Ж.з.И. • #7/2004

Константин БЫСТРУШКИН, Лариса СТЕПАНЕНКО

ПЛАЗМЕННАЯ МАТЕМАТИКА

ЦЕНЫ НА PDP И LCD-ТЕЛЕВИЗОРЫ ВСЕ ЕЩЕ ВЫСОКИ, НО ИХ СНИЖЕНИЕ УЖЕ НАЧАЛОСЬ, А ОБЪЕМЫ ПРОДАЖ ЕЖЕГОДНО УДВАИВАЮТСЯ. ПРИ ЭТОМ КАЖДОЕ НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ПАНЕЛЕЙ ПОКАЗЫВАЕТ НАМНОГО ЛУЧШЕ ПРЕДШЕСТВЕННИЦ. ЕСТЬ ЛИ ЕЩЕ РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА, И ГДЕ ИХ ИСКАТЬ?

О ТОМ, КАК СОВЕРШЕНСТВУЮТся технологии производства самих видеомодулей со схемами управления ячейками, мы уже неоднократно рассказывали*. Похоже, их конструкция и технология изготовления отработаны почти до совершенства, и поэтому в ближайшее время ожидать здесь каких-либо революционных прорывов не приходится. И тем не менее, качество изображения PDP и LCD-панелей еще очень далеко от идеала. Кстати, вы никогда не задумывались, почему дисплеи разных брэндов показывают по-разному, притом что в них используются одни и те же видеомодули, как правило, Fujitsu или Pioneer**? Наши эксперты, тестировавшие плазму, были просто поражены, насколько велика может быть эта разница. Ответ прост: все дело в алгоритмах цифровой обработки сигналов и самих видеопроцессорах, которые применяются в тракте телевизора. Поскольку в этой сфере пределы совершенства поистине безграничны, на современном этапе эволюции плоских экранов последнее слово в конкурентной борьбе все чаще остается за электроникой.

* См. «Плазменный привет» и «Текучесть кадров» в №5 и №11 за 2002 г.

** Очень много панелей другим производителям поставляла NEC, но теперь эта марка принадлежит Pioneer. Собственную «плазму имеют также LG, Panasonic и Samsung.

ПОДЖЕЧЬ БЫСТРО

Чтобы не углубляться в технические дебри, давайте сегодня остановимся лишь на тех светотехнических характеристиках плазмы и LCD, недостатки которых сравнительно легко можно устранить в видеотракте. Итак, классические плазменные панели (то есть простые модули без цифровой предобработки сигналов) обеспечивают превосходную контрастность в слабо освещенных помещениях, однако их картинка начинает быстро «линять» по мере повышения внешней засветки. Жидкие кристаллы, напротив, сильны контрастом в залитом светом помещении, но начинают сдавать позиции с уменьшением освещенности. Отсюда вроде бы следует простое правило: хочешь смотреть кино в затемненном зале — выбирай плазму. А смотреть телепередачи днем лучше на ЖК-экране.

Однако эти простые и логичные, на первый взгляд, рекомендации, уже безнадежно устарели, т.к. разница в характеристиках современных PDP и LCD-панелей стремительно уменьшается. И во многом — за счет применения более совершенных алгоритмов обработки и быстродействующих специализированных процессоров.

Например, чтобы радикально улучшить изображение PDP, нужно перейти от повсеместно используемого сейчас 8-битового представления видеосигнала по крайней мере к 10-битовому. Это означает, что схеме управления видеомодулем требуется сформировать 1024 градаций яркости вместо теперешних 256. Поскольку получаемый в результате этого прирост качества картинки очевиден, 10-битовая технология начинает все шире использоваться в новейших видеопроцессорах. В частности, в телевизорах Sony (Wega Engine), Philips (Pixel Plus 2) и Samsung (DNIeЄ 3).

80-дюймовый плазменный телевизор Samsung с разрешением 1920 х 1080 пикселей. Цифровая платформа DNIe3 обеспечивает яркость 1000 кд/м² и контрастность 2000:1.

В кинескопных телевизорах отображение 10-битового видеосигнала особых трудностей не вызывает, так как у них яркость экрана напрямую связана с амплитудой модуляции электронного луча. А вот в плазме, где управление осуществляется бинарным изменением состояния ячеек (светит/не светит), существуют жесткие физические ограничения на количество градаций. Наименьшее значение яркости младшего разряда цифрового видеосигнала лимитируется минимальным временем активации и гашения электрического разряда в элементарной ячейке (пикселе) экрана.

Решить эту задачу даже при современном уровне технологий оказалось очень непросто, поэтому не случайно 10-битовые плазменные панели появились только в конце прошлого года. Давайте на примере моделей PDP Pioneer 4-го поколения (классификация самой фирмы) рассмотрим, во что выливается решение этой нетривиальной технической проблемы.

