Peter Koen "The Brain" 8.C Rg 1996/97

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1 Peter Koen "The Brain" 8.C Rg 1996/97 Die interaktive Computergraphik braucht Sichtgeräte (Displays), deren Bilder schnell geändert werden können. Bei nichtpermanenten Displays kann das Bild verändert werden, so daß die dynamische Bewegung von Bildteilen möglich ist. Die CRT ist das am weitesten verbreitete Sichtgerät und wird diese Rolle auch noch für einige zeit behalten. Es sind jedoch auch solid-state-verfahren in Entwicklung, die die Vorherrschaft der CRTs langfristig vermindern werden. Die monochromen CRTs, die in Graphikdisplays zum Einsatz kommen, sind im wesentlichen die gleichen wie jene in einem schwarz/weiß - Fernseher: Die Elektronenröhre sendet laufend Elektronen aus, die zum phosphorbeschichteten Bildschirm hin beschleunigt werden. Die Beschleunigung wird durch eine hohe positive Spannung erzeugt, die an der Oberfläche des Bildschirms anliegt. Auf dem Weg zum Bildschirm werden die Elektronen durch den Fokussiermechanismus zu einem schmalen Strahl gebündelt. Das von den Ablenkspulen erzeugte Magnetfeld richtet sie auf einen bestimmten Punkt am Bildschirm. Treffen die Elektronen auf den Bildschirm, sendet der Phosphor sichtbares Licht aus. Da das vom Phosphor abgestrahlte Licht exponentiell mit der Zeit abnimmt, muß das ganze Bild mehrmals pro Sekunde neu gezeichnet werden (refresh), damit der Betrachter ein konstantes, mehr oder weniger flimmerfreies Bild wahrnimmt. Bei rasterorientierten Displays ist die Bildwiederholrate unabhängig von der Komplexität des Bildes. Bei vektororientierten Systemen hängt sie dagegen direkt mit der Komplexität des Bildes zusammen (Anzahl der Linien, Punkte und Schriftzeichen): je komplexer das Bild, umso länger dauert ein einzelner Wiederholzyklus und umso geringer ist die Bildwiederholrate. Der Elektronenstrahl aus der beheizten Kathode wird durch eine hohe Spannung zum Phosphor hin beschleunigt, typischerweise Volt. Von dieser Spannung hängt die Geschwindigkeit ab, mit der die Elektronen auf den Phosphor treffen. Die Spannung am Steuerungsgitter regelt, wieviel Elektronen der Strahl tatsächlich enthält. Je negativer die Spannung am Steuerungsgitter ist, desto weniger Elektronen können das Gitter passieren. Dadurch läßt sich die Intensität des Strahls regeln, da das vom Phosphor abgegebene Licht mit der Anzahl der Elektronen im Strahl zunimmt. Das Fokussiersystem bündelt den Elektronenstrahl, damit der Strahl zu einem kleinen Punkt konvergiert, wenn er auf die Phosphorschicht trifft. Es genügt nicht, daß sich die Elektronen im Strahl parallel zueinander bewegen: aufgrund der Abstoßung der Elektronen würden sie divergieren. Um dieser Divergenz entgegenzuwirken, muß das Fokussiersystem sie konvergieren lassen. Mit Ausnahme dieser Neigung zur Divergenz verläuft die Bündelung eines Elektronenstrahls analog zur Bündelung des Lichtstrahls. Wenn der Elektronenstrahl auf den phosphorbeschichteten Bildschirm trifft, ist die kinetische Energie der Elektronen proportional zur 1

