Profesionálne recenzie LCD monitorov na pc.sk realitou! Ako budeme testovať?

pc.sk rozširuje svoje obzory a odteraz vám bude prinášať aj recenzie LCD monitorov. V tomto prvom, úvodnom článku vás uvedieme do problematiky LCD technológie a v stručnosti zasvätíme do metodiky, ktorú budeme pri testovaní používať.

Farebná reprodukcia

Farebný gamut (Color Gamut)
Pojem „farebný gamut“ vyjadruje koľko farieb, ktoré dokáže naše oko vnímať, je schopné dané zariadenie (v našom prípade monitor) reprodukovať. Naše oči dokážu vnímať takzvané optické spektrum – elektromagnetická radiácia s vlnovou dĺžkou od 380 do 700 nm. Náš mozog ich vníma ako spektrum základných farieb počnúc fialovou až červenou farbou.
Ďalšie farby sú vytvárané ako zmes týchto vĺn rôznej dĺžky, kým súvislé spektrum je vnímané ako biele svetlo. Je technicky nemožné vytvoriť zariadenie, ktoré dokáže reprodukovať farebný gamut, ktoré sú naše oči schopné vnímať. Všetky zariadenia dokážu len pokrývať jeho časť. Nanešťastie, čím menšie monochromatické spektrum zariadenia je, tým väčší je priestor, ktorý nebude vedieť reprodukovať.

Na zobrazenie tohto priestoru používame CIE diagram. Obrazec udáva spektrum farieb viditeľné ľudským okom. Na okrajoch diagramu sú primárne farby (RGB – Červená, zelená, modrá), smerom do stredu sa zmiešavajú a vzniká biela farba (aditívne miešanie farieb). Ak umiestnime body na dané svetelné súradnice (v našom prípade sú to súradnice každého jedného zo subpixelov matricového filtra LCD monitora), tak nám vyformujú trojuholník. Tento trojuholník nám zobrazuje rozsah farieb, ktoré dané zariadenie môže reprodukovať. Reprodukovanú časť (výsek) nazývame farebný gamut.

Tento gamut budete v našich recenziách vídavať v 2D aj v 3D podobe spolu s priamymi porovnaniami sRGB a Adobe RGB farebných profilov. Ako príklad uvedieme porovnanie monitora XY v porovnaní s sRGB farebným profilom:

a v 3D zobrazení:

Jednou z noviniek pri testovaní farebnej reprodukcie monitorov je aj tzv. Gamut Volume. Je to číslo reprezentujúce jeho objem. vďaka tomuto číslu sme napríklad schopní zistiť percentuálne pokrytie oproti iným gamutom zariadení a farebným priestorom. Ako príklad môžeme uviesť objem gamutu monitora XY ktorý je 880 100 jednotiek. Objem štandardizovaného sRGB farebného priestoru je 897 107 jednotiek. Z toho nám vychádza, že percentuálne pokrytie sRGB farebného priestoru monitora XY je 98,10%. Možné je aj priamo porovnávať medzi rôznymi modelmi monitorov a určiť, ktorý monitor má gamut širší.

Všetky výpočty za nás robí software ColorThink Pro od spoločnosti CHROMiX. Vďaka nemu sme schopní zobrazovať grafy monitorov v 2D aj 3D priestore, určovať nezávislé deltaE 2000 odchýlky a samozrejme počítať objem gamutu.

