Мониторы

Монитор является внешним устройством отображения видеоинформации компьютера. Для большинства пользователей компьютеров, особенно для занимающихся графикой, монитор — очень важный элемент компьютерной системы. К тому же монитор — один из самых дорогих элементов. Если вы хотите быть на переднем крае компьютерных технологий, то начинку системного блока компьютера вам придется обновлять раз в полгода. Мы не хотим сказать, что делать это обязательно нужно. Вы же не будете менять шестисотый мерседес на девятисотый, как только узнаете, что он сошел с конвейера. Монитор обычно покупается «на вырост». Это означает, что вы должны определить круг задач, которыми будете заниматься в ближайшие 3—5 лет. Честно говоря, мы и сами не можем это сделать. Тогда давайте исходить из следующего: офисные задачи, игры, профессиональная компьютерная графика. Офисные задачи не предъявляют каких бы то ни было особых требований к мониторам. Если вам большего не нужно, то не гонитесь за дорогими моделями. Игры обычно предъявляют самые большие требования к ресурсам компьютера и особенно к видеосистеме. Игры являются пожирателями ресурсов. Их разработчики практически не считаются с бедными владельцами скромных компьютеров. Однако они стимулируют прогресс компьютерных технологий. Если вы «геймер» (мы не любим этого слова, но употребляем его из-за краткости и выразительности, хотя наши оправдания заняли больше места, чем собственно термин), то вам нужен самый продвинутый монитор, который с большей пользой послужил бы графическому дизайнеру. Если вы компьютерный художник (просто художнику хватило бы клочка бумаги да карандашного огрызка), советуем приобрести дорогой монитор с большим (17-21 дюймов) дисплеем. Ведь вам предстоит не любоваться графикой, как геймеру, а создавать и исследовать ее. Кроме того, вам нужнее, чем кому бы то ни было, беречь свое зрение.

При выборе монитора в магазине, при его настройке и эксплуатации важно понимать, какой устроен и работает. Именно поэтому в книге, посвященной компьютерной графике, мы решили уделить ему особое внимание.

Свойства монитора главным образом зависят от свойств дисплея (устройства визуального отображения, экрана) и электронного блока управления. Монитор является оконечным устройством, задача которого состоит в преобразовании электрических сигналов в свет различной яркости и цвета. Им управляет видеоплата (видеокарта), которая либо вставляется в один из разъемов (слотов) компьютера, либо встроена в материнскую (основную) плату. Видеокартой, в свою очередь, управляет собственно компьютер, а компьютером — программа. Монитор с видеокартой представляют собой видеосистему компьютера. Работая совместно, они отображают данные, содержащиеся в файлах графического, видео и текстового формата, на дисплее (экране) вашего монитора («компьютерного телевизора»).

Мониторы на электронно-лучевых трубках

Мониторы на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ, кинескопов) в настоящее время наиболее распространены. В них происходит преобразование энергии луча электронов в энергию видимого света. Собственно свет излучают кусочки люминофора на фронтальной поверхности ЭЛТ, если на них падает электронный луч. Люминофор может светиться с различной яркостью в зависимости от энергии падающих на него электронов. В цветных мониторах используются люминофоры трех цветов — красного, зеленого и синего. Варьируя яркость каждого из трех люминофоров, можно создавать различные цвета.

Источником электронов в мониторе является так называемая электронная пушка. В ней имеется электрод, называемый катодом. В схеме электронно-лучевой трубки катод имеет отрицательный заряд. Катод разогревают, чтобы он излучил электроны (отрицательно заряженные частицы). В результате образуется облако из электронов. Электроны, имеющие одинаковые заряды, отталкиваются друг от друга, но их энергия недостаточно велика, чтобы электронное облако могло распространиться далеко. Это облако является исходным аморфным материалом, из которого надо создать узкий луч. Иначе говоря, электроны нужно разогнать, сфокусировав в узкий пучок, и доставить на другой конец трубки, покрытый слоем люминофоров — особого вещества, способного излучать видимый свет. В месте падения электронного луча на слой люминофоров возникает световое пятно в результате взаимодействия электронов с люминофором. Если с помощью специальной отклоняющей системы изменять направление луча по вертикали и горизонтали, то на экране будет оставаться след его перемещения. Это происходит от того, что люминофоры инерционны: они не сразу гаснут при прекращении бомбардировки электронами, так что пока они светятся, можно успеть добавить новую информацию или подготовиться к воспроизведению следующей.

