Самыми распространёнными разрешениями для формата изображения 4:3 являются следующие: VGA (640×480), SVGA (800×600), XGA (1024×780), SXGA (1280×1024), SXGA+ (1400×1050), UXGA (1600×1200), QXGA (2048×1536).
Технология DLP
Digital Light Processing (DLP) — это высокотехнологичная система, разработанная компанией Texas Instruments, которая позволяет создавать компактные и легкие мультимедиапроекторы. Такие проекторы могут весить всего около 3 килограммов, что вызывает удивление, учитывая их мощность, превышающую 1000 ANSI Lumen.
В 1987 году доктор Ларри Дж. Хорнбек разработал цифровое мультизеркальное устройство (Digital Micromirror Device или DMD). Это изобретение стало кульминацией многолетних исследований в области микромеханических деформируемых зеркальных устройств (Deformable Mirror Devices или также DMD), проводимых компанией Texas Instruments. Основное новшество заключалось в том, что вместо гибких зеркал была предложена матрица жестких зеркал, способных занимать лишь два фиксированных положения.
В 1989 году Texas Instruments была выбрана одной из четырех компаний, которые реализовывали проекторную часть программы U.S. High-Definition Display, финансируемую Агентством перспективных исследовательских проектов (ARPA).
В мае 1992 года TI продемонстрировала первую систему, основанную на DMD, соответствующую современным стандартам разрешения ARPA.
Версия DMD, поддерживающая формат высокой четкости (HDTV), была представлена в феврале 1994 года с использованием трех высокочетких DMD.
Массовые продажи DMD-чипов стартовали в 1995 году.
Технология DLP
Ключевым компонентом DLP-проектора является матрица, состоящая из множества микроскопических зеркал (так называемых DMD-элементов), которые обычно изготавливаются из алюминиевого сплава с высоким коэффициентом отражения. Каждое из этих зеркал установлено на жесткой подложке, соединенной с основанием матрицы. На противоположных углах зеркал размещены электроды, которые подключены к ячейкам памяти CMOS SRAM. Под действием электрического поля подложка перемещает зеркало в одно из двух устойчивых положений, отличающихся на 20° благодаря специальным ограничителям.
Эти два положения зеркал обеспечивают отражение света либо в объектив проектора, либо в специальный светопоглотитель, что гарантирует эффективный отвод тепла и минимальное отражение света.
Шина данных и сама матрица проектируются таким образом, чтобы обеспечить высокую производительность, включая передачу до 60 и более кадров в секунду и более 16 миллионов цветов.
Размеры кристалла, включающего матрицу зеркал и CMOS SRAM, поразительны. Площадь каждого зеркала составляет 16 микрон или менее, расстояние между зеркалами составляет около 1 микрона. Эти кристаллы (да, не один) можно легко удерживать на ладони.
- SVGA: 848×600; 508,800 зеркал
- XGA: 1024×768 с черной апертурой (межзеркальным пространством); 786,432 зеркал
- SXGA: 1280×1024; 1,310,720 зеркал
|
Итак, мы имеем матрицу, что же дальше? Конечно, необходимо осветить её мощным светом и установить оптическую систему, которая будет фокусировать изображение на экране. На пути одного из направлений отражений зеркал разумно разместить светопоглотитель, чтобы избежать ненужного света. Таким образом, мы можем проецировать изображения одного цвета. Однако где же цветовой аспект и яркость?
И вот тут, похоже, и заключается новаторский подход доктора Ларри, о котором говорилось в самом начале раздела о развитии технологии DLP. Если вы до сих пор не поняли сути, будьте готовы к удивлению, ведь это элегантное и вполне логичное решение стало на сегодняшний день самым современным в области проецирования изображений. Вспомните детский фокус с вращающимся фонариком, когда свет в какой-то момент сливается и формирует светящийся круг. Эта особенность восприятия света и позволяет отказаться от аналоговых систем формирования изображения в пользу полностью цифровых. Даже цифровые мониторы на заключительном этапе своей работы обладают аналоговой природой. Но что же произойдет, если мы заставим зеркала переключаться с большой частотой между двумя состояниями? Если пренебречь временными задержками переключения зеркал, то яркость, как мы можем наблюдать, снизится вдвое. Создавая разные соотношения времени нахождения зеркала в каждом положении, мы сможем регулировать видимую яркость. При этом, поскольку частота переключений очень высока, мы не увидим эффекта мерцания. Эврика! Хотя данная логика известна долгие годы 🙂 Теперь финальный штрих. Если скорость переключения достаточно велика, то на пути светового потока можно последовательно устанавливать светофильтры, что позволит создавать цветное изображение. Вот такая, по сути, и есть основа технологии. Дальнейшие эволюционные изменения можно проследить на примере проекторов.
