Näyttöjen kuvanmuodostus ja -prosessointi T Kuvaus- ja näyttötekniikka Syksy 2012 Mikko Nuutinen,

Transkriptio

1 Näyttöjen kuvanmuodostus ja -prosessointi T Kuvaus- ja näyttötekniikka Syksy 2012 Mikko Nuutinen, Luennon sisältö: Yleistä: tekniikoiden ryhmittelyä, värien muodostus CRT Plasma OLED LCD Kuvanprosessointi

2 Näyttöteknologioiden sukupuu CRT FPD Emissiiviset näytöt Ei-emissiiviset näytöt EL PDP FED LCD Bistabiilit näytöt DLP LED Passiivimatriisi (PM) Aktiivimatriisi (AM; TFT) Epäorgaaninen Orgaaninen (OLED)

3 Näyttöteknologioiden ryhmittely 1/3: koko Vanha jako CRT (Cathode Ray Tube) katodisädeputki FPD (Flat Panel Display) litteä näyttö PDP (Plasma Display Panel) plasmanäyttö LCD (Liquid Crystal Display) nestekidenäyttö OLED (Organic Light Emitting Diode) Tai uudempi jako mikro-, mobiili-, tietokone-, TV-, julkinen, jumbonäyttö... Fyysinen koko kasvaa

4 Näyttöteknologioiden ryhmittely 2/3: kuvanmuodostus Emissiiviset näytöt: CRT Plasma OLED Ei-emissiiviset, ts. transmissiiviset ja reflektiiviset: LCD DLP Paperin kaltaisten näyttöjen tekniikat

5 Näyttöteknologioiden ryhmittely 3/3: katselutapa Suorakatselunäytöt: katsotaan näyttöpintaa CRT, PDP, LCD, OLED Projektionäytöt: katsotaan näyttöpinnasta kankaalle optisesti projisoitua kuvaa projisointi etu- tai takapuolelta LCD-, DLP-projektorit Silmikkonäytöt: katsotaan näyttöä optiikan läpi tai katsotaan ilmakuvaa Retinanäytöt (huom, nyt ei kyseessä Applen markkinoima tekniikka!) ihminen ei katso mitään kuva skannataan verkkokalvolle Stereoskooppiset 3D-näytöt katsotaan eri kuvaa oikealla ja vasemmalla silmällä -> syntyy 3D-havainto Aidot 3D-näytöt Katsotaan aidossa kolmiulotteisessa tilassa esitettyä tai projisoitua kuvaa

6 Värien muodostaminen Värillisyys: Tuotto Näyttö generoi eriväristä valoa Näyttö suodattaa valkoista valoa (värillisyys värifilttereillä (RGB, RGBW)) Konfiguraatio Osaväripikselit spatiaalitasossa vierekkäin (erilaisia konfiguraatioita) Osaväripikselit spatiaalitasossa päällekkäin Osaväripikselit ajallisesti peräkkäin Tummuustasot: RGB-pikselit toistavat esim. 8 bit/pix Tummuustasot synnytetään aikapohjaisesti (= temporaalinen rasterointi )

7 Värien muodostaminen: Spatiaalinen värifiltteri (osaväripikselit spatiaalitasossa vierekkäin) LCD, PDP, OLED, etc Pikselikoko, ver. Pikselikoko, ver. Pikselikoko, hor. Pistekoko Pikselikoko, hor.

8 Värien muodostaminen: Temporaalinen värifiltteri (osaväripikselit ajallisesti peräkkäin) DLP FSC (Field-Sequential-Color) näytöt

9 Tummuustasojen muodostaminen: Temporaalinen rasterointi PDP, DLP (Huom! LCD ja OLED tuottaa tummuustasot perustuen syöttövirtaan)

10 Värintoistokyvyn luominen Ei-emissiiviset näytöt Värillisyys synnytetään suotimilla kapeat suotimet / paksut filtterit saturoituneet värit laaja väriavaruus suuri valonabsorptio suuri tehonkulutus Multiprimääritekniikoiden hyödyntäminen (laajempi gamut useamman primäärivärin avulla)

11 CRT-näyttöteknologia (Cathody Ray Tube) Lasirunko Elektronitykki elektronisuihku lakaisee näyttöpintaa rivi riviltä Näyttöpinta Fosforipisteet emittoi valoa Tuotekehitystä yli 100 vuotta hyvä kuvanlaatu Usean resoluution tuki Shadow mask / aperture grille rakenne määrittää maksimiresoluution Ei enää käytössä, liian suuri ja painava

12 CRT värien tuotto: shadow mask ja Aperture grille Aperture grille

13 PDP (Plasma Display Panel) Panasonic 150 TV (CES 2008) Panasonic 152 3D TV (CES 2010)

14 Plasmanäyttöteknologia Keksintö University of Illinoisissa Ajatus hang-on-the-wall TV:stä jo 1960-luvun lopussa 1. patentti 1971 Kehitystä eri yrityksissä, etenkin sotateknologian yrityksissä, mutta myös tietokoneyrityksissä (kuten IBM) USA:ssa 1980-luvun lopulle Japanilaista kiinnostusta HDTV:n päätelaitteeksi jo luvulta Keksijät perustivat yrityksen Plasmaco, joka oli osa Matsushitaa, mutta muutti nimensä tunnetuimman tuotemerkkinsä mukaiseksi vuonna 2008 (Panasonic) LCD- ja plasma kilpailivat johtavan televisiotekniikan paikasta (ja LCD taisi voittaa)

