Zobrazovací soustava

Zobrazovací soustava je tvořena dvěma základními prvky:

• zobrazovací adaptér, který tvoří obraz → grafická nebo video karta

• adaptér kam se vytvořený obraz přenáší → CRT, LCD monitor, dataprojektor

Zobrazovací soustava může pracovat ve dvou základních režimech:

• textový režim

• grafický režim

Textový režim

• Starší možností

  • obrazovka je při něm rozdělena na malá políčka

  • každé zobrazí jeden znak

    • nejčastěji je na displeji 80 sloupců a 25 řádků

• typický pro staré programy určené k práci s operačním systémem

• rychlý hardwarově nenáročný režim

Grafický režim

• Princip - na obrazovce je rozprostřena matice bodů

  • rozsvícením určitých bodů se nakreslí libovolný text, obrazec, obrázek či provede animace

• barevné možnosti jsou téměř neomezené

  • každý bod je schopen být jinak barevný - výsledný text nebo obrázek může své barvy měnit plynule

• nejdůležitější charakteristikou grafického způsobu je rozlišovací schopnost

  • popisuje, kolika body (pixel) je tvořen jeden řádek

  • kolik řádků se vejde na obrazovku

  • čím více má obrazovka pixelů, tím jemněji a pro oko příjemněji kreslí

Pixel

Pixel

Pixel (picture element)

• nejmenší jednotka digitální rastrové (bitmapové) grafiky

• představuje jeden svítící bod na monitoru

• body na obrazovce tvoří čtvercovou síť - každý pixel je možné jednoznačně identifikovat podle jeho souřadnic

• u barevných obrazovek se každý pixel skládá ze tří svítících obrazců odpovídajících základním barvám - červené, modré a zelené

• velikost pixelu záleží na typu monitoru

• u analogových typů lze velikost pixelu měnit změnou rozlišení

• LCD obrazovky mají počet fyzických pixelů pevně vázaný na používané rozlišení a zobrazování

• jiného rozlišení u takového monitoru vede k určité deformaci obrazu, neboť „počítačové pixely“ jsou přepočítávány a nerovnoměrně přerozdělovány na větší počet „fyzických pixelů“.

• Obrázek rozložený na jednotlivé pixely

• Barevné složky RGB pixelů na LCD obrazovce

Grafická karta

Karta kreslí obraz – je tak jádrem celé soustavy

• její činnost není jednoduchá

  • karta musí zvládnout mnoho úkolů a je velmi důležitým ukazatelem kvality PC

  • v podstatě jde o další samostatný počítač

Hardware grafické karty

• Jádrem je grafický čip GPU(Graphics processor unit)

• samostatný mikroprocesor řídící činnost karty, zajišťující tvorbu obrazu

• Operační paměť

• GPU s ní bezprostředně spolupracuje

• ukládá do ní hotový obraz

• odkud se pak obraz přenáší na obrazovku

• Množství přenesených dat limituje

• frekvence a šířka sběrnice spojující GPU o OP

• podstatným ukazatelem kvality karty.

• RAMDAC

• digitálně analogový převodník

• převádí digitální obraz z operační paměti karty na analogový

• analogový signál vstupuje do monitoru

Hardware grafické karty

• Pro dosažení maximálního výkonu pracuje celá soustava s co nejvyšším kmitočtem

  • důležitou částí je chlazení

• Karty bývají doplněny dalšími obvody

  • televizní tuner

  • obvody VIVO

• Důležité jsou konektory karty, spojující GK s okolím

  • jejich počet samozřejmě závisí na funkčním vybavení karty

• Karty se k základní desce připojují prostřednictvím:

  • AGP (zastaralé 2020)

  • standardu PCIe x16 v3 (2020)

GPU (Graphics Processor unit)

• GPU dokážou za jeden takt vytvořit více texelů

  • v každé pipeline jsou umístěny Shadery

  • ty pracují s jednotlivými pixely:

    • Vertex Shader vytváří trojrozměrné objekty, umísťuje je do prostoru a stará se o světelné efekty

    • Pixel Shader definuje barvu a průhlednost objektů

  • vytvářený obraz se rozloží na části

    • nejčastěji čtverce

    • každá pipeline produkuje jeden čtverec obrazu

    • dosaženo paralelního kreslení a zrychlení tvorby obrazu

GPU (Graphics Processor unit)

