סטיקי בנושא זמני התגובה וסריקה של מסכי LCD

[shlomom]

שלום לכולם,

לאחרונה נפוצים דיונים כמו מה כדאי לקנות מסך X עם זמן תגובה של 2ms או מסך Y עם זמן תגובה של 8ms.

אני רוצה לנסות להבהיר (כמובן בעזרתכם) בדיון הזה כמה שניתן את המשמעות האמיתית של זמן תגובה, איך הוא נמדד - כלומר באיזה שיטות שונות משתמשים יצרנים למדוד אותו, ומה הגבול התחתון שמיותר לעבור אותו, אם קיים כזה.

אני מעלה כאן כמה נקודות שיעזרו למקד את הענין - אני מודע לזה שיש הרבה שאלות אבל אפשר לענות עליהם בחלקים:

- אני יודע שהיצרנים (לפחות חלק נכבד מהם) לא מודדים את זמן התגובה בין שחור ללבן אלה בין גווני אפור, והשאלה האם יש תקן לזה או שכל אחד מחליט לעצמו?

- האם זה רע למדוד בין גווני אפור? אולי הבדיקה בין שחור ללבן מוחלטים היא סינטטית ולא מיצגת מצבים אמיתיים?

- האם יש הבדל בין מהירות סריקה של 60/70/75Hz ל LCD, האם זה משהו שניתן לחוש ונותן יתרון? האם יש מסכים שסורקים יותר מהר? האם זה נחוץ?

- לפי חישוב פשוט בהתבסס על LCD עם מהירות סריקה של 75Hz זמן התגובה המקסימלי הנחוץ הוא 1sec/75=13.3ms, כלומר מסך של 12ms אמור לענות על כל הצרכים. מסכים של 8ms יתאימו למהירות סריקה של 125hz שלא מוצאים גם ב CRT יקרים. ומסכים של 2ms משתנים כל כך מהר כך שיכולים לעבוד עם מהירות סריקה של 500Hz. אני מודע לזה שאין מהירויות סריקה כאלה. השאלה היא למה בכלל צריכים זמן תגובה קטן מ 8ms (בהנחה ולא משקרים בקשר לנתון הזה)

כל מידע בנושא, קישורים, כתבות יתקבל בברכה.

עריכה: החלטתי להכניס לכאן את כל המידע הרלוונטי ולעדכן בהתאם לממצאים שלי ולהערות שלכם.

=====================================================================================

Demystifying LCD's latency

ראשית הסבר קצר על עקרון הפעולה של ה LCD או בשמו המלא Liquid Crystal Display. מבלי להיכנס כרגע לפרטים הרבים בפעולת ה LCD, עיקרון הפעולה של מסך LCD הוא לשלוט בכמות האור שעוברת דרך מערך של פיקסלים. מקור האור הוא תאורה אחורית לבנה (פלואורסנט). האור עובר דרך מערך (רשת) של פיקסלים כאשר כל פיקסל הוא למעשה גביש נוזלי הנמצא בין שתי אלקטרודות. הכול מאוד דק ושקוף. כאשר מספקים לאלקטרודות מתח, הגבישים מסתדרים במקביל לשדה החשמלי ויוצרים מערך שלא מאפשר לאור לעבור. הסידור הוא "מושלם" רק כשמסופקת רמת מתח מינימלית מסוימת ולכן במתחים נמוכים יותר מערך הגבישים לא מסודר לגמרי וחלק מהאור יכול לעבור.

כלומר ע"י שליטה במתח שמגיע לאלקטרודה של פיקסל מסוים ניתן לשלוט למעשה על כמות האור שתעבור דרכו.

התקן המקובל למדידה של פרמטרים למסכי LCD הוא של מכון התקנים הבינלאומי ומספרו ISO 13406-2, התקן כולל התייחסות למגוון פרמטרים של ה LCD וביניהם מדידת ה latency. שיטת המדידה לפי התקן של ISO היא הזמן שלוקח לפיקסל להשתנות מצבע שחור (המיוצג ע"י בהירות 0) לצבע לבן (המיוצג ע"י בהירות 255) וחזרה לשחור. כלומר מודדים את הזמן (black -> white -> black (0 -> 255 -> 0. זה נעשה ע"י מכשור מיוחד הכולל חיישן אור ואוסצילוסקופ (סוג של ציוד מדידה) ותוכנה שמשנה את צבעי המסך בהתאם לנדרש. על מסך האוסצילוסקופ ניתן למדוד ולנתח את הנתונים שמתקבלים וכך למעשה לבצע את המדידה. להסבר מפורט על שיטת המדידה ניתן לעיין במאמר The Secret Sauces of THG's LCD Tests

