LCD-evolúció – 6

A folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

Felbontás és képarány – e két kifejezéssel találkozunk leggyakrabban az LCD kijelzős eszközök világában. Ám nem csak ezért célszerű „egy kalap alá venni” ezeket, a folyadékkristály paneleket használó megjelenítők specifikációiban és az adott alkalmazáshoz leginkább megfelelő megjelenítő eszköz kiválasztásának folyamatában is legismertebb tulajdonságokat. Közös bennük, hogy alapértelmezésben mindkét jellemző a kijelző fizikai tulajdonságait mutatja, másfelől viszont értelmezésük jóval összetettebb, hiszen például a megjelenítendő tartalmak fejlődésével is összefüggnek.

Felbontás – egyszerűen definiálható vagy mégsem?

A vizuális tartalmak megjelenítéséhez fix képpont-struktúrát alkalmazó kijelzőknél – mint amilyenek a TFT LCD kijelzők is – a „kijelző felbontás” kifejezés alatt a kijelzőpanel megjelenítendő képet létrehozó oszlopainak és sorainak fizikai mennyiségét értjük, vagyis azt, hogy a kijelző hány képpont-sort, és egy sor hány képpontot tartalmaz.

A kijelzők képpontjainak száma tág határok között változhat (1. ábra). Míg például egy VGA szabványú monitor kijelzőjét 307 200 képpont alkotja, 640 oszlopban és 480 sorban (640×480 = 307 200), addig egy Full HD LCD panelen 2 073 600 képpont helyezkedik el, 1920 oszlopba és 1080 sorba rendezve (ráadásul a sorok és oszlopok számának aránya sem azonos – ezzel is foglalkozunk később). A kijelző felbontást natív felbontásként is szokás emlegetni. Ez határozza meg, hogy mi az a legnagyobb és legjobb, legtökéletesebb megjelenítés és képminőség, amire az adott kijelző képes.

1. ábra

A „kijelző felbontás” kifejezést általában a sorok és oszlopok számára (pl. 1920×1080) használják, amely nem mond semmit az adott kijelző képpontsűrűségéről, azaz az egységnyi távolságra vagy területre eső képpontok számáról, amit a digitális képmegjelenítők esetében pixel-per-inch (ppi) értékkel adnak meg. Pedig a képpontsűrűség is befolyással van a néző által érzékelt képfelbontásra, mivel ha a kijelző egy kisebb területen több információt képes megjeleníteni, sokkal tisztábbnak, „élesebbnek” tűnik a kép.

A megjelenített képi tartalom szemünk által érzékelt felbontását ezen kívül még számos más tényező is befolyásolhatja. Ezek egyike a képernyő négyszögletes alakja, mely a kép fizikai szélességének és fizikai magasságának arányaként fejezhető ki, ami képarány néven ismert. A képernyő fizikai képaránya és az egyes képpontok fizikai méreteiből adódó felbontásának aránya azonban nem feltétlenül azonos. Ugyanúgy 4:3 képarányú az a kijelző, amelynek 768×576 képpont natív felbontású tömbje négyzet alakú képpontokkal (square pixel) rendelkezik, mint az a kijelző, amelynek 702×576 képpont natív felbontású tömbjét nem négyzet arányú képpontok (non-square pixel) alkotják (2. ábra).

2. ábra

A felbontásra vonatkozó másik megközelítésben, az előbb példaként felhozott Full HD kijelző képe akkor lesz a legjobb minőségű, ha megfelelő alkalmazásokat (forrásberendezéseket) társítanak hozzá és a kijelző natív felbontásának megfelelő tartalmakat néznek rajta. Hiába képes a Full HD kijelző 2 millió képpont megjelenítésére, ha a bemenetére küldött képi tartalom felbontása ennek csak a hetede. Ráadásul például egy régi VHS videokazettára rögzített műsortartalom esetében még a tévéadásnál is alacsonyabb lehet a felbontás – a 720×576 képpontból felépülő PAL műsor eredeti képpontjainak több mint a fele hiányozhat. Hasonló lesz a végeredmény, amikor egy monitort a natív felbontásánál alacsonyabb felbontási beállítással használnak. Az alacsonyabb felbontásra történő skálázás ugyanis tulajdonképpen interpoláció, amely összehasonlítja az egymáshoz közeli képpontokat, és a színeket „megtippelve” tölti ki a közöttük lévő rést. Ez az adott kisebb felbontásnak megfelelően megnöveli ugyan a nagyobb natív felbontású kijelzőn megjelenített kép méreteit, ám számos esetben homályos és elmosódó képet hoz létre, aminek képfelbontása nem lehet jobb a feldolgozási lánc (forrásjel, feldolgozó berendezés, megjelenítő) legkisebb felbontású tagjánál.