Как это работает?
Основной принцип работы DLP проектора основывается на матрице DMD, о которой мы поговорим подробнее.
Рис. 1 DMD микросхема
DMD-микросхема — это кремниевый кристалл с КМОП-памятью, на котором сформирована матрица квадратных алюминиевых микрозеркал (см. рис. 1). Эти микрозеркала способны повернуться на определенный угол в обе стороны. Это означает, что микрозеркало может либо отражать падающий свет, либо направлять его на специальный поглотитель, что в свою очередь приводит к появлению на экране светлой или темной точки.
Угол поворота зеркала определяется геометрическими параметрами конструкции, которая создается с помощью высокоточной кремниевой фотолитографии, поэтому элементы DMD-матрицы практически идентичны. Изначально размеры зеркал составляли 16×16 мкм, угол их поворота не превышал 10°, тогда как в современных матрицах размер зеркал зависит от разрешения, а угол отклонения достиг 12°. В последние поколения зеркал отсутствует квадратик в центре от ножки.
Каждое микрозеркало крепится на так называемом торсионном подвесе, что обеспечивает надежную работу DLP-матрицы на протяжении долгих лет. Торсионный подвес состоит из лент особой формы, изготовленных из прочного материала (на рисунке — подвижные пластины). По оценкам компании Texas Instruments, время наработки DMD-микросхемы на отказ для трехматричных проекторов составляет до 76 тысяч часов. Для управления вращением микрозеркал возникает эффект электростатического притяжения между адресными электродами и зеркалами.
Информация о состоянии каждого пикселя записывается в соответствующую ячейку памяти — обычный триггер. Его противофазные выходы соединены с адресными электродами микроструктуры, и поэтому данные, закодированные в ячейке памяти, влияют на положение зеркала.
Механизм работы DMD-матрицы включает в себя шесть различных состояний. В состоянии готовности памяти все триггеры матрицы загружены необходимой информацией (это происходит последовательно, по строкам). При сбросе все микрозеркала притягиваются к адресным электродам благодаря импульсу высокого напряжения, который подаётся на шину смещения, и это приводит к своему роду перезапуску системы. Состояние освобождения достигается, когда все зеркала освобождаются и находятся в нейтральном положении, выстраиваясь в одну плоскость. Состояние дифференциации подразумевает подачу на шину смещения промежуточного напряжения, которое создает электростатические поля между адресными электродами и зеркалом, подталкивающее последнее в нужном направлении. В состоянии приземления на шину смещения подаётся таковы напряжение, при котором зеркала ускоренно притягиваются к адресным электродам, достигая максимального угла наклона. На этапе загрузки памяти зеркала остаются в одном из двух наклонных положений, в то время как содержимое ячеек памяти обновляется по строкам.
В процессе работы DMD-матрица последовательно проходит через шесть фаз: сброс, освобождение, дифференциация, приземление, загрузка памяти и готовность памяти. Фаза сброса необходима для преодоления сил прилипания. Исследования показывают, что при малых размерах механических структур эти силы довольно велики, поэтому упругости ленточного подвеса недостаточно для освобождения зеркала.
Управление зеркалами DMD-матрицы происходит за счет изменения напряжения на шине смещения, которая формируется специальными электронными схемами, размещенными вне DMD-кристалла. Все зеркала в структуре действуют синхронно, что способствует улучшению динамических характеристик матрицы, обеспечивая качественную передачу движущихся объектов.
Как устроен DLP проектор
Устройства для проекции изображений известны с давних времен — это и слайд-проекторы, и эпидиаскопы, и другие аналогичные устройства. Их главной особенностью было обязательное наличие физического объекта для проекции, такого как слайд, диапозитив или рисунок на пленке.
Рис. 3. Принцип действия мультимедийного проектора
Современным мультимедиа проектору не требуется физический объект для проекции — они используют электронный сигнал. Таким образом, проблема создания качественных статических и динамических изображений стала менее актуальной. В настоящее время любой человек, освоивший тот или иной пакет программного обеспечения, способен создавать красивые и сложные изображения и анимации.
Как же устроен современный DLP проектор?
Он включает в себя следующие основные и вспомогательные устройства (системы).