Farebná hĺbka matricového filtra

Farebná hĺbka vyjadruje, koľko bitov je potrebných na reprezentovanie danej farby v bit mape na jednom pixli. Jednoducho povedané, koľko "schodov" (alebo koľko možných kombinácii) môže daná farba mať. Pri ôsmich bitoch je to 256 odtieňov (2^8), pri šiestich bitoch len 64 (2^6). Čo to znamená v prípade monitorov? V prvom rade je to číslo ktoré nám napovie koľko farieb je schopný daný monitor reprodukovať, samozrejme čím viac tým lepšie. Dnes sa v bežnej praxi pri výbere monitora stretávame s dvoma číslami vyjadrujúcimi farebnú hĺbku (odborne nazývanú aj ako "bit depth", "color depth") - 16,2 milióna a 16,7 milióna. Odkiaľ tieto čísla pochádzajú? Monitory sa skladajú z pixlov, pričom každý pixel má 3 subpixle - červenú, zelenú a modrú (RGB). To znamená, že monitor ktorý je 8 bitový má 8 bitov na jeden farebný kanál (pre tento pojem existuje skratka bpp - bits per pixel [bitov na pixel]). Vynásobením čísiel sa dostaneme k hodnote 16,7 milióna (256*256*256). Pokiaľ hodnoty bpp spočítame, dostaneme číslo, s ktorým sa napríklad bežne stretávame v prostredí operačného systému a bežne sa takto označujú aj monitory. To znamená, že monitory s 8 bpp sú 24-bitové. Len pre zaujímavosť spomenieme že 32 bitová farebná hĺbka s ktorou sa stretávame dnes bežne, vyjadruje 24 bitový farebný signál (RGB) a prídavných 8 bitov na bezfarebný signál (Alpha, Z-signál alebo Bump mapu).

Bohužiaľ dnes výrobcovia monitorov uvádzajú údaj 16,7 milióna farieb aj napriek tomu, že to nie je pravda. Niektoré monitory (hlavne tie z lacnej triedy) dokážu zobraziť len 262 144 farieb, pretože podporujú iba 6 bitov na kanál (a sú teda 18 bitové). Takýto obraz je pre ľudské oko veľmi neprirodzený a objavujú sa pri ňom "fľaky" (nazývané aj banding) a tak výrobcovia prišli s metódou, ktorú nazvali Frame Rate Control alebo jednoducho FRC. FRC zabezpečí, že signál, ktorý monitor nevie zobraziť kvôli jeho nízkej farebnej hĺbke sa rozloží na dve najbližšie zložky, ktoré monitor vie zobraziť a bude medzi nimi preblikávať frekvenciou 60Hz, kedy už ľudské oko nie je schopné vnímať tieto zmeny obrazu. Ako názorný príklad môžeme uviesť, že monitor XY nevie zobraziť 50% šedú farbu ktorej RGB hodnoty sú 128,128,128 ale podporuje 2 najbližšie, povedzme 127,127,127 a 129,129,129. FRC zabezpečí, že monitor bude medzi nimi preblikávať a ľudskému oku sa dostaví farba ktorú pôvodne mal monitor zabezpečiť a to 50% šedá (128,128,128).

V dnešnej dobe už existujú pomerne dobré algoritmy, medzi ktoré patrí napríklad aj dithering. Namiesto preblikávania medzi jedným pixlom je farba vytvorená za pomoci susedných pixlov. Táto metóda je dnes veľmi často používaná a dokáže vytvoriť presnejší a často vernejší obraz, alebo ak chcete, lepšie oklamať ľudské oko. Samozrejme toto je stále len "naoko" a obraz sa nikdy nevyrovná pravému 24 a viac bitovému monitoru. Preto sa napríklad na grafické práce používajú monitory ktoré majú spomínaných 24 bitov.

Gamma

Gamma je dokonca aj v dnešnom svete jednou z najzložitejších tém ohľadom monitorov, fyziky a aj samotnej správy farieb. Najjednoduchšie ako gammu pochopiť je spôsobom krivky, ktorú nazývame korekčná krivka. Inak povedané, jeden by si myslel, že krivka vzťahu vstupného signálu a jasom výsledného signálu je lineárna.

Zjednodušene povedané, pixel so svietivosťou X bude mať na výstupe taktiež svietivosť X. Bohužiaľ nie je tomu tak, z jedného jediného dôvodu - poprední hráči sa nevedeli dohodnúť na fixnej hodnote. Apple chcel 1,8 a Microsoft 2,2. Obe sa dodnes používajú v súvislosti s naložením zobrazovaného signálu (prepress a podobne). Určime si teda hodnotu gammy 1,8. Obraz takto spracovaný bude vykazovať logaritmický rast o hodnote 1,8 aby na koncovom systéme vykazoval presný opak, zníženie (exponenciálny) o hodnotu 1,8. Koncová závislosť po sčítaní je teda opäť lineárna, ale s tým rozdielom, že bude opravená s prihliadnutím na jas a kontrast monitora.