Как известно, формирование изображения на экране PDP происходит с помощью субполей, количество которых пропорционально разрядности представления видеосигнала. При этом время свечения субполя старшего разряда вдвое превышает длительность свечения младшего. Иными словами, чем больше номер разряда, тем дольше светится соответствующее поле, и наоборот. Поскольку длительность старшего разряда определяется частотой кадровой развертки, которую увеличить нельзя, остается один путь — при повышении разрядности видеосигнала любыми способами добиться меньшего времени включения/выключения ячеек. В традиционной PDP управление свечением пикселя осуществляется последовательной коммутацией кадровых и строчных электродов с выдачей «персональной» команды на включение каждой ячейки. При этом, что очень важно, субполе поджигается лишь после того, как будут опрошены все пиксели экрана. Понятно, что для этого требуется время. В новом методе Pioneer, реализованном на основе мощного сигнального процессора LSI (СверхБольшая Интегральная Схема — СБИС), в каждом такте сканирования активизируется сразу целая строка, при этом управление свечением элементов строки осуществляется последовательной коммутацией только кадровых (адресных) электродов, что резко уменьшает время записи управляющих сигналов во все ячейки экрана. Еще одной новацией 4-го поколения плазмы можно считать коммутацию ячеек сигналом с малой амплитудой. Правда, для этого приходится в каждой ячейке (!) дополнительно усиливать поступающий на нее сигнал. Зато скорость коммутации возрастает как минимум вдвое, так как сокращается время заряда входной емкости схемы управления. Специалисты Pioneer назвали эту технологию LVDS (Low Voltage Differential Signaling), а метод управления панелью — Super Clear Drive. Благодаря этим ухищрениям новейшие плазменные панели Pioneer обеспечивают реальное 10-битовое представление картинки. При подаче на вход компонентного сигнала RGB с 1024 градациями яркости каждого цвета обеспечивается реальное воспроизведение 1,07 млрд цветовых оттенков. Соответственно, улучшаются не только яркость и контрастность, но и цветопередача. Кстати, применение в последних моделях Pioneer процессора с вдвое большей, чем ранее, вычислительной мощностью, позволило попутно повысить частоту кадров в режиме прогрессивной развертки до 72 Гц. Теперь кинофильмы отображаются максимально корректно, ведь частота кадровой развертки равна утроенной частоте смены кадров на кинопленке (24 Гц).

Телевизор Pioneer PDP-504HD с системой Pure Drive Circuit. Один из немногих с реальным 10-битовым представлением видеосигнала.

Чтобы понять, насколько это важно, вспомним: для системы NTSC с кадровой разверткой 60 Гц для демонстрации фильмов, записанных на DVD, при переходе к progressive scan приходится выполнять дополнительное преобразование «2 в 3», или «пулл-даун». При этом часть полукадров с одного кадра кинопленки воспроизводится дважды, а часть — трижды: (24 х 2 = 48 полукадров) + (24 х 3 = 72 полукадра) = 120 полукадров (60 кадров /с)

Иными словами, каждые два кинокадра приходится синхронизировать с пятью полукадрами, отображаемыми на дисплее. Несмотря на то, что встроенные в современные DVD-проигрыватели преобразователи «2 в 3» работают весьма эффективно, радикальным способом справиться со «скоростной» проблемой было бы использование в прогрессивном дисплее частоты кадров, кратной 24 Гц. В новейших PDP эта задача уже решена путем автоматического перевода схемы сканирования с 60 Гц на 72 Гц при демонстрации кинофильмов. Команда на переключение вырабатывается собственным цифровым процессором на основе анализа содержания соседних кадров. Ожидается, что аналогичные PDP с частотой прогрессивной развертки 72 Гц в ближайшее время будут показаны и другими изготовителями плазмы.

Попутно заметим, что при показе фильмов, записанных в PAL, с частотой кадров 50 Гц, проблема синхронизации развертки решается простым увеличением скорости показа киноленты до 25 кадров в секунду. Возникающие при этом временные искажения практически незаметны для зрителя.