Источник света. Для мощных проекторов обычно используют одну или несколько специализированных вентильных ртутных или ксеноновых ламп (ламп сверхвысокого давления или металоорганических).
Металлогалоидные лампы получили свое название из-за добавок солей йода и брома. Объем полезного светового потока таких ламп примерно в два раза превышает обычные и достигает 3 ANSI lm/Вт. Цветопередача металлогалоидной лампы значительно превосходит галогенную, благодаря тому, что излучение располагается в непрерывном спектре, а не в линейчатом. Свет от этих ламп белый и больше похож на дневной, в то время как галогенные сгенерируют желтый свет.
Срок службы ламп определяется временем, по истечении которого их световой поток уменьшается вдвое. Средний срок службы ламп составляет от 1000 до 2000 часов.
Лампы сверхвысокого давления — это развитие идеи металлогалоидных источников света, предложенное компанией PHILIPS. Эти лампы более дорогие. Давление в их колбе превышает 100 атмосфер. Светотехническая эффективность составляет 5 ANSI lm/Вт, в то время как срок службы достигает 4000 часов. Лампы сверхвысокого давления обычно применяются в моделях таких производителей, как SONY и SANYO. У ламп этого типа к концу срока службы световой поток снижается лишь на 25%.
На сегодняшний день основное количество ламп для проекторов производится всего тремя компаниями — Philips, Osram и Ushio.
В последние годы в ЖК проекторов начали использовать сверхъяркие светодиоды, цвет свечения которых может меняться в зависимости от напряжения питания.
Для мощных кинотеатральных DLP проекторов часто используются блоки ламп, содержащие 2-4 излучателя. Это позволяет не прерывать трансляцию в случае неисправности одной из ламп и продлевает срок их службы за счет поочередного использования или работы в так называемом эко-режиме с пониженным напряжением питания.
Ртутные и ксеноновые лампы имеют низкий коэффициент полезного действия, что приводит к выделению большого количества тепла, отводимого для предотвращения перегрева. Ранее единственной альтернативой для теплообменников была система принудительного воздушного охлаждения, однако в последнее время всё чаще используется жидкостное охлаждение. Это произошло по ряду причин: во-первых, эта система значительно более эффективна, чем воздушное охлаждение из-за более высокой теплоемкости рабочего тела, а во-вторых, снизился уровень шума проекторов. Достичь уровня шума системы воздушного охлаждения в 30 дБ достаточно сложно, и в тихом помещении он будет явно слышен.
Для оптической системы источник света считается точечным. Чтобы собрать этот свет и направить его на матрицу, используют систему линз, названную конденсором. Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовой апертуре до 0,1 используются одиночные линзы, а при 0,2-0,3 — двухлинзовые системы, свыше 0,3 — трехлинзовые. Наиболее распространены конденсоры из двух выпукло-плоских линз, обращенных сферическими поверхностями друг к другу. Эта схема позволяет уменьшить сферические аберрации.
Трехматричные и одноматричные проекторы
В технологиях проекторов это, пожалуй, главное отличие. Существует два метода наложения красного, зеленого и синего изображений друг на друга: одновременное и последовательное наложение.
Одновременное наложение предусмотрено в трехматричных проекторов, где каждый цветной поток проходит через отдельную матрицу, после чего изображения объединяются и создают готовую цветную картинку, которая идет на экран.
Трехматричный подход выглядит следующим образом на примере технологии 3LCD:
- Белый свет из лампы выходит.
- Этот свет попадает на фильтр и делится на красный и голубой.
- Красный компонент проходит через матрицу №1, образуя красное изображение.
- Голубой разделяется на зеленый и синий.
- Зеленый свет направляется на матрицу №2, а синий — на матрицу №3.
- Получаем три изображения, которые накладываются друг на друга — и формируется одно цветное изображение.
- Цветное изображение выводится на экран.
При последовательном наложении проектору нужна лишь одна матрица: на неё поочередно подаются красный, зеленый и синий сигналы, и проектор отображает на экране сначала красное, потом зеленое, затем синее изображение.
Одноматричный подход, как в случае технологии 1-DLP, имеет свои особенности, о которых мы поговорим позже. Здесь стоит отметить, что впечатляющие результаты достигаются быстро, и, подобно тому как мы не замечаем отдельных спиц крутящегося велосипедного колеса, мы не видим раздельные цветные изображения на экране. Мы воспринимаем результат их слияния — готовое цветное изображение, которое, в случае одноматричного проектора, формируется не в проекторе, а в восприятии зрителя.