A dôvod prečo vôbec gamma existuje? Vďaka kompenzácii gammy získame presnejšie detaily v tmavých oblastiach, ľudské oko má logaritmickú citlivosť charakteristiky svetla, čo znamená, že ľahšie vníma zmenu tmavého tónu, než dôjde k zmene svetlého tónu v rovnakej hodnote. Takto môžeme zlepšiť presnosť tmavých oblastí na úkor svetla. Samozrejme gamma krivka sa opäť vzťahuje na tri základné kanály a dá sa upraviť veľmi detailne. tento fakt využíva napríklad kalibračný softvér, ktorý mení hodnoty gammy CLUT (Color Look-up table) grafickej karty, aby vytvárala lineárny obraz. čím lineárnejšia zmena, tým menej zásahov bolo nutných spraviť.

Meranie farieb

Na kalibráciu používame kalibračnú sondu od spoločnosti X-Rite, konkrétne model Eye-One Display 2. To že sa jedná o špičku na trhu sprevádzajú už len jej špecifikácie, dynamický rozsah od 0,05 do 1 000 nitov a meranie teploty farieb s rozsahom od 4000K do 12 000K s presnosťou 250K.

K sonde je dodávaný software GretagMacbeth Eye-One Match. Software poskytuje prívetivé prostredie jak pre profesionálov, tak pre začínajúcich užívateľov.

(Kliknite na obrázok pre zväčšenú verziu)

(Kliknite na obrázok pre zväčšenú verziu)

(Kliknite na obrázok pre zväčšenú verziu)

(Kliknite na obrázok pre zväčšenú verziu)

(Kliknite na obrázok pre zväčšenú verziu)

O kvalite tejto sondy svedčí aj fakt, že je pribaľovaná niektorými výrobcami k ich produktom, môžete ju nájsť pri EIZO monitoroch alebo napríklad pri Samsung monitoroch zo série XL. Kalibračný proces zaberie skutočne pár desiatok minút a software podporuje aj automatické vyhľadanie umiestnenia sondy na monitore. Sonda si rozumie aj s operačnými systémami založenými na 64-bitovej architektúre, potrebné je avšak stiahnuť aktualizované ovládače zo stránok výrobcu.

Čo všetko sme schopní touto sondou merať? V prvom rade je to vytvorenie ICC profilu pre testovaný monitor, bežne je tento proces označovaný ako kalibrácia. Kalibrácia je dôležitá hlavne v prepress branži kedy je nutná presnosť farieb, sonda na základe obrazu čo "vidí" na monitore (obraz je vytváraný softwarom) upravuje gamma krivky grafickej karty a vypočíta farebný profil pre monitor. Tieto profily budete mať vy čitatelia vždy k dispozícii na stiahnutie aj spolu s nastaveniami monitora (môžete taktiež navštíviť našu databázu farebných profilov a nastavení), obraz sa samozrejme nevyrovná tomu ako by vyzeral keby ste ho kalibrovali priamo s vašou grafickou kartou (viď Gamma v predchádzajúcej kapitole) a s konkrétnym kusom monitora. S farebným profilom súvisia aj tzv. deltaE 2000 odchýlky, to je druhá funkcia sondy.