• GPU řídicí jednotka grafického adaptéru

• vlastnosti definují zaměření karty, výkon a cenu

• nejčastěji se setkáme s GPU specializovaných výrobců:

• ATI /AMD (v majetku AMD)

• Nvidia

• Intel

• úkolem GPU je vytvářet jednotlivé body - pixely obrazu

• dříve používaly grafické čipy pouze jednu cestu pro zpracování instrukcí (pipeline)

• jedna pipeline mohla vykreslit jeden pixel v jednom taktu

• na každý vykreslený pixel mohla být aplikována jedna textura za jeden cyklus – fillrate

• pro prostorový obraz nutno na každý pixel aplikovalo více textur

• elementární textury se nazývají texely

• jeden pixel je tedy složen z několika texelů

• dnešní karty jsou vybaveny několika pipeline, které dokážou pracovat paralelně

GPU (Graphics Processor unit)

• Charakteristické znaky GPU:

• počet texturovacích pipelines

  • počtu pipelines odpovídá počet Shaderů a je základním kritériem GPU

• počet texelů vytvořených v jedné pipeline za jeden takt

• maximální teoretický fill-rate

• maximální teoretický texel fill-rate

  • pixel fill-rate násoben počtem texelů na jednotku pipeline

• frekvence, s níž karta pracuje

  • běžný rozsah od 350 až 1000 MHz

    • čím vyšší frekvence, tím více pixelů karta vytvoří

• podstatná je výrobní technologie mikroprocesoru GPU

GPU (Graphics Processor unit)

• GPU úzce spolupracuje s pamětí grafické karty, její charakteristiky jsou:

  • kapacita paměti – od 1 až po 2,5 GB (GDDR3 až GDDR6)

  • takt paměti a její typ - od 1024 až po 2560 MB

    • GDDR5 přenos 4 bity za 1 takt

  • šířka paměťové sběrnice – od 256 až 320 bitů

Další obvody grafické karty

• TV - Output (televizní výstup)

• Obvod VIVO (Video In Video Out)

• TV - Tuner

• Single - Link

• DVI Dual - Link

• DVI HDMI 2.1

• DisplayPort do budoucna nahrazen ThunderBolt portem  ( Mini DisplayPort)

API

• Tvorbu obrazu řídí také ● Dnešní technologie software nazvaný API – Microsoft DirectX11

  • Microsoft DirectX11

• DirectX od Microsoftu

  • DirectCompute 5.0

• integrováno ve Windows

  • ShaderModel 5.0

  • Open GL 4.1

• OpenGL

  • NVIDIA CUDA

  • NVIDIA Mosaic

  • NVIEW Display Management Software

  • NVIDIA Scalable Geometry Engine

  • NVIDIA Parallel DataCache

• Ve vašem PC – NVIDIA GigaThread Engine

• příkazem dxdiag - – NVIDIA High vyzkoušejte Precision High Dynamic Range

D-SUB

• NVIDIA 3D Vision

• NVIDIA 3D Vision Pro

• – NVIDIA Application Acceleration Engines

• – NVIDIA SLI MultiOS

• NVIDIA SLI

• NVIDIA SLIMosaic

• SDI Option

• FSAA (max. 64x, v SLI 128x)

• NVIDIA Quadro Digital Video Pipeline

• NVIDIA Quadro G- Sync Solution

Výstupy

• Současné adaptéry běžně disponují konektory

• D-SUB (VGA, DB9)

• Single-Link DVI

• Dual-Link DVI

• HDMI 2.1

• DisplayPort 1.2

  • Mini-DisplayPort 1.2

Konektory D-SUB

• standardní analogovým konektorem

• dlouho byl D-SUB jediným konektorem

• nevhodný pro spojení grafiky s LCD

  • grafický čip totiž digitálně nakreslí obraz do paměti

  • obraz je pomocí převodníku RAMDAC převeden na analogový a rozhraním D-SUB přenesen do LCDpanelu

  • v LCD-panelu je další převodník z analogového do digitálního signálu

DVI-I

DVI

• DVI-D (digital only)

• Založen na sériovém formátu používá Transition Minimized Differential Signaling (TMDS)

