Сказка про ЖК-мониторы со сверхмалым временем отклика

Время реакции, или время отклика пиксела, как правило, указывается в технической документации на монитор и считается одной из важнейших характеристик монитора. В ЖК-мониторах время реакции пиксела до сих пор измерялось десятками миллисекунд. Для статической картинки такое время реакции не критично, но если говорить о просмотре видео или динамической игре, то «инертность» пикселов приводит к смазанности границ и эффекту наложения кадров, то есть ко всему тому, что именуется артефактами. Всё это делает ЖК-мониторы малопригодными для игровых и мультимедийных ПК, которые используются, в том числе, и в качестве замены телевизору и бытовому DVD-проигрывателю. Да и сами ЖК-телевизоры, которых в последнее время расплодилось хоть отбавляй, выглядят на фоне этой проблемы не слишком эффектно.

Однако и прогрессивные умы человечества не стоят на месте. Надо сделать время реакции пиксела меньше – не вопрос, сделаем. Было бы финансирование и время. И видимо, было и то и другое. Ну а результат налицо – на рынке стали появляться новые модели ЖК-мониторов с рекордно низким на сегодняшний день временем реакции пиксела, составляющим 8, 4, 5 и даже 3 мс. Правда, вместе с указанием этого рекордно низкого времени производители мониторов стали указывать, что речь идёт не о банальном времени, к которому, надо сказать, все уже привыкли, а о новой методике измерения Gray-to-Gray (GTG).

Возможно, все дело именно в этой самой методике измерения и всё это не более чем маркетинговые уловки производителей? В этой статье мы попробуем детально разобраться, что представляет из себя новая методика измерения GTG и за счёт каких фокусов производители добиваются рекордно малого времени реакции пиксела.

Определимся с понятиями

Прежде чем продолжить наше повествование, давайте немного определимся с терминологией и, заодно, напомним основные принципы функционирования ЖК-мониторов. Впрочем, сразу оговоримся, что в этой статье мы не станем углубляться в подробности функционирования и особенности различных типов ЖК-матриц (благо, на эту тему написано уже немало, в том числе и на нашем сайте). Всё, что нас будет интересовать в дальнейшем – это инерционные свойства ЖК-пикселов. Поэтому для простоты мы будем в дальнейшем считать, что ЖК-монитор состоит из набора пикселов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из трёх базовых субпикселов – красного, синего и зеленого. Цвет субпиксела формируется с помощью цветовых фильтров, и если не рассматривать эти фильтры, то все субпикселы абсолютно идентичны. Для того, чтобы получить произвольный цвет пикслела, базовые цвета субпикселов смешиваются в определенной пропорции. Чтобы получить нужную пропорцию базового цвета, нужно научиться менять яркость каждого субпиксела. Вот тут-то мы и подходим к понятию ЖК-ячейки, которая и отвечает за регулирование яркости субпиксела. В ЖК-ячейке жидкие кристаллы под воздействием приложенного к ячейке напряжения поворачиваются на определённый угол, что, в свою очередь (детали про поляризаторы и т.п. мы опускаем), позволяет регулировать количество света, формируемого лампами подсветки и проходящего через ЖК-ячейки. В современных цифровых мониторах напряжение, подаваемое на ЖК-ячейку, дискретно, и всего можно задать 256 (от 0 до 255) различных уровней напряжения, что, в свою очередь, определяет 256 различных углов поворота ЖК-молекул. Соответственно, каждый субпиксел может находиться в одном из 256 различных состояний, каждому из которых соответствует свой уровень яркости пиксела. В закрытом состоянии ЖК-ячейки она полностью непрозрачна, что соответствует чёрному цвету субпиксела, а в открытом состоянии ЖК-ячейка полностью прозрачна, что соответствует белому цвету (цветофильтры нас не интересуют). Все промежуточные яркости пиксела соответствуют различным градациям, или оттенкам, серого цвета (Gray Level, GL), поэтому в дальнейшем вместо яркости пиксела мы будем говорить о 256 градациях серого: от 0 (обозначается, как GL 0) до 255 (обозначается, как GL 255).

