 |
Monitorer: En genomgång av olika tekniker och lite synpunkter.
|
Bildröret
Har varit allenarådande och utvecklats under lång tid att få mycket bra egenskaper för bildåtergivning. Tack vare sin ljusemittering i fosforpunkter så har bildröret utmärkt dynamik, bra linjäritet, bra colorspace, hög upplösning och snabb reaktionstid. Tyvärr finns också mindre bra egenskaper. Upplösningen är direkt beroende av ljusstyrkan och röret har dålig bildgeometri, är stort, tungt och synnerligen miljöovänligt att tillverka. Trots detta så är bildröret den typ av display som t.ex. colorister än idag (2010) föredrar och det fungerar bra bl.a. pga. att colorister och ljussättare alltid har kontrollerbara ljusförhållanden. (De måste ha ganska mörkt i rummet eftersom specialmonitorer har dålig ljusstyrka).
Det finns också noggrann klassning av bildrörsmonitorer med grund av forskning sedan 70-80 talet som bidragit till en jämn standard som gjort att colorister har kunnat lita på att bilder sett lika ut oberoende av skillnader i exemplar av samma typ och specifikation av monitor. (Förutsatt att den är rätt trimmad).
Det finns en hel rad av olika testsignaler för monitortest, av de vanligaste kan nämnas PLUGE (Picture Line Up Generation Equipment), och färgbalk, (av vilken det finns åtskilliga varianter. Vanligast i Europa är EBU-bars och i USA SMPTE-bars)
Sedan tidigt 1990 tal så har nya tekniker brutit mark mycket tack vare dataindustrins enorma frammarsch och med stora tillverkningsantal är LCD skärmen den allenarådande stillbildsskärmen i datasammanhang. Under 80 och 90 talet har även plasma displayer och FED, OLED displayer börjat utvecklas. Var och en betydligt lämpligare för rörliga bilder än LCD . Plötsligt är det möjligt att kombinera hög upplösning med bra ljusutbyte. Priserna har rasat ner tack vare att teknikerna har använts till konsument TV i enorma tillverknings kvantiteter. Många av dessa LCD matrixer används även i professionella monitorer dock med en sofistikerad elektronik att styra dem eftersom LCD matrixer har problem som måste kompenseras med omfattande elektronik kontroll.
Här följer lite basdata för en videomonitor
En monitor för videoproduktion måste ha följande prestanda:
Den måste kunna kalibreras till relativt hög ljusstyrka, typiskt 100 NITS (Candela/m²) vid peakwhite med ett kontrastförhållande av 500:1 och en svartnivå av max 0,15 NITS. Den skall också ha en colorgamut (färgrymd) motsvarande SMPTE-C (NTSC för analog video) och ITU-BT 709 för digital video. Allt enligt CIE 1931, (se diagram)
Vidare skall gamma kurvan (gråskale linjäriteten) vara mycket noggrann och gråskalans RGB tracking vara inom c:a 250 Kelvin°. Slutligen skall geometrin vara inom ± 2%. Bilduppdateringsfrekvensen skall vara snabb och helst skall total delay från videoingång till skärmutslag hållas inom 200 µS
De flesta sk. Grade One CRT monitorer klarar denna spec och är därmed lämpliga för ljussättning och color correction.
CIE 1931 diagram. Diagrammet är en tvådimensionell betraktelse av 3D färgrymd. Notera ljusvåglängden på skalan runt diagrammet och den sk. purpurlinjen med magenta som blir en onaturlig följd av projiceringen.
Nya specifikationer
Med ny teknik följer också utvidgning av specifikationer. Vi har numera möjlighet att gå ännu högre i gamut till xvYCC standard och Digital Cinema "P3" som är en betydligt större färgrymd med framför allt utökat grönområde (se CIE diagram).
CRT monitorer klarar inte detta samtidigt med upplösning i HDTV specifikation (1920x1080) och vi får titta på nya skärmtekniker för att åstadkomma dessa bilder.
