Luento 6 - Näytöt ja näytönohjaimet
- Näytönohjain (engl. Graphics Card) muodostaa kuvan ja lähettää sen näytölle.
- Näyttö (engl. Display) piirtää kuvan käyttäjälle.
- Enemmän rajoittava laite määrää näytettävän kuvan tarkkuuden.
- Näytönohjaimen ja näytön yhteistyön on oltava saumatonta!
Erilaiset näytöt
Näytön valinnassa kiinnitettävä huomiota seuraaviin asioihin:
- Maksimiresoluutio (kuvatarkkuus)?
- Maksimi virkistystaajuus maksimiresoluutiolle?
- Kuvaputki vai LCD-näyttö?
- Hinta: > 1000 mk (17") (CRT).
Kuvaputkinäyttö (Cathode Ray Tube (CRT))
Suurin osa nykyisistä näytöistä perustuu samaan tekniikkaan kuin televisiotkin eli kuvaputkiin.
Kuvan muodostuminen
- Näytönohjain antaa näytön tarvitseman ohjaussignaalin kuvan piirtämiseen.
- Näytön suurin osa on ilmatiivis kuvatputki.
- Näytön takaosan elektronitykki (jokaisella värillä omansa) ampuu elektronisuihku kuvaputken pintaan.
- Näytön pinnassa olevat kolmen päävärin fosforipisteet muodostavat yhden pikselin.
- Jokaiseen pisteista ohjataan elektronisuihku, jolloin pisteet muodostavat näytölle yhden värisen pikselin.
- Elektroni suihkua ohjataan magneettikentän avulla maskin läpi.
- Suihku ohjataan vasemmalta oikealle ja ylhäältä alas.
- Maski ohjaa magneettisuihkun täsmälleen oikeaan pisteeseen.
- Reikämaski (Pistemaski)
- Hilamaski (Linjamaski)
- Parempi kuvanlaatu kuin muilla tekniikoilla.
- Vaakasuorat varjot näytöllä.
- Esim. Sony Trinitron
- Rakomaski
- Parempi kuvanlaatu kuin reikämaskilla.
- Maskin lämpölaajeneminen voi aiheuttaa värivirheitä.
- Etulasi
- Kupera
- Tasopintainen jossa lasi on paksumpi reunoilta
- Tasapaksu (Trinitron)
Kuvanlaatuun vaikuttavia tekijöitä
Ongelmat suurimpia näytön pystyreunoilla.
- Fokus eli elektronisuihkun kohdistuminen
- Vaikuttaa suoraan näytön terävyyteen.
- Joissakin näytöissä säätimet ongelman korjaamiseen.
- Konvergenssi eli päävärien keskinäinen kohdistuminen
- Aiheuttaa haamupisteitä, epäterävyyttä, värien epäpuhtautta
- Joissakin näytöissä säätimet ongelman korjaamiseen.
- Heijastuvuus
- Parannetaan erilaisilla kalvoilla
- Heijastumat pahimpia kaarevissa näytöissä
- Kirkkaus ja kontrasti
- Parannetaan näkyvyyttä.
- Voidaan korjata näytön säätimillä.
- Erilaiset muotovääristymät
- Voidaan korjata näytön säätimillä.
Näytön käytettävyyteen liittyviä seikkoja
- Sijoita näyttö niin, että ruudun yläreuna on 20 - 28 senttiä silmiä alempana
- Erilaisten säätimet virheiden korjaamiseen
- Kontrasti (engl. Contrast)
- Kirkkaus (engl. Brightness)
- Kuva-ala
- Vaaka- ja pystysijainti
- Tyynyvääristymä (Pincushion)
- Trapetsivääristymä (Trapezoid)
- Kallistusvääristymä (Parallelogram)
- Kiertovääristymä (Rotation)
- Degauss
- Sähkömagneettisten häiriöiden poisto
- Aiheutuu esimerkiksi kaiuttimista
- Näytön jalustan säädöt
- Takuu vähintään 3 vuotta
Turvallisuus ja ekologisuus
- Lähes kaikki markkinoilla olevat näytöt on säteilysuojattu
- MPR II-, TCO-92-, TCO-95-, TCO-99-normit määrittelevät rajat sähkömagneettiselle säteilylle.