2 Beschleunigungsspannung. Ein Teil dieser Energie wird als Wärme abgegeben, der Rest wird jedoch auf die Elektronen der Phosphoratome übertragen, wodurch diese in energiereichere Quantenstufen springen. Diese angeregten Elektronen geben ihre überschüssige Energie als Licht ab, wenn sie in die früheren Quantenstufen zurückkehren. Die Quantentheorie sagt die Frequenz ( und somit die Farben ) dieses Lichtes vorher. Für jeden Phosphor gibt es mehrere verschiedene Quantensprünge zu einem nicht angeregten Zustand. Außerdem sind die Elektronen auf manchen Stufen instabiler und kehren schneller zu einem nicht angeregten Zustand zurück als andere. Die Fluoreszenz eines Phosphors ist das Licht, das er abgibt, wenn diese sehr instabilen Elektronen beim Eintreffen von Elektronen ihre überschüssige Energie verlieren. Phosphoreszenz ist das Licht, das abgegeben wird, wenn die relativ stabilen angeregten Elektronen in den nicht angeregten Zustand zurückkehren, sobald die Anregung durch den Elektronenstrahl aussetzt. Ein typischer Phosphor gibt einen Großteil des Lichtes durch Phophoreszenz ab, da die Anregung und damit die Fluoreszenz gewöhnlich nur für den Bruchteil einer Mikrosekunde anhalten. Die Persistenz eines Phosphors ist als die Zeit definiert, die vom Ende der Anregung bis zu dem Moment vergeht, in dem die Phosphoreszenz auf zehn Prozent des ursprünglich ausgesandten Lichts abgenommen hat. Die Persistenz erreicht bei verschiedenen Phosphoren viele Sekunden, bei den meisten in graphischen Geräten benutzten Phosphoren beträgt sie jedoch gewöhnlich zehn bis sechzig Mikrosekunden. Die Aussendung von Licht nimmt exponentiell mit der Zeit ab. Die Wiederholrate einer CRTs gibt an, wie oft das Bild pro Sekunde neu gezeichnet wird. Bei Rasterdisplays beträgt die Frequenz der Bildwiederholrate mindestens 60 fps. Bei geringerer Bildwiederholrate flimmert das Bild, da das Auge die einzelnen Lichtimpulse eines Pixels nicht mehr zu einem kontinuierlichen Bild verschmelzen kann. Die Bildwiederholrate, ab der ein Bild nicht mehr flimmert, sondern zu einem kontinuierlichen Bild verschmilzt, heißt Verschmelzungsfrequenz (critical fusion frequency, CFF). Diese Verschmelzung ist uns allen vertraut: sie findet immer dann statt, wenn wir in Fernsehen oder Kino Filme sehen. Ein flimmerfreies Bild erscheint dem Betrachter konstant, obwohl jeder einzelne Punkt in Wirklichkeit viel länger aus- als eingeschaltet ist. Die CFF hängt von der Persistenz des Phosphors ab: je größer die Persistenz, desto geringer ist die CFF. Zwischen der Verschmelzungsfrequenz und der Persistenz herrscht ein nicht linearer Zusammenhang: Bei verdoppelter Persistenz wird die CFF nicht halbiert. Erreicht die Persistenz Werte von mehreren Sekunden, so wird die Verschmelzungsfrequenz ziemlich gering. Im anderen Extrem kann sogar ein Phosphor benutzt werden, der überhaupt keine Persistenz hat. Das Auge muß nur für kurze zeit etwas Licht sehen, das mit einer Frequenz über der CFF wiederholt wird. Die Horizontalfrequenz gibt die Anzahl der Rasterzeilen an, die die Schaltung zur Steuerung des CRTs pro Sekunde anzeigen kann. Diese Frequenz entspricht ungefähr dem Produkt aus Bildwiederholrate und Anzahl der Rasterzeilen. Bei einer festen Horizontalfrequenz erzwingt eine höhere Bildwiederholrate eine geringere Anzahl von Rasterzeilen. Die Bandbreite eines Monitors hängt mit der Geschwindigkeit zusammen, mit der die Elektronenröhre an- und ausgeschaltet werden kann. Um eine horizontale Auflösung von n Pixeln pro Rasterzeile zu erreichen, muß es möglich sein, die Elektronenröhre in einer Zeile mindestens n/2 mal an- und n/2 mal auszuschalten, damit abwechselnd schwarze und weiße Linien erzeugt werden können. Wir wollen einen Rasterbildschirm mit 1000 x 1000 Pixeln betrachten, die mit einer Bildwiederholrate von 60Hz angezeigt werden. Eine einfache Rechnung ergibt für die Zeit, die zur Darstellung eines Pixels benötigt wird, den Kehrwert von (1000 Pixel/Zeile x 1000 Zeilen/Bild x 60 Bilder/Sekunde), also ca. 17 Nanosekunden. Da