15 Plasmanäytöt: Toimintaperiaate Kahden lasilevyn väliin on suljettu alhaisessa paineessa olevaa kaasua (Argon, Neon, Xenon) Lasilevyjen pinnalla on pysty- ja vaakasuuntaisia elektrodeja Muodostuu koordinaatisto, jonka avulla pikseli voidaan osoittaa Kun kytketään jännite, kaasu ionisoituu (muodostaa plasman) Ionien vastakkaismerkkisyydestä aiheutuu liikettä ja törmäilyä jolloin elektronit siirtyvät alemmalle orbitaalille ja energiaero johtaa UV-säteilyn emittoitumiseen UV-säteily virittää solun fosforit emittoimaan näkyvää valoa Värit saadaan aikaan erivärisillä fosforeilla (kuvassa punainen)

16 Plasmanäytöt: Toimintaperiaate Skannaava elektrodi display electrode sähkökenttää ylläpitävä elektrodi Data elektrodi address electrode Sähkökenttää ylläpitävä elektrodi johtaa matalan vakiojännitteen soluun. Muuten näytön vasteaika olisi matala. Huono puoli on, että vakiojännitteen takia solu emittoi koko ajan hieman valoa ja näytön kontrasti laskee.

17 Plasmanäytöt: Värinmuodostus Pikseli koostuu kolmesta solusta, joiden fosforien ominaisuudet eroavat Fosforit emittoivat punaista, vihreää tai sinistä valoa Eri värejä emittoivien solujen lukumäärät eivät välttämättä yhteläisiä (vrt kameran mosaiikkimatriisiin), vaan esim. vihreitä soluja voi olla kaksinkertainen määrä

18 Plasmanäytöt: Pikselirakenne

19 Plasmanäytöt: ALiS-teknologia (Alternative Lighting of Surfaces) skannaava elektrodi Data elektrodi Fujitsun ALiS-teknologia (Alternative Lighting of Surfaces) käyttää lomitettua skannausta Perinteisessä tekniikassa jokaisella solulla oma skannaava elektrodi ALiS-tekniikassa vierekkäiset solut jakavat yhteisen skannaavan elektrodin ALiS-tekniikalla näytön resoluutio voidaan kaksinkertaistaa elektrodien määrän pysyessä vastaavana kuin perinteisessä tekniikassa

20 Plasmanäytöt: speksejä Pikselikoko rajoituksena (pikselikoko 0,3 mm, mutta myös 0,13 mm demottu) Binäärinen menetelmä; sävytasot tuotetaan ohjauspulssin pituutta moduloimalla PCM:llä (pulse code modulation); yksi kenttä jakautuu useaan alikenttään (aikavyöhykkeeseen) Katselukulma laaja Valoteho 1 lm/w (vrt. loisteputki 80 lm/w); suuri energiankulutus Ohjausjännite V suhteellinen tehonkulutus PDP CRT FED LCD Suhteellinen kirkkaus = päällä olevien pikseleiden osuus kaikista pikseleistä LCD-näyttöjen suhteellinen tehonkulutus on vakio johtuen taustavalon vakiokirkkaudesta suhteellinen kirkkaus (%)

21 OLED (Organic Light Emitting Diode) 1982 Kodakin 1. patentti; pienmolekyylit 1987 Kodakin 1. näyttörakenne 1990 Cambridge Universityn 1. patentti; polymeeri 1997 Pioneerin 1. b&w näyttö (pienmolekyyli) 1999 Pioneerin 1. värinäyttö (pienmolekyyli) 2000 Pioneer/Motorola OLED mobiilinäyttö (pienmolekyyli) 2005 Seiko Epson 40 ink jet-tulostettu polymeeri OLED AMOLED/Nokia 7900, Sony 11 OLED-TV (Japanissa 1300 ; USA 1750, Suomessa 4400 ) 2008 Samsung 31 proto (markkinoille?), Sony 27 proto (markkinoille?) 2009 OLED-tekniikka useassa uudessa kännykässä (esim. Nokia N85 ja N86; AM 2,6 ) 2011 OLED display status ( Sony OLED-monitori (17 ja 25 ), $ Seiko Epson tutkii tulostettavien OLED TV paneelien valmistusta 2012 OLED display status LG 55EM9600 OLED, 55 ~10 000$ Samsung OLED TV ES9500, 55 LG 55EM9600 OLED TV, 55 Nokia N8, 3.5 Sony BVM-E170 ja BVM-E250 (17 ja 25 OLED-monitorit)