De nya "plattskärmarna" är av flera typer och har helt olika tekniker och kan kategoriseras på två sätt. Emmitiv- och transmissivteknik. Emmitiv är som bildröret, det är ljuspunkter som står för bilduppbyggnaden. T.ex. plasma, OLED och FED. Transmissiv är en skärm med bakljus där skärmen bromsar ljuset och släpper igenom mer eller mindre ljus, LCD.
LCD skärmen
Eftersom LCD är den vanligaste skärmen så skall jag förklara dess funktion. LCD betyder Liquid Crystal Display eller flytande kristall på svenska. Läser man populärtidningar och reklam så förleds man att tro att LCD skärmen består av en sorts ljusventiler som öppnar och stänger för ljusgenomsläpp men det är totalt felaktigt! En LCD består av två stycken polarisationsfilter och ett material i mellan dessa som vid olika elektriska spänningsimpulser vrider kristaller i skiktet och polariserar ljuset beroende på hur de vrider sig. Detta är bl.a. förklaringen till att den så kallade betrakningsvinkeln är begränsad på LCD monitorer. Antingen är den begränsad i sidled eller i höjdled beroende på vilket polarisationsfilter som hamnar längst fram på displayen. Eller så är vinkeln kraftigt begränsad i båda ledderna om det är en riktigt billig LCD. Bakom LCD skärmen så sitter vanligen en sorts lysrör av typen Cold Catode Flourescent Light, CCFL. På skärmen är sedan små microfilter applicerade i rött, grönt och blått för att återge full färgåtergiving.
Relativt nyligen har man börjat använda lysdioder (LED) som bakgrundsljus i LCD displayer istället för CCFL. Det ger fördelen av att ge en jämnare belysning och också en tunnare skärm. I konsumentledet annonseras dessa som "LED skärmar" vilket alltså är en sanning med modifikation eftersom det är LCD teknik med annat bakljus. Men det ger en bättre bild än CCFL teknik. Sofistikerade skärmar som används inom videoproduktion har också egenskapen att dioderna bakom LCD skärmen är modulerade och ger starkare och svagare ljus beroende på bildinnehållet. Det finns också åtminstone försöksvarianter som har även röda, gröna och blå LED bakom skärmen för att ytterligare förbättra bildkvaliteten.
Vad är då bra och dåligt med LCD tekniken?
Först och främst, som jag nämnde inledningsvis, är LCD tekniken faktiskt gjord för stillbilder.
LCD har en omslagstid för kristallerna som är långsam. Den förstärker rörelseoskärpan kraftigt. Vidare har LCD skärmar en egendomlig gammakurva som är svår att korrigera. Den är dessutom olika mellan olika exemplar på skärmar och kurvan måste helst justeras in på varje skärm individuellt. Det gör att flertalet billiga dataskärmar inte har någon gamma korrektion alls och gråskalan blir minst sagt distorderad.
Slutligen – och värst av allt – är LCD skärmens svartnivå i allmänhet inte går att få under 0,4 NITS. Det kombinerat med en spretig RGB tracking under c:a 10% vitt gör LCD skärmens egenskaper i lågljus är faktiskt relativt dåliga.
Allt det här låter kanske konstigt eftersom LCD är en så vanlig teknik men det är faktiskt så det är.
LCD skärmens goda egenskaper är att de har en oerhört hög upplösning kombinerat med en hög ljusnivå och de är billiga att tillverka.
Skall man korrigera LCD skärmens tillkortakommande i prestanda med elektriska korrigeringskretsar så blir skärmen dyrbar. En bra LCD för videobruk på 24 tum kostar omkring 120.000 kr + moms!
Jämför det med en 24" enkel datamonitor som kanske kostar 2000 kr inklusive moms. Men jag lovar er! Det är skillnad!
