Поиск:
Методика тестирования

26.04.2007 00:05

Методика тестирования мониторов

Данная статья предназначена прежде всего для разъяснения читателям технической стороны наших тестов мониторов. Она призвана пролить свет на то как осуществляются измерения параметров, и почему были выбраны именно эти характеристики в качестве объектов пристального внимания. Чтобы не повторяться обо всем этом в каждом тесте, было решено выделить описание методики измерения в отдельный материал, ссылка на который, будет содержаться, соответственно, в каждом материале, посвященном мониторам.  

В отличие от графических ускорителей или процессоров, где измеряв конкретные характеристики – частоту, скорость работы в тех или иных режимах или производительность, мы можем делать конкретные выводы о преимуществах и недостатках тестовых устройств, ситуация с мониторами, на первый взгляд, кажется гораздо более субъективной, поскольку у множества пользователей собственные представления о том, как должно выглядеть выводимое изображение на мониторе. Однако для оценки качества цветопередачи также существуют разработанные методы измерения и стандарты, на которые мы и будем ориентироваться при тестировании мониторов. 

Типы матриц

Для начала напомним, что в данный момент на рынке жидкокристаллических мониторов присутствуют три основные технологии, лежащие в основах трех разных типов матриц, на которых и базируются современные мониторы. Мы приводим в нашей методике тестирования краткое описание этих трех технологий для того, чтобы при прочтении теста было понятно, почему то и дело мы ссылаемся на тип  матрицы при оценке каких-нибудь характеристик монитора или списываем на него некоторые недостатки 

  • TN+Film  

Данная технология самая старая по времени появления, но одновременно при этом и сама распространенная благодаря своей невысокой цене, которая для большинства потребителей оправдывает все недостатки данных типов матриц. 

Приставка Film к изначально существовавшей аббревиатуре TN присоединилась из-за использования на некоторых мониторах специальной пленки, улучшающей углы обзора, которые у первых TN матриц были просто неприемлемыми. Сейчас абсолютно все мониторы имеющие в основе TN матрицу оснащены такой пленкой, поэтому TN и TN+Film обозначают абсолютно одно и тоже в спецификациях производителей. 

Аббревиатура TN расшифровывается как Twisted Nematic, что в переводе на русский означает  буквально: "спирализованные (скрученные) жидкие кристаллы". В данной технологии при подаче напряжения кристаллы выстраиваются в виде спирали, ось которой  перпендикулярна плоскости панели.  

Однако не все кристаллы в спирали выстраиваются точно параллельно  поверхности панели, в результате чего ее форма получается немного нарушенной, и вследствие этого мы будем наблюдать падение контрастности монитора. Логично, что при взгляде вдоль оси  спирали и под углом к этой оси оптические свойства такой неправильной спирали будут отличаться , а отсюда мы получаем вторую основную проблему TN-матриц – небольшие углы обзора.  

Несмотря на все недостатки, которые пока так и не удалось искоренить, TN матрицы самыми первыми достигли достаточно небольшого времени отклика, сделанного усилиями маркетологов и геймеров определяющим параметром в сознании покупателей, что вкупе с низкой ценой, позволило им  захватить наиболее массовый рынок low и low-middle сегментов.

 

В плане цветопередачи у многих мониторов на TN+Film матрице тоже существуют проблемы, впрочем это присуще и некоторым матрицам других типов, в первую очередь тем, которые могут похвастаться небольшим временем отклика. Стремясь максимально повысить скорость матрицы, производители идут на определенные жертвы в плане отображения цветов, и поэтому многие выпускаемые  сейчас матрицы могут выводить только 262 000 цветов, что соответствует лишь 18 битам (по 6 бит на канал). Остальные цвета эмулируются при помощи технологии Frame Rate Control (покадровая смена цвета) или, сокращенно, FRC).  

Суть данной технологии объясним на простом примере. Допустим, у нас есть двухцветный монитор, способный выводить лишь только черный и белый цвет. Если мы будем выводить последовательно набор из белых и черных кадров, то учитывая, что частота обновления экрана достаточно высока, наблюдателю в силу инертности зрения  будет казаться, что он видит оттенок серого. 

Последствия применения FRC и качества его настройки производителем, хорошо заметны на плавных градиентах, в идеале на которых нельзя различить отдельных оттенков. Здесь же мы, в лучшем случае, увидим несколько узких полос с четкими границами, а в худшем полос на градиенте будет значительно больше. Конечно, производитель не будет указывать такие особенности матриц в описании своих мониторов, и поэтому следует обращать внимание на количество цветов, которое указывается в спецификации – 18-битным бедным на цвета мониторы соответствует цифра в 16,2 миллиона цветов, а 24-битным честные 16,7 миллионов без применения FRC, хотя некоторые компании и этот параметр перевирают.   