22 OLED-näytöt: Toimintaperiaate Rakentuu orgaanisista kerroksista, jotka pinottu läpinäkyvän anodin ja metallisen katodin väliin Pienmolekyyli OLED, SmOLED, (perusrakenne) aukkojen syöttökerros aukkojen siirtokerros emissiivinen kerros = puolijohdekerros, joka emittoi valoa elektronien ja aukkojen yhdistyessä elektronien siirtokerros elektronien syöttökerros Polymeeri OLED, pled, (perusrakenne) aukkojen syöttö/siirtokerros elektronien syöttö/siirtokerros Kun soluun johdetaan jännite, aukot (+) ja elektronit (-) yhdistyvät emissiivisessä kerroksessa, jonka seurauksena emittoituu valoa (EL-ilmiö) SmOLED Katodi elektronien syöttökerros elektronien siirtokerros emissiivinen kerros aukkojen siirtokerros aukkojen syöttökerros Anodi pled Katodi Aukkojen syöttö/siirtokerros Elektronien syöttö/siirtokerros (emissiivinen kerros) Anodi

23 OLED-näytöt: Toimintaperiaate

24 OLED-näytöt: Luokittelu ja valmistus Luokittelu perustuen materiaalien molekyylikokoon Pienmolekyyli OLED (Small Molecule Organic Light Emitting Diodes, SMOLED) Polymeeri-OLED (pled / Light-Emitting Polymers, LEP) Molemmat generoivat valoa, kun sähkövirta on johdettu syntyy elektroneja ja aukkoja, jotka rekombinoituvat joko singletti- tai triplettitilan kautta Singlettitila emittoi valoa ja triplettitila ei emittoi valoa käytetyn materiaalin tehokkuus riippuu syntyvien singletti- ja triplettitilojen suhteesta Oleellinen ero pienmolekyyli ja polymeeri OLED-näyttöjen välillä on se, että pienmolekyyli OLED-näytöt tulee valmistaa höyrystämällä, kun taas polymeeri-oled-näytöt on mahdollista valmistaa standardeilla liuospäällystysmenetelmillä, kuten ink jet tulostuksella Ink jet tulostus alentaa valmistuskustannuksia ja mahdollistaa suurien näyttöjen valmistuksen

25 OLED-näytöt: Passiivi- ja aktiivimatriisiohjaus Passiivimatriisiohjaus: Sähkövirta johdetaan pikseleihin rivi- ja sarake-elektrodien avulla Videokuva esitetään yleensä skannaamalla 60 hertsin taajuudella Aktiivimatriisiohjaus: Jokaisessa pikselissä transistori, joka yhdistää rivi- ja sarake-elektrodit Transistorin avulla pikseli pysyy päällä, vaikka näytönohjaus skannaisi toista pikselisijaintia kirkkaampi ja tarkempi kuva Monimutkaisempi ja kalliimpi rakenne kuin passiivimatriisiohjauksella toteutettu OLEDnäyttö

26 OLED-näytöt: Värintuotto Solun emittoima valon väri riippuu orgaanisten molekyylien ominaisuuksista Emittoituvan valon intensiteetti riippuu soluun johdetun jännitteen suuruudesta (sekä käytetyn orgaanisen materiaalin tehokkuudesta) Värillinen OLED-näyttö voidaan toteuttaa kolmella periaatteella: 1. Solu emittoi punaista, vihreää tai sinistä valoa 2. Solu emittoi sinistä valoa, joka johdetaan (fluoresoivaan) materiaaliin, joka muuntaa valon punaiseksi tai vihreäksi tai sininen valo esitetään muuttumattomana 3. Solu emittoi valkoista valoa (valkoinen OLED). Valo johdetaan punaiseen, vihreään tai siniseen filtteriin Valkoista OLED-materiaalia voidaan käyttää myös valaistussovelluksissa (esim. näyttöjen taustavalona) Tapa 1 Tapa 2 Tapa 3

27 OLED-näytöt: Läpinäkyvä OLED (Transparent OLED) Läpinäkyvä OLED käyttää läpinäkyviä elektrodeja Uniikkeja sovelluksia: Auton tuulilasinäyttö Ikkunanäyttö Silmälasinäyttö Kännykkä: läppämalliseen laitteessa kaksi näyttöä yhden näytöpaneelin avulla SID 2004

28 OLED-näytöt: Pinottu OLED (Stacked OLED) Pinottu OLED rakentuu pinotuista läpinäkyvistä OLEDkerroksista (R,G,B) Päällekkäiset pikselit Kasvattaa resoluutiota (peittoprosentti lähes 100%)

29 OLED-näytöt: Joustava OLED (Flexible OLED) Voidaan valmistaa muoville, metallikalvoille ja muille joustaville alustoille

30 OLED-näytöt: Kaupallisia sovelluksia? LG EL9500, 15 Sony XEL-1, 11 Nokia N8, 3.5 Samsung SGH-E700A Kodak EasyShare LS633 LG 55EM9600 OLED TV, 55

