Устройства отображения информации. VR-технологии. Мониторы.

    Благодаря развитию электроники существенно возросли возможности средств отображения информации. 

    Устройства отображения информации являются сложными системами, включающими элементы индикации (ЭИ) со средствами управления для ввода, хранения и преобразования информации (рис.1). Разработаны методы организации информационных полей, созданы технология, способы и аппаратные средства построения плоских экранов, обладающих хорошими эксплуатационными свойствами и высокой надежностью.

Рис. 1. Устройства отображения информации.

    Элемент индикации — это конструктивно завершенный преобразователь информационного электрического сигнала в пространственное распределение параметров излучения. По принципу светоотдачи ЭИ делятся на активные, излучающие фотоны света, и пассивные, управляющие внешним световым излучением с использованием свойств вещества. Элемент индикации определяет основные показатели качества устройств отображения: размер, разрешающую способность, яркость, контрастность, цвет.

    Состав средств отображения информации чрезвычайно многообразен. В него включены одиночные элементы индикации, алфавитно-цифровые и графические дисплеи различного назначения, формата и габаритов. В промышленной и бытовой аппаратуре широко используется множество буквенно-цифровых и графических дисплеев — от сверхминиатюрных экранов для часов и телефонных аппаратов до информационных панелей внушительных размеров. Особую группу составляют графические дисплеи ЦВМ, к параметрам которых предъявляют жесткие требования по разрешающей способности, воспроизведению широкой цветовой гаммы, быстроте реакции на изменение картинки, небольшим массогабаритным показателям и потреблению.

    Характеристики устройств отображения должны удовлетворять требованиям большого объема выводимой информации; универсальности формы отображаемой информации (текста, графиков, мнемосхем, мультимедиа); высокого быстродействия по каналам отображения, поиска и вывода информации; высокой надежности при большом сроке службы; наличия набора эргономических и экологических параметров (размера экрана, светотехнических характеристик, уровня излучений) с учетом психофизиологических свойств зрения человека — оператора, который по представленной на экране информации должен выделить объект и сформировать его модель. Для этого вызванные зрительные ощущения должны превысить некоторые пороговые уровни, зависящие от цветовых свойств объекта, контраста между его изображением и фоном, времени наблюдения и других причин. Количество факторов, определяющих зрительное восприятие, достаточно велико, что обусловило большую номенклатуру выпускаемых приборов, позволяющих получить близкий к оптимальному результат.

    Устройства отображения информации можно разделить на два типа: пассивные (мониторы) и активные (дисплеи). В первом случае информация предъявляется оператору для принятия решения, но оператор не имеет возможности изменять или исправлять информацию на экране индикатора и отсылать ее в ЭВМ. Чтобы осуществить процедуру редактирования информации оператор должен иметь устройство ввода , например, блок клавиатуры. Сам процесс редактирования осуществляется в ЭВМ.

    Дисплеи позволяют не только наблюдать отображаемую информацию, но и вести диалог с машиной, то есть редактировать информацию и отсылать ее в ЭВМ на дальнейшую обработку. Таким образом дисплей имеет собственные аппаратные и программные средства обработки информации и относится к устройствам ввода-вывода.

    По характеру отображаемой информации, устройства отображения информации делятся на алфавитно-цифровые и графические. Графические устройства позволяют формировать на экране индикатора произвольные кривые, диаграммы, схемы, чертежи, символы.

    По способу формирования изображения на экране индикатора, устройства отображения информации делятся на координатные (функциональные) и растровые. В растровых устройствах отображения информации осуществляется сканирование поля экрана индикатора лучом, движущимся по определенной траектории. Изображение формируется путем изменения яркости точек растра в соответствии с изображением. В координатных (функциональных) устройствах для построения изображения используются напряжения определенной формы, которые перемещают луч ЭЛТ по контуру отображаемого символа или графического изображения.

    Для отображения информации в мониторах и дисплеях могут применяться электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) или плоскопапельные индикаторы.

    Отдельно можно выделить устройства для создания "виртуальной реальности". Технологии виртуально реальности начали активно развиваться более 20 лет назад. Так, родоначальником VR можно назвать изобретение кинематографа, а самым последним представителем — появление шлемов и очков виртуальной реальности.

    Виртуальная реальность (VR) — это подобие окружающего мира, которое проецируется в сознание человека искусственно, при помощи высокотехнологичных устройств. Ее главная цель максимально точно передать реальные ощущения в виртуальное пространство при помощи аудио-визуальных и кинетических средств.

