Файл: Характеристики и типы мониторов для персональных компьютеров ( Мониторы и типы их матриц).pdf

До 50-х годов компьютеры выводили информацию только на печатающие устройства. Достаточно часто компьютеры тех лет оснащались осциллографами, которые, однако, использовались не для вывода информации, а всего лишь для проверки электронных цепей вычислительной машины.

Впервые в 1950 году в Кембриджском университете (Англия) электронно-лучевая трубка осциллографа была использована для вывода графической информации на компьютере EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer).

Примерно полтора года спустя английский ученый Кристофер Стретчи написал для компьютера "Марк 1" программу, игравшую в шашки и выводившую информацию на экран. Однако это были лишь отдельные примеры, не носившие серьезного системного характера.

Реальный прорыв в представлении графической информации на экране дисплея произошел в Америке в рамках военного проекта на базе компьютера "Вихрь". Данный компьютер использовался для фиксации информации о вторжении самолетов в воздушное пространство США.

Первая демонстрация "Вихря" состоялась 20 апреля 1951 года - радиолокатор посылал информацию о положении самолета компьютеру, и тот передавал на экран положение самолета-цели, которая отображалась в виде движущейся точки и буквы T (Target). Это был первый крупный проект, в котором электронно-лучевая трубка использовалась для отображения графической информации.

Первые мониторы были векторными – в мониторах этого типа электронный пучок создает линии на экране, перемещаясь непосредственно от одного набора координат к другому.

Соответственно нет необходимости разбивать в подобных мониторах экран на пикселы. Позднее появились мониторы с растровым сканированием. В мониторах подобного типа электронный пучок сканирует экран слева направо и сверху вниз, пробегая каждый раз всю поверхность экрана.

Следующей ступенькой развития мониторов явилось цветное изображение, для получения которого требуется уже не один, а три пучка, каждый из которых высвечивает определенные точки на поверхности дисплея. Первые жидкокристаллические материалы были открыты более 100 лет назад австрийским ученым Ф. Ренитцером. Со временем было обнаружено большое число материалов, которые можно использовать в качестве жидкокристаллических модуляторов, однако практическое использование технологии началось сравнительно недавно.

Технология LCD-дисплеев основана на уникальных свойствах жидких кристаллов, которые одновременно обладают определенными свойствами как жидкости (например, текучестью), так и твердых кристаллов (в частности, анизотропией). В LCD-панелях используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму продолговатых пластин, объединенных в скрученные спирали. LCD-элемент, помимо кристаллов, включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. При приложении напряжения к электродам спирали распрямляются. Используя на входе и выходе поляризаторы, можно использовать такой эффект раскручивания спирали, как электрически управляемый вентиль, который то пропускает, то не пропускает свет.

Экран LCD-дисплея состоит из матрицы LCD-элементов. Для того чтобы получить изображение, нужно адресовать отдельные LCD-элементы.

Различают два основных метода адресации и соответственно два вида матриц: пассивную и активную. В пассивной матрице точка изображения активируется подачей напряжения на проводники-электроды строки и столбца. При этом электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока, что препятствует достижению высокого контраста.

Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT). TFT-экраны, иначе называемые экранами с активной матрицей, обладают самым высоким среди плоскопанельных устройств разрешением, широко используются в ноутбуках, автомобильных навигационных устройствах и разнообразных цифровых приставках.

LCD-дисплей не излучает, а работает как оптический затвор. Поэтому для воспроизведения изображения ему требуется источник света, который располагается позади LCD-панели.

В этой курсовой работе я бы хотел рассмотреть типы мониторов по типам матриц. Мониторы CRT уже практически не встречаются в современной жизни, поэтому их мы опустим. Для удобства, мы сначала рассмотрим типы матриц современных десктопных мониторов, а затем произведем их сравнение.

Глава 1. Мониторы и типы их матриц

1.1 Общее описание и соотношения сторон.