- Erilaisia normeja on olemassa energiansäästöä varten. (E2000)
- Näyttö vie yksinään yhtä paljon virtaa kuin koko muu laitteisto
- Normaali käyttötila: 140 W
- Sleep: 100 W
- Deep Sleep: 15 W
- Active off: 3 W
- Power off: 0 W
Teknisiä ominaisuuksia
- Kuvanvaihtotaajuus eli virkistystaajuus
- Kuinka monta kertaa sekunnissa näyttö piirretään uudelleen?
- Esim. 75 Hz eli 75 kertaa sekunnissa
- Resoluutio eli erottelutarkkuus
- Kuinka monta kuvapistettä näytölle mahtuu?
- Esim. 1024x768 pistettä
- Näytön pitää pystyä fyysisesti kyseiseen tarkkuuteen.
- Laskettavissa pistevälin avulla.
- Juovataajuus
- Kuinka monta vaakasuuntaista viivaa näyttö pystyy piirtämään sekunnissa?
- Esimerkki juovataajuuden laskemisesta
- Näyttötila on 1024x768 eli ruudulla on 768 allekkaista viivaa.
- Näytön virkistystaajuus on 78 Hz.
- Näytölle siis piirretään siis 78 * 768 viivaa sekunnissa eli yhteensä vajaa 60000 viivaa sekunnissa.
- Tähän lisätään vielä pieni piirtämisen aloittamiseen yms kuluva hukka-aika (n. 5%).
- Vaadittavaksi juovataajuudeksi saadaa n. 63000 juovaa sekunnissa (63 kHz).
- Kaistanleveys (engl. bandwidth)
- Nopeus, jolla näytölle tulevat tiedot on saatava esitettyä sekunnin aikana.
- Esimerkki 1024x768 kuvan päivittäminen 85Hz:n taajuudella
- 1024 * 768 * 85 =~ 67 miljoonaa pistettä
- Päälle n. 25% varmistus, jonka aikana elektronisuihku ehtii vaihtaa riviä
ja siirtyä näytön alaosasta takaisin yläosaan.
- Eli 1.25 * 67 milj =~ 84 milj.
- 1024x768 kuvan päivittäminen 85Hz:n taajuudella vaatisi näytöltä n. 84MHz:n kaistanleveyttä
- Pisteväli
- Samanväristen pisteiden keskipisteen etäisyys toisistaan.
- Jos näytön kuva-ala on 369x236 milliä ja pisteväli on 0.23 milliä,
niin näytölle mahtuu rinnakkain 1600 pistettä (369 / 0.23 = 1604)
- Mitä pienempi pisteväli, niin sitä tarkempi kuva!
- Asettaa rajat näytön todelliselle resoluutiolle.
- Liitännät
- VGA (15 piikkiä) - Tavallisin
- BNC - Laadukkain. Viisi erillistä johtoa (punainen, vihreä, sininen, vaaka- ja pystytasaus)
Näyttöjen maksimitarkkuuksia
Kuvaputkinäyttöjen koko ilmoitetaan tuumina, joka tarkoittaa kuvaputken koko, EI näkyvän kuva-alan kokoa!
Koko (tuumaa) | Resoluutio |
14" | 640x480 |
15" | 800x600 |
17" | 1280x1024, 1024x768 |
19" | 1600x1200, 1280x1024, 1024x768 |
21" | 1600x1200, 1280x1024 |
Hyvältä näytöltä on syytä vaatia vähintään seuraavia ominaisuuksia:
- Näyttötila vähintään 1280*1024 eli käytännössä oltava vähintään 17".
- Käyttötilassa virkistystaajuus vähintään 75Hz.
- Pistekoko 0.25 tai pienempi. Näytön kuva-ala oltava siis leveyssuunnassa vähintään 320 milliä.
- Juovataajuus vähintään 82kHz
Televisio
Mitä isompi televisio sitä suurempi pistekoko. Televisiossa ei näytölle mahtuvien pisteiden määrä kasva ruudun koon kasvaessa
- Resoluutio n. 520*575
- Virkistystaajuus 50Hz lomitettuna (interlaced) eli
joka toinen viiva piirretään aina jokatoisella ruudun päivityskerralla.
- Pistekoko 0.40 tai suurempi
Nestekidenäytöt (Liquid Crystal Display (LCD)
- Litteä, kevyt ja vähän tilaa vievä näyttö.