В обоих случаях мы получаем цветное изображение. Теперь давайте рассмотрим плюсы и минусы одноматричного и трехматричного подходов.
- Стоимость. Три матрицы обходятся дороже, чем одна, потому одноматричные проекторы чаще всего имеют более низкие цены.
- Эффективность. Трехматричный проектор в каждый момент времени работает с красным, зеленым и синим цветами, в то время как одноматричный проектор работает только с одним цветом (остальные убираются). Трехматричные проекторы демонстрируют значительно более высокий КПД использования светового потока от лампы.
- Сведение матриц. В трехматричных системах сложнее идеально выставить матрицы друг относительно друга, в то время как у одноматричных проекторов такой проблемы нет: если оптика не имеет недостатков, пиксели на экране будут четкими и резкими.
- Визуальные артефакты. Как бы часто не сменялись цветные изображения на экране одноматричного проектора, бывают случаи, когда глаз может распознать отдельные цвета, особенно это заметно на динамичных контрастных темных сценах. Например, в фильме «Темный Рыцарь» глаз может уловить цветной след за ярким объектом на долю секунды. Этот феномен называется «эффект радуги» или эффект разделения цветов.
Обратите внимание, что формально данный вопрос не связан с технологиями LCD или DLP. Тем не менее, именно эта особенность привела к тому, что на рынке наиболее активно представлены одноматричные DLP и трехматричные LCD (3LCD) проекторы, у которых получились все плюсы и минусы одноматричных и трехматричных подходов.
LCD и DLP
Если рассматривать непосредственно матрицы, то LCD (ЖК) матрица больше всего напоминает пластинку диапроектора, поскольку работает она «на просвет«, находясь на пути светового потока. Основная задача каждого пикселя заключается в блокировании света или пропускании его дальше.
DLP-матрица, в свою очередь, работает не на просвет, а по отражательному принципу. Каждый его пиксель представляет собой микроскопическое зеркало, которое поворачивается, отражая свет на экран или, в отклоненном состоянии, перенаправляет его на светопоглотитель.
В целом, зеркала отлично справляются с задачей отсечения ненужного света, благодаря чему DLP матрица (DMD чип) обеспечивает значительно высокую контрастность по сравнению с LCD матрицей (при прочих равных условиях). Конечно, контрастность зависит не только от типа матрицы, но и от зернистости и других факторов, и при высоких затратах возможно достижение более высоких уровней контрастности, как, например, в таких моделях LCD проекторов, как EH-TW9200 и EH-TW9300 — они демонстрируют отличные показатели контрастности. Тем не менее, в конечном итоге, DLP проекторы, как правило, превосходят по контрастности и уровню черного изображения.
В DLP технологии обычно применяется трехматричная конфигурация (например, Epson 3LCD), в то время как подавляющее большинство DLP проекторов остается одноматричными. Исключения составляют некоторые инсталляционные проекторы и элитные домашние проекционные системы, в которых присутствует и трехматричная DLP технология.
Достоинства и недостатки основных принципов работы
Перед тем, как предоставлять конкретные рекомендации по выбору проекторов, следует разобраться в их классификации. На рынке в настоящее время преобладают следующие типы проекторов:
- DLP (3DLP)
- LCD (3LCD)
- LCOS (SXRD, D-ILA)
- 3LED
DLP и 3DLP – они чемпионы по контрасту
- Высокий уровень контрастности, обеспечивающий реалистичный черный;
- Высокие возможности настройки цветопередачи;
- Широкий ассортимент моделей и производителей на рынке;
- Предпочтительны для создания домашних кинотеатров из-за более реалистичной цветопередачи;
- В старших линейках отсутствуют оптические искажения;
- Не требуют дополнительного обслуживания и хорошо защищены от пыли;
- Эффективно подходят для игр и 3D.
- Низкая яркость, особенно в значениях так называемой цветовой яркости у бюджетных моделей, что ставит их в невыгодное положение относительно других технологий;
- В бюджетных моделях может проявляться эффект радуги;
- Изображение, получаемое от одночиповых DLP проекторов, может мерцать, что заметно на видео и может быть более утомительным для глаз;
- Повышенные затраты на решения, обеспечивающие высокое качество изображения.
Фактически, все недостатки, за исключением высокой стоимости, одноматричных DLP проекторов не касаются проекторов, использующих три чипа, так называемых 3 DLP, которые при этом поддерживают высокую контрастность — одно из главных преимуществ.
