Synteza obrazu telewizyjnego

Ostatnim etapem przetwarzania informacji, uzyskanej na etapie ana-lizy i przesłanej w procesie transmisji, jest synteza obrazu telewizyj-nego. I, tu znowu, jak w transmisji, nie mamy wpływu na ostateczny wynik procesu syntezy; nie mamy wpływu na to, jakim rodzajem od-biornika telewizyjnego posługuje się odbiorca naszej pracy, jak ska-librowany jest ten odbiornik, i jakie są warunki otoczenia, w jakim odbierany jest przesyłany przez nadawcę sygnał telewizyjny. Można tę sytuacje porównać do sytuacji twórcy fi lmowego i jego wpływu – a raczej braku tego wpływu – na warunki projekcji fi lmowej. Nieste-ty, musimy pokładać naszą nadzieje w producentach telewizyjnych odbiorników, którzy stosując coraz nowsze technologie, pozwalają odbiorcy na oglądanie wyników naszej twórczości na coraz lepszych telewizorach. Ponieważ jednak o  tym, jak odbierana będzie nasza praca, w olbrzymim stopniu decyduje końcowy etap syntezy obrazu, musimy mieć wiedzę, jakie technologie i jakie urządzenia zapewnia-ją telewizyjnemu widzowi odbiór naszych wytworów.

We wszystkich technologiach można wyodrębnić trzy etapy syntezy:

1) adresowanie  – powierzchniowe lub przestrzenne orientowanie miejsca emisji światła – czyli: na ekranie odbiornika telewizyjnego świecący punkt musi być dokładnie w tym samym miejscu, na któ-rym był w analizowanym obrazie;

2) wyświetlanie  – wytwarzanie strumienia świetlnego o  natężeniu uzależnionym od wartości sygnału wizyjnego  – czyli: natężenie światła w punkcie wyświetlanym musi być dokładnie w takich sa-mych proporcjach w stosunku do innych punktów wyświetlanych, tak jak miały punkty obrazu analizowanego;

3) zapamiętywanie  – podtrzymywanie świecenia zaadresowanego punktu sceny do czasu jego ponownego pobudzenia.

Powyższe funkcje realizowane są przez wizyjne przetworniki syntetyzujące, czyli w  potocznym języku telewizory lub odbiorniki telewizyjne, w  których odtwarzanie kolorowych obrazów telewizyj-nych odbywa się za pomocą addytywnej, trójchromatycznej syntezy obrazów monochromatycznych. Oznacza to, iż wyjściowy strumień świetlny, otrzymywany od każdego elementu wypadkowego obrazu barwnego, powstaje przez optyczne zsumowanie trzech świateł skła-dowych – RGB18.

Obecnie, możemy mieć do czynienia z  paroma typami odbior-ników telewizyjnych. Pierwszy z nich, historycznie najstarszy to od-biornik kineskopowy (ang. CRT – Cathode Ray Tube – lampa kine-skopowa albo inaczej elektronopromieniowa). Zasada jego działania wygląda następująco: elektrony emitowane przez katodę są formowa-ne w wąską wiązkę przez działo elektronowe, następnie przyśpieszaformowa-ne przez anodę uderzają w powierzchnię ekranu pokrytą luminoforem, wywołując jego świecenie. Aby dało się rozświetlić każdy punkt po-wierzchni ekranu wiązka musi być odchylana w dwóch kierunkach – pionowym i poziomym. Do odchylenia wiązki elektronów wykorzy-stywane jest pole magnetyczne wytwarzane przez cewki odchylające.

Rys. 17. Kineskop kolorowy delta 1 – trzy działa elektronowe (katoda), 2 – wiązki elektronów, 3 – cewka ogniskująca, 4 – cewki odchylające, 5 – przyłącze anody, 6 – maska separująca wiązki, 7 – luminofor, 8 – powiększenie fragmentu luminoforu

Źródło: https://pl.wikipe dia.org/wiki/Kineskop [dostęp: 07.11.2016].

Nie od rzeczy będzie wyjaśnić jeszcze dwa pojęcia: „luminofor” – związek chemiczny wykazujący „luminescencję” czyli tzw. zimne świecenie i  „jarzenie”  – zjawisko emisji fal świetlnych przez ciała (luminofory), wywołane inną przyczyną niż rozgrzanie ich do odpo-wiednio wysokiej temperatury, co oznacza, że luminescencja nie jest promieniowaniem cieplnym19.