31 LCD-näytöt (Liquid Crystal Display) Litteiden näyttöjen kehitys käynnistyi PC:n kehityksen myötä 1980-luvulla 1. sukupolvi (~1985); läppärit: tarve ohuelle ja kevyelle näytölle Värillinen nestekide-tv sukupolvi tietokonenäytöt (1990-luku) 3. sukupolvi > 30 (~2005) LCD-televisiot (<1000 / 2012), (Samsung protot 54 ( 03)...57 ( 04) 82 ( 08) ; 1920x1080) Transflektiiviset pienet näytöt (pikseli koostuu transmission ja heijastuksen kannalta optimoiduista osista) (VGA/3,7 ) Autostereoskooppiset (3D) pienet (puhelimet, kannettavat) ja suuret (monitorit) 4. sukupolvi (2010) LED-taustavalotekniikka (korvaa kylmäkatodiputket taustavalona); vertaa reuna- ja lokaali-led

32 LCD-teknologia: Nestekidefaasi Aineella periaatteessa kaksi sulamispistettä Nestekiteet pitkiä sauvamaisia orgaanisia molekyylejä Nestekiteet muodostavat nestekidefaasin, Kiinteän olomuodon ja nesteen välitila Sekä nesteen että kiinteiden aineiden ominaisuuksia, anisotrooppinen luonne Nestekiteen orientaatio voimakkaasti riippuvainen sähkö ja magneettikentästä Valon kulku riippuvainen nestekiteen orientaatiosta, tätä hyödynnetään LCD-tekniikassa Näytön toiminta-alue Sähkökenttä + Nestekidemolekyyli _

33 Valon polarisaatio Luonnollinen valo Lineaarisesti polarisoitu valo Ympyräpolarisoitu valo Ellipsipolarisoitu valo

34 LCD-teknologia LCD-näyttö on laite, joka moduloi valoa polarisaattorien, nestekiteiden ja värifilttereiden avulla valo on aaltoliikettä, joka värähtelee joka suuntaan polarisaattorilla valo voidaan muuntaa yksitasoiseksi aaltoliikkeeksi aaltoliikkeen suunta voidaan muuttaa nestekiteiden orientaation avulla nestekiteiden orientaatiota voidaan muuttaa sähkö- ja magneettikentän avulla pikselin kirkkaus riippuu kertaalleen polarisoidun valon ja toisen polarisaattorin välisestä kulmasta värit muodostetaan värifilttereillä

35 LCD-teknologiat: Pikseleiden ohjaus Passiivimatriisinäytöt eli STN (Super Twist Nematic) tai CSTN (Color Super Twisted Nematic) Hitaampi ja huonompi kuvakulma ja resoluutio kuin TFT-näytöissä Passiivimatriisitekniikkaa on aiemmin käytetty paljon mobiileissa ja mustavalkoisissa näytöissä Aktiivimatriisinäyttö eli TFT (Thin Film Transistor) Pikselikohtainen transistori, joka toimii signaaliporttina ja säätää pikselin valoisuutta jännitettä muuttamalla Aktiivimatriisiteknologia mahdollistaa hyvän kuvanlaadun

36 Näyttöjen ohjaus: Passiivimatriisiohjauksen ongelmat Passiivimatriisiohjaus: osoitetut pikselit palaavat takaisin alkutilaan, kun skannaussignaali siirtyy seuraavalle riville tuloksena sumentuva kuva pikselin osoituksen tulee jatkua niin kauan, että pikselin kiteet ovat orientoituneet tuloksena hidas päivitys johtimien välillä tapahtuu kapasitiivista kytkeytymistä eli toisesta johtimesta kytkeytyy toiseen johtimeen häiriöjännite tuloksena suttaantumista tai haamukuvaa (ghosting) passiivimatriisiohjatut paneelit hitaita ja niiden tuottama (liikkuva) kuva epätarkka

37 Näyttöjen ohjaus: Passiivimatriisiohjauksen ongelmat Passiivimatriisiohjaus: Twisted Nematic (TN) -tekniikassa kiteiden kierto vain 90 astetta -> jännite aiheuttaa helposti muutoksen naapuripikselissä Super Twisted Nematic (STN) tekniikassa kiteiden kiertoa kasvetattiin -> jännite/siirto käyrä huomattavasti jyrkempi -> muutosherkkyys alentunut -> ongelmana valon värimuutos Film compensated STN (FSTN) tekniikassa rakenteeseen lisätty polymeerikalvo, joka siirtää valon aallonpituuden takaisin alkuperäiseksi TN jännite/siirto käyrä STN jännite/siirto käyrä

38 Näyttöjen ohjaus: Aktiivinen elementti - transistori Aktiivimatriisiohjaus: transistori toimii pikselin porttina portti aukeaa, kun kynnysjännite ylitetään estetään kapasitiivinen kytkeytyminen gate = hila, source = lähde, drain = nielu kun portti on auki, pikseli-informaatio talletetaan muistikondensaattoriin kun portti suljetaan, pikseliinformaatio säilyy muistissa, vaikka skannaus siirtyy seuraavalle riville ohjauksella ei tarvetta odottaa kiteiden orientoitumista, eikä kiteet palaa alkutilaan pikselin ohjauksen päätyttyä