- 15" nestekidenäyttö vastaa kuva-alaltaan 17" kuvaputkinäyttöä.
Nestekidenäytöissä tuumakoko tarkoittaa kuva-alan lävistäjää.
- Aktiivi- vai passiivimatriisinäyttö?
- Nestekidenäytöt ovat yleistymässä ja halpenemassa koko ajan.
- Hinta: > 3000 mk (14-15").
- 24" LCD-monitori maksaa n. 40 000 mk.
Tekniikka
- Kontrolloidaan suodattimilla läpipääsevän valon määrää.
- Tekniikka vaatii siis taustavalon käytön.
- Passiivimateriisinäytöissä huonompi kuva kuin aktiivimatriisinäytöissä (TFT).
- TFT (Thin Film Transistor) -tekniikka eli jokaista kuvapisteen osaväriä vastaa oma transistorinsa.
- Oletuksena estetään valon läpipääsyä kalvosta.
- Transistorin avulla kontrolloidaan valon pääsyä läpi.
Kuvaputkinäytön ja LCD-näytön käyttöominaisuuksien vertailu
- TFT-näyttöissä korkeampi hinta
- Erityisesti passiivimatriisinäytöissä pieni katselukulma.
- LCD-näyttöjen värisävyissä eroja verrattuna kuvaputkinäyttöihin.
- LCD-näytöissä kunnollinen tuki vain yhdelle näyttötilalle.
- Paras kuvanlaatu vaatisi LCD-näytöissä digitaalisen signaalin näytönohjaimelta.
- Vähävirtaisia, koska 15" TFT-näyttö kuluttaa n. 50W ja CRT 180W.
- CRT-näyttöjen kontrasti ja valoisuus yleensä parempi.
- CRT-näyttö on pidempi-ikäinen kuin TFT-näyttö.
Näytönohjaimet
- Erillinen kortti.
- Integroituna suoraan emolevylle.
- Hinnat: 400 mk - 3 000 mk. Ammattilaiskäyttö: > 5 000 mk
Näytönohjaimen toiminta
- Sovellusohjalma tekee GDI-kutsuja käyttöjärjestelmälle näytölle tulevasta tiedosta.
- Käyttöjärjestelmä pyytää näytön päivitystä näytönohjainajureilta.
- Näytönohjaimen ajurit kääntävät halutut käskyt näytönohjaimelle sen haluamaan muotoon.
- Ajurien ja näytönohjaimen tehokkuudesta riippuu piirrettävän kuvan nopeus.
- Ei pyydetä yksittäisten pisteiden vaan muodon (esim. viiva) piirtämistä.
- Pyritään siirtämään töitä tietokoneen prosessorilta näytönohjaimen prosessorille.
- Näytönohjain (engl. Graphics Card / Display Card) muodostaa kuvan ja
lähettää sen näytönohjaimen muistiin pikselitiedon.
- RAMDAC-kääntää digitaalisen tiedon RGB-signaaliksi ja lähettää näytölle.
- Näyttö (engl. Display) piirtää kuvan käyttäjälle.
- Operaatio toistetaan 75 kertaa sekunnissa (75 Hz)
- Enemmän rajoittava laite määrää näytettävän kuvan tarkkuuden.
Teknisiä ominaisuuksia
- Yleensä erillinen kortti liitettynä AGP- tai PCI-väylään.
- Määrää näytettävän resoluution, virkistystaajuuden ja värimäärän.
- Näytönohjaimen nopeus vaikuttaa koko koneen nopeuteen
Näytönohjaimen pääosat
- Grafiikkaprosessori
- Suorittaa piirtämiseen ja laskemiseen liittyviä toimia.
- Suorittaa 2D- ja 3D-käskyjä
- Mitä tehokkaampi sitä nopeampi!
- Näyttömuisti
- Kuva muodostetaan kokonaan muistiin ennen siirtämistä näytölle.
- Rajoittaa esitettävän kuvan tarkkuutta (ks. taulukko).
- Vaikuttaa koko näytönohjaimen nopeuteen.
- Käyttävät omia erikoisia muistejaan mm. EDO, VRAM, WRAM jne.
- BIOS
- Sisältää näytönohjaimen perustoiminnat.
- Erilaiset näyttötilojen perustiedot.
