Лазерные дисплеи

SED - мониторы

Компаниями Canon и Toshiba ведутся работы по созданию т.н. SED-дисплеев, (surface-conduction electron-emitter display - дисплеи с электронной эмиссией на основе поверхностной проводимости), характеризующихся низкой стоимостью и высочайшим качеством изображения.

В основе построения изображения на эк­ранах SED - мониторов тот же принцип, что и у ЭЛТ- монитора: цвета формируются из трех ка­налов - красного, зеленого и синего. Цветные точки формируются по тому же принци­пу - люминофор светится под действием потока электронов. Другими словами изображение также формируется за счет эмиссии электронов, однако если электронно-лучевой телевизор использует одну электронную пушку на каждый из трех цветов, то их количество в SED соответствует числу пикселей на экране.

Благодаря использованию гораздо менее мощного электронного излучения, уда­лось вредную радиацию свести к нулю. Заодно и сильно уменьшилась по сравнению с класси­ческими ЭЛТ - устройствами толщина всего устройства (около 5 см при практически неограниченных размерах экрана).

В Австралии специалистами компании Arasor ведутсяразработки лазерного телевизора. Устройство способно воспроизводить сигнал в разрешении 1920 х 1080 пикселей. Изображение в таком проекционном устройстве формируется с помощью трех лазерных лучей: красного, зеленого и голубого - и микрозеркального чипа (DMD). Качество картинки значительно превосходит возможности ЖК и плазменных телевизоров.

Первый работающий прототип лазерного телевизора был продемонстрирован ещё в 2006 году компанией Mitsubishi. Цветовой охват устройства в 1,8 раз превосходил характеристики традиционных ЖК -телевизоров. Контрастность составляла 4000:1, а ресурс работы системы - более 20 тыс. часов. Кроме того, устройство имело значительно меньший вес и более компактные размеры относительно плазменных и ЖК -телевизоров с аналогичной диагональю.

OLED-телевизор фирмы Sony (Слайд 8).

Корпорация Sony представила первый в мире телевизор на базе органических светоизлучающих диодов (Organic Light Emitting Diode, OLED) - 11-дюймовый S onyDrive XEL-1. Он может принимать видеосигнал с разверткой 1080 строк, но реальное разрешение экрана телевизора составляет лишь 960х540 точек. Органические светодиоды обладают рядом преимуществ перед ЖК и плазменной технологиями: они обеспечивают больший угол обзора изображения, меньшее время отклика, а также более хорошую цветопередачу и невероятный по сегодняшним меркам коэффициент контрастности 1 000 000:1. Однако со временем вещества, из которых изготавливаются OLED, теряют свои свойства. Как заявляют в Sony, срок службы XEL-1 в режиме показа составляет 30 тыс. ч. Вес не превышает полутора килограмм.

Телевизор оснащён встроенной стереосистемой и тюнером для приема цифрового телевидения. Помимо мультимедийного интерфейса высокой четкости, устройство оборудовано USB, а также разъёмом для подключения к локальной сети, следовательно, может использоваться, как монитор ПК.

На сегодняшний день светоизлучающие диоды являются лучшей альтернативой жидким кристаллам и инертному газу в современных телевизорах. Технология OLED предлагает лучшее качество изображения (особенно это касается динамических сцен), потребляя при этом меньше электроэнергии. Так как светодиоды самостоятельно испускают свет, необходимость в использовании ламп подсветки отсутствует, из-за чего толщина и вес телевизора значительно уменьшаются. Толщина экрана SonyDrive XEL-1 соизмерима с толщиной монеты и составляет всего 3 мм.

В настоящий момент OLED -дисплеи применяются в цифровых камерах, мобильных телефонах и другой портативной электронике, но для создания телевизоров не использовались ни разу. Разработку данной технологии ведут такие компании, как Seiko Espon, Samsung, Canon и TM Display.

Складной дисплей (Слайд 9).