Информацию о требуемом цвете и яркости пиксела монитор получает от видеокарты. Далее в работу включается контроллер монитора, который определяет требуемый для этого GL-уровень каждого субпиксела и, просматривая собственную таблицу соответствия уровней серого и требуемых для этого напряжений, задаёт необходимое напряжение на каждом субпикселе (это, конечно, слишком упрощённая схема работы монитора, но, как мы уже говорили, подробности нас пока не интересуют). Задание напряжения на субпикселах происходит не в произвольные моменты времени, а синхронизированно с кадровой развёрткой. То есть в начале каждого кадра за относительно малый промежуток времени электроника монитора подаёт напряжения на все субпикселы ЖК-матрицы и до начала следующего кадра напряжение на субпикселах, а значит, и их яркость, не меняется.

Проблема, однако, заключается в том, что субпикселы достаточно инертны и не могут переключиться из одного состояния в другой мгновенно. Для поворота ЖК-молекул на требуемый угол требуется определённое время, причём это время измеряется десятками миллисекунд. Учитывая, что при частоте кадровой развёртки 60 Гц (типичная частота для ЖК-мониторов) длительность одного кадра составляет 16,7 мс, получается, что из одного состояния в другое пикселы не успевают переключать даже за время одного кадра. Если, к примеру, в каждом следующем кадре цвет и яркость пикселов не меняется (статическая картинка), то инертность пикселов не представляет большую проблему. Но вот если картинка на мониторе постоянно меняется, то в каждом следующем кадре пикселу будут присваиваться новые значения и цвета, и яркости. Вот тут-то и начинаются проблемы: пиксел ещё не успел переключить в требуемое состояние, а уже приходит команда на переключение в другое состояние.

Итак, минимальная информация, которая нам потребуется в дальнейшем, изложена, поэтому можно перейти к рассмотрению того, что понимают под временем реакции пиксела.

Стандартизированное время реакции пиксела (Black-White-Black)

Различают время включения и выключения пиксела. Под временем включения пиксела понимается промежуток времени, необходимый для открытия ЖК-ячейки (переход с GL 0-GL 255), а под временем выключения — промежуток времени, необходимый для закрытия ЖК-ячейки (переход GL 255-GL 0). Когда же говорят о времени реакции пиксела, то понимают суммарное время включения и выключения пиксела, то есть переход Black-White-Black (BWB).

Методика измерения времени реакции пиксела определяется стандартом ISO 13406-2. В этом же стандарте оговаривается, что под временем включения пиксела понимается время, необходимое для изменения яркости пиксела от 0 до 90% (а не от 0 до 100%), а под временем выключения пиксела понимается время, необходимое для изменения яркости пиксела от 100 до 0%.

Время включения пиксела и время его выключения могут существенно отличаться друг от друга. На рис. 1 показаны типичные временные диаграммы включения и выключения пиксела ЖК-матрицы.

Нестандартизированное время переключения пиксела (Gray to Gray)

Итак, стандартом ISO 13406-2 предусмотрено измерение времени реакции пиксела при переключениях между чёрным и белым цветами. Вопрос только в том, насколько адекватно время реакции пиксела, измеряемое по стандарту ISO 13406-2, отражает динамические характеристики монитора. Насколько корректно утверждать, что если время реакции пиксела для одного монитора составляет 20 мс, а для другого – 30 мс, то первый монитор лучше другого в том смысле, что он не приводит к образованию смазанной картинки?