КОЛИЧЕСТВО И КАЧЕСТВО

Однако одного лишь увеличения скорости разрядов и повышения частоты сканирования до 72 Гц оказывается недостаточным, чтобы радикально улучшить изображение на плазменном экране. Потому что помимо решения перечисленных выше задач, сигнальный процессор должен также скорректировать такой недостаток PDP, как худшее, по сравнению с другими типами дисплеев, воспроизведение градаций серого на темных участках изображения. Этого можно достичь разными способами. Например, при методе Super Clear Drive шаг квантования видеосигналов очень мал: динамический диапазон делится по амплитуде с частотой, эквивалентной 32000 уровням серого! Далее, в зависимости от вида сюжета (темный или светлый кадр) производится адаптивная обработка сигнала так, чтобы наилучшим образом вписать его в яркостную характеристику PDP-модуля. Существуют и другие алгоритмы предобработки видеосигнала для адаптации картинки к особенностям человеческого зрения. Так, процессор PEAKS, созданный инженерами Matsushita, увеличивает число отсчетов квантования на сером и уменьшает их на светлых участках изображения. Смысл подобной процедуры в том, что на глаз изменение яркости темных участков гораздо заметнее, чем светлых. При такой проработке темных сцен качество картинки субъективно получается выше. Аналогично работает процессор Dynamic contrast, являющийся составной частью технологии Pixel plus 2 фирмы Philips. Он производит позитивную гамма-коррекцию видеосигнала на серых и негативную — на светлых участках изображения.

Рис. 1. Преимущество развертки 72 Гц Progressive по сравнению с другими способами получения прогрессивного растра при показе кинофильмов в системе NTSC.

Помимо управления динамическим диапазоном яркости, большое значение для субъективного восприятия изображения на плоских панелях имеет коррекция погрешностей воспроизведении цвета. В качестве примера практической реализации подобного корректора можно привести алгоритм MCC (My Color Control), входящий в систему Digital Natural Image technology, или DNLe3, предложенный специалистами Samsung. Он позволяет осуществлять независимую подстройку цветовоспроизведения (изменять цветовую температуру и цветовой тон) в нескольких спектральных полосах: в области «телесного цвета», в области «цвета неба» и в области «цвета травы». Это делает возможным не только точно подогнать цветовую гамму изображения под личные вкусы зрителя, но даже в некоторых пределах скорректировать погрешности его цветового зрения.

Применение принципиально новых алгоритмов компенсации погрешностей позволяет PDP не только повысить качество картинки, но и увеличивать диагональ панелей. Не так давно Samsung создал 80-дюймовую (пока самую большую в мире) панель, в которой за качество изображения отвечает цифровая платформа DNLe3 3-го поколения.

В современных плазменных телевизорах новый принцип управления дисплеем сочетается с цифровой предобработкой видеосигнала. При этом схема разделяется на две функционально и конструктивно законченные части — собственно видеомодуль и блок предварительной обработки сигнала. Последняя включает в себя коммутацию входных цифровых и аналоговых сигналов (с преобразованием последних в цифру с помощью АЦП), разделение яркости и цветности композитных сигналов в цифровом виде, а также дополнительную обработку. Например, преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную, вычисление дополнительных пикселей для повышения четкости, цифровое шумоподавление и многое другое. Вот наглядный пример — на «CEBIT-2004» компания LG показала 76-дюймовую плазму разрешением 1920 х 1080 пикселей с процессором XD Engine. Он выполняет шесть сложных операций: Real Cinema (пулл-даун), Pixel Works (повышение разрешения аналогового сигнала до HDTV), Super Detailer (адаптивное управление яркостью и контрастностью), Noise Buster (подавление шумов), True Color (цветовой эквалайзер) и Base Coordinator (автоматическая установка оптимальных параметров). Главной тенденцией построения блоков обработки видеосигнала является тотальный переход на цифру, тогда как ранее в PDP использовался смешанный принцип с двукратным преобразованием A-D-A.

Рис. 2. Принцип Super Clear Drive дает 32000 градаций серого цвета.

Дело в том, что в традиционных PDP при конвертировании чересстрочной развертки аналогового видеосигнала в прогрессивную он предварительно преобразовывается в цифровую форму. А после преобразования уже прогрессивный цифровой сигнал переводился снова обратно в аналоговый и поступал на схему аналогового же цветового декодера, на выходе которого вновь преобразовывался в цифру. Абсурд! Ясно, что качества картинке это уж точно не добавляло. Но понятно и другое: делалось это не от хорошей жизни, так как построение полностью цифрового тракта с выполнением всех необходимых преобразований (тем более в 10-разрядном виде) требует гораздо более мощных процессоров и дополнительных объемов памяти. Недавно подобные микросхемы появились, что и позволяет строить весь видеотракт на цифровой платформе.

Аналогичными способами удается в значительной степени вылечить многие врожденные недостатки и LCD-дисплеев.

КАК ПРИДУМАТЬ КАРТИНКУ?

Однако исправить цифровыми методами только светотехнические характеристики плоских дисплеев — только половина дела. Основным препятствием на пути к идеальному качеству картинки уже становится малое количество ее элементов. При воспроизведении сигналов от стандартных источников не удается устранить дискретность телевизионного растра. С появлением PDP/LCD-панелей с диагональю свыше 42 дюймов эта проблема стала особенно актуальной, поскольку на таких экранах строчная структура изображения становится чересчур заметной.

