная или ярко светящаяся точка в цветном изображении глаз не порадует.

Мы сравнили ячейку матрицы со "стаканчиком". Теперь другой образ. Целиком дно стакана можно увидеть только в том случае, если смотреть на него строго сверху. То же самое и с экраном плоского монитора. Смотрим на него прямо и видим прекрасную картинку, чуть под углом — появляется пелена, еще чуть в сторону — изображение погружается в туман.

На мониторах с ЖК-экранами плохо выполняется масштабирование. В структуру экрана заложена матрица с конкретными параметрами. Если используется режим с этим разрешением, то все в полном порядке. Когда возникает необходимость в применении другого разрешения, то необходим "пересчет" матриц (одну экранную точку будут составлять два, три и другое количество пикселей). Не всегда можно сделать это корректно. Следствием преобразований становится искажение пропорций.

Популярность плоскопанельных мониторов стремительно растет. Фирма DisplaySearch, занимающаяся анализом состояния рынка, оценила увеличение количества используемых плоских мониторов в 2002 г. на 28 % (в Японии на 80 %, в Северной Америке на 27 %, в Европе на 28 %).

По данным, приводимым той же компанией, большинство предприятий, производящих TFT-матрицы, находится в Юго-Восточной Азии: 40 % в Южной Корее, 32 % на Тайване, 27 % в Японии. Крупнейшие производители ЖК-панелей: Samsung Electronics — 20 %, AU Optronics (Тайвань) — 13 %, International Display Technology (IDT) — 6 %, Chi Mei Optoelectronics (CMO) — 4 %. По секторам рынка TFT-панели распределяются следующим образом: мониторы — 54 %, ноутбуки — 40 %, TV-экраны и панели плоских мониторов     3 %.

Видеосистема состоит из двух блоков: адаптера и монитора. Между собой они соединены интерфейсным каналом. Сведения об изображении хранятся в памяти в цифровой форме. "Электронные пушки" ЭЛТ-монитора управляются аналоговыми сигналами. Необходимо цифро-аналоговое преобразование. Для производителей оказалось более удобным выполнить его на видеоадаптере и затем уже "готовый" сигнал подать на монитор. Такая схема положена в основу видеосистем с "аналоговым" интерфейсом.

Экран плоского монитора организован в виде матрицы. Матрица — структура линейная. При работе с ней удобнее оперировать цифровыми данными. Сначала до ячейки нужно "добраться": подготовить ее адрес (а это цифровой код), выдать его на линии, и только после этого на транзистор подается управляющий сигнал. Эту задачу решает специальный контроллер ЖК-экрана.

Цифровой интерфейс для плоских мониторов является естественным. При необходимости можно использовать и аналоговый интерфейс (первоначально он и применялся). Однако этот путь не рациональный. Структура электронного блока монитора в этом случае усложняется, так как в его состав включается дополнительный блок аналогово-цифровых преобразований.

По большому счету, цифровые данные — СКВ (свободно-конвертируемая валюта) любой компьютерной системы. Ее можно обменять на что угодно и когда угодно. ,

Цифровой интерфейс однажды уже применялся в компьютерном видео — система EGA. Данные подавались на монитор в параллельной форме. Для передачи кода цвета точки отводилось 6 линий (по 2 линии на каждый образующий цвет, количество оттенков — 4). Ширина палитры — 64 цвета (43).

На том этапе развития компьютерной техники направление посчитали неперспективным — слишком много информационных линий должно быть в составе видеоинтерфейса (для палитры в 64К — 16, в 16М — 24). Цифровой интерфейс получил отставку. Возможности EGA-системы даже не были использованы в полной мере (первая модификация EGA-монитора, оказавшаяся единственной, имела палитру всего в 16 цветов). Пришли системы с аналоговым интерфейсом — VGA, SVGA, которые в течение ряда лет и господствовали на рынке.