Drugimi, obecnie najbardziej popularnymi, telewizorami są prze-tworniki ciekło-krystaliczne LCD – Liquid Crystal Display. Wyświe-tlacz ciekłokrystaliczny (jak sama nazwa wskazuje) wyświetla obraz, którego zasada działania oparta jest na zmianie polaryzacji światła na skutek zmian orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

19 https://pl.wikipedia.org/wiki/Luminofor oraz https://pl.wikipedia.org/wiki/ Luminescencja [dostęp: 7.11.2016].

Ciekłe kryształy – zaliczane do materiałów o odrębnym stanie sku-pienia – są oryginalnym rodzajem cieczy, która zmienia swe właści-wości fi zyczne w zależności od kierunku działania czynnika zewnętrz-nego. Właściwość taka, zwana anizotropią stanowi cechę typową dla kryształów i nigdy nie występuje w normalnych cieczach. Do budowy ekranów ciekłokrystalicznych największe zastosowanie mają substan-cje ciekłokrystaliczne, zwane nematykami, których cząsteczki są usy-tuowane warstwami, równolegle względem siebie i mogą przemiesz-czać się wzajemnie bez żadnych ograniczeń. Wytworzenie w obszarze nematyka jednorodnego pola elektrostatycznego o minimalnym natę-żeniu i kierunku prostopadłym do powierzchni ograniczającej nema-tyk, spowoduje zmianę uporządkowania wewnętrznych cząstek.

Rys. 18. Budowa standardowego wyświetlacza LCD (przekrój). Od le-wej: fi ltry kolor (colour fi lters), fi ltr poziomy (horizontal fi lter), war-stwy szkła (glass layers), molekuły kinetyczne (nematic molecules), fi ltr pionowy (vertical fi lter)

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Wyświetlacz ciekłokrystaliczny [dostęp: 7.12.2016].

Kolejnym, o  znakomitych efektach obrazowych telewizorem, jest wyświetlacz plazmowy  – PDP  – Plasma Display Panel. Techni-ka plazmowa, mimo że nadal ma znaczącą rolę w wyświetlaczach te-lewizyjnych o  największych przekątnych ekranu, nie rozwija się tak szybko, jak inne metody wyświetlania kolorowego obrazu. Pierwsze

nowoczesne ekrany plazmowe pojawiły się pod koniec lat 90. ubiegłe-go wieku i były produkowane w coraz większych rozmiarach. Wyświe-tlacz plazmowy składa się z matrycy komórek wypełnionych gazami szlachetnymi: ksenonem, neonem i  helem. Każda z  komórek odpo-wiada jednemu subpikselowi, a subpiksele są łączone w trzyelemen-towe grupy. Każdy z tych elementów jest zbudowany tak, by świecić innym kolorem: czerwonym, zielonym albo niebieskim. Złudzenie optyczne sprawia, że z daleka tworzą jednolitą barwę, której dokładny kolor zależy od natężenia światła poszczególnych subpikseli.

Rys. 19. Standardowa matryca RGB – 3 subpiksele na piksel

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Super_AMOLED [dostęp: 10.02.2017].

Przednia szyba Warstwa dielektryka

(izolatora)

Tylna szyba Warstwa tlenku magnezu Elektrody wyświetlacza (w warstwie izolatora) Warstwa dielektryka (izolatora) Elektrody adresujące Piksele Warstwa fosforowa

Rys. 20. Zasada działania wyświetlacza plazmowego

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Wy%C5%9Bwietlacz_plazmowy [dostęp: 10.02.2017].

Poszczególne komórki świecą dzięki jonizacji zgromadzonego w  nich gazu. Podanie odpowiednio wysokiego napięcia do elektrod ułożonych na froncie i  tyle komórek powoduje jonizację, powstanie plazmy i  w  konsekwencji emisję promieniowania ultrafi oletowego. Promieniowanie to jest niewidzialne dla ludzkiego oka, ale dobrze pochłaniane przez luminofor, którym pokryte są ścianki każdej z ko-mórek. To typ luminoforu decyduje o  barwie emitowanego światła, a jasność piksela zmienia się za pomocą techniki PWM (ang. Pulse-Width Modulation – modulacja szerokości impulsów), tj. przez regu-lowanie czasu dopływu prądu do komórek. Każdy z subpikseli zapa-lany jest i gaszony z taką częstotliwością, aby uzyskać wymagane wra-żenie jasności. Luminofor pochłania fotony ultrafi oletowe, generując przy tym fotony o większej długości fali, tj. czerwone, zielone i niebie-skie, które następnie docierają do widza przez przednią szybę ekranu.