В декабре 2008 тайваньские ученые из Научно-исследовательского института промышленных технологий (ITRI) представили концепт дисплея, способного увеличивать свой размер вдвое. Новая технология получила название TFT-EPD или электрофорезный дисплей на тонкопленочных транзисторах. Единственным недостатком технологии пока является ограничение размера диагонали в 5 дюймов.

Гибкий неломающийся дисплей (Слайд 9).

В декабре 2008 инженеры корпорации HP и исследователи из университета штата Аризона объявили о создании первого прототипа дешевых, гибких и неломающихся электронных дисплеев. Гибкие дисплеи почти полностью состоят из пластика. Они потребляют меньше энергии, чем обычные компьютерные дисплеи. Такие устройства можно использовать в качестве электронной бумаги, а также для электронной подписи.

Неломающиеся дисплеи создаются при помощи технологии литографии SAIL.

Отдельно позиционируются т.н. сенсорные дисплеи, создаваемые на принципиально иных технологиях (в данном курсе не рассматриваются)

1.5.2. Жидкокристаллические мониторы с активной матрицей.

Жидкокристаллические мониторы ( LCD, LiquidCrystalDisplay ) - первые такие мониторыимели панели, ячейки (пикселы) которых содержали жидкие вещества, обла­дающие некоторыми свойствами, присущими кристаллам. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электрического поля могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства све­тового луча, проходящего сквозь них.

В современных активных ( Active Matrix ) т.н. TFT – матрицах каждый жидкокристаллический микроэлемент экрана (пиксель) получает сигнал от своего управляющего микротранзистора, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1), и в результате изображе­ние сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал.

Поэтому изображение на экране TFT – мониторов меняется практически мгновенно, не оставляя т.н. «следов», типичных для простых ЖК – мониторов.

Так как транзисторы размещены на тыльной части панели, они про­изводятся из прозрачных материалов, что позволяет световому потоку проходить сквозь них. Для этих целей используются пластиковые пленки, что объясняет название Thin Film Transistor ( TFT — тонко­пленочныйтранзистор).

Толщина пленки составляет от 0,1 до 0,01 микрона, поэтому техноло­гия создания активных матриц на TFT весьма сложна. К примеру, панель с разре­шением 800x600 пикселов и тремя элементами на пиксел должна иметь 1 440 000 управляющих транзисторов. В современных ЖК -дисплеях число управляющих транзисторов составляет десятки миллионов.

Активная матрица имеет высо­кую яркость и большие углы обзора (до 178°) без ущерба для качества изображения. Время реакции дисплея с активной матрицей сни­жено в лучших образцах до 5 мс. Яркость отдельного элемента изображения остается неизмен­ной весь период демонстрации, поэтому эффекты «замыливания» и дрожания изображения отсутствуют. Именно поэтому для ЖК мониторов достаточной считается частота регенерации 60 Гц.

1.5.3. Параметры ЖК-мониторов.

Важнейшим параметром плоскопанельныхдисплеев является стандартное ( Native ) разрешение. Оно соответствует числу пикселов на горизонтали и вертикали. Именно в стандартном разрешении ЖК монитор воспроизводит изображение наиболее качественно. Разреше­ние определяется размером ячеек и диагональю панели. Например, панели с ячейками размером 0,248 мм, поддерживают разрешение до 3840 Х 2400 точек на дюйм и 32 - битный цве­товой охват при размере диагонали до 52 дюймов (Слайд 10).

Яркость и контрастность определяют комфортность работы с ЖК - мони­тором. Средним считается значение яркости 350 килоджоулей/м², качествен­ные панели поддерживают более высокие значения – 500 кд/м².

Контрастность ЖК - монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом. Контраст­ное соотношение достигло 10 000:1.

Цветовой охват современных ЖК - панелей достигает 16,7 млн. цветов.

Угол обзора (по вертикали и гори­зонтали) характеризует зону восприятия изображения на экране без существенных искажений. Минимальный приемлемый угол обзора погоризонтали и вертикали 120 °.

Важным параметром является время отклика (скорость пере­ключения между режимами черный — белый — черный), которое составляет от 5 до 30 мс. Этот параметр характеризует максимальное быстродействие.

