LCD-мониторы для кинопроизводства
Когда в конце XIX века были открыты жидкокристаллические структуры, то никто даже и предположить не мог, во что все это выльется… Правда, понадобилось практически столетие, для того чтобы этому открытию было найдено достойное применение. В 1960-1970-х гг. прошлого столетия, с появлением новых материалов и развитием технологий, стало возможным массовое производство дешевых жидкокристаллических индикаторов. Правда вначале это были простейшие приборы, способные индицировать знаки и цифры, например в часах или калькуляторах. Позднее началось усложнение индикации. Для ин- дустрии карманных игровых устройств, изготавливать которые стало возможным только с появлением ЖК- технологии и новых интегральных микросхем, стали формировать простейшую анимацию, основанную на последовательно включавшихся элементах, выполненных в виде фаз того или иного движения.
Совершенствование этого метода продолжалось вплоть до того момента, когда стало возможным отображение более сложных изображений, что основывалось на формировании изображения, в том числе и движущихся видеоизображений, при помощи элементарных точечных структур – пикселей. Во второй половине 1970-х годов прошлого столетия появление первых ЖК-телевизоров вызывало шок и восхищение. Миниатюризация CRT (cathode ray tube) телевизионных приемников давно достигла предела. Если элементную базу можно еще было уменьшать в размерах, то электронно-лучевую трубку и источники питания уже нет. А ЖК-индикатор (liquid crystal display — LCD), благодаря своей плоской форме и низкому энергопотреблению, позволял значительно уменьшить размеры изделия. Теперь телевизор можно было сделать в размер записной книжки и спокойно спрятать в нагрудный карман пиджака. Тем более что первые миниатюрные ЖК телевизионные приемники были только черно-белыми, и для формирования в них изображения использовался отраженный свет. Правда, с появлением цветных дисплеев и необходимостью мощной внутренней подсветки вопрос об энергопотреблении снова появился на горизонте. Но даже на уровне ч/б телевизоров начали проявляться и первые проблемы.
В первую очередь, это была вы- сокая инертность ЖК-дисплея, которая определялась скоростью реакции структур на электрические сигналы, что делало невозможным качественное отображение динамичных, быстро сменяющихся изображений. На ограниченность угла, с которого можно было рассматривать изображение, пока никто внимания не акцентировал. Другой проблемой была высокая чувствитель- ность ЖК-структур к температуре. Не удивительно, что одной из первых областей применения ЖК-индикаторов стало использование их в качестве термодатчиков. При низкой температуре вещество замерзало и переставало реагировать на управляющие сигналы, а при высокой – перекрывало путь свету, и экран становился черным или, наоборот, белесым и малоконтрастным, если использовалась внутренняя подсветка. Подчас было достаточно нагрева только внутренних электронных элементов устройства, чтобы изображение так изменялось, что переставало просматриваться совсем. С уменьшением размеров отображающих элементов – пикселей, появилась еще одна проблема. Существовавшая вплоть до нынешнего столетия технология производства матриц не обеспечивала достаточного качества. Очень часто оказывалось, что все затраченные усилия были сделаны напрасно.
При окончательном контроле выяснялось, что большое количество пикселей на матрице не реагировало на управляющие сигналы. Основная причина этого заключалась в том, что при формировании проводников управляющих сигналов велик был выход брака. Еще больше проблем появилось при производстве ЖК-матриц для отображения цветных изображений.
Первая проблема возникла при формировании «правильной» подсветки, которое заключается в максимально точном соотношении цветовой температуры источника света и зоны пропускания светофильтров над пикселями, участвующими в создании цветного изображения, и соответствии этих параметров требованиям стандартов.
Вторая заключается в равномерности подсветки, которая должна быть одного значения по всему полю изображения.
Достаточно долгое время подсветка осуществлялась при помощи тонких трубчатых газоразрядных люминесцентных ламп, располагавшихся за ЖК-матрицей, снизу и сверху (по большей стороне экрана) и освещающих плоскую поверхность экрана, от которой, в свою очередь, свет отражается в сторону ЖК- матрицы. Этот экран, прокрашенный специальной краской или изготовленный из материала, обладающего высокой отражающей способностью, и должен обеспечивать равномерность освещенности по всей площади изображения. Главными недостатками этой технологии являются высокое энергопотребление и ограниченный ресурс этих ламп. Энергопотребление этих ламп может достигать 90% всего энергопотребления дисплея. Правда, на- до отметить, что ресурс этих ламп обычно при нормальных условиях эксплуатации гарантируется и практически обеспечивает работоспособность на весь срок службы изделия, который, как правило, не превышает 5-10 лет. Кстати, с течением времени и динамикой, опять же, вписывающихся в гарантийные сроки и предъявляемые к ним требования, эти системы (газоразрядные лампы и отражающий экран) незначительно меняют свой спектральный состав излучаемого света, что, правда, можно определить только при инструментальном контроле. Субъективно это почти незаметно.