Это вдвойне обидно, ведь сами по себе современные модули способны отображать картинки с куда большим количеством пикселей (768 х 1024, 768 х 1280, 1024 х 1024), чем требуется для стандартного телевизионного изображения (576 х 720 для системы PAL). С переходом на ТВЧ-вещание и распространением дисков высокого разрешения DVD-HD (Blu-ray disc и конкурирующие форматы) проблема несоответствия будет полностью решена. Но это завтра, а что делать сейчас? Ведь смотреть телепрограммы с максимально возможным качеством уже хочется...

К счастью, современные цифровые технологии позволяют решить и эту задачу: если исходное изображение имеет малое число элементов, то можно же вычислить недостающие элементы картинки! Благо современные процессоры имеют фантастические мощности и способны выполнять невообразимо сложные расчеты в реальном масштабе времени.

50-дюймовый Panasonic TH-50PX20 с процессором PEAKS уже можно купить за $7000 — 8000. Это HDTV-аппарат нового поколения, поддерживающий прогрессивную развертку.

В принципе, идея здравая и вполне реализуемая на современном уровне развития электронной техники. В конце прошлого века прогресс в электронике привел к появлению нескольких технологий, позволяющих существенно повысить количество элементов изображения при работе от стандартных источников. Сначала в 1998 году в продаже появились первые телевизоры Sony WEGA с технологией DRC (Digital Reality Creation), вчетверо увеличивающей количество элементов растра. Затем «квазиТВЧ-телевизоры» 1-го поколения начали выпускать Matsushita (Panasonic TAU GIGA), Philips (Pixel Plus) и другие.

Особенностью всех первых «почти HDTV» моделей было применение кинескопов высокого разрешения. Мощность процессоров 5 — 6-летней давности соответствовала максимальному разрешению массовых цветных кинескопов в 600 — 800 строк. Другое дело — плоские панели: для них число строк 768 (и даже 1024) является типовым уже сегодня. Очевидно, что для максимального использования их потенциальных возможностей потребовалась разработка новых версий процессоров. На сегодняшний день каждая уважающая себя фирма имеет в активе собственную технологию превращения обычного изображения в почти ТВЧ. Помимо упомянутых выше систем, отметим DIPP (Digital Image Pixel Processor), разработанный Hitachi и DET (Digital Emotional Technology) от JVC. На Sharp изобрели процессор повышения четкости Quick Shoot (QS), а у Fujitsu аналогичная по назначению система именуется AVM (Advanced Video Movement). Наконец, Mitsubishi для увеличения количества строк применяет чип DCDi. Несмотря на различия в практической реализации, общим для всех этих «улучшателей», является применение достаточно сложного математического обеспечения. Дело в том, что для LCD и PDP необходимо жестко привязать параметры полученного ТВЧ-растра к фиксированному количеству пикселей экрана. Поэтому в блоке интерполятора используются дополнительные меры по адаптации алгоритмов к параметрам конкретной видеоматрице (масштабирование растра).

ТВЧ НЕ РОСКОШЬ

Ну а теперь подведем кое-какие итоги. Для полной победы над кинескопами и окончательного завоевания массового рынка производителям плоских панелей необходимо поднять качество их картинки на принципиально новый уровень. Как мы только что убедились, современные цифровые процессоры в сочетании с новыми технологиями изготовления дисплейных модулей позволяют это сделать, причем с одновременным переходом на прогрессивный растр повышенного разрешения. При условии дальнейшего снижения цены такие «квазиТВЧ»-дисплеи наверняка будут востребованы, и процесс уже начался — 50-дюймовая модель Pioneer PDP-504HD 4-го поколения с системой Pure Drive уже продается за $10000, а такой телевизор с той же диагональю Panasonic TH-50PX20 с процессором PEAKS — за $7500.

В новейшей панели LG XCanvas для ускорения разряда впервые используется подложка из MgO.

В процессор XD зашиты шесть сложных алгоритмов улучшения картинки на 76-дюймовом экране.

В свою очередь, формирование парка дисплеев высокого разрешения приблизит начало цифрового HDTV-вещания и появление на рынке нового поколения видеоисточников. Ведь у многих уже будут телевизоры, на которых их можно смотреть. Поэтому уже в самое ближайшее время мы будем свидетелями тектонических сдвигов на рынке. Да, собственно, он уже начался. И первые признаки надвигающихся катаклизмов уже ясно ощущаются. Недаром ведь некоторые ведущие производители телевизоров, такие как Sharp и Sony, заявили о намерениях прекратить выпуск кинескопных аппаратов в обозримом будущем. И это только начало заката более чем вековой истории кинескопа и тотального перехода к плоским телевизионным панелям, в совершенствовании которых встроенные цифровые процессоры обработки сигналов будут играть все более заметную роль. n