- RAMDAC
- Muuttaa kuvan digitaalisesta analogiseksi näyttöä varten.
- Taajuus vaikuttaa esitettävään kuvataajuuteen.
- Liittännät
- Tuki useammalle näytölle (dual head)
- Digitaalinen liitin LCD-näyttöjä varten
- TV-liitin
3D-grafiikka
- Vaatii reilusti enemmän muistia kuin tavallinen 2-ulotteinen kuva. (ks. taulukko)
- Joudutaan laskemaan Z-suunta.
- Käytetään erilaisia rajapintoja (kirjastoja) 3-ulotteisen kuvan nopeuttamiseksi.
- Rajapinta sisältää optimoituja käskyjä 3D-kuvan luomiseksi.
- Esim. Direct3D ja OpenGL
- Ohjelmien valmistajan ei tarvitse tietää laitteistosta kaikkea rajapinnan vuoksi.
- Ohjelman valmistaja tekee ohjelmaan "ajurit" rajapinnalle ja näytönohjaimen valmistaja tekee
ohjaimen tulkitsemaan rajapinnan käskyjä laitteelle.
Erilaisia 3D-pelien ulkonäköön vaikuttavia ominaisuuksia
- Alpha-blending - Objektien läpinäkyvyys (esim. pöly).
- Anti-aliasing - Objektien reunojen pehmennys, joka poistaa sahalaitaisuutta.
- Bumb Mapping - Luodaan syvyysvaikutus.
- Texture Mapping - Pinnoitetaan 3D-kappaleita.
- Z-buffering
- Stencil Buffering
- Trilinear filtering
- Vertex and table fogging
Grafiikkaprosessoreita valmistavia yrityksiä
- NVidia
- 3DFX
- Matrox
- S3
- ATI
Erilaiset näyttötilat
Näyttötila | Resoluutio |
CGA | 640 * 200 |
EGA | 640 * 350 |
VGA | 640 * 480 |
SVGA | 800 * 600 1024 * 768 1280 * 1024 1600 * 1200 |
Värien bittisyydet
- Pisteen esittämiseen käytettävän muistin määrä
- Värit valitaan yleensä 16 miljoonan värin paletista.
4 - bittiset värit |
16 (2^4) väriä |
8 - bittiset värit |
256 (2^8) väriä |
15- bittiset värit |
32 768 (2^15) väriä |
16 - bittiset värit |
65 000 (2^16) väriä |
24- bittiset värit |
16 milj. (2^24) väriä |
2D-grafiikka
- Vaadittava muistin määrä joillakin värimäärillä ja tarkkuuksilla
tavallisessa toimistokäytössä.
- Lasketaan seuraavasti: Resoluutio (24 bit) * tarkkuus (1024 * 768) / tavussa olevien bittien määrällä (8 bit).
Resoluutio |
16 (4-bit) |
256 (8-bit) |
65000 (16-bit) |
16 milj (24-bit) |
640 * 480 |
0.15 MB |
0.29 MB |
0.59 MB |
0.88 MB |
800 * 600 |
0.23 MB |
0.46 MB |
0.92 MB |
1.37 MB |
1024 * 768 |
0.38 MB |
0.75 MB |
1.50 MB |
2.25 MB |
1280 * 1024 |
0.63 MB |
1.25 MB |
2.50 MB |
3.75 MB |
1600 * 1200 |
0.92 MB |
1.83 MB |
3.66 MB |
5.49 MB |
3D
- Vaadittavan muistin määrä joillakin tarkkuuksilla ja värimäärillä
peli- ja muussa kolmiulotteisuutta vaativassa toiminnassa
- Joudutaan pitämään kirjaa myös Z-suunnasta.
- Z-suunta vaatii ylimääräiset 16 bittiä.
Resoluutio |
256 (8-bit) |
65000 (16-bit) |
16 milj (24-bit) |
640 * 480 |
0.9 MB |
1.8 MB |
2.6 MB |
800 * 600 |
1.4 MB |
2.7 MB |
4.1 MB |
1024 * 768 |
2.3 MB |
4.5 MB |
6.8 MB |
1280 * 1024 |
3.8 MB |
7.5 MB |
11.3 MB |
1600 * 1200 |
5.5 MB |
11.0 MB |
16.5 MB |