jedoch bei jedem horizontalen und Vertikalen Bildwiederholzyklus noch zusätzlich Zeit benötigt wird, wird jedes Pixel in ca. 11 Nanosekunden gezeichnet. Die Dauer für einen an/aus - Zyklus beträgt daher 22 Nanosekunden. Dies entspricht einer Frequenz 44 MHz. Diese Frequenz ist die minimale Bandbreite, die für eine Auflösung von 1000 Linien (oder 500 Linienpaaren) nötig ist. Da wir Auswirkungen der Punktgröße ignoriert haben, entspricht dieser Wert jedoch nicht der tatsächlichen Bandbreite. Die Punktgröße ungleich Null muß durch eine höhere Bandbreite ausgeglichen werden. Dadurch wird der Strahl häufiger an- und ausgeschaltet, die Pixel bekommen schärfere Kanten. Bei einem Monitor der Auflösung 1280 x 1024 Pixel ist eine Bandbreite von 100 MHz nicht ungewöhnlich. Farbfernseher und farbige Rasterdisplays benutzen eine Lochplatten - CRT. Dabei wird die Innenseite der Darstellungsfläche des Bildschirms durch nahe beieinander liegende Gruppen roter, grüner und blauer Phosphorpunkte bedeckt. Diese Punktgruppen sind so klein, daß der Betrachter das von den einzelnen Punkten abgestrahlte Licht als Mischung der drei Farben wahrnimmt. Daher kann jede Gruppe viele verschiedene Farben erzeugen, abhängig davon, wie stark jeder einzelne Phosphorpunkt angeregt wird. Die Lochplatte (shadow mask) ist eine dünne Metallplatte, die mit vielen kleinen Löchern perforiert ist. Sie wird nahe an der Darstellungsfläche des Bildschirms montiert und sorgfältig so ausgerichtet, daß jeder der drei Elektronenstrahlen (je einer für rot, grün und blau) nur einen Phosphorpunkt treffen kann. So können die Punkte getrennt angeregt werden. 2

3 Die Abbildung zeigt einen der gebräuchlichsten Typen eines Lochplatten - CRTs, das Delta - Delta - CRT. Die Phosphorpunkte werden ebenso wie die drei Elektronenröhren in Dreiecksform (Triaden) angeordnet. Die Röhren werden zusammen abgelenkt und auf den gleichen Punkt auf der Darstellungsfläche gerichtet (konvergiert). Die Lochplatte enthält für jede Triade ein kleines Loch. Die Löcher sind sowohl auf die Triaden als auch auf die Elektronenröhren exakt ausgerichtet. Jeder Punkt der Triade ist daher nur auf Elektronen einer einzigen Röhre ausgerichtet. Es ist ziemlich schwierig, bei einem hochpräzisen Delta - Delta - CRT die Ausrichtung beizubehalten. Das precision in-line delta CRT ist eine alternative Anordnung, bei der Konvergenz und Herstellung einfacher sind. Für hochpräzise Monitore (1000 Rasterzeilen) ist es zur Zeit das beste Verfahren. Da die Delta - Delta - CRT jedoch höhere Auflösungen bietet, wird es wahrscheinlich für das hochauflösende Fersehen (high - definiton television, HDTV) wieder die vorherrschende Technik werden. Die Farb-CRT mit Flachbildschirm (flat-panel color CRT) ist noch in der Entwicklung, wird aber wahrscheinlich bald kommerziellen Status erreichen. Die Elektronenstrahlen bewegen sich dabei parallel zur Darstellungsfläche und werden um 90 gedreht, um auf die Oberfläche zu treffen. Im Gegensatz zu einfarbigen CRTs wird die Auflösung bei Farb - CRTs durch die Lochplatte und die Triaden begrenzt. Die Mittelpunkte der Triaden haben bei sehr hoch Auflösenden Bildröhren einen Abstand von 0,21 Millimetern. Beider Bildröhre eines normalen Fernsehers beträgt der Abstand ca. 0,6 Millimeter (dieser Abstand wird auch pitch genannt). Da ein fein gebündelter Strahl nicht unbedingt auf den Mittelpunkt eines Lochs treffen muß, muß der Durchmesser des Strahls ungefähr 7/4 des pitch-wertes betragen. Der Durchmesser ist dabei als der Wert definiert, bei dem die