Сейчас для подсветки ЖК-экранов стали активно применяться системы, основанные на использовании светодиодных излучателей. Для этих систем подсветки характерны две технологии, которые практически равнозначны по основным характеристикам и различаются только по цене. В первом случае световой поток формируется набором из группы одиночных светодиодов, расположенных по краям экрана и освещающих отражающую поверхность. В другом случае для подсветки используется плоская светодиодная панель величиной с экран. При всех этих технологи- ях обеспечивается достаточная равномерность и соответствие цветовой температуры существующим стандартам. Но в случае использования светодиодной панели уменьшается толщина ЖК-дисплея, так как при использовании сборок из светодиодов необходимо обеспечить достаточное пространство для свободного прохождения лучей, освещающих отражающую поверхность.
Третья проблема – в обеспечении скорости реакции ЖК- структур на управляющие сигналы, которая должна соответствовать скорости обновления изображений. Достаточно долго этот параметр ограничивал возможности ЖК-дисплеев для использования в качестве видеомониторов. На то чтобы изменить направление поляризации света, ЖК-структурам требовалось время, это приводило к появлению на движущихся изображениях артефактов в виде «тянучек», что особенно становилось заметным в случае отображения динамичных сцен. Первое время с этим мирились, как с неизбежными издержками технологии, а также пытались бороться, используя метод прогрессивного, полнокадрового формирования изображений и уменьшения частоты полных кадросмен. Чересстрочное ТВ-изображение для ЖК-дисплеев долгое время оставалось недоступным.
В настоящее время удалось создать и применить для ЖК-структур такие матери- алы и технологии, у которых время реакции на управляющие сигналы позволяет использовать более высокие, чем 50 Гц, частоты для обновления изображений, и этот артефакт практически полностью устранен.
Четвертая – ЖК-структуры должны обеспечивать максимально возможную контрастность. Сам принцип участия ЖК-структур в образовании изображений — действие в качестве «светового клапана», основанного на использовании свойств поляризации, – не позволяет стопроцентно перекрывать световое излучение. Поэтому, даже при «полном запирании» светового потока, часть излучения от подсветки все же «просачивается» через жидкие кристаллы, что уменьшает соотношение между самыми яркими («полностью» открытыми) пикселями и самыми темными («полностью» закрытыми). Это в конечном итоге приводит к снижению контрастности. Одним из способов решения этой проблемы стала технология, при которой ЖК-структура состоит как бы из двух слоев, каждый из которых «работает» как отдельный световой клапан, в сумме перекрывая максимальное количество света, делая «запертые» пиксели максимально «черными».
Сегодня даже у самых лучших ЖК-дисплеев это значение не достигает значения выше 1000:1 и вполне укладывается в предъявляемые к ним требования.
Пятая – увеличение разрешения ЖК-дисплея ведет к увеличению количества пикселей в три раза и, соответственно, уменьшению их размеров тоже в три раза. Для систем отображения стандартного видео достаточно иметь разрешение монитора в 720 на 576 эле- ментов. При этом надо учитывать, что каждый элемент формируется тремя субпикселями, каждый из которых отражает информацию в своем цветовом канале (R, G и B), т.е. монитор должен содержать в 3 раза большее количество управляемых ЖК-структур, со своим «пространством» и линиями управления. Надо учитывать еще и так называемые межпиксельные расстояния. Проще говоря, ЖК-структуры надо «разделять», чтобы «вещество», работающее в каждой, не сливалось в одну массу и не создавало помех друг для друга. Это количество управляемых элементов возрастает для систем отображения HD-изображений.