В реальных приложениях переключение пиксела GL 0-GL 255 или GL 255-GL 0 встречается относительно редко. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами (градациями серого). Но как будет меняться время реакции пиксела, если его измерять при переключении между различными полутонами? Оказывается, что для большинства ЖК-матриц время перехода между полутонами оказывается больше, чем время перехода между чёрным и белым цветами. Что же из этого следует? Как минимум, это означает, что заявляемое производителем время реакции пиксела по стандарту ISO 13406-2 не позволяет однозначно судить о динамических свойствах монитора. Ну, это мы, конечно, смягчили, а если всё называть своими именами, то время реакции пиксела, заявляемое производителями мониторов, не означает ровным счётом ничего и используется разве что чисто в маркетинговых целях.

Тогда возникает законный вопрос – если стандарт ISO 13406-2 не годится, то какая характеристика может использоваться для адекватной оценки динамических качеств монитора? Если более важным является время переключения между полутонами, то именно это время и надо рассматривать в качестве характеристики динамических свойств монитора. Однако количество возможных переходов между градациями серого, не много не мало, 256х256=65536. Конечно, все времена всех возможных переходов можно измерить, но что принять за результат? Печатать в технической документации таблицу времён переходов размером 256х256 – не слишком удачная идея. Однако можно использовать среднее время переключения между полутонами. Конечно, такая характеристика, как усреднённое время переключения между полутонами, не лишена недостатков, однако она куда более информативна и, если можно так выразиться, более правдива, чем время реакции пиксела, измеряемое по стандарту ISO 13406-2.

И несмотря на то, что стандартом не определена методика вычисления и измерения времени реакции пиксела между градациями серого, многие производители ЖК-мониторов стали отмечать в технической документации на свои мониторы именно среднее время переключения пиксела между градациями серого (Gray-to-Gray, GTG). Правда, отсутствие стандарта (он, кстати сказать, ожидается в 2006 году) порождает массу нюансов. К примеру, между какими градациями серого нужно измерять время перехода? Как вычислять среднее (среднее арифметическое или среднее геометрическое). В общем, вопросов больше, чем ответов и, как мы увидим в дальнейшем, это обстоятельство позволяет производителям трактовать время переключения GTG , как это им выгодно с маркетинговой точки зрения.

Итак, после описания двух различных методик измерения времени отклика ЖК-монитора вернёмся к главной теме нашей статьи, которая, если вы ещё не забыли, посвящена описанию тех фокусов, которые используются для получения сверхмалого времени отклика.

Технология ускорения времени реакции пиксела

Самое интересное заключается в том, что технология ускорения времени реакции пиксела реализована исключительно на уровне электроники ЖК-монитора и никак не затрагивает технологию производства самих ЖК-матриц. Поскольку время переключения пиксела из одного состояния в другое зависит от прикладываемого к ячейке напряжения, то можно ускорить время переключения, если в процессе самого перехода использовать напряжение больше или меньше (в зависимости от того, между какими уровнями серого реализуется переход), чем требуется (чем соответствует требуемому уровню серого).

Рассмотрим процесс переключения пиксела из состояния GL 1 в состояние GL 2 (рис. 2) Пусть уровню GL 1 соответствует напряжение U 1, а уровню GL 2 – напряжение U 2 ( GL 2> GL 1, U 2> U 1). Время переключения в данном случае зависит от разницы напряжений U 1 и U 2.

Если требуется осуществить переход из состояния GL 1 в состояние GL 3, причём GL 3> GL 2, то для этого перехода потребуется и более высокий уровень напряжения U 3, но и время переключения станет меньше. А теперь попробуем объединить две ситуации воедино, то есть реализовать переход GL 1-GL 2, но за время перехода GL 1-GL 3. Этого можно достигнуть, если в течение времени длительности первого кадра подать на ячейку напряжение U 3 (больше, чем требуется), а в течение последующих кадров снизить это напряжение до требуемого уровня U 2. То есть идея заключается в том, чтобы первоначально более высоким импульсом напряжения форсировать поворот ЖК-молекул. Поскольку управляющее напряжение на ЖК-ячейке может меняться только с приходом каждого следующего кадра, длительность форсирующего (компенсирующего) импульса напряжения соответствует длительности одного кадра, а вот уровень этого компенсирующего напряжения подбирается таким образом, чтобы за время длительности одного кадра уровень яркости пиксела не превысил бы значения GL 2 (рис. 3). В противном случае возможно появление нежелательных артефактов.