39 Nestekidenäyttöjen alusta: Transistorit: a-si ja p-si TFT LCD Perinteinen: halpa lasi-alusta, näytön ulkopuolinen kallis ohjauselektroniikka a-si = amorfinen pii (amorphous silicone) Pikseleitä ohjaavat transistorit perinteisesti valmistettu amorfisesta piistä (a-si) a-si valmistus ei vaadi korkeita lämpötiloja alustana voidaan käyttää edullista lasia a-si koostumus ei ole kiteistä huono varauksenkuljettaja, joten vaatii tehokkaan ja kalliin ohjauselektroniikan Uusi: kalliimpi kvartsilasialusta, ohjauselektroniikka integroitu näyttöön, valmistus n. 450 C:ssa LT p-si (LTPS) p-si = polypii Kiteinen tai monikiteinen pii (p-si) on tehokas varauksenkuljettaja, mutta valmistusprosessi vaatii korkeita lämpötiloja LTPS (450 ) Korkea valmistuslämpötila vaatii kalliin kvartsialustan Monikiteisen piin tehokas varauksensiirto mahdollistaa ohjauselektroniikan integroinnin suoraan näyttöpaneeliin

40 LCD-teknologiat: Pikseleiden valaisuteknologiat Transmissiivinen näyttö: Taustavaloa moduloidaan Hyvä kuvanlaatu pimeässä/hämärässä, mutta heikkenee mitä kirkkaammissa olosuhteissa kuvaa katsotaan Reflektiivinen näyttö: Heijastava pinta LCD-paneelin alla Kuva on sitä kirkkaampi mitä kirkkaammassa valaistuksessa ollaan Ulkopuolinen (ambient) valonlähde Transflektiivinen näyttö: Transmissiivinen ja reflektiivinen moodi samassa näytössä Jokaisessa pikselissä transmissiivinen ja reflektiivinen osio Hyvä kontrasti sekä kirkkaassa että hämärässä ympäristössä hyvä ratkaisu mobiileiksi näytöiksi (vaihtuvat olosuhteet)

41 LCD-tyypit: reflektiivinen, transmissiivinen, transflektiivinen

42 LCD-tyypit: reflektiivinen, transmissiivinen, transflektiivinen Transmissiivinen Transflektiivinen Reflektiivinen Kirkas ympäristön valaistus Hämärä ympäristön valaistus Huono Hyvä Erinomainen Erinomainen Hyvä Huono Eräs transflektiivisen näytön ongelma: heijastuva valo kulkee kahdesti värisuotimien läpi yksi ratkaisu on ohjata myös taustavalo peilin avulla kahdesti värisuotimen läpi (järkevää?) SID 2003

43 Heijastavan TN LCD-näytön periaate Valo Havainnoitsija Polarisaattori Lasialusta Nestekidekerros Polarisaattori Elektrodit Lasialusta Valon diffusoija Heijastaja

44 LCD-näytön rakenne: Värifiltterivaihtoehtoja Stripe Delta Mosaic

45 LCD-näytön rakenne: AR ja AG filmit (heijastuksien esto) AR (Anti Reflection) useampi kerros eri paksuisia kalvoja tarkoitus kumota heijastuneen ulkoisen valon säteen aallonpituudet toisistaan useimmiten polarisaattorin päällä AG (Anti Glare) tarkoitus hajaheijastaa näytöstä heijastavat valonsäteet siten ettei peiliheijastuksia synny useimmiten polarisaattorin päällä

46 LCD-näytöt: teknologiavaihtoehtoja (ja kehityskohteita) Nestekidekerros: nemaattinen smektinen kolesteerinen etc Orientaatio: TN, IPS, VA, MVA, PVA, OCB etc. Alusta: lasi (tietokonenäytöt) kvartsilasi (p-si) (TV-näytöt) pii (LCOS) (mikronäytöt) Ohjaus: passiivimatriisi (PM) aktiivimatriisi (AM, TFT)

47 Nestekiteiden orientaatio vaikuttaa katselukulmaan

48 Nestekiteiden orientaatio: Twisted Nematic (TN) TN-orientaatiossa nestekiteet orientoituvat ilman sähkökenttää horisontaalisesti urien suuntaisesti valon polarisaatio muuttuu Sähkökentän vaikutuksessa nestekiteet orientoituvat vertikaalisesti valon polarisaatiosuunta säilyy Valmistuksen kannalta helpoin orientaatioratkaisu (suosittu low-end sovelluksissa) Pieni katselukulma ( ) Nopea vasteaika (edulliset monitorit) Kaikkien sävytasojen tuotto (8 bit) saattaa vaatia rasterointia (spatiaali tai temporaali)

49 Nestekiteiden orientaatio: IPS (In-plane switching) Nestekiteet asettuvat aina horisontaalisesti alustaan nähden Orientaatiomuunnos kahdella elektrodilla alemman lasilevyn päällä Ilman sähkökenttää kiteet ovat rinnakkain Sähkökentän vaikutuksesta kiteet kääntyvät horisontaalisella tasolla Katselukulma > 170, syvä musta kuva, hyvä väritoisto (väritarkat monitorit) Nestekiteiden orientoitumisnopeus on aiemmin ollut hidas (kuitenkin kehittynyt) Vaatii kaksi transistoria suurempi energiantarve (mutta kuitenkin Applen retina-näyttö käyttää IPS-tekniikkaa) Ei katselukulmakalvoja ohuet näyttöpaneelit