Электронный луч сканирует фронтальную поверхность ЭЛТ, покрытую люминофорами, смещаясь по горизонтали слева направо и создавая тем самым строку изображения. Затем быстро возвращается в левый край, но чуть ниже, чтобы приступить к прорисовке следующей строки. Спустившись до нижней кромки экрана, электронный луч быстро возвращается в левый верхний угол, чтобы начать прорисовку нового кадра изображения. В исправных мониторах обратный ход луча незаметен. Описанный процесс называется созданием растра изображения путем его горизонтальной (строчной) и вертикальной (кадровой) развертки. Он характеризуется частотами соответственно горизонтальной и вертикальной разверток.

Рис. 111. Монитор на основе ЭЛТ

Рис. 112. Схема ЭЛТ

Горизонтальная и вертикальная развертки характеризуются частотами, которые еще называют частотами строчной и кадровой синхронизации. Чем больше их значения, тем выше качество изображения. Частота горизонтальной развертки принимает значения несколько десятков кГц и показывает, сколько тысяч раз в секунду пробегает луч слева направо. Частота вертикальной развертки принимает значения в диапазоне от 50 до 200 Гц и показывает, сколько раз в секунду луч обегает весь экран. Например, для 15 - 17-дюймовых мониторов с разрешением 800x600 или 1024x768 оптимальное значение частоты вертикальной развертки — 85 Гц. При меньшем значении возможно заметное мерцание изображения. Чтобы проверить это, посмотрите на изображение в затемненном помещении с расстояния 3 - 5 метров. Едва уловимое или даже практически незаметное мерцание изображения все же улавливается нашим зрением (но не фиксируется сознанием) и вызывает усталость глазных мышц. В конце концов это приводит к ослаблению зрения.

Чтобы при различных углах отклонения луча электроны пробегали одинаковые расстояния от пушки до люминофорного покрытия, поверхность экрана сначала делали выпуклой, в виде сферического сегмента. В противном случае были бы искажения изображения, или потребовалась бы сложная система управления лучом. Затем с помощью специальных технических решений добились, чтобы экран представлял собой поверхность цилиндра и даже стал полностью плоским.
В монохромных мониторах используется одна электронная пушка, а в цветных, как правило, три. Каждая пушка соответствует одному из базовых цветов. Сначала пушки располагали как бы в вершинах треугольника (дельтавидное расположение), а затем появились ЭЛТ с планарным расположением пушек (т. е. в одной плоскости). Лучи электронных пушек требуется направить на люминофоры соответствующих цветов. Понятно, что электронный луч, предназначенный для красных люминофоров, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Решение этой задачи называется сведением лучей. Чтобы добиться его, используется специальная маска, называемая теневой. Простая теневая маска (shadow mask), применяемая, как правило, при дельтавидном расположении пушек, представляет собой металлический экран с отверстиями, через которые должны проходить электронные лучи. Таким образом, теневая маска как бы форматирует люминофорный слой на триады разноцветных точек, называемых также экранными пикселами.

Рис. 113. Теневая маска

Минимальное расстояние между люминофорными элементами (зернами) одинакового цвета, расположенными в соседних строках экрана, называется шагом (dot pitch) люминофорного покрытия и измеряется в миллиметрах. Из-за того что разноцветные люминофоры расположены в вершинах треугольника, минимальное расстояние между одноцветными люминофорами в соседних строках оказывается меньше, чем в одной строке. Чтобы вычислить расстояние между соседними одноцветными зернами в одной строке, следует шаг умножить на 0,866. Шаг является важной характеристикой ЭЛТ, существенно влияющей на качество отображаемого изображения. Чем меньше шаг, тем выше качество отображения. По существу, шаг определяет размер экранного пиксела (трехцветной точки).

Рис. 114. Шаг люминофорного покрытия в ЭЛТ с обычной теневой маской

Теневые маски рассмотренного выше вида применяют с момента изобретения цветных мониторов. Их обычно изготавливают из магнитного сплава железа с никелем (инвара). Он имеет низкий коэффициент теплового расширения. А это очень важно. Дело в том, что значительная часть (70—80%) электронов наталкивается на маску и нагревает ее. Это приводит к изменению размеров и смещению отверстий и, как следствие, — к ухудшению качества изображения.
Другой тип теневой маски называется апертурной решеткой (aperture grille). Она применяется в ЭЛТ с пленарным (в одной плоскости) расположением электронных пушек. Такое расположение облегчает задачу поворота электронных лучей на большой угол, а также делает их фокусировку независимой от магнитного поля земли. Другими словами, лучше решается задача сведения лучей. ЭЛТ с планарным расположением пушек и апертурной решеткой называют еще «трубками с самосведением лучей».