  • MVAPVA  

Технологии MVA и PVA , хоть и имеют существенные отличия , но все же в своей основе имеют одну общую  идею, поэтому и описывать их  мы будем вместе. 

Еще в 1996 году компанией Fujitsu была разработана технология Vertical Alignment (вертикальная ориентация  (равнение)). Принцип действия данной технологии был достаточно прост – под напряжением  жидкие кристаллы, которые изначально выстроены перпендикулярно плоскости панели, поворачиваются на определенный угол в зависимости от значения напряжения. Согласно этому повороту меняется и поляризация проходящего через кристаллы света и мы получаем требуемый оттенок. Все бы было хорошо, только вот углы обзора у таких панелей и углами назвать то было сложно – если вы смотрите прямо на экран и видите серый цвет, то даже при небольшом отклонении,  вы получите уже белый или черный цвет, из-за того, что угол под которым к нам будут расположены кристаллы значительно изменится.    

Два года спустя было наконец найдено решение этой проблемы – каждый пиксел представлял собой совокупность синхронно срабатывающих доменов ("субпикселов" – не путать с теми тремя монохромными субпикселями, которые составляют один цветной). Название технологии, соответственно, приобрело приставку Multidomain (мультидоменный) и  стало обозначаться уже привычной аббевиатурой MVA. Кристаллы в этих доменах ориентированы по-разному, из-за чего, с какого бы мы угла не посмотрели, часть света будет пропускаться доменом с одной ориентацией кристаллов, а часть задерживаться доменом с другой ориентацией, и в результате мы получаем тот же самый оттенок. Для того, чтобы изначально ориентировать домены на подложки нанесены микроскопические продольные выступы. Молекулы, выравниваясь по этим выступам получают небольшой наклон, и, соотвественно каждая область (домен) приобретает определенное направление, в котором будет происходить поворот молекул под воздействием поля.

Вот только ничего совершенного не бывает, и недостаток данной схемы заключается в том, что когда мы смотрим прямо на экран, мы можем потерять часть тонких оттенков, а также детали в тенях (участках изображения с низкой яркостью), и только чуть отклонившись, мы получим их обратно. Парадоксально, но на многие  MVA-мониторы смотреть лучше под совсем небольшим углом, но не прямо, а в остальном вы можете хоть из-под стола на нем работать, углы обзора у MVA-матрицы прекрасны.  

Кроме этого небольшого недостатка MVA матрицам вменялась низкая контрастность и, конечно же, время отклика, которое на фоне бурного прогресса TN-матриц оставалось неизменно большим, что не позволяло играть на них в динамичные игры. К счастью, с появлением технологии овердрайва (ускорения переключения матрицы при помощи дополнительного импульса), правильно называемой RTC (Response Time Compensation – компенсация времени отклика), MVA-мониторы получили новые дыхание, практически догнав по скорости своих конкурентов. Однако стоит осторожно относится к сильно разогнанным мониторам – как на MVA , так и на TN матрицах, из-за возможного появления нежелательных артефактов овердрайва. Послесвечение движущихся объектов, и появление полос на них могут возникнуть из-за того что дополнительный ускоряющий переключение импульс будет слишком велик.  

Контрастность МVA-матриц, а особенно Premium-MVA-моделей, сейчас  постоянно повышается и у новых моделей достигла значительных величин, а вкупе с яркими и насыщенными цветами это делает мониторы на базе MVA-матриц весьма неплохим выбором для разборчивых  пользователей, ведь их цена , конечно выше, чем у TN+Film-панелей, но все же многим вполне по карману.   

Технология PVA (Pattern Vertical Alignment), базирующаяся на той же идее, что и MVA, была изобретена компанией Samsung, не просто, чтобы избежать лицензионных  выплат, как это может показаться на первый взгляд.  В PVA в отличие от MVA продольные выступы отсутствуют и в отсутствие напряжения кристаллы выстроены перпендикулярно плоскости подложки, а преднаклон доменов образуется смещением пиксельного и общего электроды друг относительно друга так, что создаваемое поле не строго вертикально, а содержит наклонный компонент. Главное отличие у мониторов Samsung от собратьев на базе MVA-матриц заключается прежде всего в плане прекрасной контрастности, которая у отдельных моделей уже превышает 1000:1 (по крайней мере, по паспортным данным).  

  • S-IPS 

И, наконец перейдем  к самой продвинутой технологии, применяемой в производстве LCD-мониторов – S-IPS (Super In-Plane Switching), что переводится  как "переключение в одной плоскости". В матрицах данного типа все кристаллы панели находятся всегда в одной плоскости и при подаче напряжения они поворачиваются в плоскости, параллельной поверхности панели. Стоит отметить, что пиксельные и общие электроды в S-IPS матрицах расположены параллельно друг другу на одной пластине, из-за чего страдает яркость и контрастность матрицы.  