3LCD – лидеры по яркости цвета
- Высокая яркость среди начальных линеек;
- Как правило, выше удобство настройки оптики;
- Некоторые бюджеты модели могут использоваться в помещениях с достаточным уровнем освещения;
- По соотношению цена/результат идеально подходят для использования в офисах и для учебных презентаций в небольших аудиториях;
- В бюджетных линейках обеспечивают более реалистичную цветопередачу (за исключением черных и серых тонов).
- Ограниченный ассортимент и монополия на использование технологии;
- Низкая контрастность и нереалистичный (серый) черный цвет;
- Уязвимость к пыли, требующая замены фильтров специалистами;
- Появление артефактов (например, вогнутость вверху) на больших экранах;
- Артефакты (шлейфы), которые могут проявиться при воспроизведении динамичных сцен в играх и 3D.
В старших линейках была решена проблема низкой контрастности благодаря технологии C2Fine.
LCOS — это дорогая золотая середина.
- LCOS превосходит LCD и DLP по максимально доступному разрешению;
- За счет внутреннего размещения управляющих элементов за светоотражающим слоем LCOS избегает «эффекта гребенки», который характерен для LCD (3LCD);
- Коэффициент полезного действия технологии выше, чем у LCD (3LCD);
- Коэффициент заполнения (соотношение рабочей площади матрицы к ее общей площади) у LCOS выше, чем у DLP и LCD проекторов;
- Благодаря наличию охлаждающей подложки, LCOS чипы устойчивы к температурным колебаниям, что позволяет создавать мощные устройства, предназначенные для инсталляций;
- Контрастность и черный цвет лучше, чем у LCD;
- Не мерцает, в отличие от DLP;
- Время отклика матрицы LCOS меньше, чем у LCD.
Основные характеристики
При выборе проектора важно учитывать ряд характеристик, которые помогут достичь желаемого результата.
Яркость
Для расчета необходимой яркости проектора в аудитории или комнате, где освещение соответствует действующим санитарно-гигиеническим нормам (где можно читать и работать), можно умножить 756 на площадь экрана в квадратных метрах.
Внизу привожу таблицу для расчета яркости, необходимой проектору в зависимости от размера экрана при освещении, достаточном для чтения.
Разрешение
Ниже представлены соответствия стандартов и разрешений, в зависимости от формата.
1. Формат изображения 4:3:
- VGA (640×480),
- SVGA (800×600),
- XGA (1024×780),
- SXGA (1280×1024),
- SXGA+ (1400×1050),
- UXGA (1600×1200),
- QXGA (2048×1536).
- WXGA (1280×768 или 1280×780),
- HD720 (1280×720),
- W VGA (864×480),
- W SVGA (1024×576),
- Full HD (1920×1080),
- WUXGA (1920×1200),
- HD 4K (4096×2400).
Тем не менее, редко упоминается параметр, отражающий отношение минимальной периферической освещенности экрана к максимальной в центре. Для проекторов, предназначенных для просмотра кино и игр, а также в профессиональных устройствах значение равномерности должно превышать 70%.
И еще немного о контрасте
Контраст значительно влияет на качество изображения в затемненных помещениях. Именно по этой причине высококонтрастные модели проекторов часто рассматриваются как часть домашних кинотеатров. Если вы стремитесь к получению различимого изображения в освещенных интерьерах, необходимо учитывать яркость.
Трехчиповые проекторы
Этот тип DLP-проекторов использует призматы для разделения излучаемого луча от лампы. Каждый из основных цветов затем направляется на свой чип DMD, и в конечном итоге лучи объединяются, а изображение проецируется на экран.
Трехчиповые проекторы способны выдавать большее количество градаций теней и цветов по сравнению с одночиповыми, потому что каждый цвет доступен более длительное время и может быть гибко модулирован с каждым видеокадром. Кроме того, изображение не подвержено мерцанию и эффекту радуги.
Dolby Digital Cinema 3D
Компания Infitec разработала спектральные фильтры для вращающегося диска и 3D-очков, что позволяет проецировать кадры для каждого глаза в различных подмножествах спектра. В результате исключительно каждый глаз воспринимает свою, почти полноцветную картинку на обычном белом экране, в отличие от систем с поляризацией проецируемого изображения (например, технология IMAX), которые требуют специального серебряного экрана для сохранения поляризации при отражении.
Источником этого материала является Википедия — свободная энциклопедия.
