Журнал «Компьютерра» №31 от 30 августа 2005 года

Вспомнилась же мне эта история много позднее, когда мой коллега рассказал о появлении на рынке нового поколения мониторов, в которых принципиально решена проблема слишком большого времени отклика матрицы. Заинтересовавшись, я отправился на поиски информации об использующейся в этих мониторах технологии.
Кому это нужно?
Каждый (суб)пиксел в современной активной LCD-панели представляет собой довольно сложную конструкцию из транзистора, конденсатора и резистора, управляющих напряжением на электродах, между которыми зажата крошечная капля жидких кристаллов. В зависимости от этого напряжения изменяется ориентация кристаллов в этой капле, а в зависимости от ориентации субпиксел определенным образом поворачивает плоскость поляризации проходящего через него света. Поскольку вся конструкция, в свою очередь, зажата между двумя поляроидами, первый из которых поляризует свет в одном направлении перед прохождением его через массив субпикселов, а второй - отсекает часть света в зависимости от направления поляризации, то панель пропускает в данной точке то или иное количество света. Сетка управляющих электродов и «встроенные» в каждый субпиксел транзисторы позволяют электронной схеме, управляющей работой панели, подавать необходимый уровень напряжения на любой из субпикселов, образующих матрицу, а встроенные в субпикселы конденсаторы позволяют это напряжение на непродолжительное время «запоминать» - до следующего цикла обновления изображения на экране. Остается только равномерно осветить LCD-панель специальным источником (поток света от которого матрица будет «модулировать») - и жидкокристаллический монитор готов (рис. 1).
***
Грубая, упрощенная схема устройства субпиксела TFT-матрицы. При снятии напряжения с нужного «горизонтального» электрода в сетке, «открываются» транзисторы, соединяющие конденсаторы субпикселов с «вертикальными» электродами, и через эти электроды на всех субпикселах данного «ряда» устанавливается требуемый уровень напряжения. Эта процедура изменяет ориентацию жидких кристаллов в субпикселах, изменяет угол вращения поляризации света этими кристаллами и регулирует количество света, проходящего через субпиксел. Цветные светофильтры позволяют создавать цветные TFT-матрицы, набирая их из субпикселов разных цветов; пленка из материала с высоким коэффициентом преломления значительно увеличивает углы обзора.
Как видим, технология получается очень сложной и дорогой в производстве: неудивительно, что даже очень сложные по электронике и внутреннему устройству качественные CRT-мониторы до недавних пор были гораздо дешевле. Но даже если отойти от «производственных» проблем, то нетрудно заметить, что в описанной конструкции наличествует «механический» элемент - поворачивающиеся кристаллы; и время изменения цвета точки на экране определяется отнюдь не возможностями электронной схемы, управляющей напряжениями на субпикселах, а временем, которое требуется кристаллам, чтобы занять положенную ориентацию. Это время варьируется в зависимости от подхода к поляризации света (типа матрицы) и от «рецептуры» жидких кристаллов; в современных матрицах оно составляет от 4 до 60 мс и существенно зависит от того, между какими состояниями переключается субпиксел. Для отображения этой зависимости давайте зададимся каким-нибудь одним начальным уровнем яркости (например, нулем) и посмотрим «двухмерный» график времени переключения субпиксела в зависимости от того, какую «результирующую» яркость нам нужно получить от матрицы (рис. 2, 3).
Серый график - время отклика, соответствующее типовой современной TFT-панели. Белый график - время отклика AUO M170EG01, одной из самых быстрых матриц на основе технологии TN+Film. Хорошо видно, что время отклика для первой панели постепенно растет в зависимости от величины перехода и составляет в среднем от 30 до 45 мс, а время отклика более быстрой, восьмимиллисекундной панели примерно постоянно (22-25 мс) во всем диапазоне переходов. И только для переходов «черный-белый» (от полностью непрозрачного к полностью прозрачному состоянию) оно резко падает - до 18 (в первом случае) и 8 (во втором) миллисекунд. Именно это время, согласно стандарту ISO, и указывается в качестве времени реакции матрицы. То есть, как нетрудно посчитать, реальное среднее время отклика матрицы примерно в 2,5-3 раза больше, чем то, которое указывается производителем!
Человеческий глаз довольно инерционен (киношных 24 кадров в секунду достаточно, чтобы создать иллюзию плавного движения), однако инерционность эта чисто психологическая - на самом деле человек замечательно улавливает «мелкие детали», которые ему показывают с куда большей частотой. К примеру, подавляющее большинство людей отчетливо видят мерцание CRT-монитора с частотой обновления кадров 60 Гц - это происходит потому, что в каждый момент времени светится только небольшая часть экрана, а остальное пространство остается темным. И точно так же для LCD-панелей: глаз не улавливает промежуточного серого цвета при, скажем, изменении цвета всего экрана, однако при смене кадров хорошо видит не успевшее погаснуть старое изображение одновременно с новым. Например, при скроллировании черного текста на белом фоне на большинстве мониторов ясно видна серая «тень», слегка отстающая от текста (замыливание, ghosting). А в фильмах и динамичных трехмерных играх инерционность, хоть и не столь явно, может создавать неприятные для глаза артефакты. И чтобы избавиться от этих эффектов, необходимо, чтобы время отклика матрицы позволяло полностью сменять на экране хотя бы 50-60, а лучше - 70-75 изображений. То есть довести время реакции до 17-20, а то и 13-14 мс во всем диапазоне яркости.
Как «разогнать» матрицу
Итак, задача формулируется следующим образом: сделать матрицу со средним, а не «ISO’шным» временем отклика порядка 10-20 мс. И оказывается, совершенствовать технологию TN+Film, добиваясь необходимых при классическом подходе 4-6 мс времени отклика по стандарту ISO вовсе не обязательно: усовершенствовав схему управления LCD-панелью, этого легко добиться для уже существующих, причем куда более медленных матриц! Достаточно сместить «рабочую точку» переключения всех пикселов в «быструю» область. Ведь если поворот жидких кристаллов происходит не мгновенно, то что нам мешает начать его быстро, а затем остановить «на полпути»?
Снова обратимся к графикам. Для начала взглянем, как в действительности происходит переключение субпиксела от полностью непрозрачного к полупрозрачным вариантам для нашей «усредненной матрицы» (рис. 4). А теперь представим, что мы используем LCD-панель, изображение на которой обновляется 60 раз в секунду (время обновления кадра 16,7 мс) и попробуем ее слегка «разогнать», приблизив время реакции матрицы к периоду обновления изображения. Введем некий гипотетический промежуточный цвет, для которого переключение матрицы будет довольно быстрым. Однако еще до того, как матрица успеет к этому цвету переключиться, остановим процесс на нужном нам промежуточном значении, изменив соответствующим образом напряжение на субпикселе во время следующего обновления экрана (отмечено жирной вертикальной чертой). Если все будет проделано правильно, получится следующее (рис. 5).
Не правда ли, впечатляет? Нанеся график времени отклика «усовершенствованной» матрицы на наш график (оранжевым цветом), мы увидим такую картину (рис. 6)[Маленький горбик в конце графика появился из-за того, что для достаточно большого изменения угла поворота кристаллов последние повернуться на этот угол за период обновления экрана все равно не могут].