Plasmaskärmar
Plasmaskärmar är den näst vanligaste displaytypen. Tyvärr är det snart bara Panasonic som utvecklar och tillverkar dessa men de är faktiskt betydligt bättre än LCD för återgivning av rörliga bilder. Plasmaskärmar består av en stor mängd gasurladdnings celler. (Plasma är beteckningen på en elektriskt laddad gas). Cellerna lyser med UV ljus och är täckta med en fosforförening i rött, grönt och blått. Dessa tänds och släcks beroende på spänningen som läggs över dem och för att få en gråskala så pulsbredds modulerar man spänningen. Ljuset är alltså bestämt av ett antal på och avslag under ett mycket kort tidsintervall. Skärmen har också en hög uppdateringsfrekvens, numera upp till 600 Hz vilket bidrar till låg rörelseoskärpa.
Detta skall dock inte förväxlas med bildfrekvensen som alltid är 50 Hz i europeiska TV systemet. Plasmaskärmens nackdelar är att de har en relativt låg upplösning dvs. det är svårt att tillverka små skärmar och det finns knappast plasmaskärmar under 37 tum. Vidare har de problem med inbränning på skärmen precis som CRT tekniken hade för 30 år sedan. Det finns speciella rutiner i många skärmar som raderar skärmen på olika sätt. Plasmor drar också relativt mycket ström i förhållande till LCD men det har förbättrats stadigt på senare tid.
De goda egenskaperna är att de är mycket snabba, har utmärkt gamut (färgrymd) och mycket bra svartnivåegenskaper, typiskt 0,15 NITS. Det gör att plasmor har nära på dubbelt så bra kontrastförhållande jämfört med LCD och är också mycket bättre än CRT.
FED, Field Emission Display
Är en teknik med miniatyr CRT rör som är mycket grunda och där, i princip, varje elektronrör driver en eller flera fosforpunkter med en elektronstråle. Tekniken utvecklades av Sony men var svår och dyr att tillverka och utvecklingen har, såvitt man kan läsa i facktidskrift, stannat av. Därför förklarar jag inte den mer i detalj.
OLED, Organic Light Emission Diod
Tycks för närvarande vara den teknik som det satsas mest på att utveckla och den har också de absolut bästa egenskaperna för att visa rörliga bilder. OLED är i sig en ganska gammal teknik och patentet ägdes av Kodak under lång tid som också jobbade med utveckling. Kodak har för bara några år sedan sålt hela verksamheten till LG Electronics. LG är en av ett fåtal tillverkare som gör själva matrix displayen även i större format.
OLED finns i kommersiellt bruk idag i bl.a. mobiltelefoner och bilstereo. Problemet är att de är mycket svåra att tillverka i större dimensioner och det är ett fåtal tillverkare som satsar enorma summor på att utveckla tillverkningsmetoder.
OLED är en speciell typ av lysdioder som består av supertunna kolskikt som emitterar elektroner mellan skikten och därigenom emitterar fotoner. Det finns två huvudtyper av displayer Active Matrix (AM-OLED) och Passive Matrix (PM-OLED)Funktionen eller snarare kemin är komplicerad och de som vill fördjupa sig kan söka på t.ex. www.oled-info.com
OLEDs egenskaper tycks nästan idealiska för videobruk. Displayen är supertunn, kan göras böjlig, som ett papper. Ljusegenskaperna är synnerligen goda och de kan tillverkas med hög upplösning parat med hög ljusstyrka, närmast perfekt svartnivå och en colorgamut som möter de senaste specifikationerna och närmar sig filmprestanda. Strömförbrukningen är också mycket låg och man forskar på att använda OLED displayer som t.ex. lysande tak!
Det är också ett intressant faktum att drivelektroniken för OLED är mycket lik den för LCD så praktiskt taget all forskning på elektronik styrningar för LCD är direkt applicerbar på OLED matixer.
Marknadsjippo?
Det pågår en intressant uppvisning i branschen vad gäller OLED. Flera stora och en del små monitortillverkare visar upp OLED monitorer med skärm-matrixer tillverkade av fåtalet skärmtillverkare såsom om det vore deras egen teknik.