Преимущества ЖК - мониторов - малая глубина панели, действительно плоское изображение (без гео­метрических искажений), высокие значения яркости, низкое энергопо­требление, отсутствие электромагнитных излучений.

Недостатки: менее качественная цветопередача и единственный режим разрешения, обеспечивающий хорошее качество.

1.6. Устройства обработки видеосигналов.

К таким устройствам относятся телевизионныетюнеры (Слайд 11), платывидеозахвата и видеомонтажа, Платы видеозахвата и видеомонтажа относятся к более высокому классу специализированных устройств (как по возможностям, так и по цене) и рассматри­ваться не будут.

Телевизионные тюнеры для ПК (часто совмещённые с УКВ (FM) - приёмниками) в последние годы приобретают всё большую популярность. Объединение возможностей компьютера и современных средств воспроизведения видео позволило совершить качественный рывок в сфере развлечений.

По способу исполнения ТВ - тюнеры делятся на встроенные (совмещен­ные с видеоадаптером компьютера), внутренние (устанавливаемые в слот расширения системной платы) и внешние. В зависимости от функ­циональных возможностей различают обычные ТВ - тюнеры, совме­щенные ТВ / УКВ - тюнеры, а также тюнеры с видеозаписью.

Согласно сложившемуся в классе ТВ - тюнеров стандарту, обычно предлагаются следующие основные функции:

· прием телевизионного эфирного (кабельного) сигнала;

· прием видеоизображения от внешнего устройства воспроизведения (видеомагнитофон, видеокамера) в форматах S-Video и Composite Video;

· вывод видеоизображения на монитор;

· вывод звукового сигнала на звуковую карту;

· захват видеоизображения (покадровый);

· запись видеоизображения;

· прием эфирного сигнала в УКВ (FM) -диапазоне;

· дистанционное управление.

Кроме перечисленных функций, в различные модели ТВ - тюнеров встраивают и дополнительные функции. Например - одновременный прием несколь­ких каналов (функция PIP - «картинкав картинке»), телетекст, и пр.

2. Подсистема звука.

Подсистема звука обеспечивает прием, обработку и выдачу звуковой аудиоинформации. В минимальной конфигурации она состоит из контроллеразвука (звуковойкарты или платы) и акустической системы: микрофон, наушники или колонки (две и более).

2.1. Звуковые контроллеры (платы или карты).

Звуковые платы (sound blaster) используются для создания, записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: музыки, речи, шумовых эффектов. К звуковой карте можно подключить микрофон, колонки или наушники.

В режиме создания звука плата действует как музыкальный инструмент. Звук, создаваемый с помощью звуковой платы, называют «синтезированным».

В режиме записи звука плата производит оцифровку звуковых сигналов для последующей их записи в память компьютера.

В режиме воспроизведения звука плата работает аналогично цифровомуаудиоплейеру, преобразуя считанные из памяти цифровые сигналы в аналоговые звуковые.

2.2. Принципиальное устройство звуковой карты

Цифровой сигнальный процессор (DSP) является центром управления блоками звуковой карты (Слайд 12), управляет обменом данных, связывает её с интерфейсом шины PCI. Кроме того, DSP применяет к сигналу особые алгоритмы обработки для наложения звуковых эффектов, имитации объёмного звука, формирования сигнала Dolby Digital и т. д.

Современный DSP должен поддерживать работу в режиме полного дуплекса, то есть уметь обрабатывать одновременно два потока данных: один — на запись, другой — на воспроизведение.

Микшеры входа-выхода обычно физически представляют собой еди­ное устройство, осуществляющее коммутацию, нормализацию и сме­шение сигналов.Управ­ление параметрами коммутации и микширования осуществляется программными средствами. Сигналы в микшер выхода могут посту­пать через усилитель или минуя его.

Модуль записи и воспроизведения звука (кодек), включающий аналого-цифровой (АЦП) и цифро - аналоговый (ЦАП) преоб­разователи, выполняет одну из основных функций звуковой карты — оцифровывает звук при вводе и превращает цифру в аналоговый сигнал при выводе. Все сигналы, проходящие через звуковой тракт, проходят обработку в кодеке, за одним исключением — на выход Digital Out сигналы поступают, минуя кодек.