Однако все течет, все меняется. С появлением плоскопанельных мониторов неизбежным стал возврат к цифровому интерфейсу. Переход был осуществлен на новом качественном уровне. Параллельные каналы передачи видеоданных были заменены на скоростные последовательные. В состав интерфейса входит несколько передающих каналов. Для описания образующих цветов в современных мониторах применяются 6- или 8-разрядные коды. Соответственно, цвет пикселя описывается 18- или 24-разрядными кодами. Цветовые палитры в этих случаях составляют 256К или 16М оттенков.

Первой вариант цифрового видеоинтерфейса предложила в 1997 г. ассоциация VESA. Он получил название P&D (Plug-and-Display). В качестве передающего канала используется шина PanelLink, разработанная компанией Silicon Image: три витые пары, передача ведется по протоке: TMDS (Transition Minimized Differential Signaling). Кроме цифровог: Р&О-интерфейс включает аналоговый канал, порты USB и FireWire. Соединительная панель Р&О-устройств — разъем EVC (Enhanced Vide: Connector) имеет две группы контактов (рис. 9.4, а). Большая группа состоит из 30 контактов, организованных матрицей 3x10. Малая (или аналоговая) состоит из четырех контактов (С1-С4) и разделяющего их плоского контакта (С5). Частота передачи — до 165 МГц. Интерфейс широкого распространения не получил. Он показался производителям слишком сложным. Его использовала в основном фирма IBM. Через специальные переходники (вилка показана на рис. 9.4, б) к адаптерам P&D могу-быть подключены обычные SVGA-мониторы.

В 1999 г. Compaq и еще несколько фирм предложили другой вариант интерфейса — DFP (Digital Flat Panel). Он строился на базе P&D. Из него были убраны: USB, FireWire и линии передачи аналоговых видеосигналов. Сохранялся только цифровой канал (в его основе та же Рапе!-Link-шина). Для подключаемых устройств предусматривается возможность работы в режиме Plug&Play. Применяются идентификационные протоколы, соответствующие стандарту DDC (Display Data Channel), разработанному VESA. Согласно ему подключенные устройства обмениваются идентификационными пакетами EDID (Extended Display Identification Data) и на основании этих данных выполняют взаимную настройку. В протоколе DDC1 сведения подаются только в одну сторону (с монитора на адаптер), в DDC2 идет двунаправленный обмен.

На смену DFP пришел стандарт DVI (Digital Video Interface). Его подготовили фирмы Intel, Compaq, Fujitsu, HP, IBM, NEC, Selicon Image, с ставившие инициативную DDWG-группу (Digital Display Working Group). В основе цифрового канала шина PanelLink. Поддерживаются протоколы DDC и EDID. В состав интерфейса входят два канала цифровой передачи видеоданных и один аналоговой канал. Частота передачи по обоим цифровым каналам — 165 МГц. Пропускная способность интерфейс вдвое больше, чем у P&D.

Предусмотрена возможность "горячей" замены устройств. После замены монитора автоматически запускается механизм HPD (Hot Plug Detection). По одному из протоколов DDC адаптер получает сведения о мониторе. Если он цифровой, то работать начинает шина PanelLink, ест. нет — аналоговый канал.

Панель DVI включает:

	цифровая часть — 24 контакта (1—24), составляют большую группу и организованы матрицей 3x8,

	аналоговая часть — 4 контакта под штырьки (CI—С4) и один контакт под плоский "лепесток" (С5).

Используются DVI-вилки нескольких типов:

	DVI-I Dual Link. Полный вариант содержит оба цифровых и аналоговый канал. Имеет весь набор контактов;

	DVI-I Single Link. Предусматривается один цифровой и аналоговый канал. Отсутствуют контакты 4, 5, 12, 13, 20, 21;

	DVI-D Dual Link. Для варианта шины с двумя цифровыми каналами. Отсутствуют контакты CI—С4;

	DVI-D Single Link. Интерфейс имеет только один цифровой канал. Отсутствуют контакты 4, 5, 12, 13, 20, 21 и CI—С4;

	DV1-A. Предназначен для изготовления переходников, позволяющих подключить аналоговые SVGA-мониторы к адаптерам с DVI-панелью. Отсутствуют контакты 4, 5, 12, 13, 20, 21, 22.



1