Рис. 115. Апертурная решетка

Рассмотрим принцип устройства ЭЛТ с апертурной решеткой. Люминофоры трех базовых цветов в такой трубке наносятся на экран в виде сплошных вертикальных полос. Апертурная решетка, играющая роль теневой маски, представляет собой тонкую металлическую фольгу с вертикальными щелями. Для стабилизации решетки (гашения колебаний) к ней прикрепляются тонкие проволочные струны (damper wire). В мониторах с размером по диагонали 15 дюймов применяется одна такая струна, в 17-дюймовых — две, а в 21-дюймовых — три и более. Они заметны на светящемся экране, но это не дефект (как кто-то думает), а конструктивная особенность. Некоторым пользователям это не нравится, а другие используют их в качестве линеек при рисовании.

Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется шагом полос (strip pitch) и измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага полос, тем выше качество изображения на мониторе. Обратите внимание, что шаг в случае ЭЛТ с апертурной решеткой измеряется по горизонтали в отличие шага в ЭЛТ с обычной теневой маской, измеряемого по диагонали.

Третий тип теневой маски называется щелевой маской. Это решение представляет собой комбинацию идей, лежащих в основе теневой маски и апертурной решетки. В данном случае люминофорные элементы имеют форму вытянутых по вертикали овалов и расположены вдоль воображаемых вертикальных линий. Напомним, что в трубках с обычной теневой маской люминофоры расположены в вершинах равносторонних треугольников. Собственно щелевая маска представляет собой множество вертикальных прямоугольных прорезей в металлическом экране. Таким образом, экранный пиксел (трехцветная точка) приобретает прямоугольную форму. В данный момент эта технология обеспечивает ширину пиксела 0,21 мм против 0,25 в случае апертурной решетки.

Рис. 116. Шаг люминофорного покрытия в ЭЛТ с апертурной решеткой

Возникает вопрос: какая маска лучше? Маска — всего лишь один из элементов монитора, очень важный, но не полностью определяющий его потребительские свойства. Электронные блоки регулировок тоже совершенствуются, и многое из того, что недоделано в механике, они виртуозно компенсируют. Обычные теневые маски, изобретенные раньше других, не сошли со сцены. Так, сейчас можно встретить мониторы с обычными теневыми масками, которые не уступают, а подчас и превосходят мониторы с апертурными решетками. В конце концов мы покупаем монитор, а не теневую маску.

Рассмотрим особенности некоторых наиболее популярных современных ЭЛТ. При этом следует учитывать, что технологии в области производства ЭЛТ быстро развиваются и, возможно, к моменту выхода в свет этой книги указанные технические характеристики будут превозойдены.

FD Trinitron (Sony)

Выпускается фирмой Sony, имеет плоскую внешнюю поверхность экрана (даже модели с диагональю 15 дюймов). Технология, которую Sony использует в своих мониторах, разрабатывается компанией уже более тридцати лет, и не будет преувеличением сказать, что она приобрела всемирную известность, В 1982 г. фирма Sony выпустила первый компьютерный дисплей, в котором была применена ЭЛТ Trinitron. В 1998 г. компания представила первый монитор с плоской поверхностью экрана, выполненный по технологии FD Trinitron.

ЭЛТ Trinitron, которые всем хорошо известны по бытовым телевизорам, отличались от обычных тем, что имели не сферическую поверхность экрана, а цилиндрическую. Остановимся на некоторых основных моментах, отличающих технологию FD Trinitron. Прежде всего, это высокое разрешение. Чтобы достигнуть высокой разрешающей способности, необходимо наличие трех составляющих — очень тонкой экранной маски, минимального диаметра электронного луча и безошибочного позиционирования этого луча на всей поверхности экрана. Решение этой задачи связано с немалыми трудностями. Например, уменьшение диаметра электронного луча уменьшает яркость изображения. Чтобы компенсировать потери яркости, нужно увеличить мощность электронного луча, но это сокращает срок службы люминофорного покрытия и катода электронной пушки.

В FD Trinitron применена конструкция электронной пушки под названием SAGIC (Small Aperture G1 with Impregnated Cathode). В ней используется обычный для пушек бариевый катод, но обогащенный вольфрамом, что позволяет продлить срок службы ЭЛТ. Кроме того, в конструкции электронной пушки предприняты специальные меры по сужению электронного луча.