Модуль синтезатора звука. Современные звуковые платы способны воспроизводить звуки. Для синтеза звукового сигнала используется два ос­новных метода:

· звук, синтезированный FМ- методом (методом частотной модуляции), имеет обычно некоторый «металлический» оттенок, то есть, не похож на звук настоящего музыкального инструмента;

· WT- синтез обеспечивает более качественное звучание. В основе этого синтеза ле­жат записанные заранее и хранящиеся в памяти образцы звучания музыкальных инструментов (MIDI - файлы). Синтезаторы этого типа создают музыку путём манипулирования образцами звучания инструментов, «за­шитыми» в ПЗУ платы или хранящимися на диске ПК.

Современные качественные звуковые платы соответству­ют стандарту BasicGeneral MIDI -поддержка 128 инстру­ментов и многотональное исполнение — как минимум 16 каналов одновременно.

Модуль инте рфейсов включает в себя интерфейс музыкальных инструментов, обычно MIDI (Musical Instrument Digital Interface), и средства воспроизведения звука в соответствующем формате. Кроме того, в него могут входить интерфейсы одного или нескольких дисководов CD-ROM, модемный и игровойпорты. Через этот модуль можно проигры­вать CD-ROM, разговаривать через модем и воспроизводить свою собственную компьютерную музыку.

Необходимо отметить, что большое число современных системных плат содержат интегрированную звуковую карту - микросхему звуковогокодека АС97 или ему подобного.

2.3. Акустические системы

Акустическая система (колонки) является обязательным ком­понентом мультимедийной системы — при ее использовании восприятие звуко­вой информации существенно улучшается.

Компьютерные акустические системы - пассивные и активные, как правило, уступают специализирован­ным Hi-Fi-системам, но качество воспроизведения у них довольно высокое.

Пассивные акустические системы не содержат встроенного усилителя и могут подключаться к звуковым платам, имеющим собственный усилитель и регулятор громкости.

Активные акустические системы оборудованы усилителем и могут подключаться как к линейному выходу звуковой платы, так и к выходу ее усилителя. Источником пи­тания для встроенного в колонки усилителя обычно является блок питания, который, в свою очередь, может быть и внутренним, и внешним. Кро­ме регулятора громкости активные колонки могут иметь и N- полосныйэквалайзер.

2.4. Формат цифрового звука Dolby Digital 5.1

В качестве примера построения акустической подсистемы ПК можно рассмотреть распространенный формат Dolby Digital 5.1, описывающий способ формирования в общей слож­ности до шести раздельных каналов звука. (Слайд 13)

Пять каналов считаются основными, в каждом из них предусмотрено воспроизведение полного частотного спектра (от 3 до 20 000 Гц). Один канал считается дополни­тельным, потому что отводимая ему полоса частот составляет всего от 3 до 120 Гц. Отсюда и обозначение числа каналов — 5.1.

Пять основных каналов разделяются по функциям следующим обра­зом: левый, правый и центральныйфронтальныеканалы; левый и правыйтыловыеканалы. Низкочастотныйканал предназначен для подключения сабвуфера и призван имитировать звуковые эффекты.

Для сжатия данных, кодирования и смешивания каналов применяется специальная технология АС-3 ( AudioCoding, version 3 ).

Благодаря этой технологии, данные в формате Dolby Digital получаются упакованными в один поток (файл), который может передаваться как между отдельными устройствами обработки звукового сигнала, так и внутри звукового тракта устройств практически без потери качества. Для вывода звука по шести каналам требуется наличие программы - декодераDolby Digital. В результате на выходе получаются шесть независимых раздельных каналов.

3. Средства мультимедиа.

Основные определения:

Средства м ультимедиа (multimedia — многосредовость) — это комплекс аппарат­ных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды (звук, видео, графика, тек­сты, анимация и т. д.). (Слайд 14)

Мультимедиа — область компьютерной технологии, связанная с использованием информации, существующей на различных носите­лях (магнитные и оптические диски, аудио и видеоленты и т. д.) и имеющей различное физическое представление (текст, графика, ри­сунок, звук, анимация, видео и т. п.).