Совершенно аналогично можно ускорить время переключения пиксела при переходе с более высокого уровня яркости GL 2 на менее высокий GL 1 (рис. 4). Для этого напряжение на ячейки в течение длительности одного кадра уменьшается до значения, меньшего, чем требуется для перехода GL 2-GL 1. При этом уровень компенсирующего напряжения подбирается таким образом, чтобы при уменьшении яркость пиксела не стала бы меньше требуемого значения GL 1.

Технология ускорения времени реакции пиксела получила название Response Time Compensation (RTC). Хотя, конечно, производители ЖК-мониторов, пытаясь выделится из общего ряда, используют собственные названия данной технологии, однако суть от этого не меняется.

Резюмируя вышеизложенное, можно сказать, что технология RTC позволяет уменьшить время переключения пиксела между градациями серого цвета, сократив его до времени длительности одного кадра. Кроме того, технология RTC принципиально не может повлиять на время переключения с чёрного на белый, равно как и с белого на чёрный цвета, и в этом смысле время реакции пискела, измеряемое как суммарное время переключения Black-White-Black, при использовании RTC-технологии не меняется. Отметим также, что если без использования технологии RTC время переключения пиксела между градациями серого цвета меньше времени длительности одного кадра, то технология RTC не только не может сократить время переключения, но, более того, её использование приведет к артефактам. Действительно, если время переключения GL 1-GL 2 (GL 2 > GL 1) без использования технологии RTC меньше, чем длительность одного кадра, то за время длительности одного кадра будет реализован переход GL 1-GL 2. При использовании технологии RTC для реализации перехода GL 1-GL 2 подаётся последовательность напряжений U 1-U 3-U 2. Тогда за время первого кадра пиксель успевает переключиться в состояние GL 3. После подачи напряжения U 2 во втором и последующих кадрах пиксель перейдёт в состояние GL 2. Таким образом, вместо требуемого перехода GL 1-GL 2 на самом деле реализуется переход GL 1-GL 3-GL 2. При этом в течение некоторого промежутка времени (часть первого кадра и часть второго кадра) пиксел будет «пересвечен», то есть его яркость будет выше требуемого уровня GL 2, что можно рассматривать как своего рода артефакт (рис. 5).

Вопрос о том, уменьшается ли при этом время переключения пискела, вообще-то говоря, неоднозначен. Дело в том, что уровень GL 2 достигается дважды: через время T 1 и через время T 2. Время T 1 соответствует достижению уровня GL 1 в первом кадре, то есть когда подано напряжение U 3, а время T 2 – во втором кадре, когда подано напряжение U 2. Остаётся лишь выяснить, какое из этих двух времён считать временем переключения пиксела. Понятно, что с точки зрения производителя выгоднее считать за время переключение пиксела именно время T 1, однако учитывая, что в промежутке T 2-T 1 мы имеем дело с «пересвечиванием» пиксела, то правильно считать за время переключения именно время T 2. Интересно отметить, что в данном случае технология RTC не только не способствует уменьшению времени переключения пискела, но и наоборот, приводит к его увеличению.

Как уже отмечалось, для корректной реализации технологии RTC необходимо, чтобы каждому переходу между градациями серого соответствовал бы свой уровень компенсирующего напряжения, подаваемого в первом кадре. Причём уровень компенсирующего напряжения зависит не только от уровня серого, на который происходит переход, но и от уровня серого, с которого происходит переход. Поэтому для реализации технологии RTC сигнальный процессор монитора должен иметь кадровый буфер, в котором хранится предыдущий кадр. При приходе нового кадра для каждого пикселя на основе предыдущего и требуемого уровней GL происходит расчёт требуемого уровня форсирующего напряжения. Для этого монитор содержит специальную таблицу Look-Up Table (LUT), в которой хранится соответствие между выходным уровнем серого (соответствующего форсированному импульсу напряжения) и уровнями серого предыдущего и текущего кадров.