• single DVI link se skládá ze čtyř párů kroucené dvoulinky

• přenos je 24 bitů na pixel

• obraz je přenášen řádek po řádku s intervaly mezi každým řádkem a každým snímkem

• nepoužívá kompresi

• nejvyšší rozlišení při 60 Hz, a je 2,75 megapixelů (1915 x 1436 pixelů 4:3); (1854 x 1483 pixelů 5:4) ; (2098 x 1311 pixelů 16:10)

• specifikace DVI má pro single link pevně nastavenou obnovitelnou frekvenci na 165 MHz

• režimy vyžadující vyšší frekvenci musí přepnout do režimu dual link

• když jsou obě linky v provozu může frekvence přesáhnout 165 MHz

• druhá linka může být také použita pokud je potřeba více než 24 bitů na pixel

• doporučená délka klasického DVI kabelu je do 4,5 m.

HDMI

• High-Definition Multi -media Interface

• rozhraní pro přenos nekomprimovaného obrazového a zvukového signálu v digitálním formátu

• HDMI podporuje přenos videa ve standardní, rozšířené nebo highdefinition kvalitě

• až 8-kanálový digitální zvuk

• konektor HDMI typu A má 19 pinů

• konektor typu A je zpětně kompatibilní s rozhraním Single-link DVI

• málo rozšířená verze s označením B má 29 pinů pro přenos videa s větším rozlišením

  • konektor typu B je pak zpětně kompatibilní s Dual-link DVI

• Verze HDMI 1.0 až 2.1

• Digitální konektor sloužící k přenosu nekomprimovaného digitálního obsahu s podporou až 8kanálového zvuku a ochrany DPCP (DisplayPort Content Protection)
  • využívá 128bitové šifrování AES
  • podporuje rychlost přenosu 10,8 Gbit/s
  • do 3 metrů podporuje rozlišení WQXGA (2560×1600 pixelů)
  • do 15 metrů podporuje rozlišení 1920×1080 pixelů
  • s konektory typu DVI a HDMI je jen omezeně zpětně kompatibilní
  • navržen tak, aby nahradil digitální (DVI) i analogové (VGA) konektory v monitorech počítačů stejně jako v grafických kartách
  • má všechny funkce HDMI
  • určen spíše pro kancelářské a IT využití

TV OUT, TV IN

TV OUT, TV IN

• TV OUT je výstupem televizního signálu

  • realizován (4, 7 nebo 9pinovým) konektorem S-video

  • konektorem Cinch(TV OUT C)

• TV IN je vstupem

  • používá stejné konektory jako TV OUT

Paralelní spolupráce více grafických karet - ATI CrossFire

• Řešeni firmy ATI pracuje na podobném principu

• používá dva sloty PCIe x 16

• propojení obou karet je realizováno kabelem

  • spojuje speciální konektory DMS I/O

  • každá karta tedy obsahuje jeden propojovací konektor

• karty si nejsou rovnocenné

  • jedna je řídicí (Master) a druhá podřízenou (Slave)

  • mohou spolupracovat rozdílné karty

Paralelní spolupráce více grafických karet - SLI

• Při paralelní spoluprací dvou grafických karet se rozdělí původních 16 linek PCIe jednoho slotu mezi sloty dva

• každý z nich má pak k dispozici rychlost PCIe 8x

• o rozdělovaní dat se stará speciální propojení obou karet

• samotné vykreslování obrazu pak řídí přímo ovladač grafické karty

• Nvidia – řešení SLI (Scalable Link Interface)

  • obě karty propojeny speciálním můstkem SLI

  • deska musí mít dva sloty PCIe x 16

  • dvě stejné grafické karty podporující SLI

    • jeden výrobce

    • neliší se verzí BIOSu SLI

• Propojení pomocí „bridge“ modulu

Monitor CRT

• Dlouhou dobu byly téměř jediným výstupním zařízením počítačů PC

• dnes nahrazeny LCD panely

• 1. Elektronové dělo (emitor)
• 2. Svazky elektronů
• 3. Zaostřovací cívky
• 4. Vychylovací cívky
• 5. Připojení anody
• 6. Maska pro oddělení paprsků pro červenou, zelenou a modrou část zobrazovaného obrazu
• 7. Luminoforová vrstva s červenými, zelenými a modrými oblastmi
• 8. Detail luminoforové vrstvy, nanesené z vnitřní strany obrazovky