Приставка “супер” появилась, конечно же, в результате усовершенствования технологии IPS, и на данный момент обычные IPS никто уже не выпускает. Японская компания NEC называет свои  матрицы подобного типа как SA-SFT и SA-AFT, но это вообщем-то просто вариации и развитие S-IPS. 

Для мониторов на базе S-IPS матриц характерны прекрасные углы обзора и, что немаловажно, самая лучшая цветопередача среди всех типов жидкокристаллических матриц, практически не хуже, чем у мониторов на электронно-лучевой трубке, что и делает их единственным выбором всех тех, кто серьезно работает с графикой. А вот среди недостатков таких замечательных матриц, это прежде всего ее скорость. На данный момент S-IPS-мониторы замыкают гонку среди различных типов матриц по уменьшению времени отклика и даже MVA-матрицы вышли вперед по этому параметру. Правда, для дорогих мониторов, предназначенных для профессиональнго рынка, низкая скорость не является существенным недостатком, и даже наоборот - разогнанная матрица как непременный атрибут “геймерского монитора”, у консервативных фотографов и печатников никак не вяжется с хорошей цветопередачей. Еще одним недостатком-особенностью S-IPS, с которой пока так и не справились производители  является приобретение черным цветом сиреневого оттенка при отклонении  взгляда от нормали.  Кстати, именно по этому признаку можно на глаз определить данный тип матриц, не прибегая к спецификациям и не всегда профессиональным консультантам в магазинах. К слову, TN-матрицы тоже можно опознать не прибегая к справочным данным. Нужно вывести на экран белую засветку,и при отклонении от нормали по горизонтали экран слегка пожелтеет, а по вертикали потемнеет.  

В заключение этого краткого описания  типов матриц отметим, что в TN+Film матрицах при выходе из строя тонкопленочного транзистора, пиксел будет свободно пропускать свет и поэтому на экране во время работы будет гореть яркая точка. В MVAPVA и S-IPS матрицах напротив – в неактивном состоянии пиксел свет не пропускает и на экране битый пиксел будет отображаться черной точкой, что не так мешает в работе.  

Понятие о цветовых пространствах 

Чтобы  даже неподготовленной читатель не потерялся среди непонятной лексики, цифр и графиков, мы решили вкратце объяснить основные понятия из теории цветности непосредственно перед описанием проводимых измерений.  

Человеческая сетчатка, как мы все помним из школьного курса биологии, содержит два вида фоточувствительных клеток – палочки и колбочки. Палочки, которых у нас около 120 миллионов отвечают за восприятие света любой длины волны видимого спектра, то есть дают "картинку" в градациях серого , а колбочки в свою очередь дают нам возможность различать цвета. Существуют три типа колбочек (у некоторых людей -  четыре), которые  имеют различные максимумы поглощения в видимом спектре, и, соответственно, отвечают за восприятие основных цветов: красного, зеленого и синего. На основе этих трех цветов глаз создает смесь сигналов, которая и будет описывать необходимый  нам цвет. С помощью смешения трех основных цветов человек способен различать миллионы цветов.

Чтобы описать и хоть как-нибудь стандартизировать ситуацию с описанием цветов Международная комиссия по освещению CIE (Commission International de l’Eclairage) в 1931 году провела глобальное исследование спектральной чувствительности человека на  деньги собранные производителями красок. 

Вкратце, опыт был следующий – "cтандартизированный наблюдатель" (понятие, полученное из усреднения результатов множества наблюдателей) сидел перед экраном, на который  проецировались два световых пятна в непосредственной близости друг от друга. Первое пятно получали путем пропускания белого света через стеклянную призму, которая разлагала его на отдельные спектральные составляющие. Большая часть цветов перекрывалась непрозрачной шторкой , и лишь необходимый экспериментаторам цвет оставался на экране, представляя собой спектрально-чистый цвет. Второе пятно получали при помощи трех источников белого света пропущенных через зональные фильтры, то есть фильтры пропускающие только в определенных зонах спектра. В эксперименте CIE были использованы фильтры, пропускающие свет на участках с длинами волн: 700.0 Нм (красный), 546.1 Нм (зеленый) и 435.8 Нм (синий), из смеси  этих трех лучей пятно и состояло. А сами эти три  цвета были названы основными.  

Наблюдатель должен был добиться идеального на его взгляд совпадения цвета пятна,  полученного при помощи трех основных, и  пятна спектрально-чистого цвета. С этой целью он напряжённо крутил ручки регуляторов, отвечающих за яркость каждого из трех цветов. 