Уловки производителей

Итак, после довольно подробного описания технологии RTC перейдём к рассмотрению реальных примеров её реализации. В качестве примера мы рассмотрим 19-дюймовый ЖК-монитор Samsung SyncMaster 970P на основе S-PVA матрицы.

Согласно технической документации, среднее время реакции пиксела для данного монитора составляет 6 мс (GTG). Причём главное, что в этом мониторе имеется чип RTA (Response Time Accelerator), который и реализует технологию RTC.

Ну что ж, перейдём от заявленных характеристик к реалиям. Для начала рассмотрим осциллограмму переключения пиксела для перехода GL 0-GL 200 (рис. 6).

На данной осциллограмме можно чётко выделить два уровня яркости пиксела: GL 0 и GL 200. Как видим, сформированный импульс напряжения, действующий на пиксел в течение 16,7 мс (времени длительности первого кадра), приводит к тому, что пискел достигает значения GL 200 уже через 14 мс. Ну что ж! Не так уж и плохо с точки зрения маркетинга, хотя, конечно, заявленными 6 мс тут и не пахнет. Впрочем, делать выводы ещё рано! Дело в том, что через 14 мс яркость пиксела не достигает , а пересекает значение GL 200, и некоторое время пиксел оказывается «пересвеченным», то есть с яркостью большей, чем GL 200. На протяжении следующих кадров яркость писела постепенно уменьшается до требуемого значения GL 200, достигая требуемого уровня только через 43 мс. Так и хочется спросить: «Где же правда, брат?» Всё-таки 14 и 43 мс – это далеко не одно и то же!

Ну а правда в том, что малое время переключения пиксела – это не что иное, как уловка производителя. Такой результат достигается за счёт «пересвечивания» пикселов, и довольно оригинального, но более чем спорного способа измерения времени переключения (благо, методика GTG не стандартизирована). То есть малое время отклика – это не что иное, как искусство измерения. Однако измерять время переключения пиксела можно и иначе. И если за время переключения принять время достижения (а не пересечения) уровня GL 200, то оно составит 43 мс. Как видим, на практике использование технологии RTC может не только не уменьшить время переключения пиксела, но и наоборот, увеличить его.

Впрочем, может мы поторопились с выводами? Действительно, можно ли делать выводы на основании рассмотрения всего одного перехода GL 0-GL 200! Что ж, дабы быть непредвзятыми, приведём осциллограммы переключения пиксела и для других переходов (рис. 7).

Наверное, комментарии в данном случае излишни – факты говорят сами за себя. Да! Можно мудрить с рекламными заявлениями, но вот обмануть осциллограф трудно. На этой же осциллограмме можно обнаружить и ещё один крайне интересный факт. Посмотрите на переход GL 0-GL 255, то есть на переключение пиксела с чёрного на белый цвет. Теоретически технология RTC не позволяет сократить время перехода GL 0-GL 255 просто потому, что уровню GL 255 и так соответствует максимальный уровень напряжения, и форсирующему импульсу напряжения просто неоткуда взяться. Но это только теоретически! Практика же говорит о другом. Как видим, даже для перехода GL 0-GL 255 имеется «пересвеченное» состояние пиксела. Но что же получается? Значит уровень GL 255, соответствующий белому цвету, на самом деле является оттенком серого? Означает ли это, что за счёт уменьшения цветового охвата монитора (уменьшения количества воспроизводимых цветов) производители добиваются уменьшения времени отклика даже при переключении с чёрного на белый цвета? Вопросов в данном случае больше, чем ответов.

Ну и в заключение приводим осциллограммы переключения пикселов с оттенков серого на чёрный для монитора (рис. 8). Как видим, в данном случае никаких артефактов нет. Всё как и должно быть.