LCD-displej

• Ve srovnání s CRT mají LCD

  • podstatně nižší spotřebu

  • menší rozměry

  • nevydávají žádná škodlivá záření

  • obraz u nich nekmitá

  • nedochází ke zkreslování obrazu na okrajích displeje

Princip

• Činnost LCD displeje (Liquid Crystal Display) je založena na natáčení tekutých krystalů

  • z nich jsou složeny jednotlivé obrazové buňky

  • každý displej musí být podsvětlen

  • pod tekutými krystaly svítí nejčastěji elektroluminiscenční výbojka

  • mezi ní a horní stranou je umístěna matice tekutých krystalů LCD

    • ty světlo bud’ nepropustí, utlumí nebo nechají projít

Princip

Princip

• Na spodní a horní straně každé buňky jsou umístěny polarizátory

• ty propouštějí pouze polarizované světlo buď ve vodorovném, nebo svislém směru

• mezi oběma orientačními filtry (polarizátory) je vrstva tekutého krystalu.

• v průchozím stavu jsou tekuté krystaly buňky LCD šroubovicově pootočeny

• světlo procházející horizontálním polarizátorem pootočí buňky

• světlo tak projde i druhým vertikálním polarizátorem

• na displeji se rozzáří jeden bod

• druhým mezním stavem je když světlo neprojde k očím pozorovatele

• na elektrody tekutého krystalu se připojí střídavé napětí

• tekuté krystaly se narovnají, spodní světlo projde prvním polarizátorem

• krystaly je nepootočí, a tak je světlo druhým polarizátorem zastaveno

• bod na displeji zůstane temný

Technologie výroby LCD - panelů

• Existují tři základní technologie výroby LCD panelů

  • liší se způsobem natáčení molekul tekutých krystalů

  • technologie TN (Twisted Nematle)

  • technologie IPS (In-Plane Switching)

  • technologie VA, MVA, PVA

Technologie TN (Twisted Nematle)

• Nejstarší technologie výroby

• molekuly tekutých krystalů pro průchod světla vytvářejí spirálu

• ta otáčí světlo o 90°

• když se krystaly ocitnou pod napětím

• spirála se rozpadne a světlo přestane procházet

• u TN-matic dochází při pohledu z větších úhlů k žloutnutí bílé a k šednutí tmavších barev

• současné TN-panely vybaveny doplňkovou optickou vrstvou, tenkým filmem, který zlepšuje úhly pohledu

• technologie se pak označuje jako TN+F

1. Zdroj bílého světla
2. Polarizační desky
3. Polarizované světlo
4. Elektrody
5. Tekuté krystaly
6. Film zlepšující pozorovací úhly

Technologie IPS (in-Plane Switching)

• Molekuly tekutých krystalů vyrovnány souběžně se spodní deskou displeje

• v základním (vypnutém) stavu panel nepropouští světlo

• po přivedení napětí se tekuté krystaly pootočí a začnou propouštět světlo

• oba krajní stavy jsou přesnější a lépe definované, než tomu je u TN

• panely IPS vynikají věrnými barvami a širokými pozorovacími úhly

• nevýhodou je umístěni elektrod v jedné rovině

• u krajních krystalů dochází k nedokonalému otočení

• molekul vinou slabšího elektrického pole

• na okrajích buněk

• důsledkem je nižší jas a kontrast těchto panelů

  • 1-Zdroj bílého světla

  • 2-Polarizační desky

  • 3-Polarizované světlo

  • 4-Elektrody

  • 5-Tekuté krystaly

  • 6-Polarizované světlo

Technologie OLED

● Mezi průhlednou vrstvou (anoda) a kovovou vrstvou (katoda) je několik vrstev organické látky:

• Vrstva vypuzující díry

• Vrstva přenášející díry

• Vyzařovací vrstva

• Vrstva přenášející elektrony

• Po přivedení napětí jsou vyvolány kladné a záporné náboje, ty se spojují ve vyzařovací vrstvě a produkují světelné záření

• Principiálně jde o matici miniaturních LED v ploše displeje

• Zásadním problémem OLED displejů je stárnutí světelných bodů

Technologie VA, MVA. PVA

• Řešení postaveno na myšlence orientovat molekuly vertikálně (Vertical Alignment)