(Kliknite na obrázok pre zväčšenú verziu)

Čo to tie deltaE odchýlky sú? Ako sme si povedali v predchádzajúcej kapitole, zariadenie má daný rozsah farieb ktoré vie zobraziť a je mnohonásobne menší než je ľudské oko schopné vidieť, na základe tohto faktu bol vypracovaný CIE L*a*b* model ktorý presne definuje hodnoty ľudského zraku. L* hodnota je hodnota jasu kde L*=0 je čierna a L=*100 je biela farba, a* zložka môže mať 2 hodnoty, kladnú a zápornú, kladná reprezentuje purpurovú a záporná zelenú farbu, podobne ako a* tak aj zložka b* má dve hodnoty kde záporná znamená modrú a kladná žltú farbu. L*a*b* model je možné zobraziť len trojdimenzionálne. Na základe tohto modelu boli vypracované predpokladané hodnoty pre dané farby, ak sa zobrazovaná farba ktorú sonda namerala líši v L*a*b* súradniciach, sú vypracované odchýlky na základe ktorých je možné určiť kvalitu panelu (či je napríklad vhodný do DTP branže) alebo či je potrebné znova rekalibrovať monitor (v dôsledku starnutia podsvetľovacích trubíc).

Ak má napríklad monitor zobraziť čiernu farbu s L*a*b* súradnicami L*=0;a*=0;b*=0 a zobrazený obraz sonda vyhodnotí ako farbu so súradnicami L*=0;a*=-0,14;b*=0,1 tak odchýlka týchto hodnôt sa bude rovnať hodnote 0,22 ktorú nazývame deltaE 2000 odchýlka, meraní prebehne viac a na základe týchto hodnôt sa vytvorí priemerná odchýlka.. A aké sú teda najlepšie hodnoty? Ideálne hodnoty sú nulové, takéto hodnoty ale nedosiahne žiadny monitor súčasnosti, hodnoty od 0 do 1,00 sú veľmi dobré a pri týchto hodnotách ľudské oko nevie rozoznať rozdiely medzi zobrazovanými farbami. Hodnoty od 1,00-2,00 sú akceptovateľné aj pre profesionálne účely, hodnoty od 2,00-3,00 sú viac menej dobré ale je nutná kalibrácia, pri týchto hodnotách sa môžu objaviť farebné nepresnosti pri tlači, čokoľvek nad 3,00 je považované za úplne rozdielne od skutočných farieb viditeľných ľudským okom. A ako teda vyzerá porovnanie obrazu pred a po kalibrácii?

Pôvodný obrázok ukazuje ako vyzeral obraz pred kalibráciou, po presunutí kurzora myši nad obrázok sa zobrazí obraz po kalibrácii, pokiaľ na obrázok kliknete, uvidíte už spomínané rozdiely medzi obrázkami.

Ako funguje LCD

Spočiatku LCD technológie používali tzv. pasívnu matricu, dnešné monitory ju majú aktívnu. Hlavný rozdiel je v ovládacích prvkoch pixlov. Pasívne LCD matrice používajú jednoduchú mriežku na dodanie energie jednotlivému pixlu. Nevýhody tejto technológie je samozrejme vysoká odozva a viac menej nepresné dodávanie energie k samotným pixlom. Dnešné monitory sú založené na TFT technológii. TFT alebo Thin Film Transistor označuje technológiu pozostávajúcu z tranzistorov a kondenzátorov, rozdiel oproti pasívnej matrici ktorá používa už spomínanú jednoduchú vodivú mriežku, aktívna pozostáva z mriežky tranzistorov a kondenzátorov so schopnosťou udržiavať náboj po určitú dobu. Práve kvôli spínaciemu javu tranzistora dostáva napätie len jeden pixel a ďalej sa správa ako kondenzátor pokiaľ nenastane ďalší obnovovací cyklus. Výhody? Lepšie farebné podanie, kontrast a hlavne nižšia odozva.

Samotnú technológiu LCD môžeme považovať z veľkej časti za pasívnu, pretože na rozdiel od CRT alebo PDP technológii priamo nevyžarujú svetlo, práve naopak, fungujú na princípe prepúšťania jeho určitého množstva cez kryštály ktoré sú kontrolované tranzistormi. Z tohto dôvodu používajú LCD monitory tzv. podsvietenie, najčastejšie pozostávajúce zo série fluorescenčných lámp, avšak v dnešnej dobe sa začínajú presadzovať už aj LCD monitory s LED podsvietením, toto poskytuje oveľa lepšiu spektrálnu charakteristiku a tým majú tieto monitory širší gamut, samozrejme, za vyššiu cenu. Častým problémom LCD monitorov je tzv. nerovnomernosť podsvietenia

Monitory s LED podsvietením dosahujú lepšej rovnomernosti podsvietenia (homogenity) než monitory podsvetlované za pomoci CCFL trubíc.

Podsvietenie CCFL a LED

Tranzistor riadi veľkosť napätia ktoré kryštálmi prechádza a tým daný kryštál natáča (alebo ak chcete, mení svoju molekulárnu štruktúru) a tým sa chová ako akási clona ktorá riadi koľko svetla sa prepustí. Ďalšou zložkou sú polarizačné filtre, ktorých úlohou je odfiltrovať farbu ktorá sa práve nemá zobrazovať. Avšak aj keď je kryštál natočený smerom aby neprepúšťal svetlo, určitá dávka svetla prejde, toto vytvára vo veľmi tmavej miestnosti (alebo s priamym porovnaním oproti CRT) dojem až sivej farby.

Detail LCD obrazovky

Poďme sa teda pozrieť na samotné technológie a popíšme si ako fungujú.

TN - Twisted Nematic

Niekedy je táto technológia označovaná aj ako TN+Film kvôli vrstve ktorá zlepšovala pozorovacie uhly. Dnes majú túto vrstvu všetky TN monitory a tak nie je potrebné uvádzať názov TN+Film. TN technológia siaha až do dôb pasívnych matríc a tak je zároveň aj najstaršou a najmenej nákladnou na výrobu. TN technológia má najhoršie podanie farieb zo všetkých technológii, čo je aj jej hlavnou nevýhodou, prevažne sa TN používa v lacných LCD monitoroch neurčeným do branže kde je podanie farieb prioritou, naopak, je jedna z najrýchlejších čo sa týka odozvy a preto sa stala doslova konzumným trhákom pre hráčov FPS hier. Dnes sa pri TN monitoroch s odozvou päť alebo dve milisekundy.

Názov - Twisted Nematic - pochádza priamo z postupu usporiadania kryštálov po pripojení napätia. Keď sú kryštály v stave kedy im nie je dodávané napätie, sú v svojom prirodzenom stave a natočené o 90°, svetlo tak môže prejsť. Pokiaľ im napätie dodáme, častice sa spolarizujú a vytvoria akúsi bariéru ktorá bráni prechodu svetla.

(P/M) VA - (Patterned/Multidomain) Vertical Alignment

Technológia vyvinutá spoločnosťou Fujitsu-Siemens v roku 1998 ako kompromis medzi TN a IPS technológiami. Na jednu stranu mala vtedy technológia úžasnú odozvu o hodnotu okolo 20ms, na stranu druhú poskytovala pozorovacie uhly nad 170° a lepší kontrastný pomer. Funguje opačne ako TN, to znamená že svetlo prejde ak je kryštálom dodané napätie, pri vadnom bode je teda postihnuté miesto čierne (alebo farby inej podľa toho ktorý subpixel je vadný).

IPS - In-Plane Switching

Vyvinutá spoločnosťou Hitachi v roku 1996 ako odpoveď na TN technológiu. Názov In-Plane Switching pochádza z kryštálov v bunkách IPS panela ležiacich vždy v jednej rovine a je vždy paralelne k rovine panelu. Keď na bunku privedieme napätie, všetky kryštály v bunke vykonajú 90 stupňovú rotáciu. Od TN panelov sa líšia nielen štruktúrou kryštálov ale aj umiestnením elektród, obe sú na jednom wafri, zaberú viac miesta a toto vedie k nižšiemu kontrastu a jasu celej matrice. IPS panely sú kvôli ich nákladom na výrobu drahšie a z pohľadu farebnej reprodukcie lepšie než TN, z pohľadu odozvy to bolo s klasickou IPS technológiou zle, hodnota nad 50 ms z čiernej do bielej a späť bola ich nevýhodou, dnes sa táto hodnota pohybuje okolo 20 ms pri súčte rise a fall odozvy. Pozorovacie uhly 178 stupňov v horizontálnom aj vertikálnom smere, predurčujú túto technológiu na profesionálne využitie napríklad do DTP štúdii.

Meranie odozvy, inputlagu, podsvietenia, jasu a kontrastu

V predchádzajúcej kapitole sme si popísali ako funguje TFT-LCD technológia, teraz si popíšeme ich meranie. Meranie realizujeme pomocou pamäťového digitálneho osciloskopu M524 od Slovenskej firmy ETC s.r.o., ktorej zároveň aj ďakujeme za jeho zapožičanie.

Osciloskop poskytuje šírku pásma až 120MHz a poskytuje pripojenie cez BNC konektory. Zariadenie nemá problém fungovať ani pod najnovšími operačnými systémami, a to dokonca aj založenými na 64-bitovej architektúre.

Do osciloskopu pripájame vlastnoručne vyrobenú optickú sondu ktorú pre nás zostrojil náš kolega z redakcie a zároveň majster elektriny, Ľubomír Kuzman, a výsledný produkt? Posúďte sami:

A čo sme touto sondou schopní merať?

Odozva [ms]

Odozva určuje rýchlosť zmeny farby z čiernej, do bielej a späť. Rozlišujeme dva typy odozvy a to rise a fall, rise udáva čas ktorý je potrebný na rozsvietenie pixlu a fall čas potrebný na jeho zhasnutie, súčet týchto hodnôt nám udáva celkovú odozvu. Tento údaj je práve prvým o ktorý sa zaujíma potenciálny kupujúci. Nízka odozva nie je priamo nutná pri monitoroch s kancelárskym využitím alebo grafické práce, viac menej za nutnú sa ju dá považovať pri FPS hrách. V súčasnosti je za najrýchlejšiu technológiu označovaná technológia Twisted Nematic, u tej sa už stretávame s monitormi s 2 ms odozvou. A ako je to s meraniami? Meriame od hodnoty 0-50-0 do hodnoty 0-255- v deviatich krokoch. Na obrázku vidíte odozvu 0-255-0, rise (žltá) kedy kryštál prechádza z čiernej do bielej, a fall (fialová) kedy naopak zhasína, výsledná odozva je súčtom rise a fall hodnôt.

A čo OverDrive technológia? Týmto názvom označujeme jav, pri ktorom elektronika pustí do kryštálu viac napätia aby sa rýchlejšie natočil do požadovanej polohy. Znie to fajn ale väčšinou sa kryštál vplyvom vyššieho napätia pretočí a vzniká posterizácia, chyby obrazu alebo šum. Ako teda bude vyzerať graf odozvy?

Homogenita podsvietenia [%]

Meranie homogenity prebieha na štvorcovej sieti 8x8, sondou meriame napätie a následne ho prepočítame na percentá, tie sú následne premietnuté do grafu. Hodnoty H sú horizontálne a V vertikálne, začína sa merať z ľavého horného rohu

Stabilita jasu a kontrastu [%]

Stabilita kontrastu - v závislosti od jasu sa často mení aj kontrastný pomer. Meranie je realizované na čierno-bielej štvorcovej sieti 4x4 z ktorých je následne vypočítaný priemer. Meriame v krokoch 10% a výsledné hodnoty sú zapísané do grafu.

Stabilita jasu - Realizuje sa po dobu 60 minút v krokoch 1 minúty.

Inputlag [ms]

Každý monitor je vybavený bufferom - pamäťou - ktorá uchováva jeden alebo viac framov predtým než sa vykreslia, každý frame ktorý príde z grafiky je najprv zapísaný do buffera a až potom vykreslený, input lag je jav pri ktorom dochádza k efektu oneskoreného vykreslenia na obrazovku. Toto celé má na starosti elektronika. Ako inputlag zmerať? Treba na to zariadenie ktoré inputlag nemá, tzn. najčastejšie CRT monitor, vziať obe sondy a porovnať o koľko neskôr sa pixel rozsvietil oproti prebliknutiu monitora. K tejto hodnote je potom pripočítavaná ešte odozva keďže výsledný obraz sa dostaví až po rozsvietení pixlu.