מסתבר שהמעבר מלבן לשחור ובחזרה הוא המהיר ביותר עקב הפרש המתח הגדול שהגביש נתון לו. חלקיקי הגביש הנוזלי צפים להם בתוך נוזל וכאשר הם נחשפים לשדה מגנטי (מתח) הם מסתדרים במבנה. אבל התנגדות הנוזל גורמת לכך שתנועת החלקיקים בתוכו לוקחת זמן וככל שהפרש המתח או עצמת השדה המגנטי גדולה יותר אז החלקיקים ינוע יותר מהר ובכך יקטן זמן התגובה. היות והפרש המתחים בין לבן ושחור הוא הגבוה ביותר גם המעבר בין צבע שחור ללבן הוא המהיר ביותר. כדאי לציין כי המסך אמנם צבעוני ולכן כל פיקסל מורכב למעשה משלושה תת-פיקסלים בשלושת צבעי היסוד. אבל לכל פיקסל בנפרד יש את השליטה להיות באחד מ 256 מצבים אפשריים (במסך של 8 ביט לצבע). כאשר שלושת תת-הפיקסלים נמצאים באותה רמת בהירות מוצג למעשה גוון של אפור. לכן המדידות המתבצעות על אפור הם מטעמי נוחות בלבד כדי למדוד את עצמת ההארה בצורה נוחה ע"י החיישן הרגיש לאור.

בגרף הבא ניתן לראות זמני תגובה שנמדדו על שני מסכים. ציר ה X מייצג את הבהירות כאשר 0 זה שחור ו 255 זה לבן. הגרף מציין את משך הזמן ב milliseconds שלוקח לפיקסל לעבור משחור לגוון הרצוי וחזרה לשחור. ניתן לראות בבירור שבמעבר ללבן (255) זמן התגובה הוא הקצר ביותר. מהגרף רואים שהמסך המיוצג ע"י הקו הכחול יכול להיות מסווג כמסך של 8ms black to white כאשר בפועל במרבית התחום האפור הוא קרוב יותר ל 24ms. עבור מסכים בטכנולוגיות שונות (כגון S-IPS, TN-film, and PVA/MVA) הגרף ניראה קצת שונה, אבל תמיד יהיו הבדלים משמעותיים בזמני התגובה עבור הגוונים השונים.

חשוב להזכיר שזמן התגובה מורכב מזמן המעבר משחור ללבן שנקרא raise (עליה) וגם מזמן החזרה מלבן לשחור שנקרא fall. תקן ה ISO מגדיר את זמני העלייה והירידה כזמן שלוקח לעבור בין 10% ל 90% של עצמת התאורה הנמדדת (מדידה ע"י האוסצילוסקופ). בתרשים הבא מוצגת עצמת האור המשתנה בין שחור ללבן וחזרה לשחור. הזמנים Tr ו Tf נמדדים בין 10-90% מהעצמה (זה מוגדר בתקן ).

כדי לקצר את זמני התגובה של פנל נתון, נוקטים היצרנים בשיטה הנקראת voltage overdrive. בשיטה זו מנצלים את העובדה שהפרשי מתחים גדולים יותר גורמים לתגובה מהירה יותר של הגבישים (כמו במעבר משחור ללבן) ונותנים מתח גבוה יותר מהנדרש לזמן קצר ולאחר מכן מורידים את המתח למתח הנכון. המתח הראשוני הגבוה מאיץ את תנועת הגבישים וגורם להם להסתדר מהר יותר במצב הרצוי. שיטה זו תורמת רבות להורדת זמני התגובה בתחום האפור הבעייתי. כפי שניתן לראות בתמונה הבאה, הגרף העליון מתאר את המתח המסופק לפיקסל. הקו האדום המלא זהו המתח הרצוי (בהירות הפיקסל) והקו המקווקו זהו המתח שמסופק בפועל. רואים כי המתח בהתחלה עולה אל מעבר למתח הרצוי לזמן קצר ואז מתייצב על המתח הדרוש. הפעולה קיימת גם בכוון ההפוך (כלומר בירידה המתח ירד נמוך יותר מהמתח הרצוי לזמן קצר) ולכן במקום לקרוא לזה voltage overdrive ו voltage underdrive נכון יותר לקרוא לזה Response Time Compensation או RTC

זה תורם לקיצור זמן המעבר של הפיקסל לרמת התאורה הבאה כפי שניתן לראות בגרף המקווקו הכחול יחסית לקו הכחול המלא שמתאר את תגובת הפיקסל ללא RTC.

