Luento 6 - Näytöt ja näytönohjaimet
- Kuvaputkinäyttö (Cathode Ray Tube (CRT))
- Nestekidenäytöt (Liquid Crystal Display (LCD))
- Näytönohjaimet
- Harjoitustyöstä
- laitteistot0602.mp3 3.5 MB
- laitteistot0603.mp3 3.3 MB
- laitteistot0604.mp3 3.6 MB
- laitteistot0605.mp3 3.3 MB
- laitteistot0606.mp3 3.2 MB
- laitteistot0607.mp3 2.4 MB
- 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!
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 kuvaputki.
- 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)
- Yleisin
- Halpa
- Hilamaski (Linjamaski)
- Parempi kuvanlaatu kuin muilla tekniikoilla.
- Vaakasuorat varjot näytöllä.
- Esim. Sony Trinitron
- Rakomaski
- Parempi kuvanlaatu kuin reikämaskilla.
- Reikämaski (Pistemaski)
- 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 (kuvia)
- VGA (15 piikkiä) - Tavallisin
- BNC (koaksiaali) - Viisi erillistä johtoa (punainen, vihreä, sininen, vaaka- ja pystytasaus)
- DVI (Digital Visual Interface) - Digitaalinen liitäntä, mutta voi kuljettaa myös analogisia signaaleja
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 85Hz.
- Pistekoko 0.25 tai pienempi. Näytön kuva-ala oltava siis leveyssuunnassa vähintään 320 milliä.
- Juovataajuus vähintään 82kHz
Näytön valinnassa kiinnitettävä huomiota seuraaviin asioihin:
- Maksimiresoluutio (kuvatarkkuus)?
- Maksimi virkistystaajuus maksimiresoluutiolle?
- Kuvaputki vai LCD-näyttö?
- Hinta: > 150 € (17"), > 250 € (19") (CRT).
Televisio
Mitä isompi televisio sitä suurempi pistekoko. Televisiossa ei näytölle mahtuvien pisteiden määrä kasva ruudun koon kasvaessa
- Perinteinen televisio
- Resoluutio n. 520*575
- Virkistystaajuus 50Hz lomitettuna (interlaced) eli joka toinen viiva piirretään aina jokatoisella ruudun päivityskerralla.
- Pistekoko 0.40 tai suurempi
- Useissa uusissa näytönohjaimissa mahdollisuus kytkeä tietokone myös televisioon
- Digi-tv
- DVB-T-järjestelmän resoluutio 720x576 pikseliä
- Mahdollistaa 16:9 -kuvasuhteen
- Digitaalinen
- Kuvamateriaali pakataan MPEG2-koodauksella
- Digiboksi muuntaa ja purkaa digitaalisignaalin tavalliseen analogiseen televisioon
Nestekidenäytöt (Liquid Crystal Display (LCD))
- Litteä, kevyt ja vähän tilaa vievä näyttö.
- 15" nestekidenäyttö vastaa kuva-alaltaan lähes 17" kuvaputkinäyttöä. Nestekidenäytöissä tuumakoko tarkoittaa kuva-alan lävistäjää.
- Aktiivi- vai passiivimatriisinäyttö?
- Nestekidenäytöt ovat yleistymässä ja halpenemassa koko ajan.
- Hinta: noin 400 € (15"), > 500 € (17").
- 21" monipuolinen LCD-monitori maksaa n. 3000 € (esim. Eizo FlexScan L985EX).
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.
- Digitaalisesti kontrolloitavissa
- Oletuksena estetään valon läpipääsyä kalvosta.
- Transistorin avulla kontrolloidaan valon pääsyä läpi.
TFT-näytön valinnassa kannattaa kiinnittää perusasioiden lisäksi huomiota seuraavanlaisiin asioihin:
- Katselukulma
- Pikselivirheet
- Kirkkaus ja väriominaisuudet
- Vasteaika
Kuvaputkinäytön ja LCD-näytön käyttöominaisuuksien vertailu
- LCD-näytöt vievät huomattavasti vähemmän tilaa
- TFT-näyttöissä korkeampi hinta
- Nestekidenäytöissä yleensä pienempi katselukulma kuin CRT-näytöissä.
- 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 yleensä parempi.
- CRT-näyttö on pidempi-ikäinen kuin TFT-näyttö.
Näytönohjaimet
- Erillinen kortti.
- Integroituna suoraan emolevylle.
- Hinnat: 50€ - 600€. Ammattilaiskäyttö: > 800 €
Näytönohjaimen toiminta
- Sovellusohjelma 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. VRAM, SGRAM, SDRAM, DDR jne.
- BIOS
- Sisältää näytönohjaimen perustoiminnat.
- Erilaiset näyttötilojen perustiedot.
- RAMDAC
- Muuttaa kuvan digitaalisesta analogiseksi näyttöä varten.
- Taajuus vaikuttaa esitettävään kuvataajuuteen.
- Liitännät
- Perus-VGA
- Tuki useammalle näytölle (dual head)
- Digitaalinen liitin LCD-näyttöjä varten
- TV-liitin
- TV-sisäänmeno (videoeditointi?)
- Antenniliitäntä (myös mahd. TV-viritin)
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.
3D-korttien ominaisuuksia
- Transform & Lightning
- Ohjelmoitavat Pixel & Vertex Shaderit (tekniikasta, 3dmark2003-video)
Erilaisia 3D-pelien ulkonäköön vaikuttavia ominaisuuksia
- Alpha-blending - Objektien läpinäkyvyys (esim. sumu, pöly).
- Anti-aliasing - Objektien reunojen pehmennys, joka poistaa sahalaitaisuutta.
- Bumb Mapping - Luodaan syvyysvaikutus.
- Texture Mapping - Pinnoitetaan 3D-kappaleita.
- Z-buffering - Näkymättömien pintojen poistaminen.
- Bilinear, trilinear, anistotrophic filtering - Kuvapikselin piirtomenetelmiä 3d-grafiikasta.
Grafiikkaprosessoreita valmistavia yrityksiä
- NVidia
- 3DFX
- Matrox
- S3
- ATI
Erilaiset näyttötilat
| Näyttötila | Resoluutio |
| CGA | 640 * 200 |
| EGA | 640 * 350 |
| VGA | 640 * 480 |
| SVGA (XGA) | 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.
- Lisäksi esim. tekstuurit(pinnoitekuviot) vaativat näytönohjaimelta muistia
| 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 |
Harjoitustyöstä
Linkki harjoitustyösivulle.