Сумма яркостей трех основных цветов, совпадающая с белым цветом, была принята за единицу измерений, и в журнал о проведении эксперимента заносились данные о долях яркости каждого компонента по отношению к его доле в образовании белого.  

В результате данного эксперимента были измерены цветовые ощущения  и  получены им соответствующие числовые значения. Таким образом, каждый цвет описывался тремя числами, что позволяло выразить всю систему цветов  в виде трехмерного пространства, каждый цвет которого являлся точкой в этом пространстве.  Физиологическая цветовая координатная система, полученная в результате экспериментов CIE, носит название "CIE RGB". Правда она оказалась совсем не идеальной и для устранения отдельных недостатков была введены системы CIE XYZ, и её производная  xyY, полученные при помощи математического пересчета из CIE RGB. 

Графически координаты всех цветовых ощущений,  испытываемых человеком, представляют собой в пространстве геометрическую фигуру, которая и будет являться цветовым пространством,  доступным человеку.  Монитор как устройство, призванное воспроизводить цветовые ощущения, к сожалению, способен воспроизвести лишь часть цветов доступных человеку, то есть его цветовой охват гораздо меньше. Хорошо иллюстрирует этот факт следующий график: 

Здесь на проекцию цветового пространства человека в ЦКС xyY нанесены цветовые охваты телевизионного сигнала NTSC принятого за эталон и охват самых продвинутых на сегодняшний момент матриц SA-SFT (если не считать дорогущие LED-мониторы). Как легко заметить на экране монитора  увидеть все богатство зёлёного цвета нам пока не суждено.  

В результате развития представлений о цветовых пространствах в 1976 году была введена WRC Lab, которой активнее всего пользуются и сейчас. Хорошо сбалансированная структура цветового пространства Lab основана на теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов "красный/зеленый" и "желтый/синий" можно воспользоваться одними и теми же значениями, вследствие чего мы получаем следующие компоненты ЦКС:

  • L (Lightness)— яркость цвета, измеряется от 0 до 100%;
  • a — диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого (–120°) до красного (+120°);
  • b — диапазон цвета от синего (–120°) до желтого (+120°).

Исследования показали, что информация о цвете обрабатывается в головном мозге человека не раздельно по базовым цветовым "каналам", а в некотором интегральном виде, при этом происходит формирование пар противоположных цветов: синий – желтый, красный – зеленый, и, как мы видим цветовое пространство CIE Lab наилучшим образом подходит для описания именно относительно реальных процессов, протекающих  в организме человека.  

Для численного выражения отклонения реального цвета от эталонного используется величина dE (дельта Е), которая по сути является расстоянием между двумя точками в цветовом пространстве.  Человеческий глаз способен отличать оттенки только  достижению цветового порога (минимальное изменение, которое может заметить человек), в данном случае такой порог это значение dE=1. 

Как уже говорилось выше, из сложения  трех основных цветов  можно получить большинство остальных, именно этот принцип и заложен в основу работы монитора – каждый пиксель состоит из трех ячеек, соответственно красной, зеленой и синей и при помощи градации яркостей ячеек мы и получаем требуемый цвет. Все это называется моделью цветопередачи RGB, кроме нее еще есть базовая модель используемая при печати - CMYK (Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый) и примкнувший к ним черный цвет, называемый key color (ключевой цвет). 

Тем не менее, данные RGB мало что говорят о цветовых ощущениях, без привязки к конкретному аппарату, и чтобы добиться одинакового изображения на нескольких мониторах, необходимо добиться равенства цветовых координат. Поскольку математически учесть все факторы, влияющие на цветовоспроизведение, невозможно, поступают так: спектрофотометром или колориметром промеряют определенный набор разноцветных шаблонов, получившихся при воспроизведении различных стандартных аппаратных RGB данных. По полученным спектральным данным при помощи программного обеспечении спектрофотометра  рассчитываются цветовые координаты каждого шаблона, которые записываются в "файл цветового соответствия" (color reference file) для данного аппарата. Результатом обработки этого файла будет профайл (color profile) – файл с расширением ICM (ICC), содержащий всю необходимую информацию о  функционировании устройства.  

Кроме таких "реальных" профилей WRC, описывающих  цветовое пространство конкретного монитора, есть так называемые "виртуальные" цветовые пространства, являющиеся общераспространенными стандартами, которые не привязаны ни к определенному устройству и служат для хранения и обработки изображений как таковых. Наиболее известные из них это sRGB и AdobeRGB отличающиеся друг от друга цветовым охватом. Но даже в ещё практически неподвластном ЖК-мониторам пространстве AdobeRGB  цветовой охват составляет всего 55 процентов, от доступного человеческому глазу.


       Опубликовать в twitter.com   Опубликовать в своем блоге livejournal.com           

Рекомендуем прочитать