50 Nestekiteiden orientaatio: Vertical alignment (VA) Fujitsun kehittämä menetelmä Ilman sähkökenttää kiteet asettuvat vertikaalisesti alustaan nähden (musta kuva) Sähkökentän vaikutuksesta kiteet orientoituvat horisontaalisesti alustaan nähden (valkoinen kuva) Parantunut vasteaika ( 25 ms) Tuottaa myös syvän mustan kuvan Katselukulmariippuvainen sävyjentuotto

51 Nestekiteiden orientaatio: IPS vs. VA Värien muuttuminen katselukulmissa (0-80 ) IPS VA

52 Nestekiteiden orientaatio: multi-domain vertical alignment (MVA) Sävyjen katselukulmariippuvuutta (VA-orientaatio) parannettu sijoittamalla nestekiteet pikselitasolla erillisille alueille Erilliset alueet toteutetaan fyysisten, eri suuntaisten harjanteiden avulla Ilman sähkökenttää kiteet asettuvat vertikaalisesti alustaan nähden (musta kuva) Sähkökentän vaikutuksesta kiteet orientoituvat horisontaalisesti alustaan nähden (valkoinen kuva) ja orientaatiosuunta riippuu aluekohtaisen harjanteen suunnasta Eri orientaatiosuunnista johtuen valo hajaantuu tasaisemmin eri suuntiin ja näytön katselukulma laajenee J. display. Tech., 1(2005)1

53 Nestekiteiden orientaatio: Patterned Vertical Alignment (PVA) Samsungin kehittämä menetelmä PVA-orientaatiossa kiteillä vastaava pikselialuekohtainen orientaatiosuunta kuin MVA-orientaatiossa Orientaatiosuunta toteutettu aukkoelektrodien avulla Ilman sähkökenttää kiteet asettuvat vertikaalisesti alustaan nähden (musta kuva) Sähkökentän vaikutuksesta kiteet orientoituvat horisontaalisesti alustaan nähden (valkoinen kuva) ja orientaatiosuunta riippuu aukkoelektrodien tuottamista aluekohtaisista sähkökenttien muodoista

54 OCB (Optically Compensated Bend) Erittäin nopea vasteaika (< 6 ms) ja laaja katselukulma

55 FED-näytöt: Toimintaperiaate SID 2003 Perustuu CRT-näytöissä käytettyyn katodianodi-fosfori-teknologiaan sovellettuna matriisirakenteeseen Perusero CRT-näyttöön on pikselitasolla toteutetut mini -elektronitykit Pikseli koostuu kolmesta solusta, jotka ovat itsenäisiä tyhjiöputkia (punainen, vihreä ja sininen fosfori) Tyhjiöputki sisältää tuhansia katodipisteitä tai nanotappeja (materiaali esim. molybdeeni), jotka emittoivat elektroneja syötetyn jännitteen vaikutuksesta Irtoavat elektronit sinkoutuvat solun pinnalla oleviin fosforeihin, jotka emittoivat näkyvää valoa

56 FED (Field Emission Display)...piti yhdistää CRT:n ja LCD:n hyvät puolet kuten CRT Laaja katselukulma Nopea vasteaika Laaja väriavaruus kuten LCD Ohut Alhainen paino Alhainen teho Alhainen jännite Mutta suuren mittakaavan valmistaminen osoittautunut vaikeaksi. Ehkä OLED-tekniikka yhdistää yllä listatut tekijät?

57 FPD signaaliprosessointi (analoginen input) Kuvanmuodostus: Kuvalähde -> signaalinprosessointi -> kuvan esitys Kuvalähde esimerkiksi tietokone tai tv-signaali... Signaaliprosessointi muuntaa kuvalähteen signaalin näyttöpaneelin ymmärtämään muotoon Näyttöpaneeli tuottaa näkyvän kuvan perustuen signaalinprossoinnin output-signaaliin kuvalähde signaalinprosessointi kuvan esitys

58 FPD signaaliprosessointi (analoginen input) Signaaliprosessointipiirilevyn tehtäviä: analogidigitaalimuunnos resoluution skaalaus frame-rate lomituksen poisto kuvan parannus (terävöitys, gamma, kontrasti, valkotasapaino, mustatasapaino, kirkkaus, liikkeen toisto, väritoisto, kohinasuodatus...) Tietyt prosessit tehdään ennen skaalausta (input processing) ja tietyt prosessit tehdään skaalauksen jälkeen (output processing) TV-signal (NTSC or PAL) Decoder Analog RGB ADC Digital RGB Video signal processing IC Input processing Scaling processing Output processing Flat Panel display Data bus Personal computer Video signal