Для отображения HDTV-сигнала необходимо разместить на матрице уже 6.220.800 управляемых элементов (субпикселей) , а для полного отображения сигналов в формате 2К или 4К и того более. В настоящее время достигнут минимальный размер управляемой ЖК- структуры в 0,10 мм, и дальнейшее ее уменьшение не целесообразно, так как при этом, в силу технологичес- ких особенностей, уменьшается не только ее «прозрачность», т.е. количество света, которое она может через себя пропустить, но и значение контрастности. Это все в свою очередь повлияет на качество изображения и значительно увеличит стоимость. Разработчики ЖК-дисплеев пошли по более простому пути: в схемах мониторов используются процессоры, которые обрабатывают поступающий видеосигнал и «распределяют» его по доступному количеству управляемых ЖК-структур, в том числе и за счет использования метода повышающей интерполяции. Расчет сделан на то, чтобы такое преобразование не влияло на субъективное восприятие качества изображения. Поэтому для отображения изображения в формате 1920×1080 на мониторе размером в 5″ по диаго- нали совсем не обязательно иметь более 6 миллионов управляемых ЖК-структур.
Шестая – для более правильного изображения необходимо точное совмещение пикселей и слоя с точками красного, зеленого и голубого светофильтров (RGB), формирующих цветное изображение. Одним из определяющих качество изображения и правильное цветовоспроизведение факторов является точное расположение RGB-микрофильтров над соответствующими субпикселями.
В настоящее время эта задача решается использованием самых последних достижений современных технологий.
Седьмая – это задача преодоления «туннельного» эффекта, свойственного ЖК-структурам, который ограничивает угол зрения в начале существования технологии практически 90°. Каждый субпиксель имеет толщину и площадь сечения. Свет от отражающей поверхности, проходит через это сечение только под прямым углом, идентично тому как свет проходит через туннель. Разработчикам удалось решить и эту проблему. Современные ЖК-мониторы имеют достаточно широкий угол обзора, до 170°, как по горизонтали, так и по вертикали, правда, максимально пра- вильная цветопередача обеспечивается в несколько меньшем телесном угле. Восьмая проблема заключается в сильной зависимости работоспособности ЖК-структур от колебаний температуры. Современные ЖК-структуры позволяют правильно воспроизводить изображение в достаточно широком диапазоне температур. Созданы даже такие, которые не «замерзают» при температурах ниже нулевых и способны работать при достаточно высоких температурах. Например, в условиях проекционной аппаратуры.
Следует также упомянуть и о необходимости обеспечения стабильности работы ЖК-структур на протяжении всего срока эксплуатации и автоматической коррекции изображения в зависимости от температурных и других внешних факторов. Это требование относится, в основном, к профессиональным ЖК-мониторам и решается за счет дополнительных затрат на контроль компонентов, из которых изготавливаются мониторы, и дополнительную элементную архитектуру, служащую для компенсации всех возможных, влияющих на качество изображения, факторов. Есть еще проблема – постепенная деградация ЖК- структур и, как следствие, потеря контрастности и изменение цветопередачи. Правда, снова надо заметить, что и эти изменения «вписываются» в гарантийные сроки эксплуатации и их можно определить только методом инструментального контроля. Субъективно этот артефакт незаметен, и обычно им пренебрегают.
Все вышеперечисленные проблемы достаточно длительное время сдерживали использование ЖК-мониторов для целей отображения видеоинформации в профессиональном оборудовании, ограничивая область их применения цифровыми и пиктографическими дисплеями. Основной областью применения ЖК-дисплеев долго оставались компьютерные мониторы и портативные телевизоры. Уровень современных технологий производства ЖК-мониторов позволил значительно расширить этот список и возможность использования их в профессиональном видео- и кинопроиз- водстве.
Использование ЖК-мониторов для нужд кинопроизводства мало чем отличается от условий, которые предъявляются к такому же оборудованию, создаваемому для телевизионного производства, но они все же существуют, и мы попробуем их обозначить. Видеоконтрольные устройства для кино- съемок. Так называемые портативные видеоконтрольные устройства для кинокамер, это, как правило, простейшие ЖК-мониторы с размером экрана по диагонали от 5″ до 7″, работающие в замкнутом видеотракте, изображение в котором формируется встроенной в систему оптического визирования видеокамерой. Этот тракт обычно формирует композитный сигнал, который настраивается с помощью генератора цветных полос. Такая система отображения, прежде всего, является дублирующей для оптического визирования и дает только приблизительное представление об основных параметрах фиксируемого на кинопленку изображения. Главная информационная составляющая такого изображения – только в оценке композиционного решения кадра. Это же касается и использования видео- систем, и для «дистанционного визирования», когда в силу определенных технологических условий съемки (операторский кран, стедикам, роботизированные камерные головки) «прямое» оптическое визирование для оператора недоступно. В таких условиях требования к ЖК-мониторам самые примитивные и стоимость подобного оборудования самая низкая. Чаще всего в этих системах используются камеры и мониторы стандартного разрешения. Нередко для этих целей по инерции или в целях экономии применяют ч/б мониторы. Правда, в последнее время, в связи с появлением миниатюрных камер HD- форматов, появилась возможность использования их в киносъемочном процессе, что позволяет устанавливать их в тракт оптического визирования и подавать HD-сигнал не только на накамерный монитор, но и осуществлять дистанционный видеоконтроль на съемочной площадке, например режиссеру, с помощью HD-мониторов.