    VR (англ. virtual reality — Виртуальная реальность ) — устройства предполагают синтез видеозвуковых устройств, адаптированных для вопроспроизведения контента и приложений с максимальным эффектом естественности и реальности, относительно бионатуры человека. В отличие от устройств “дополненной реальности”, надев очки или шлем “виртуальной реальности”, человек полностью погружается в виртуальный мир. Он не может зрительно взаимодействовать с окружающей его реальностью и видеть, что происходит вокруг. Именно поэтому во время их использования рекомендуется находиться в положении сидя. Во избежание потери ориентации в пространстве. Для достижения полного эффекта погружения, вместе с VR шлемом рекомендуется использовать стерео наушники. 

    На данный момент можно выделить два основных типа устройств для погружения в виртуальную реальность:

- очки для использования со смартфоном;

- очки/шлемы, которые подключаются к компьютеру.

    Все они имеют свои особенности, достоинства и преимущества.

    Сегодня, благодаря достижениям в области науки, создание специальных VR устройств кажется вполне реальным. При этом основные рыночные показатели демонстрируют готовность потребителя приобрести подобные девайсы. Что в свою очередь положительно сказывается на их цене.

    Спрос рождает предложение. Именно поэтому для развития технологий виртуальной реальности играет большую роль их популярность в массах и доступность контента, который бы выпускался для этих устройств.

    Ключевые сферы использования этих технологий в ближайшем будущем: видеоигры, реальные события, VR-парки, здравоохранение, недвижимость, образование и вооруженные силы. В ближайшие годы VR/AR-проекты будут становиться более сложными, интересными и полезными. С развитием технологий устройства, способные поддерживать дополненную и виртуальную реальности, будут мощнее и смогут транслировать более качественные изображения. В промышленности VR и AR все чаще будут помогать контролировать качество процессов и готовой продукции, в ретейле — привлекать покупателей новым функционалом, автомобили также будут оснащать AR-технологиями.

Мониторы.

    Монитор — устройство, предназначенное для воспроизведения видеосигнала и визуального отображения информации, полученной от компьютера.

    Разрешение — величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения) на единицу площади (или единицу длины). Более высокое разрешение (больше элементов) обычно обеспечивает более точные представления оригинала изображения.

    Ранние электронные компьютеры были оснащены панелью лампочек, где состояние каждой определённой лампочки указывало на состояние включения / выключения определенного регистрационного бита внутри компьютера. Это позволило инженерам, управляющим компьютером, контролировать (to monitor - выполнять мониторинг, мониторить) внутреннее состояние машины, поэтому эта панель индикаторов стала известна как «монитор».

Виды мониторов.

    Принципиальное отличие монитора от телевизора заключается в отсутствии встроенного тюнера, предназначенного для приёма высокочастотных сигналов эфирного (наземного) телевещания. Кроме того, в большинстве мониторов отсутствует звуковоспроизводящий тракт и громкоговорители.

    Классификация мониторов приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Классификация мониторов.

    Современный монитор состоит из экрана (дисплея), блока питания, плат управления и корпуса. Информация для отображения на мониторе поступает с электронного устройства, формирующего видеосигнал (в компьютере — видеокарта или графическое ядро процессора).

    В качестве монитора может применяться также телевизор.

Монитор на основе электронно-лучевой трубки (CRT - Cathode Ray Tube).

    Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить “электронно-лучевая трубка” (ЭЛТ). Развитие этой технологии, применительно к созданию мониторов, за последние годы привело к производству все больших по размеру экранов с высоким качеством и при низкой стоимости.

Рис. 3. Строение ЭЛТ-монитора.

    На конец эпохи CRT-мониторов (2003-2007г.г.) наиболее распространенными являлись 17″ мониторы, и наблюдалась явная тенденция в сторону 19″ экранов.

    CRT- или ЭЛТ-монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой вакуум, т.е. весь воздух удален (рис.3). С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов – иттрия, эрбия и т.п. Люминофор – это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами.

    Для создания изображения в CRT-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. В цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся и мало кому интересны.

    Наши глаза реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов.

Принцип действия ЖК-монитора.

Рис. 4. Жидкокристаллический дисплей с активной матрицей.

    Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны.

    В отсутствие напряжения кристаллы выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит практически без потерь.

Рис. 5. Принцип работы жидкокристаллического дисплея.

    Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение.

    При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

    Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. 

    Принцип работы такого монитора показан на рисунке 5.