Монитор компьютера при всей своей кажущейся простоте, является весьма технически сложным компонентом, который, как и остальное аппаратное обеспечение, имеет множество различающихся параметров, технологий изготовления, а также характеристик. Практически все дисплеи для ПК состоят из следующих частей: корпус, в котором заключена вся электронная начинка. На корпусе также имеются крепления для монтирования дисплея на вертикальные или горизонтальные поверхности; матрица или экран — основной компонент монитора, от которого зависит вывод графической информации. В современных устройствах применяются различные матрицы для мониторов, отличающиеся многими параметрами, среди которых первостепенную важность имеют разрешение, время отклика, яркость, цветопередача и контрастность; блок питания — часть электронной цепи, отвечающая за преобразование тока и питание всей остальной электроники; электронные компоненты на специальных платах, отвечающие за преобразование поступающих на монитор сигналов и их последующий вывод на дисплей для отображения; другие компоненты, среди которых может встречаться маломощная акустическая система, концентраторы USB и прочее. Совокупность основных параметров дисплея, на основе которой он выполнен, предопределяет сферу его использования. Недорогие потребительские мониторы могут оснащаться экранами с не самыми внушительными характеристиками, поскольку подобные устройства чаще всего недорогие и не требуются для работы в профессиональных графических приложениях. В настоящее время в дисплеях встречающихся на рынке, как правило, используются несколько видов матриц. В технических описаниях мониторов можно встретить большое их количество, но в основе этого многообразия могут лежать одни и те же базовые технологии, улучшенные или незначительно доработанные для повышения их показателей. К таким основным видам экранов относятся следующие. «Twisted Nematic» или матрица TN. Ранее к наименованию этой технологии добавлялась приставка «Film», означающая дополнительную пленку на ее поверхности, увеличивающую угол обзора. Но это обозначение все реже встречается в описаниях, поскольку большинство производимых сегодня матриц уже оснащены ею. «In-Plane Switching» или тип матрицы IPS, как более часто встречающееся наименование в сокращенном виде. «Multidomain Vertical Alignment» или MVA матрицы. Более современная реинкарнация этой технологии обозначается как матрица VA. Данная технология также отличается своими преимуществами и недостатками и является чем-то средним между представленными выше. «Patterned Vertical Alignment». Разновидность технологии MVA, которая была разработана в качестве конкурентного ответа ее создателям — компании Fujitsu. «Plane-to-Line Switching». Это один из самых новых типов матриц для дисплеев, который был разработан относительно недавно — в 2010 году. Единственным недостатком этого типа матрицы, при остальных превосходящих конкурирующие технологии характеристиках, является сравнительно длительное время отклика. Также PLS матрица отличается весьма высокой стоимостью.

Существуют общепринятые стандарты соотношений аспектов ширины и высоты мониторов. Соотношение сторон экрана или Отношение ширины кадра к высоте— понятие в фотографии, кинематографе и телевидении, описывающее формат изображения. Один из основных параметров всех кинематографических систем и телевизионных стандартов. Применительно к компьютерным мониторам и другим устройствам отображения термин используется в качестве технического параметра дисплея. Далее мы перечислим несколько типовых разрешений, предназначенных для широкого круга пользователей.

4:3 – соотношения сторон экрана первых компьютерных мониторов и стандартов разрешения VGA и EGA. Наиболее распространённый формат мониторов до середины 2000-х годов с разрешениями 1024×768, 1152×864 и 1600×1200 пикселей. Позднее телевизоры и мониторы формата 4:3 начали вытесняться широкоэкранными 16:9.
16:9 – широкоэкранный формат 16:9 используется в телевидении высокой чёткости (ТВЧ, HDTV) и при цифровом вещании телевидения стандартной чёткости (SDTV). В ТВЧ этому соотношению соответствуют разрешения 1920×1080 и 1280×720 с квадратным пикселем, а в телевидении стандартной чёткости используется цифровое анаморфирование и прямоугольный пиксель. Является стандартным соотношением сторон экрана в телевизорах с широким экраном и наиболее распространённым в современных компьютерных мониторах.
16:10 – соотношение сторон экрана первых широкоформатных компьютерных мониторов, а также экранов многих моделей ноутбуков с разрешениями 1280×800, 1440×900 и 1680×1050 пикселей. В маркетинговых целях часто обозначается как 16:10. Наиболее близко к величине «золотого сечения» 1,6180339887. Такое соотношение сторон очень популярно у Apple MacBook, в частности у MacBook, MacBook Pro и у MacBook Air.
21:9 – формат экрана LED-телевизоров, выпускаемых некоторыми производителями. Впервые такой экран с диагональю 56 дюймов создан компанией Philips в 2009 году. Такое соотношение сторон наилучшим образом подходит для просмотра фильмов, снятых по системе CinemaScope или его современных версий. Не получил широкого распространения, но иногда используется профессиональными дизайнерами и удобен для видеомонтажа

Теперь перейдем к рассмотрению матриц мониторов.

1.2 История TN матрицы

Рисунок 1 – Принцип работы TN матриц

Тип матрицы TN является одной из самых распространенных и в то же время это весьма устаревшая по современным меркам технология их изготовления. Именно с этой разновидности матриц началось победное шествие жидкокристаллических экранов на смену электронно-лучевым трубкам. Стоит отметить, что единственное неоспоримое их преимущество — это крайне малое время отклика и по этому параметру они превосходят даже более современные аналоги. Остальными критически важными для монитора параметрами — контрастностью изображения, его яркостью и допустимыми углами обзора данный тип матриц не отличается. К тому же стоимость мониторов на основе этой разработки невысокая и можно сказать что это еще один плюс технологии «Twisted Nematic». Причина основных недостатков «Twisted Nematic» кроется в самой технологии их производства и строении оптических элементов. В матрицах TN кристаллы между электродами (каждый из которых представляет собою отдельный пиксель видимой зоны) располагаются в виде спирали при подаче на них напряжения. От степени ее закругления зависит количество проходящего сквозь нее света, а из множества таких элементов и формируется картинка на экране. Но ввиду неравномерности формирования спирали в каждом элементе матрицы очень падает уровень контрастности выводимого на нее изображения. А учитывая то, что преломление света при прохождении сквозь сформированную спираль сильно отличается от направления взгляда, то угол обзора такой матрицы весьма невелик.