Az előbbiektől függetlenül, a megjelenítés esztétikai élményéről kijelenthető, hogy – felbontásukban megfelelő minőségű tartalmakkal – a felhasználó a kijelzőn megjelenített képet annál szebbnek látja, minél több képpontból áll egy képernyőkép, és minél jobb (minél nagyobb) a (natív, valós) felbontás, annál élesebb, részletgazdagabb a képmegjelenítés (3. ábra). Ez tekinthető a legfőbb hajtóerőnek a mind nagyobb natív felbontású LCD kijelző fejlesztéséhez és gyártásához, amelynek eredményeként napjainkra általánossá váltak a 8 294 400 képpontos, 3840×2160 natív felbontású 4K UHD (Ultra High Definition) LCD kijelzőpanelek. Igaz viszont, hogy a hardver és a tartalom fejlődése – bár egymást motiválják – mégsem tart mindig lépést egymással. Ez itt abban nyilvánul meg, hogy a tartalomszolgáltatók kicsit megkésve kullognak az évek óta piacon lévő hardver „tudásának” megfelelő műsoranyagok, videók és szoftverek legyártásával. Eközben a kijelzőgyártók már a sorozatgyártásra szánt 7680×4320 képpont natív felbontású 8K UHD prototípusok fejlesztésével foglalkoznak, sőt a Dell UP3218K típusnévvel – 5000 dolláros kiskereskedelmi áron – már piacra is dobott egy 81 cm (32”) képátlójú, 8K UHD felbontású monitort az idei év elején (4. ábra). 

3. ábra

4. ábra

Képarány – a múlt és a jelen (no meg a jövő) összhatásában

A képarány legegyszerűbben úgy definiálható, mint a video- vagy a filmkép szélességének a magasságához viszonyított aránya. Az elmúlt évtizedek során számos képarány formátum alakult ki ilyen-olyan okokból (1. ábra), ám most csak a legmeghatározóbbakat vesszük sorra.

Mivel a 35 mm-es és a 16 mm-es filmek képkockáinak sztenderd mérete egyaránt nagyjából 4 egység széles és 3 egység magas volt, a filmgyártás kezdetekor ez vált a mozgóképek szabványos képarányává, mely a 4:3 (1,33:1) viszonyszám-párral fejezhető ki. Amikor a televíziót az 1930-as és 1940-es években kidolgozták és szabványosították, a 4:3 képarányt is elfogadták. Ugyanis a televíziós műsorok felvételének egyetlen módja az volt, hogy a filmek rögzítéséhez használatos kamerát alkalmazzanak. Ennek képét jelenítették meg a képcsöves tévékészülék apró képernyőjén, amelynek képaránya annyira közel állt a kamerán keresztül közvetített kép 4:3 arányához, hogy az gyakorlatilag a tévéképernyő 100%-át lefedte.

A televíziók népszerűsége az 1950-es évek elején gyorsan nőtt, ami aggodalommal töltötte el a filmstúdiókat, mivel tartottak a filmszínházak látogatottságának csökkenésétől. Ezért olyan új vizuális élmények megteremtésével próbálták a mozitermek nézőszámát megtartani, amelyekkel a tévékészülékek nem vehették fel a versenyt. Ezek egyike volt a 20th Century Fox által kidolgozott CinemaScope elnevezésű széles képformátum, amelynél a filmfelvétel során egy speciális lencse alkalmazásával anamorfikusan torzították a képet a 35 mm-es film képméret-arányaihoz, majd lejátszáskor egy másik lencsét alkalmazva állították vissza a film eredeti széles képformátumát (5. ábra). A CinemaScope készítői több különböző méretarányt (képarányt) alkalmaztak, amelyek közül a leggyakoribb a 2,35:1 formátum. Ma a mozgóképek többsége a CinemaScope-ot felváltó Panavision 2,35:1 formátumban vagy 1,85:1 képarány formátumban készül.

5. ábra

A televíziók képaránya viszont egészen a nagyfelbontású televíziózás (HDTV) megjelenésének kezdetéig meghatározóan 4:3 volt, így a korai LCD kijelzők nagy hányada is ebben a képarány formátumban készült.

2003-ig a legtöbb számítógépes monitor szintén 4:3 képarányú volt. 2003 és 2006 között kezdtek elérhetők lenni a 16:10 képarányú kijelzők, először a laptopokban, majd később önálló számítógépes monitoroknál is. Az átmenet okait az ilyen monitorok produktív felhasználási lehetőségei – azaz a szélesvásznú filmek nézése és számítógépes játék mellett, a két szabványos oldal egymás melletti megjelenítésére alkalmas szövegszerkesztő, valamint a nagyméretű rajzok és szerkesztőmenük egyidejű láthatóságát biztosító CAD alkalmazások – jelentették.