• molekuly se otáčejí pouze o 45°

• dosaženo vysokého kontrastu a krátké odezvy

• technologie příliš závislá na velikosti úhlu pohledu - při natočení podlouhlé molekuly docházelo k posunutí molekuly mimo zorné pole uživatele

• Vylepšení původní VA technologií MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

• molekuly rozděleny do domén

• pokud část molekuly není ve své doméně viditelná, je opticky kompenzována molekulou z druhé domény, jež je orientována opačně

  • 1-Zdroj bílého světla

  • 2-Polarizační filtr

  • 3-Polarizované světlo

  • 4-Elektrody

  • 5-Tekuté krystaly

Základní vlastnosti

• Obnovovací frekvence vychází z použité technologie obecně nad 60Hz

• Doba odezvy

  • 3 – 5 ms 250 – 300 cd/m² 400 : 1 – 900 : 1, často uváděn dynamický (v řádech deseti tisíců)

• Jas

• Kontrast

  •  nesměrodatný údaj cca 160° v obou osách

  • Úhel pohledu

• Modrá 1000 hodin, zelená 10 000 hodin a červená 30 000 hodin

Dataprojektory

• Technologie

  • DLP

  • LCD

  • LCoS

  • D-ILA

• Zdroj světla

  • Lampa

  • LED

DLP - Digital Light Processing

• 1987 - vyvinula fy. Texas Instruments

• obraz tvořen pomocí mikroskopicky malých zrcadel, která jsou umístěna na polovodičovém čipu, který se nazývá DMD (Digital Micromirror Device). Každé zrcadlo reprezentuje jeden nebo více pixelů ve výsledné projekci.

• Každá miniaturní odrazná ploška se může velmi rychle přemísťovat mezi dvěma krajními polohami – jednou, která světlo propouští a druhá, která jej odráží na chladicí plochu. Intenzita barvy je regulována rychlým střídáním těchto poloh (poměrem mezi průchozí a neprůchozí polohou).

• Obraz může být vytvářen dvěma rozdílnými metodami: projektorem s jedním čipem a tříčipovým projektorem

• Používaná rozlišení: 800×600, 1024×768, 1280×720 a 1920×1080

• blikání obrazu a ne příliš kvalitní podání barev oproti systému 3LCD

• Laser

Jednočipové DLP projektory

• rotující barevné kolo mezi lampou a čipem - čtyři segmenty – tři primární barvy (červená, modrá a zelená) a jeden zcela průhledný segment pro zesílení jasu

Tříčipové DLP projektory

• využití hranolu na rozdělení světla z lampy

• každá z primárních barev je poslaná na DMD čip

• Rotace je synchronizována s DMD čipem – sekvenční zobrazování barev (epilepsie)

• ●

3LCD

• použití individuálních zdrojů primárních barev – LED

• podstatně omezuje největší problém jednočipového zobrazení - duhový efekt

1LCD

• pracuje na shodném principu, jako 3LCD

• jednotlivé barvy jsou vytvářeny ve světelných laserech

• Světlo z lampy je vedeno na soustavu dichronických zrcadel, které z paprsku oddělí jednu barvu a ostatní propustí dále – tak vzniknou postupně tři nezávislé paprsky RGB

• Každý je pak samostatně veden třemi optickými soustavami přes miniaturní LCD displeje a po průchodu těmito panely se skládá v obraz v optickém hranolu. Poté je přes zaostřovací optiku vržen na projekční plochu.

LcoS - Liquid Crystal of Semiconductor

• spojení výhod systémů 3LCD i DLP

• místo DMD použit LcoS čip – není průhledný

• složitá (drahá) výroba → nevyrábí se, ale

• Základ pro další technologie: SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) od Sony a D-ILA (Digital Direct Drive Image Light Amplifier) od JVC.

Citace

• Lupa.cz

• www.dlp.com

• Vědecké kladivo:

https://www.youtube.com/watch?v=HBpR6JdM3vQ

● https://www.digitalnitelevize.cz/magazin/obecne/malaencyklopedie-televizni-techniky/2010-11-3-serial-oprojektorech-dil-prvni-principy-zobrazovani.html

• a