Основные плюсы TN:

низкая цена,
низкое время отклика.

Основные минусы TN:

цветопередача,
плохие углы обзора,
устаревшая технология,
энергопотребление,
низкая цена производства увеличивает вероятность получить дефектный монитор.

Рассмотрим 3 предложения на рынке из бюджетного, среднего и премиум сегментов. Здесь и далее мы будем рассматривать предложения при помощи сайта market.yandex.ru.

1.2.1 Бюджетный монитор – Philips 223V5LSB

Рисунок 2 – Монитор Philips 223V5LSB

Монитор Philips 223V5LSB (рисунок 2) не обладает какими-либо серьёзными особенностями, кроме FullHD разрешения (1920x1080). Он обладает посредственным временем отклика, по меркам мониторов с TN матрицей, но, если принимать во внимание его небольшую по нынешним меркам стоимость, его вполне можно рассматривать как монитор для офисных работ или для дома. Полная таблица технических характеристик приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Подробные характеристики монитора Philips 223V5LSB

1.2.2 Средний ценовой сегмент – Samsung U28E590D

Рисунок 4 – Монитор Samsung U28E590D

Монитор Samsung U28E590D (рисунок 4) является достойным представителем среднего ценового сегмента. Он использует современные порты подключения, такие как DisplayPort и HDMI, поддерживает разрешение вплоть до 4K (3840x2160) и обладает специальной функцией AMD FreeSync, позволяющей совместно с видеокартой от AMD сглаживать все недостатки производительности незаметно для человеческого глаза. Полная таблица технических характеристик приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Подробные характеристики монитора Samsung U28E590D

1.2.3 Премиум сегмент – ASUS ROG Swift PG27VQ

Рисунок 6 – ASUS ROG Swift PG27VQ

Монитор ASUS ROG Swift PG27VQ (рисунок 6) предназначен для профессиональных игроков. Благодаря изогнутому экрану достигается полное погружение в игровую вселенную. Не малую роль в этом играет частота обновления экрана. Так же поддерживается технология AMD FreeSync и доступна подсветка без мерцания (Flicker-Free). Полная таблица технических характеристик приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Подробные характеристики монитора ASUS ROG Swift PG27VQ

1.3 История VA матриц

Рисунок 8 – Принцип работы VA матрицы

Матрица VA (рисунок 8) была разработана в качестве альтернативы популярным в то время технологиям TN и уже завоевавшей приверженность пользователей, хоть еще и не так распространенной на рынке IPS. Основное ее конкурентное преимущество разработчики позиционировали как время отклика, составлявшее на момент внедрения на рынок около 25 мс. Еще одним важным преимуществом новой технологии являлся высокий уровень контрастности, опережавший аналогичные показатели в технологиях изготовления матриц TN, а также IPS.

Данная технология, которая изначально называлась «Vertical Alignment», имела также весьма существенный недостаток в виде относительно малых углов обзора. Проблема скрывалась в строении оптических элементов матрицы. Кристаллы каждого элемента матрицы ориентировались вдоль линий напряжения или параллельно им. Это вело к тому, что угол обзора матрицы был, мало того что небольшим, так еще и изображение могло отличаться в зависимости от того, с какой стороны пользователь смотрел на экран. На практике это приводило к тому, что малейшее отклонение угла зрения приводило к сильному градиентному заполнению картинки на экране

Избавиться от этого недостатка удалось с развитием технологии в «Multidomain Vertical Alignment», когда группы кристаллов внутри электродов организовали в своеобразные «домен», как это и отображено в названии. Теперь они стали размещаться по-разному в пределах каждого домена, из которых состоит целый пиксель, поэтому пользователь мог смотреть под разными углами на монитор и изображение от этого практически не менялось. Сегодня дисплеи с MVA экранами используются для работы с текстом и практически непригодны для динамичных изображений, которым отличается любая современная игра или фильмы. Высокая контрастность, равно как и углы обзора позволяют уверенно работать с ними тем, кто работает, например, с чертежами, много печатает и читает.

Рассмотрим 3 предложения на рынке из бюджетного, среднего и премиум сегментов. Мы будем рассматривать предложения при помощи сайта market.yandex.ru.