Виртуальная реальность -иммерсивная и интерак­тивная имитация реалистических и вымышленных сред - иллюзорный мир, в который погружается и с которым взаимодействует человек.

Иммерсивность - полное погружение человека в мир виртуальной реальности, где он должен чувствовать свою принадлежность к нему. Для полного погружения не­обходимо оградить человека от информации, поступающей из внешнего мира; не­обходимо ввести стимулы, побуждающие человека пребывать в виртуальном мире.

Интерактивность - возможность человека взаимодействовать с находящимися в мире виртуальной реальности объектами в реальном времени. Для обеспечения интерактивности необходимо, чтобы система виртуальной ре­альности воспринимала управляющие воздействия человека. Побуждающие сти­мулы и управляющие воздействия должны быть многомодальными, то есть зри­тельными, звуковыми, осязательными и даже одоральными (использующими запахи). Для реализации таких требований в современных системах используются разнообразные звуковые и видеотехнологии, в частности объёмные звуковые и видео­системы (звуковые системы классов «квадро» и «долби», стереодисплеи), а также головные дисплеи — шлемы и очки - дисплеи, управляющие перчатки, кибернетические жилеты и другие устрой­ства с беспроводными интерфейсами.

Система виртуальной ре­альности — это совокупность имитационных программных и технических средств, обеспечивающих эти погружение и взаимодействие.

Если исключить пока ещё редкие устройства, то реально к сред­ствам мультимедиа можно отнести:

· устройства аудио (речевого) и видеоввода и вывода информации;

· высококачественные звуковые (sound -) и видео (video -) платы;

· платы видеозахвата (video grabber), снимающие изображение с видеомагнито­фона или видеокамеры и вводящие его в ПК;

· высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усили­телями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами.

С некоторым основанием к средствам мультимедиа отдельные авторы относят сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки), высококачественные принтеры и плоттеры, а также внешние запоминающие устройства большой ёмкости на оптических и цифровых видеодисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации. Ниже рассматриваются наиболее специализированные устройства мультимедиа, предназначенные для компьютерных игр (Слайд 15).

3.1. Джойстики.

Главным игровым устройством на обычном компьютере до сих пор является обычная клавиатура. Однако чтобы получить в той или иной игре полный контроль над объектами используются специализированные компоненты — джой­стики, позволяющие управлять объектом игры (персонажем, автомобилем или самолетом) в трех плоскостях (измерениях).

Пример - в системе координат джойстика (ориентированной на авиационные имитаторы) используют следующие обозначения:

· X — управление по углу тангажа, то есть «вверх-вниз»;

· Y — управление по углу крена, то есть «наклон влево-вправо» или просто «влево - вправо», если не задействована ось rZ;

· rZ — управление по курсу;

· Z — управление тягой.

· Переключатель HAT - обеспечивает имитацию поворота головы (смену направления обзора) без изменения параметров движения управляе­мого объекта.

Направления фиксированные, с углом поворота 90 ° (четырехпозиционные HAT ) или 45° (восьмипозиционные HAT ). Пере­ключатели HAT могут быть запрограммированы на обзор в любой плоскости относительно вектора движения объекта. Поэтому для охвата полной сферы некоторые джойстики имеют до четырех пере­ключателей HAT.

Кроме того, на джойстиках могут располагаться дополнительные кнопки, например, для ведения огня из различных видов оружия и т.п.

В конструкции джойстиков (и мышей) может использоваться — механизм обратнойсвязи - внутри джойстика установлены электромоторы, связанные с рукояткой управления. Команды на электромоторы поступают в соответствии с событиями, происходящими в игре. Харак­терными примерами таких событий являются отдача от выстрела, столкновения с препятствиями.

Выпускаются и другие специализированные игровые устройства: геймпады, штурвалы, педали, рули и даже целые кабины.

3.2. Технические средства виртуальной реальности.