Intensität 50% des Maximums beträgt. Beträgt der pitch-abstand 0,01 Zoll (0,25 Millimeter), so hat der Strahl einen Durchmesser von etwa 0,018 Zoll (0,45 Millimeter) und die Auflösung beträgt maximal 1/0,018 = 55 Linien pro Zoll. Ein Bildschirm mit 0,25 Millimeter pitch und einem Durchmesser von 19 Zoll ist etwa 15,5 Zoll breit und 11,6 Zoll hoch. Die mögliche Auflösung beträgt daher nur 15,5*55=850 mal 11,6*55=638. Dieser Wert steht einer typischen Adressierbarkeit von 1280*1024 oder 1024*768 gegenüber. Es ist allerdings günstig, wenn die Auflösung etwas geringer ist als die Adressierbarkeit (z.b: Verhältnis: Punktgröße - Punktabstand). Die meisten hochwertigen Lochplatten - CRTs haben eine Diagonale von 15 bis 21 Zoll. Durch die geringfügig gekrümmte Vorderseite entstehen dabei optische Verzerrungen. Es werden zunehmend CRT-Typen mit flacher Oberfläche angeboten. Ein Flüssigkristallbildschirm (liquid crystal display; LCD) besteht aus sechs Schichten. Die vorderste Schicht polarisiert vertikal. Darauf folgt eine Schicht mit dünnen Gitterdrähten, die elektrisch auf der an die Kristalle angrenzenden Oberfläche aufgebracht werden. Jetzt kommt eine dünne Flüssigkristallschicht (ca. 0,01 Millimeter), dann eine Schicht mit horizontalen Gitterdrähten nahe den kristallen, eine horizontal polarisierende Schicht und schließlich ein Reflektor. Die Flüssigkristallsubstanz besteht aus langen kristallinen Molekülen. Die einzelnen Moleküle sind normalerweise spiralförmig angeordnet, so daß die Polarisierungsrichtung für hindurchgehendes polarisiertes Licht um 90 gedreht wird. Licht, das durch die vorderste Schicht dringt, wird vertikal polarisiert. Tritt das Licht durch die Flüssigkristallschicht, ändert sich die Polarisierungsrichtung um 90 auf horizontal. Das Licht passiert nun die hintere horizontal polarisierende Schicht, wird reflektiert und kehrt durch die beiden polarisierenden Schichten und die Kristallschicht zurück. Befinden sich die Kristalle in einem elektrischen Feld, sind sie alle in der gleichen Richtung ausgerichtet und haben daher keinen polarisierenden Effekt. Kristalle im elektrischen Feld ändern also die Polarisierung des hindurchgehenden Lichts nicht. Das Licht bleibt vertikal polarisiert und kann 3

4 die hintere polarisierende Schicht nicht passieren: Das Licht wird absorbiert, der Betrachter sieht einen dunklen Punkt am Bildschirm. Bei einem LCD-Bildschirm mit Aktivmatrix (active matrix LCD panel) befindet sich in jedem Gitterpunkt ein Transistor. Mit dem Transistor läßt sich der Zustand der Kristalle sehr schnell ändern und es läßt sich auch steuern, wie weit sich der Zustand der Kristalle ändert. Diese beiden Eigenschaften erlauben den Einsatz von LCDs in Mini- Fersehern mit kontinuierlichen Graustufen. Für Farbbildschirme können die Kristalle auch eingefärbt werden. Am wichtigsten ist, daß der Transistor als Speicher für den Zustand einer Zelle fungieren kann. Er hält die Zelle so lange in diesem Zustand, bis er geändert wird. Der vom Transistor bereitgestellte Speicher erlaubt einer Zelle ständig anzubleiben. Sie ist daher heller, als wenn sie periodisch aufgefrischt werden müßte. Es gibt bereits farbige LCD- Schirme mit einer Auflösung von bis zu 800*1000 bei einer Bildschirmdiagonale von 14 Zoll. Die Vorteile von LCDs sind niedriger preis, geringes Gewicht, geringe Größe und niedriger Stromverbrauch. Der Hauptnachteil bestand in der Vergangenheit darin, daß die passiven LCDs nur einfallendes Licht reflektieren und selbst kein Licht erzeugen (was man jedoch durch