A HDTV technológia megjelenése a televíziók viszonylatában is új képarányt jelentett – az alkalmazott HD formátumtól függetlenül – 16 egység széles és 9 egység magas, vagyis 16:9 (1,78:1) viszonyszám-párral leírható arányú képpel. Úgy tűnhet, hogy a 16:9 képarányt mutató viszonyszám-pár a semmiből bukkant elő, de valójában ésszerű kompromisszum a 4:3, a 1,85:1 és a 2,35:1 képarány formátumok között (6. ábra), a 16:10 képarányú számítógépes megjelenítési formátumról nem is beszélve.

6. ábra

A képmegjelenítők – közöttük az LCD kijelzőket tartalmazó eszközök – 16:9 képaránya jelenleg is a legmeghatározóbb. Néhány gyártó termékkínálatában azonban 21:9 (2,33:1) képarányú kijelzővel rendelkező megjelenítők (tévékészülékek, monitorok) is helyet kaptak (7. ábra), mivel filmes alkalmazásoknál (tévés filmnézés, házimozi) látványosabb képreprodukciót nyújtanak a 2,35:1 képarány formátumú szélesvásznú filmek lejátszásakor, monitorok esetében pedig kiválóan támogatják a többképernyős számítógépes alkalmazásokat.

7. ábra

8. ábra

Halott pixelek és egyéb képpont-hibák

A TFT LCD kijelzőknél előfordulhatnak képpont-hibák (pixelhibák), amelyek a technológia jelenlegi állása szerint teljesen nem szüntethetők meg (8. ábra). A gyártók a legtöbb esetben a pixelhibák garanciális elfogadása szempontjából az ISO 13406-2 Class II nemzetközi szabványt alkalmazzák, amelyben négy hibatípust különböztetnek meg az alábbi definíciók szerint:

• Első típusú: Ha a pixel a minimális fényerőt előíró vezérlésre a maximális fényerő legalább 75%-ával válaszol (azaz a pixel állandóan fényesen világít). (9/a ábra)

• Második típusú: Ha a pixel a maximális fényerőt előíró vezérlésre a minimális fényerő legfeljebb 25%-ával válaszol (azaz a pixel mindig sötét marad – ezt nevezik halott pixelnek). (9/b ábra)

• Harmadik típusú: Egyéb, nem első vagy második típusú hiba, például egy beragadt alképpont (szubpixel). Az aktív mátrix TFT LCD kijelzőknél minden egyes pixelpozíción (legalább) három folyadékkristály cella helyezkedik el. Ezeknek a vörös (R), zöld (G) és kék (B) szubpixeleknek az együttes működése teszi lehetővé a teljes színskála megjelenítését. Minden egyes cellát egy egyedi tranzisztor vezérel, amely közvetlenül a cella felett található. A tranzisztor meghibásodásakor az adott képpont mindig vörösen, zölden vagy kéken világít. (A tapasztalatok szerint ez a leggyakrabban előforduló hiba.) (9/c ábra)

9. ábra

• Csoporthiba: Kettő vagy több hibás pixel egy 5×5 képpontos területen. Ezenkívül a csoporthiba szabály kimondja, hogy nem lehet több, mint kettő folyamatosan világító vagy állandóan sötét hibás pixel egy 5 képpont sugarú területen. Szintén hibásnak számít az a kijelző, ahol egy 5×5 képpontos területen kettő vagy több vörös, zöld vagy kék pixel fordul elő. (10. ábra)Az alsó táblázat alapján tehát öt folyamatosan világító pixelt már nem enged meg a szabvány egy 1920×1080 képpont felbontású Full HD kijelzőn. Az engedélyezett hibák maximális száma (első + második + harmadik típusú): 18 képpont-hiba, melyből maximum négy lehet, ami állandóan világít, négy lehet sötét és tíz vörös, zöld vagy kék. Mindehhez természetesen hozzá kell venni az ISO 13406-2 Class II szabvány „Csoporthiba” definíciója alatt meghatározott kritériumokat, és ezek figyelembevételével lehet minősíteni az LCD kijelzőt.

10. ábra

Az ISO 13406-2Class IIszabvány szerint a megengedett hibák száma

LCD kijelzőkkel foglalkozó cikksorozatunk következő fejezetében a folyadékkristály panelek színreprodukcióját kiterjesztő fejlesztésekkel foglalkozunk.

Szerző: Herceg János

Forrásanyagok: Understanding Aspect Ratios (White Paper), TFT LCD kijelzők képponthibáinak garanciális elfogadását taglaló ismertetők (több LCD forgalmazó leírásai alapján)

A cikksorozat korábbi részei: