Počítačová grafika 2 Praktická výuka počítačové grafiky a práce s počítačovou grafikou pomocí open source a freeware Ing. Josef Šedivý Ph.D. Centrum talentů M&F&I, Univerzita Hradec Králové, 2010
METODICKÝ MATERIÁL PRO UČITELE INFORMATIKY K PRÁCI SE ŽÁKY ZÁKLADNÍCH A STŘEDNÍCH ŠKOL, TALENTOVANÝMI PRO INFORMATIKU Zpracoval: Ing. Josef Šedivý, PhD. Univerzita Hradec Králové Počítačová grafika- technické základy 2. Zobrazovací soustava s LCD displejem Zobrazovací jednotky Zobrazovací jednotky dělíme podle použité technologie zobrazení na: Monitory CRT o Princip katodové trubice (CRT Cathode Ray Tube) o V barevném monitoru se nachází trojice katod, které emitují paprsky elektronů Displeje LCD o Jejich obraz je založen na technologii tekutých krystalů (LC Liquid Crystal) o Dvě desky pokryté elektrodami, mezi nimi se nacházejí tekuté krystaly. Krystaly polarizátoru podle přivedeného napětí stáčejí rovinu polarizovaného světla (o 0 90 ) a to poté s různou intenzitou prochází analyzátorem Plazmové displeje o Dvě elektrody, mezi nimiž se nachází plyn (směs argonu, xenonu, neonu) o Tyto displeje mají lepší vlastnosti než LCD, nevýhodou je však vysoké napájecí napětí Používají aditivní míchání barev RGB: Monitory na principu katodové trubice (CRT) Stále nepoužívanějším zobrazovacím zařízením u počítače je klasický CRT monitor. Zkratka CRT znamená Cathode Ray Tube, tedy trubice s katodovými paprsky. V barevném monitoru se nachází trojice katod, které emitují paprsky elektronů. Výsledný obraz je složen ze tří základních barevných složek: červené, zelené a modré. Známe je též pod zkratkou RGB, pocházející z anglických názvů těchto
barev (Red, Green, Blue). Pro každou z nich je tedy v CRT monitoru jedna katoda. Na zobrazovací straně je stínítko obrazovky. Vnitřní strana stínítka je pokryta luminoforem, což je látka založená na ZnS, CdS nebo podobných sloučeninách. Proud elektronových paprsků dopadající na tuto vrstvu je převeden na světlo odpovídající barvě luminoforu. Zaměřování elektronových paprsků mají na starosti elektromagnetické cívky. Dopad paprsku na stínítko se uživateli obrazovky projeví jako rozsvícení bodu určené barvy. Zejména na televizních obrazovkách a starších monitorech je vidět řádkování obrazovky. Paprsek postupně projíždí všechny body těchto řádků a ve směru zleva doprava je rozsvěcuje. Monitory na principu katodové trubice podle typu masky dělíme na: delta inline trinitron delta inline trinitron Monitor na principu katodové trubice (CRT) [12] LCD monitory Stále více se však prosazují LCD monitory. Jejich obraz je založen na technologii tekutých krystalů (LC Liquid Crystal). S nimi jste se mohli poprvé setkat například v kdysi tolik oblíbených digitálních hodinkách nebo u displejů kalkulátorů. V počítačové technice se začaly prosazovat poprvé u přenosných počítačů. V posledních letech však právem nalezly své využití i na pracovních stolech. Za samotnou obrazovkou je světelný panel, který podsvěcuje celý obraz. Obvykle je tvořen několika zářivkami umístěnými po obvodu panelu a vrstvou, která světlo rozvádí. Světlo nejprve projde polarizátorem, poté vrstvou tekutých krystalů a nakonec dalším polarizátorem, který je proti prvnímu otočen o 90º. Za normálních okolností světlo takto pootočenými polarizátory neprochází, vrstva tekutých krystalů má ale schopnost rovinu světla stáčet. Plochu displeje ale pokrývají také miniaturní elektrody. Pokud je na ně přivedeno napětí, tekuté krystaly se natočí a množství propouštěného světla se změní. Velikostí napětí je možno regulovat úroveň propouštěného světla v plném rozsahu. Potom stačí nad krystal přidat jen barevné filtry (opět RGB) a plnobarevný LCD displej je v provozu. [11]
Aktivní nebo pasivní? U LCD se často setkáte s pojmem pasivní a TFT. U pasivních displejů byly krystaly řízeny sadou tranzistorů rozmístěných po okraji displeje, bod je tedy ovládán kombinací napětí řádku a sloupce. Moderní TFT LCD monitory mají každý obrazový bod řízen vlastním tranzistorem a jejich obraz je mnohem jasnější, neboť každý bod může mít neměnný náboj. CRT vs. LCD Výhody moderních LCD monitorů jsou zejména v jejich životnosti. V případě CRT obrazovek se na katodách elektronového děla tvoří oxidační vrstva oslabující výkon a samotný paprsek. Postupem času stárne také vrstva luminoforu. U LCD displejů se stárnutí projevuje na systému podsvícení, kdy stárnou fluorescenční trubice. Stárnutí monitoru se obvykle udává v počtu hodin provozu, po kterých dojde ke snížení jasu obrazu na polovinu. CRT obrazovka toho dosáhne po 10 000 až 20 000 hodinách provozu, v závislosti na konstrukci elektronového děla. Naproti tomu životnost fluorescenčních trubic u LCD je dnes 50 000 hodin provozu. Pro výběr LCD monitoru mluví mimo jejich životnosti také spotřeba elektrické energie, která je až o čtvrtinu nižší než u CRT monitoru se stejnou velikostí obrazovky. Při dnešních cenách energií si zkuste vypočítat, za jak dlouho se vám vyšší pořizovací cena LCD monitoru vyplatí. V případě výpadku elektřiny může LCD displej ušetřit drahocenné minuty při napájení z UPS. Také tepelná energie, kterou produkuje LCD displej, je výrazně nižší. Zřejmě jste již viděli CRT monitor, který byl opatřen dodatečným filtrem. Ten není řešením nízké obnovovací frekvence, jak se mnozí mylně domnívají, ale zamezuje škodlivému vyzařování. CRT monitory produkují díky použití vysokonapěťových prvků a konstrukci založené na proudu částic elektrické a magnetické záření. Od tzv. elektronového prachu vás tedy ochrání přídavný filtr, jenž je u většiny nových monitorů součástí přední strany obrazovky. Monitory CRT jsou také více náchylné k rušení magnetickým polem, například signálem z mobilního telefonu nebo reproduktoru. Monitory LCD jsou naproti tomu v podstatě bez emisního záření a jejich obraz je vždy stabilní. Vzhledem k tomu, že zobrazení u LCD mnohem více než u CRT připomíná tištěné médium, je pro oči zobrazování přirozenější. Pokud si uživatel dá v případě LCD dostatečnou práci a nemá zrovna nekvalitní kus, může dosáhnout zobrazení, které je ostré, kontrastní a bez nepříjemného klepání zobrazovacích bodů. [9] Jedním z nedostatků LCD je rychlost zobrazování. Zobrazování na bázi tekutých krystalů funguje na principu omezení průchodu světla každým jednotlivým krystalem. Takový krystal je potřeba nejdříve nabít energií, aby byl uveden do správné polohy, a poté rychle vybít, aby byl připraven na další nabití. Každá z těchto operací trvá určitou dobu (počítá se v milisekundách) a výsledný čas pak udává rychlost odezvy. Například u panelů s rychlostí odezvy 25 milisekund je zpravidla 15 ms určeno pro nabití a 9 ms pro vybití. A aby to celé nebylo tak jednoduché, mají navíc různé barevné odstíny různou dobu odezvy. Rozdíl může dosáhnout stovek procent. Na jenom panelu se tak mohou vyskytovat body s dobou odezvy kolem 10 ms, které při zobrazení některých barev několikanásobně zpomalí. Proto se výrobci profesionálních panelů nezaměřují ani tak na co nejrychlejší odezvu bodů v jednom zobrazení, ale na sladění rychlosti odezvy při různých odstínech. Co se týká barevného zobrazení, nelze LCD upřít schopnost sytějšího zobrazení základních barev oproti CRT, horší je to s různými odstíny. Problémy s homogenitou barev může také způsobovat nerovnoměrná úroveň podsvícení. Navíc se při pohledu na panel z jiného než standardního úhlu mohou projevit barevné změny a posuny. Čím kvalitnější panel, tím větší
úhel ke kolmici vedené k obrazovce mohou uživatelé zaujmout. Hodí se to především při prezentaci dalším lidem, kteří prezentujícímu koukají přes rameno. CRT monitory, především ty méně kvalitní, mohou mít problém s geometrií a ostrostí obrazu. Navíc je velice složité je v důsledku jejich rozměrů otáčet na výšku a pracovat s plochou, který odpovídá listu papíru. [7] Jednou z příjemných vlastností LCD jsou minimální rozměry, menší váha a z toho vyplývající menší nároky na prostor na pracovním stole. Navíc drtivá většina LCD panelů podporuje standardní držáky na zeď, které lze s LCD s odpojeným podstavcem využít velice kreativně. I v této oblasti se však začínají CRT monitory přibližovat. Nenovější rekord činí 35 cm u televizoru s katodovou trubicí. Dalším nedostatkem LCD je existence tzv. mrtvých bodů. Jedná se o jeden či více nefunkčních zobrazovacích bodů, které mají stále stejnou barvu. Ve většině případů si toho uživatel sice nevšimne, ale i tak je nepříjemné, že k tomu může dojít. Naštěstí moderní technologie výroby takový problém srazila na minimum. Obě zmíněné technologie však mají dalšího konkurenta v podobě technologie OLED (Organic LED), která se začíná prosazovat u přenosných zařízení a mobilních telefonů. Velikost displejů a rychlost překreslování však zatím nedávají velkou naději na brzké použití ve velkých počítačích. Proč není obnovovací frekvence u LCD tak důležitá? U CRT monitorů se setkáváme s pojmem obnovovací frekvence. Protože stínítko není schopné udržet body rozsvícené po delší dobu, je nutné celou obrazovku neustále překreslovat. Při nižší obnovovací frekvenci body zhasínají a obraz poněkud problikává. Dostatečná obnovovací frekvence je velice důležitá pro ergonomii monitoru, protože blikající monitor velice namáhá lidské oko a jeho delší používání může vést k trvalým poškozením zraku. V případě LCD displejů není obnovovací frekvence díky jejich technologii údaj, který by vám měl tížit myšlenky. [14] Co je to tekutý krystal? Tekutý krystal je látka, která stojí na pomezí pevného a tekutého stavu. Samotný tekutý krystal vzniká smícháním několika základních látek, jako jsou například bifenyly či dioxiny, s dalšími. To je důležité proto, aby výsledný produkt získal všechny potřebné vlastnosti, mezi nimiž můžeme jmenovat elasticitu, viskozitu či správný index odrazu. Ve výsledku pak má tekutý krystal podobu molekuly tyčovitého tvaru, která se jakoby vznáší v tekutině. Jak LCD vytváří obraz? Vzhledem ke skutečnosti, že se jedná o zobrazovací zařízení, je hlavním úkolem LCD displeje správně zpracovat světlo. To většinou vychází z relativně malé trubice. K co nejdokonalejšímu pokrytí povrchu slouží síť optických vláken. Dalším zdrojem světla může být přídavné osvětlení z boku či zespoda. K podsvícení pak slouží celý panel, který je umístěn za samotnou obrazovkou. Toto světlo pak zpracovávají dva polarizační filtry z tekutých krystalů, kterými musí projít. První z těchto filtrů zajišťuje, aby světlo procházelo tím správným směrem. Druhý se ve spolupráci s prvním stará o regulaci intenzity procházejícího světla. Pokud se má zamezit průchodu světla, mřížky se nastaví tak, aby byly navzájem kolmé a zamezilo se tak průchodu světla. Barvu zajišťuje průchod světla přes barevné filtry, které obsahují pro každý zobrazovací bod (pixel) tři základní barevné složky (červenou, zelenou, modrou). Výsledná barva v jednom
pixelu tedy vzniká složením těchto tří barev, které mají různý jas. Je to podobné, jako když si malíř míchá barvy. Rozdíl je v tom, že místo množství barvy se zde počítá právě s jasem. Barevná škála však je u současných LCD omezena v tom, že každá z barevných složek může nabývat 256 odstínů. Dohromady to pak dělá cca 16,8 milionu barev pro každý pixel. Princip práce LCD[13] Ovládání tekutého krystalu U starších displejů s tzv. pasivní maticí řídily nastavování tekutých krystalů tranzistory, které byly rozmístěny pouze po okraji displeje. Jeden tranzistor tak řídil řadu a druhý sloupce pixelů. U současných LCD, které se také nazývají TFT LCD, má však každý obrazový bod svůj vlastní tranzistor, který řídí průchod světla tím kterým pixelem. Díky tomu je obraz v jednotlivých bodech jasnější, neboť náboj každého z nich může být konstantní a nikoliv střídavý, jak je tomu u starších (DSTN LCD) displejů. K čemu je rozhraní DVI? LCD panely zobrazují digitálně. Z toho plyne i většina problémů, které s čistotou zobrazení mohou tyto panely mít. Týká se to samozřejmě případů, kdy LCD zpracovává analogový signál. Ten totiž musí být v LCD převeden do digitální formy. A aby to nebylo celé tak jednoduché, tak i v grafické kartě musí být nejdříve digitální obraz převeden na analogový a ten následně vypuštěn do klasického konektoru D-SUB. Digitální rozhraní DVI tak tuto bariéru překračuje. Skrze něj totiž proudí digitální signál z grafické karty přímo do LCD. V současnosti jsou k dispozici dvě rozhraní DVI. První DVI-D dokáže přenášet pouze digitální signál, zatímco u DVI-I je možno využít i konektor analogového spojení. Problémem tohoto digitálního rozhraní je skutečnost, že standardně podporuje rozlišení do maximálně 1280 x 1024 pixelů. Co bude dále s LCD? Technologie LCD displejů se neustále vyvíjí. Zkracuje se doba, za kterou dokáží jednotlivé tekuté krystaly přejít do určené podoby. A vylepšují se další vlastnosti, které dělají
technologii LCD přijatelnější pro čím dále tím větší okruh potenciálních zákazníků. Již nyní si však na tento trh brousí zuby další technologie, jako je například OLED (Organic Light-Emitting Diodes) jedná se produkty na bázi organických světlo emitujících diod. OLED pracuje na principu konverze elektrické energie na světlo. V podstatě se tak využívá přírodní technologie nazvané elektroluminiscence. Využívá se tak vlastností některých organických materiálů, které emitují světlo v okamžiku, kdy jimi prochází elektrický proud. Nejednodušší forma displeje se skládá z vrstvy luminiscenčního materiálu (v podstatě diod, které velikostně odpovídají jednotlivým tekutým krystalům v LCD) doslova obloženého dvěma elektrodami. Zatímco vrchní vrstva s elektrodami musí propouštět světlo, spodní jej má naopak za povinnost odrážet. OLED TV Proč vidět v technologii OLED budoucnost? Všichni to známe, CRT nebo LCD monitor? LCD jsou drahé, mají problémy s odezvou a pokud si nekoupíme vyšší třídu, mají i špatné barevné podání. Naopak mají výhodu v menší únavě očí, rozměrech, geometrii a ve faktu, že je spousta LCD panelů širokoúhlá. CRT je zase dosluhující technologie, která trpí neduhy typu blikání, což jde ruku v ruce s velkou únavou očí. Barevný gamut je dnes již také malý a na profi LCD CRT obrazovky zkrátka nemají. CRT obrazovky také relativně rychle stárnou a mají špatnou geometrii obrazu. Toto jsou notoricky známé vlastnosti obou technologií. Vyřeší OLED všechny neduhy a spojí jen ty dobré vlastnosti? O tom si však povíme až na úplný konec dnešního článku, nejdříve se s technologií OLED musíme seznámit a kouknout se na její princip. Jak OLED pracuje? Po rozepsání zkratky OLED dojdeme k celkem obyčejnému spojení "Organic Light Emitting Diode". Kdyby zde nebylo slovíčko "Organic", šlo by o běžnou svítivou diodu tzv. LEDku, kterou jistě všichni znáte. Právě tím nejdůležitějším rozdílem je to že ona dioda je vyrobena z organického materiálu. Díky tomu lze vyrobit skutečně malinkaté "diodky", které lze doslova tisknout na základní materiál. Díky tomu se snižují výrobní náklady, o tom ale později. Nyní se vraťme k samotné technologii. Ony diodky svítí různými barvami. V našem případě je to klasický RGB model, což znamená, že struktura OLED je stejná jako LCD a každý pixel je složen ze tří subpixelů (červený, zelený a modrý). Pokud jsou tyto subpixely dostatečně malé, lidské oko si je spojí a vznikne tím výsledná barva. Ale to jen pro připomenutí, protože ten, kdo sleduje naše stránky pravidelně, jistě toto všechno už ví. [15] Postupme se k samotné technologii. Pokud bych měl srovnat technologii LCD a OLED jako takovou, tak OLED je naprosto triviální a oproti LCD to je dětská skládačka. Základní myšlenkou je organický materiál, který emituje světlo určité barvy, pokud se na něj přivede stejnosměrné napětí. Není tedy nic jednoduššího, než naskládat dostatečný počet takovýchto buňek vedle sebe, propojit je pomocí aktivní či pasivní matice a voila, máme OLED displej. Pro monitory se samozřejmě bude používat pouze aktivní matice, protože poskytuje daleko jasnější a ostřejší obraz (stejná se samozřejmě používá i u LCD monitorů). Samotný pixel se opět skládá ze tří subpixelů (červený, modrý a zelený). Na následujícím schémátku vidíte základní princip OLED displeje. [13]
Schéma jednoho pixelu OLED displeje[14] Jednoduché, že? Stačí na katodu a anodu přivést napětí od 2-10V a jeden subpixel začne svítit. Samotné organické emitory jsou napájeny z kovové katody, přes vodivou vrstvu (Vrstva pro přenos elenktronů), ta je zde pouze pro to, aby se napětí dostalo ke správnému subpixelu. Z druhé strany je anoda, v které se vytvářejí elektronové díry, které jsou přenášeny přes speciální organickou vrstvu až do jednotlivých subpixelů (organické emitory). Elektrony tedy proudí z katody do vodivé vrstvy, poté do samotného organického materiálu, který tímto emituje fotony (svítí) o specifické vlnové délce (barvě). Výhodou OLED displeje je i to, že není problém vyrobit jej průhledný, zrcadlový apod. Zkrátka vše záleží na tom, na jaký materiál nanesete organickou vrstvu s aktivní resp. pasivní maticí. Pokud to bude průhledná fólie, bude i displej průhledný. Pokud se nanese na lesklou hliníkovou fólii, popř. jiný lesklý materiál, bude displej ve vypnutém stavu sloužit jako perfektní zrcadlo. Velice důležité je to, že pokud na subpixel (organický materiál) nepřivedeme zádné napětí, tak zkrátka nesvítí. Proč to tolik zdůrazňuji? Jde totiž o obrovský rozdíl oproti LCD panelům, kde i v případě, kdy je subpixel (krystal) zcela zavřen, nějaké to světlo se skrz něj stále dostane. Proto pokud si necháte zobrazit černou barvu ve tmě, vidíte více či méně barvu šedou (popř. u některých fialovou). U OLED je tomu naprosto jinak. Zkrátka a jednoduše - černá barva bude skutečně černá. Díky tomu mají OLED i vlastně nekonečný kontrast. Jde pouze o to, jak dostatečně zatemní výrobce obrazovku. Pokud se za pixel nedostane žádné světlo (což je zamozřejmě teoreticky nemožné), bude pixel ve vypnutém stavu absolutně černý.
Výhody displejů na organické bázi Displeje s touto technologií tak budou minimálně lehčí a tenčí, neboť odpadne potřeba vytvořit vrstvu se světlem a samozřejmě spotřebuje mnohem méně elektrické energie. Elektrická energie se samozřejmě šetří i tím, že je napájena pouze ta část obrazovky, která je v dané chvíli aktivní. Také bude možno hledět na OLED displej z mnohem většího úhlu. Za patrně největší přednost se pak dá označit mnohem rychlejší doba odezvy jednotlivých bodů, což dává těmto zařízením šanci spojit výhody klasických monitorů s CRT obrazovkou a současných LCD displejů. V současné době se počítá s využitím této technologie u menších zařízení, jako jsou mobilní telefony, PDA, nebo náhlavní soupravy, automobilový průmysl apod. Pokud by se do té doby nenašla lepší technologie, lze očekávat, že kolem roku 2010 by měly OLED displeje nahradit LCD technologii. Tato technologie však má i své nevýhody dá se říci, že v současnosti je nejvážnějším problémem kratší životnost zařízení s OLED, která se odvíjí od délky výdrže organické hmoty, než se rozpadne.
Použitá literatura: [1] PÁCL, L. Adobe Photoshop 6.0, Oficiální výukový kurz. Brno: SoftPress, 2000. ISBN 80-86497-06-2. [2] HLAVENKA, Jiří, KAMENÍK, Václav. Adobe Photoshop : referenční uživatelská příručky. Ing. Martina Mojzesová. [s.l.] : Computer Press, 1997. 463 s. ISBN 80-7226-012-X. [3]Generátor barevných schémat 2 [online]. 2005 [cit. 2010-10-01]. Dostupný z WWW: <http://colorschemedesigner.com/previous/colorscheme2/index.html>. [4] Adobe:Adobe photoshop family [online]. 2007 [cit. 2008-04-10]. Dostupný z WWW:<http://www.adobe.com/products/photoshop/family/?promoid=BPDEK>. [5] Adobe Photoshop 6.0 : Oficiální výukový kurz. Libor Pácl. Brno : SoftPress, c2000. 460 s. ISBN 80-86497-06-2. [6] KELLBY, Scott. Digitální fotografie: ve Photoshopu. Karel Smrček. Brno : Computer Press, 2003. 348 s. ISBN 80-7226-990-9. [7] KOHOUT, Hynek. Tvorba dynamické technické dokumentace v bitmapovém grafickém editoru Adobe Photoshop. In Nové trendy v konštruování a v tvorbe technickej dokumentacie. Nitra : [s.n.], 2008. s. 149-151. Konference : Nové trendy v konštruování a v tvorbe technickej dokumentacie, sborník, Slovenská polnohospodárská univerzita. ISBN 978-80- 552-00. [8] KOHOUT, Hynek : výuka počítačové grafiky v programu Adobe Photoshop. In Konference ICTE - Junior : sborník příspěvků. 1. vyd. České Budějovice : Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, 2008. ISBN 978-80-7394-107-9. [CD-ROM] [9] KOHOUT, Hynek. Tvorba animací ve školní praxi. Media4u Magazine [online]. 2008, č. 4 [cit. 2009-03-24], s. 25-27. Dostupný z WWW: <www.media4u.cz>. ISSN 1214-9187. [10] KOHOUT, Hynek. Výuka počítačové grafiky na SOŠ asš. Media4U Magazine [online]. 2009, č. X1/2009 [cit. 2009-04-30], s. 55-56. Konference modernizace výuky technických předmětů na VŠ. Dostupný z WWW: <www.media4u.cz>. ISSN 1214-9187. Internetové odkazy: [11] http://www.fotografovani.cz/ [12] http://www.grafika.cz/photo/ [13] http://www.megapixel.cz/ [14] http://www.digifoto.estranky.cz/index.php [15] http://www.photoextract.com/cs/clanky/37.html