Man hör påståenden om att tillverkare x och y "har" OLED displayer som de snart skall börja sälja etc. Det här är bara trams. Alla är beroende av matrix tillverkarna. När de stora skärm-matrix tillverkarna har löst tillverkningsprocessen så kommer ALLA TV och monitor tillverkare att få tillgång till OLED tekniken på samma sätt som man har tillgång till LCD matrixer. Sony använder t.ex. Samsung matrixer i sina LCD monitorer i rätt stor utsträckning liksom Marshall och många andra. Skillnaden är den sofistikerade elektronik som styr skärmmatrixen och också kvaliteten på matrixen, där man kan misstänka att de stora monitortillverkarna lägger beslag på den bästa kvaliteten och sorteringen.
Datamonitorer versus videomonitor
Databranschen har inga stränga normer på hur en datamonitor skall visa bilden och som tillämpas på de billiga (men utmärkta) data monitorer som säljs. Det finns inte ens ordentligt fastställda skärmförhållanden utan t.ex 4:3 och 16:10 är vanligt
Det finns dock vissa datamonitorer där man uppger en specifikation som skall stämma in på videobilder också. Vi har testat några stycken och jag är inte särskilt imponerad. Men det kan hända att de går att justera upp något. Vi har inte lagt krut på det.
Video branschen däremot har mycket noggranna specifikationer på bildåtergivningen. En exakt bestämd colorspace ITU BT-709 tillsammans med en exakt bestämd svartnivå och maximal luminansnivå ger en signalstandard som är exakt.
Specifikationer som anger gråskale-tracking, dynamik och färgtemperatur skall garantera bildkvaliteten. Också omfattande tittarundersökningar i många år av bla. EBU och SMPTE har lett fram till snäva toleranser.
Billig och dyr signalhantering i monitorer
Elektroniken som skall omvandla SDI signalen eller HDMI signalen till styrningen av skärm matrixen varierar kraftigt i prestanda och ofta finns stora skillnader mellan billiga skärmar och avancerade skärmar.
De-interlace
Skärmmatrixen har av naturen en progressiv uppdatering. Det innebär att t.ex. HD standarden 720p/50 är relativt lätt för elektroniken att hantera. Värre är det med 1080i/50 där man måste appplicera en sk. de-interlace krets för att sätta samman field 1 och field 2. Det är inte så lätt som det låter eftersom det är olika information i bilderna. Field 2 kommer ju 20 mS efter field 1. Billiga lösningar fördröjer den ena bilden och adderar den andra. Sofistikerade lösningar interpolerar bildinformationen för att man inte skall se bildskillnaden som upplevs som bl.a. "jaggies" i snabba passager.
Scaling
De flesta skärmar kan hantera olika upplösningar. Det är svårt och dyrt att göra elektronik som skall skala om en 720 bild att passa i 1920 pixels t.ex.
De flesta skärmar med med hög eller sk. full HD upplösning (1920x1080 eller 1280x720) hanterar inte standard definition 720x576 ( eller 704x575 som DVB standarden ger) på ett särskilt bra sätt. Till och med dyrbara skärmar har klara begränsningar i skalningsfunktionen. De förutsätts att användas till HD och i undantagsfall SD.
Delay
I alla skärmar (liksom praktiskt taget all annan digital utrustning) så finns en påtaglig fördröjning innan signalen så att säga når skärmen. Det beror dels på att själva drivkretsen för t.ex. LCD är långsammare än en CRT men framför allt på de-interlacing, analog till digital konvertering och brusreducering som många skärmar har för att kompensera brus som uppkommer i processen. (Brusreducering kan ni läsa mer om här i Kunskapsbanken)
Datatillverkarna anger ofta några få mS som delay men det är inte alltid med sanningen överensstämmande. Dels har vi sett dem ange själva skärmmatrixens delay och inte brytt sig om drivkretsarna, dels har vi sett dem ange DVI signalens delay trots att skärmen har både analog och digital ingång. DVI signalen saknar många gånger den sofistikerade elektroniska korrigering som t.ex. en analog ingång måste ha. Det finns skärmar och projektorer med upp till 2 frames (80 mS) delay - Inte så lätt att få läppsynk då ...