כפי שראינו זמן התגובה משתנה מאוד בהתאם לגוון אותו מודדים ולכן הכי נכון היה להציג גרף של זמני התגובה ולא מספר יחיד. בפועל יצרנים רבים מתגאים בזמני תגובה קצרים יחסית בין שחור ללבן כאשר בפועל הזמנים בין שחור לאפור כהה יכולים להיות ארוכים מאוד (עשרות מילישניות). יצרנים רבים גם מציינים זמני תגובה שהם בוחרים בין אפור לאפור כאשר לא ברור איזה מבחן בדיוק נעשה. במקרים אחרים מצוין רק זמן העליה ללא זמן החזרה. קיימים גם זמני תגובה המצוינים כאופיניים (Typical) או ממוצעים (Average) אשר אמורים לתת מדד כללי טוב יותר על הביצועים. אני לא נתקלתי בינתיים באף יצרן שמפרסם גרף של latency אלה רק אתרים שבצעו בדיקות למסכים מציגים גרפים כאלה וחבל. כעקרון בעבודה אמיתית עם מסך הפיקסל לא משנה בד"כ את הגוון שלו מקצה אחד של הסקלה לקצה השני אלה נע באמת בין גווני הביניים ולכן זמני התגובה בפועל יהיו כמעט תמיד גבוהים מהמספר הנמוך שמצויין במאפיינים של המסך. בבדיקה שנערכה בין ארבעה מסכים מתברר (באופן מפתיע אולי) שדווקא מסך בעל נתונים נחותים על הנייר התברר כאיכותי יותר (בבדיקה ויזואלית) ובעל זמן תגובה טוב יותר (לא נצפו מריחות) בוידאו ומשחק ממסכים בעלי נתונים טובים יותר שהושוו אליו.

המסקנה המתבקשת היא שלא תמיד כדאי לרוץ אחרי המספרים בדפי הנתונים וכדאי מאוד לראות ולבחון את המסך בעין במצב טקסט, משחק מהיר ווידאו (סרט). אם לא מבחינים בעין בשום בעיות של מריחות אז לא צריך להתחשב במה שאומרים המספרים על הדף. דבר נוסף שכדאי לדעת הוא שיש תמיד פשרה (trade-off) בין הפרמטרים של LCD ומסכים בעלי זמן תגובה נמוך בד"כ פחות מדייקים בצבעים ובעלי קונטרסט נמוך יותר ולהיפך. כלומר עדיין אין מסך רב שימושי המצטיין בכל התחומים ולכן כדאי לנסות ולהתאים את המסך לשימוש העיקרי שלו.

לגבי מהירות הסריקה או הרענון של מסך LCD יש לציין כי הנתון אותו מספקת החברה 60 או 70Hz הוא הנתון המומלץ ואין לו חשיבות מיוחדת. המשמעות האמיתית של הנתון היא כמה פעמים בשניה מרענן הכרטיס מסך את התצוגה.היות ומסך ה LCD מחזיק תמונה קבועה ויציבה (בנגוד למסך CRT) כל עוד לא קיבל מידע חדש לא יהיו הבהובים ב LCD (לפחות לא עקב קצב הרענון).

תוכנה בעזרתה ניתן לראות ולאבחן תופעות Ghosting של המסך: http://www.prad.de/download/pixperan_english.zip

מקורות:

http://www.behardware.com/articles/561-1/technical-aspects-lcds-overdrive-contrast-and-viewing-angles.html

http://www.behardware.com/art/imprimer/515/

http://www.xbitlabs.com/articles/other/display/lcd-guide.html

http://www.xbitlabs.com/articles/other/display/response-compensation.html

http://www.tomshardware.com/2005/11/10/the_secret_sauces_of_thg/index.html

http://www.lgphilips-lcd.com/homeContain/jsp/eng/tech/tech210_j_e.jsp

http://firingsquad.com/hardware/budget_lcd_roundup_0405/default.asp

http://www.tomshardware.com/2005/02/15/8ms_19/index.html

http://www.tomshardware.com/2005/05/26/viewsonic_overdrive_lcds/index.html

*עריכה Raul*

מכיוון שהנושא כל כך מרכזי וחשוב במסכי LCD, והדיון כה ממצה - הוחלט (לפחות לזמן הקרוב) שהדיון יהיה דביק.