В качестве экраннной маски фирма Sony использует апертурную решетку с шагом 0,22 - 0,28 мм. Этот параметр изменяется не только в зависимости от модели монитора, но и от периферии к центру маски. Применение апертурной решетки вместо обычной теневой маски позволяет увеличить количество электронов, достигающих поверхности люминофорного покрытия, а это дает более чистое, лучше сфокусированное и яркое изображение. Все мониторы с ЭЛТ FD Trinitron имеют специальное многослойное покрытие (от 4 до 6 слоев), которое выполняет несколько функций. Во-первых, оно позволяет получать истинные цвета на поверхности экрана за счет уменьшения отраженного света. Во-вторых, благодаря дополнительному специальному черному слою антибликового покрытия (Hi-Con™) повышается контрастность, значительно улучшается передача серых оттенков.

Flatron (LG Electronics)

Основное отличие ЭЛТ Flatron от кинескопов других производителей состоит втом, что в ней для формирования изображения используется абсолютно плоская поверхность экрана как снаружи, так и внутри. Это позволило увеличить угол обзора и, как следствие, видимую область изображения. В мониторах LG Flatron используется щелевая маска, позволяющая воспроизводить изображение с высоким разрешением (шаг маски у 17-дюймовых мониторов LG Flatron 775FT и 795FT Plus — 0,24 мм). Кроме того, в ЭЛТ LG Flatron толщина маски снижена, что повышает качество формируемого на экране электронного пятна.

В LG Flatron используется электронная пушка специальной конструкциии — Hi-Lb-MQ Gun. В обычных пушках по краям экрана электронное пятно имеет овальную форму. Это ведет к появлению муара и снижению горизонтального разрешения. Примененная же в Hi-Lb-MQ Gun система фокусировки позволяет добиваться практически идеальной формы электронного пятна по всей поверхности экрана. В конструкцию решетки электронной пушки также внесены изменения —добавлендополнительный фильтрующий элемент G3.

Еще одной примечательной особенностью Flatron является антибликовое и антистатическое покрытие W-ARAS, оно значительно снижает количество отраженного света и вместе с тем позволяет добиться самого низкого коэффициента светопропускания экрана (38% против 40—52% у конкурентов).

ErgoFlat (Hitachi)

В ЭЛТ ErgoFlat используется теневая маска с очень маленьким шагом. Например, у модели Hitachi CM771 шаг маски равен 0,22 мм по горизонтали и 0,14 мм по вертикали.

DynaFlat (Samsung)

В ЭЛТ DynaFlat фирмы Samsung также используется теневая маска с очень маленьким шагом (до 0,20 мм). Кроме того, в мониторах этого типа применяется антибликовое и антистатическое покрытие Smart III. По отзывам специалистов, мониторы с ЭЛТ DynaFlat позволяют получать даже более яркую и насыщенную картинку, чем мониторы на базе FD Trinitron.

Мониторы с жидкокристаллическим дисплеем

Первый рабочий жидкокристаллический дисплей (ЖКД) был создан Фергесоном (Fergason) в 1970 г. До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контрастность изображения была очень низкой. Широкой общественности новый жидкокристаллический дисплей был представлен в 1971 г. и получил одобрение.
Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) — это вещества, способные под электрическим напряжением изменять величину пропускаемого света. В основу жидкокристаллического монитора (LCD-монитора, ЖК-монитора) положены две стеклянные или пластиковые пластины с суспензией между ними. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно друг к другу и позволяют свету проникать через панель. Под воздействием электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. Отметим, что первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были малопригодны для массового применения. Реальное развитие ЖК-технологии началось с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла — бифени-ла (Biphenyl). Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх, а также в часах.

Современные ЖК-мониторы называют еще плоскими панелями, активными матрицами двойного сканирования, тонкопленочными транзисторами. Идея ЖК-мониторов витала в воздухе более 30 лет, но проводившиеся исследования не приводили к практически приемлемому результату. Сейчас ЖКД стали популярны — всем нравится их изящный вид, компактность, экономичность. Однако их цена остается более высокой, чем у мониторов с ЭЛТ. В то же время наметилась довольно устойчивая тенденция снижения цен и улучшения качества ЖК-мониторов. Теперь они обеспечивают высококачественное контрастное, яркое, отчетливое изображение. Именно по этой причине пользователи переходят с традиционных ЭЛТ мониторов на жидкокристаллические.

Раньше ЖК-мониторы обладали большой инерционностью, особенно заметной при просмотре динамических изображений, их уровень контрастности был низок. Первые матричные технологии, так называемые пассивные матрицы, вполне неплохо отображают текстовую информацию, но при резкой смене картинки на экране оставались так называемые «призраки». Поэтому такого рода устройства не подходили для просмотра видеофильмов и игр. Сегодня на пассивных матрицах работает большинство черно-белых портативных компьютеров, пейджеры и мобильные телефоны. Так как при ЖК-технологии каждый пиксел управляется отдельным транзистором, четкость получаемого текста выше в сравнении с ЭЛТ-монитором. В отличие от ЭЛТ-мониторов, у жидкокристаллического монитора не может быть ни несведения лучей, ни расфокусировки.