59 Yksinkertaistettu esimerkki videon prosessointipiiristä (Sanyo LC74986NWF) Digital RGB Input processing RGB -> Y Cb Cr Y Cb Sharpness Cr Color Tint* Scaling processing Horizontal direction reduction Horizontal And vertical direction enlargement Output processing Black Stretch** Y Cb Cr -> RGB White balance, contrast, black balance, brightness Gamma correction Bit depth conversion Rout Gout Bout *Termillä tint tarkoitetaan tässä tapauksessa sävysäätöä **Termillä black stretch tarkoitetaan sitä että gamma-käyrän alapäätä loivennetaan, jolloin kontrasti hieman laskee mutta tummien alueiden yksityiskohdat erottuu selvemmin

60 Analoginen vs. Digitaalinen output Analoginen signaali CRT- ja LCD-näytöille: intensiteetti perustuu signaalin jännitearvoon Digitaalinen signaali PDP- ja DLP-näytöille: intensiteetti perustuu temporaaliseen rasterointiin LCD vaatii kuitenkin digitaalista signaaliprosessointia, koska kuva pitää skaalata näytön resoluutioon CRT ei vaadi skaalausta koska se ei sisällä kiinteää pikselirakennetta

61 Resoluution skaalaus Input-signaali tulee skaalata näytön natiivi-resoluutioon Esimerkiksi DVD:n ja digitaalisen TV:n resoluutio on 720 x 480 (NTSC) tai 720 x 576 (PAL), HDTVmäärityksen resoluutio on 1280 x 720 tai 1920 x 1080 Alas- tai ylöspäinskaalaus vaikuttaa aina kuvanlaatuun Paras laatu aina jos input-resoluutio vastaa näytön natiivi-resoluutiota

62 Resoluution skaalaus: perusmenetelmiä Spatiaaliavaruudessa interpolointi Taajuusavaruudessa suodatus ja näytteistys

63 Resoluution skaalaus: skaalaustulos Esitetään suuremmalla pikselimäärällä Esitetään pienemmällä pikselimäärällä

64 Resoluution skaalaus: alapikseleitä hyödyntävä menetelmä Ideaalitilanne Standard Subpixel Kameralla kuvattu toisto Alapikseleihin perustuva menetelmä tuottaa eri harmaansävyjä eli toistolaatu on kuvariippuvainen

65 Frame-rate-muunnos FPD näytöillä on usein kiinteä frame-rate johon input-signaali tulee konvertoida Esim. PAL 50i fps, NTSC 59,94i fps, elokuvat 24 fps, DVD (PAL) 25 fps... Konvertointi aiheuttaa videoon nykimistä ja sumentumista

66 Lomituksen poisto PAL- ja NTSC-standardeihin perustuvat signaalit ovat lomitettuja

67 Kuvan adaptiivinen dynaaminen muokkaus: kuvan kontrasti Kim et al. Adaptive dynamic image control for IPS-Mode LCD TV, SID 2004 ADIC (adaptive dynamic image control) tekniikka analysoi kuvan histogrammia Jos kuva on kirkas, niin taustavalo säädetään kirkkaammaksi Jos kuva on tumma, niin taustavalon tehoa lasketaan ja lisäksi sävyntoistokäyrää muokataan jotta yksityiskohdat erottuvat paremmin Jotta taustavalon säätö ei aiheuttaisi välkkymistä, niin kuvan säätö (YCFA) perustuu funktioon, joka ottaa huomioon aiempien kuvien kirkkausarvot:

68 Kuvan adaptiivinen dynaaminen muokkaus: kuvan kontrasti Tulosten perusteella ADIC laskee LCD-näytön mustatasoa sekä nostaa huippukirkkautta sekä dynaamista kontrastia verrattuna perinteiseen LCD-näyttöön

69 Kuvan adaptiivinen dynaaminen muokkaus: taustavalon lokaali säätö perustuen kuvasisältöön Peng et al. High contrast LCD TV using active dynamic LED backlight SID 2007 Lokaalien LED-taustavalojen ohjaus laskee taustavalon sähkön kulutusta Menetelmä säilyttää kuvan kirkkauden sekä yksityiskohdat, vaikka taustavalon kokonaiskirkkaus (ja energiantarve) laskee Kuvadatan perusteella lasketaan lokaalien LED-blokkien kirkkaus sekä väri ja lisäksi kuvan pikselien RGB-arvot säädetään niin että näytöllä esitetty kuva vastaa alkuperäistä kuvaa ilman taustavalon muokkausta

70 Kuvan adaptiivinen dynaaminen muokkaus: taustavalon säätö perustuen kuvasisältöön Tulosten perusteella dynaamisesti säädetty lokaali-led säästää energiaa huomattavasti etenkin kun APL (Active Pixel Level) on matala eli kuva on tumma

71 Signaalin prosessointi: kuvanparannusmenetelmiä 1/4 Liu et al. Image Processing and Color Management for Large-Size LCD TVs, IDMC 2005 Liu et al. esitti menetelmiä kuvan terävöitykseen sekä kontrastin ja saturaation parantamiseen