Hintergrundbeleuchtung verbessern kann): Fällt grelles Licht ein, so verblaßt das Bild. In den vergangenen Jahren haben aktive Panels dieses Problem überwunden. Laptop-Computer mit Farbbildschirmen, die es erst seit kurzem gibt, benutzen sowohl aktive als auch passive LCD-Technik. Da LCDs klein und leicht sind, kommen sie auch im Datenhelm zum Einsatz, den ich hier nicht näher behandeln möchte, da er nicht zur Standardausrüstung eines PCs gehört. Elektrolumineszenz-Displays (EL) bestehen aus der gleichen Gitterstruktur, die auch in LCD- und Plasmaschirmen benutzt wird. Zwischen Vorder- und Rückseite befindet sich eine dünne Schicht (500 Nanometer) eines elektrolumineszenten Materials, etwa mit Mangan präpariertes Zinksulfid. Dieses strahlt in einem hohen elektromagnetischen Feld (ca. 106 Volt pro Zentimeter) Licht ab. Auch hier wird ein Punkt am Bildschirm mittels Matrix-Adressierung eingeschaltet: an den horizontalen und vertikalen Gitterdrähten werden mehrere hundert Volt angelegt. Es gibt auch farbfähige Elektroluminiszenz-Displays. Diese Displays sind hell, können schnell an- und ausgeschaltet werden und Transistoren an jedem Pixel speichern das Bild. Die typischen Größen reichen von 6*8 Zoll bis zu 12*16 Zoll, wobei 70 Punkte pro Zoll angesprochen werden können. Die Displays haben den Hauptnachteil, daß sie mehr Strom verbrauchen als LCDs. Aufgrund ihrer Helligkeit werden sie jedoch in manchen tragbaren Computern eingesetzt. Die meisten großformatigen Bildschirme benutzen eine Form des Projektions-CRTs. Dabei wird das Licht eines kleinen (wenige Zoll Durchmesser), aber sehr hellen monochromen CRTs durch einen gekrümmten Spiegel vergrößert und projiziert. Farbsysteme benutzen drei Projektoren mit roten, grünen und blauen Filtern. Das licht eines Lochmasken-CRTs reicht zur Projektion auf einen großen Bildschirm (Durchmesser >2 Meter) nicht aus. Bei sehr großen Bildschirmen, wo auch das Licht eines Projektions-CRTs nicht genügt, kommt das light-valve- Projektionssystem von General Electric zum Einsatz. Wie der Name schon sagt, steuert ein Lichtventil, wieviel Licht hindurchgeht. Die Lichtquelle kann eine viel höhere Intensität haben als beim CRT. Bei der gebräuchlichsten Anordnung erzeugt eine Elektronenröhre ein Bild auf einen dünnen Ölfilm, der auf einer Glasplatte aufgebracht ist. Die Ladung der Elektronen bewirkt, daß sich die Dicke des Ölfilms ändert. Das Licht aus der starken Lichtquelle wird auf das Glas gerichtet und wegen der unterschiedlichen dicke des Ölfilms in verschiedene Richtungen gebrochen. Eine spezielle Optik projiziert das Licht, das in bestimmte Richtungen abgelenkt wird, auf den Bildschirm. In andere Richtungen abgelenktes Licht wird nicht projiziert. Bei solchen Systemen ist auch Farbe möglich, indem man mit drei Projektoren arbeitet. In der folgenden Tabelle werden die Eigenschaften der drei wichtigsten Bildschirmtechniken zusammengefaßt. Wegen der Geschwindigkeit des technischen Fortschritts können sich in den nächsten Jahren einige Bewertungen ändern. Beachten Sie außerdem, daß sich die vergleiche für Flüssigkristallbildschirme auf passive Adressierung beziehen. Bei aktiver Matrix-Adressierung sind Graustufen und Farben möglich. Eigenschaft Elektronenstrahlröhre Elektrolumineszenz Flüssigkristall Stromverbrauch Bildschirmgröße Tiefe Gewicht Robustheit Helligkeit Adressierbarkeit Kontrast Intensitätsstufen pro Punkt Betrachtungswinkel Farbfähigkeit Relativer Preis : ausgezeichnet 2: gut 3: mittel 4: schlecht 4

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