Существует два вида ЖК-мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic — кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor — на тонкопленочных транзисторах). Их еще называют соответственно пассивными и активными матрицами. В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц размер экрана монитора стал больше. Практически все современные ЖК-мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение, а его размер значительно больше, чем 8 дюймов.

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойную структуру. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет— красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов. Изнутри экран освещается флуоресцентным источником.

Рис. 114. Устройство жидкокристаллического дисплея

При нормальных условиях, когда нет напряжения, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии они пропускают свет. С помощью электрического напряжения можно изменять ориентацию кристаллов и тем самым управлять количеством света, проходящего через них.

Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксел в ЖК-мониторе формируется из трех участков — красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока). TFT-дисплей состоит из сетки таких пикселов, где работой каждого цветового участка, каждого пиксела, управляет отдельный транзистор. Количество пикселов задает разрешение TFT-дисплея. Для нормального обеспечения разрешения, например, дисплей 1024x768 должен физически располагать именно таким количеством пикселов.

Рис. 118. Сетка транзисторов в ЖК-дисплее

В ЖК-мониторах каждый пиксел расположен в фиксированной матрице и включается/выключается отдельно, поэтому не возникает никаких проблем со сведением лучей, в отличие от ЭЛТ-мониторов, в которых требуется безукоризненная работа электронных пушек. При этом ЖК-мониторы обеспечивают в разрешении, совпадающем с физическим разрешением матрицы, идеальную четкость изображения. Так, картинка 17-дюймового TFT-монитора в разрешении 1280x1024 по четкости превосходит изображение даже 19-дюймовых ЭЛТ-мониторов, для которых режим 1280x1024 считается оптимальным.

При работе с ЖК-монитором нагрузка на глаза существенно меньше из-за отсутствия мерцания. Коэффициент отражения света от поверхности ЖК-монитора в три и более раз меньше, чем от поверхности ЭЛТ с самым совершенным на сегодня антибликовым покрытием (Sony FD Trinitron, Mitsubishi Diamondtron NF). Поэтому бликов на экране ЖК-монитора в несколько раз меньше.

Если ЭЛТ-мониторы могут работать при нескольких разрешениях в полноэкранном режиме, то ЖК-мониторы могут работать только с одним разрешением. Меньшие разрешения возможны лишь при использовании части экрана. Так, например, на мониторе с разрешением 1024x768 при работе в разрешении 640x480 будет задействовано лишь 66% экрана. Применение же специальных функций «растягивания» изображения на весь экран (полноэкранный режим работы) приводит к существенному падению четкости и даже искажению изображения.

От стандартной видеокарты компьютера идет аналоговый видеосигнал, хорошо понятный ЭЛТ-мониторам, которые по своей сути являются аналоговыми устройствами. ЖК-мониторы принципиально являются цифровыми устройствами (дискретный набор пикселов, дискретное управление цветом и яркостью пиксела и т. д.). Поэтому, чтобы аналоговый сигнал стал понятен ЖК-монитору, необходимо преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Сначала видеокарта преобразовывает цифровой сигнал от компьютера в аналоговый, затем передает его монитору, который осуществляет обратное преобразование. При этом могут возникать различные нежелательные эффекты. Чтобы избежать этого, производители (сначала мониторов, а затем и видеокарт) стали выпускать устройства с двумя выходами — аналоговым и цифровым. Массовое производство видеокарт с цифровым выходом затруднялось отсутствием общепринятого стандарта на передачу цифрового видеосигнала. Однако теперь ситуация изменяется.

На ЖК-мониторе может не работать несколько пикселов. Распознать их нетрудно — они всегда одного цвета. Возникают они в процессе производства и восстановлению не подлежат. Приемлемым считается, когда в мониторе не более 3—5 таких пикселов (у разных производителей это число свое, и монитор считается браком лишь в том случае, если у него число «мертвых» пикселов выше).

Особенностью ЖК-мониторов являются меньшие, чему ЭЛТ-мониторов, углы обзора по вертикали и горизонтали. Чем больше угол обзора, тем удобнее работать. Производители стараются их увеличить.

ЖК-мониторы очень хороши для работы с офисными приложениями, однако дизайнеры и художники пока не могут заменить свои профессиональные ЭЛТ-мониторы на ЖК-мониторы в связи с некоторыми недостатками цветопередачи и невозможностью калибровки ЖК-мониторов.