Видеоконтрольные устройства для цифровых съемок.
К ЖК-мониторам, использующимся с цифровыми камерами для кинопроизводства, предъявляются более строгие тре- бования, что обусловлено особенностями технологии. В первых цифровых камерах возможность отображения видеоинформации на мониторах ограничивалась использованием для записи изобра- жений с помощью некомпрессованных покадровых файловых структур типа RAW, которые было невозможно без предварительной обработки отображать на видеоконтроле. Поэтому на таких камерах визирование осуществлялось через оптическую систему с зеркальным обтюратором, как и на пленочных камерах. Контроль же за качеством изображения осуществлялся традиционным способом с помощью экспонометра. Для видеоконтроля использовались такие же системы, как и при киносъемке. В тракт оптического визирования встраивалась видеокамера, которая передавала композитный видеосигнал на накамерный ЖК-монитор. В цифровых камерах последнего поколения оптическое визирование исключено полностью или может использоваться как опция при помощи специальных дополнительных приставок. Но чаще всего визуализация осуществляется внутренней параллельной обработкой с помощью включенного в состав камеры процессора сигнала, формируемого на матрице в характерном для кинематографа цветовом пространстве с формированием прокси- файлов потокового видео HD-формата для последующей трансляции изображения на ЖК- видеоконтроль. Часто для облегчения контроля и получения более объективной информации о записываемом изображении в мониторы, использующиеся для цифровой киносъемки, включаются функции осциллографа, которые позволяют контролировать основные параметры сигнала в каналах RGB. Фактически же качество изображения и его характер определяются при последующей обработке в процессе цветокоррекции. Видеоконтрольные устройства для монтажа и цветокоррекции. Это как раз тот случай, когда необходимо максимально точно воспроизводить изображение по всем основным параметрам. К использованию в этом сегменте технологического процесса кинопроизводства допускаются только мониторы классов не ниже Broadcast high end, Hi Grade или Grade 1 (у разных производителей класс этих устройств имеет различное обозначение).
Самые строгие требования в данном сегменте аппаратуры предъявляются к стабильности основных параметров в условиях многочасовой или даже круглосуточной работы: цветовой температуры источников света, формирующих изображение; максимально доступного для технологии контраста изображения; максимально точной цветопередачи; максимально возможного угла правильного цветовоспроизведения; максимального разрешения; широкого диапазона управления основными параметрами и возможности работы со всеми доступными входными, аналоговыми и цифровыми, SD- и HD-сигналами, как в стандартной комплектации, так и с дополнительными платами. Стоимость таких мониторов может достигать нескольких тысяч долларов. В заключение хочется подчеркнуть, что никакой, даже самый дорогой монитор, не дает полной информации о качестве изображения, ни экспонируемого на кинопленку, ни записываемого в цифровой форме. Оператор, использующий в съемочном процессе монитор, в том числе и жидкокристаллический, должен отдавать себе в этом отчет и, в первую очередь, при контроле определяющих качество изображения параметров, исходя из технических характеристик пленки или цифровой камеры, опираться на данные инструментального контроля, например, с помощью экспонометра. Для ЖК-мониторов, предназначенных для эксплуатации на съемочной площадке, в том числе и на натуре, основными требованиями являются следующие параметры: возможность работы от аккумуляторного питания камеры или отдельных батарей; высокая защищенность от внешних атмосферных условий, в частности, влаги и пыли; устойчивая работа в широком диапазоне температур. Кроме того, экраны таких мониторов должны обеспечивать качественное изображение при ярком внешнем освещении. Мониторы для цифровой киносъемки, кроме уже упоминавшейся функции осциллографического контроля, должны обеспечивать возможность работы со всеми HD- и SD-сигналами, от аналогового композитного до цифровых – SDI, HD-SDI и RGB.