72 Signaalin prosessointi: kuvanparannusmenetelmiä 2/4 Kontrastin parannus voidaan toteuttaa esimerkiksi hyödyntämällä laajemmin kuvan harmaasävyarvoja (histogrammin tasoitus), mutta tuloksena voi olla epäluonnollisia värejä (kuvassa katkoviivainen ympyrä) Liu et al. esitti menetelmän joka paikallistaa kuvasta reunat ja nostaa tai laskee pikselien intensiteettiarvoja perustuen reunainformaatioon. Menetelmä levittää histogrammia, mutta säilyttää sen muodon

73 Signaalin prosessointi: kuvanparannusmenetelmiä 3/4 Liu et al. menetelmä toteuttaa saturaation kasvatuksen HSIavaruudessa, jonka avulla pikselien sävyarvo säilyy paremmin kuin RGB-avaruudessa

74 Signaalin prosessointi: kuvanparannusmenetelmiä 4/4 Liu et al. menetelmä toteuttaa kuvan terävöityksen kasvattamalla löydettyjen reunapikselien intensiteettiä Menetelmä on adaptiivinen, eikä kasvata intensiteettieroa niin voimakkaasti vahvojen reunojen alueella

75 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen LCD-näyttöjen ongelma on perinteisesti ollut liikesumentuminen, jota aiheuttaa LCD materiaalin hidas vaste sekä display-and-hold näytönohjaus Hidas vaste on käytännössä ratkaistu materiaaliparannuksilla sekä overdrive-tekniikalla Display-and-hold (60 Hz) -> sama kuva esitetään 16,7 ms -> edellinen kuva havaitaan aina jälkikuvana päivitetyn kuvan yhteydessä Display-and-hold ongelmaa kompensoidaan Fast-frame rate tai impulse-like -tekniikoilla Souk, J.H, Lee, J., Recent Picture Quality Enhancement Technology Based on Human Visual Perception in LCD TVs, IEEE Journal of Display Technology, 3(2007)4, p

76 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Overdrive Vasteaikojen parantaminen: overdrive Souk, J.H, Lee, J., Recent Picture Quality Enhancement Technology Based on Human Visual Perception in LCD TVs, IEEE Journal of Display Technology, 3(2007)4, p

77 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Fast-frame rate Vaikka nestekiteen vasteaikaa on parannettu, niin jälkikuva-häiriö on edelleen ongelma johtuen lähdemateriaalissa käytetystä kuvataajuudesta Esimerkiksi TV-sovelluksessa originaali framerate 60 Hz (NTSC) -> tuplakuvien käyttö (120 Hz) aiheuttaa liike-epätasaisuutta Ratkaisuna puuttuvien kuvien informaatio ennustetaan alkuperäisestä signaalista (ME/MC) tai impulse-like tekniikka Souk, J.H, Lee, J., Recent Picture Quality Enhancement Technology Based on Human Visual Perception in LCD TVs, IEEE Journal of Display Technology, 3(2007)4, p

78 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Liikkeen estimointi ja liikkeen kompensointi Motion Compensated Fast frame rate up conversion (MC-FRUC) sisältää liikkeen estimointi sekä liikkeen kompensointi vaiheet Liikkeen estimointi perustuu liikevektoreihin Liikkeen kompensointi perustuu ylimääräisien kuvien interpolointiin pohjautuen liikevektoreihin SID 2007

79 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Liikkeen estimointi ja liikkeen kompensointi Liikevektori määrittää liikkeen suunnan ja nopeuden kuvien välillä Esimerkkialgoritmi: Liike estimoidaan kahden kuvan välille Rajoitettu joukko kandidaattiliikevektoreita on valmistettu pikseliblokeille Kandidaattivektorien joukosta valitaan jokaiselle blokille liikevektori perustuen Sum-of-absolute-differences (SAD) kustannusfunktioon esad( C, b, n 1 ) 2 x b F( x C, n 2 F( x, missä F( x, n) on pikseli sijainnill a x ( x, y) kuvassa b ( bx, by ) on blokkikoor dinaatti ja C on kandidaattiliikevekt ori 1) C, n) 2 n, SID 2007

80 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Liikkeen estimointi ja liikkeen kompensointi Ylimääräiset kuvat interpoloidaan kuvien väliin perustuen liikevektoreihin SID 2007

81 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Impulse-like Periaatteena on lisätä musta kuva (kuvan tai taustavalon intensiteetti) esim. suhteella 50/50 Ongelmana kokonaisluminanssin pienentyminen sekä ylimääräinen välkkymiskomponentti Souk, J.H, Lee, J., Recent Picture Quality Enhancement Technology Based on Human Visual Perception in LCD TVs, IEEE Journal of Display Technology, 3(2007)4, p

82 Tekniikoita liikkuvan kuvan parantamiseen Impulse-like Välkkymiskomponentin häiritsevyyttä voidaan pienentää käyttämällä esimerkiksi rullaavaa mustaa palkkia täyden mustan kuvan sijasta Luminanssimittauksen perusteella tuloksena impulse-like vaikutelma ICIP 2005