Uppdateringsfrekvens
Det är intressant att nämna att datamonitorer oftast visar minst 60 Hz bildfrekvens från datorns grafikkort. Dvs du får fel temporal uppfattning om materialet om du tittar på en dataskärm vid din redigering än om du tittar på en videomonitor som läser ut bilden med 50 Hz från ett KONA eller Decklink kort. I många skärmar så är uppdateringsfrekvensen fortsatt 60 Hz även om bildfrekvensen är 50Hz. Det kan ge upphov till en del märkliga temporala fenomen på bilden som, återigen, mer välkonstruerade videomonitorer hanterar på ett bättre sätt.
Epilog
Slutligen några ord om vad man egentligen ser på skärmen och vad man måste se på skärmen om man skall veta att bilden är korrekt. Det här är ett kärt ämne då många dataskärmar ser så bra ut och kostar så lite.
Vad ska jag med en videoskärm till som kostar 40.000 kronor?
Svaret är enkelt:
Du vet inte vad du ser! – även om det ser "bra" ut.
Den där bilden på datorn som har så fin röd färg och skarpa kanter och hög upplösning, den kanske är helt fel. Det kanske inte alls ser ut så i verkligheten. För det är verkligheten handlar om! Jag brukar jämföra bildåtergivning med ljudåtergivning för att det skall bli lättare att förstå.
- Tänk dig att du spelar in en konsert i Albert Hall. När du kommer hem så vill du ju att det skall låta likadant i ditt vardagsrum som i konsertsalen.
Det gör det inte om du vrider på full bas och full diskant och har högtalare kanske med resonansfenomen. Ok, det kan låta maffigt när basen dundrar i golvet och du kanske njuter av just det, men det låter helt fel jämfört med konsertsalen.
Exakt så är det med Bildskärmar och TV återgivning.
Tillverkarna som gör precisions monitorer och vi, som säljer dem och bygger system, måste se till att du som kund får en monitor som återger verkligheten, såsom bilden såg ut på inspelningsplatsen eller såsom regissören (eller coloristen) vill skapa bilden. Då måste du ha en monitor som faktiskt visar exakt rätt. Då först vet du att du har levererat en bild som är som du vill ha den. Sedan kan TV tittarna hemma kräma på färg och kontrast så det står härliga till men du har gjort ett jobb som är korrekt.
Det stora problemet med billiga monitorer är att du inte kan se vad som är korrekt eller veta hur du skall kalibrera en monitor som inte ens har möjlighet att återge bilden så som den ser ut. Bilden behöver inte se "bättre" ut i din 120.000 kronors monitor, men bilden behöver se rätt ut och det kan tillverkaren garantera med en avancerad monitor.
Stanna upp en stund och fundera på vad uttrycket "bra bild" egentligen betyder i produktionssammanhang. - Är det "knivskarp"? - Är det "färgglad" eller ...
Vi får samtal från många människor som inte förstår sambanden utan tycker att video tillverkarna kör med en dyrbar hokus pokus. Naturligtvis är det inte så. Samtidigt har vi full förståelse för att det är svårt att veta .
Den här artikeln, som bara skrapat lite på ytan av den komplexa teknik som ger oss bra produktionsmonitorer för video, har förhoppningsvis gett er lite insikt i skärmarnas värld och vad man bör tänka på.
Skall man ha en TV att titta på så köp det ni tycker ser bra ut.
Skall ni producera videoprogram så köp en monitor som visar rätt bild.
Kontakta oss så hjälper vi dig att hitta en monitor som passar dig och ditt ändamål.
© 2015-09-01 Protel
Denna skrift får inte kopieras och mångfaldigas utan skriftligt tillstånd från Protel