Техническими средствами для перехода человека в виртуальную реальность являются системы визуализации, позволяющие получить объемное стереоскопическое изображение (Слайд 16).

Впервые такие системы были разработаны для авиационных трена­жеров. Шлемы VR военных тренажеров (например, фирмы Kaiser Electro-Optics ) умеют отображать обстановку, практически неотличимую от реального мира, но их стоимость достигает 250 000 долларов. С середины 90-х годов начались интенсив­ные разработки моделей шлемов (очков) VR для бытового применения. Компания IIS ( Interactive Imaging Systems ) в 1995 году выпустила на рынок шлем виртуальной реальности VFX1.

Прогресс в этой области движется очень медленно в сравнении с другими компьютерными компонентами. Пока не найдены приемлемые по стоимости технологические решения, позволяющие обеспечить необходимое разрешение микро­дисплеев, цветность и частоту обновления изображения, соответству­ющие комфортному восприятию. Считается, что глаз человека содер­жит около 6 млн. фоторецепторов, а поле зрения по горизонтали достигает 80 °. Следовательно, дисплей, находящийся пря­мо перед глазом и перекрывающий всё поле зрения, должен вмещать около 6 млн. пикселов, что примерно соответствует разрешению 1600x1200 точек при глубине цветности 24 бита в режиме RGB. Техни­чески создать такой микродисплей особого труда не составляет, однако его стоимость пока превышает разумные рамки. К тому же для шлема VR требуется пара таких устройств.

Прочие элементы шлемов виртуальной реальности (аудионаушники, датчики движения головы и глаз) созданы по давно известной техно­логии и реализуются без проблем. В качестве устройств управления преимущественно используются мыши, джойстики с обратной связью ( Force Feedback ) и перчатки с сенсорами перемещения пальцев в трёх измерениях.

3.3. Устройство шлемов (очков) VR.

В настоящее время на рынке представлено немного устройств, которые можно использовать на персональных компьютерах для погружения в виртуальную реальность, например:

• шлем VFX-3D компании IIS (стоимость около 1500$) при подключении к ком­пьютеру на дисплеи выводит изображение с видеокарты. Для про­смотра стерео и перемещения в виртуальном мире необходимо иметь соответствующее ПО. Дисплеи обладают низкими характеристиками: диагональ 0,7 дюйма (1,8 см), 360 000 пикселов (разрешение 263x480 точек), 16-битный цвет, угол обзора 35° по горизонтали. Низкое разрешение, пло­хая цветопередача и слабая контрастность не позволяют работать в шлеме более 15 минут, затем необходимо делать пе­рерыв.
• устройствоСу-Visor DH-4000VP-3D (стоимость около 2000$) оснащено дисплеями с разреше­нием 800x600 точек (глубина цвета 24 бит) с полем зрения 31,5° (по диагонали). Дисплеи с диагональю 0,49 дюйма (1,25 см) не могут полностью перекрыть поле зре­ния: размер изображения примерно соответствует просмотру 42-дюй­мового телевизора с расстояния 2 метра.
• очкиi-glasses SVGA 3D (стоимость около 1500$) с разрешением дисплеев 800x600 точек, цвет­ностью 24 бит и полем зрения 26°.

Шлемы (очки) VR, предназначенные для персональных компьютеров, обычно могут работать в трех режимах получения стереоизображе­ния (компьютерная игра должна поддерживать хотя бы один из этих режимов):

• режим чередования строк ( interlaced или PC-Line (PC-L) ) - разложение исходного изображения на строки по числу точек вертикального разрешения и вывод их на дисплеи со сдвигом, обеспечивающим стереоскопичность.
• режим чередования кадров (Page Flipping) - кадры поочередно (со сдвигом) выводятся на дисплеи. Для комфортного отображения необходимо обеспечить частоту исходного изображения как минимум 150 Гц (2x75 Гц).
• режим стереопары (Separate ) даётсамое комфортное изображение - на каждый дисплей выводится независимое изображение. Очевидно, что видеокарта должна поддерживать вывод на два дисплея (функция Dual Head ).