Wyświetlacze plazmowe nie zawierają krztyny ciekłych kryształów. Jeśli mielibyśmy je porównać do innych technik wyświetlania, to być może do tradycyjnych kineskopowych CRT (ang. Cathode-Ray Tube), które są pokrywane bardzo podobnymi luminoforami. Wyświetlacze plazmowe mają szereg zalet w porównaniu z matrycami LCD, ale tak-że wad, które trudno pominąć. Najpierw te pierwsze. Możliwość od-dzielnego zapalania poszczególnych pikseli pozwala uzyskać większy kontrast niż niektóre LCD oraz zapewnia zdecydowanie większe kąty widzenia. Źródło światła znajduje się bezpośrednio za przednią szybą wyświetlacza i nie jest tłumione żadnymi fi ltrami ani innymi elemen-tami, które stałyby na drodze promieniom wydobywającym się z wy-świetlacza.

Niestety, wyświetlacze plazmowe nie pozwalają uzyskać bardzo dużej rozdzielczości przy małych rozmiarach ekranu, co wynika ze względnie dużej wielkości komórek z gazem. Ponadto są cięższe niż LCD i zużywają nieco więcej energii elektrycznej. Mocno wpływająca na masę przednia szyba, która musi być wykonana ze szkła, powoduje odbicia światła, znacznie większe niż w przypadku wyświetlaczy z pla-stikową powłoką. Innym ważnym problemem PDP jest wypalanie się ekranu, zauważalne szczególnie w  trakcie długotrwałego wyświetla-nia statycznego obrazu. Wynika to ze zużycia się luminoforu, który z czasem zmniejsza jasność świecenia w tych komórkach, które dłużej

były zapalone. Pomimo iż nowoczesne luminofory są dużo bardziej odporne na zużycie niż stosowane w  pierwszych latach tego wieku, a ponadto pozwalają uzyskać większą paletę kolorów niż tradycyjne LCD, wyświetlacze PDP stopniowo tracą na popularności20.

Coraz bardziej popularną techniką wykorzystywaną do produkcji odbiorników telewizyjnych, jest technika OLED (ang. Organic Light Emmiting Diode). Polega ona na wykorzystaniu diod z  materiałów, które formalnie rzecz biorąc, są związkami organicznymi, a więc t za-wierają węgiel. Wyświetlacze OLED pojawiły się na rynku już jakiś czas temu, ale ich zastosowanie ograniczało się głównie do monochro-matycznych ekranów w  radiach samochodowych. Z  czasem zaczęły się pojawiać w cyfrowych aparatach fotografi cznych, aż w 2007 r. po-wstał pierwszy telewizor OLED.

OLED-y mają liczne zalety w porównaniu z matrycami ciekłokry-stalicznymi: mają lepszy kontrast, są cieńsze i zużywają niewiele ener-gii, a ponadto niektóre z nich mogą być elastyczne. Co więcej, ich koszt produkcji jest bardzo mały, choć obecnie są jeszcze dużo droższe niż panele LCD o porównywalnej wielkości. Pojedynczy piksel w wyświe-tlaczu OLED powstaje w zupełnie inny sposób niż w matrycach LCD i  PDP. Każdemu z  pikseli odpowiadają trzy diody OLED o  różnych barwach, zależnych od materiału, z  którego zostały wykonane. Ja-sność i żywotność elementu, czyli parametry, które decydują o obsza-rze zastosowań danego typu wyświetlaczy, także zależą bezpośrednio od zastosowanych materiałów. Pierwsze wyświetlacze OLED świeciły tylko przez kilka sekund; obecnie produkowane mają żywotność li-czoną w dziesiątkach, a nawet setkach tysięcy godzin. Nie generują tak intensywnego światła jak tradycyjne LED, ale łatwo z nich budować matryce o niewielkim rastrze. Raster to siatka stworzona na ekranie przez linie, na które podzielony jest obraz. Na diodę OLED składają się najczęściej trzy warstwy półprzewodnikowe, elektrody i obudowa. Anoda w większości przypadków jest napylana na podłoże wykonane ze szkła lub elastycznego materiału. Następnie nakładane są warstwy organiczne, które w  praktyce, ze względu na właściwości elektrycz-ne, można nazwać półprzewodnikowymi. Po przyłożeniu napięcia do

elektrod otaczających materiał organiczny następuje przepływ prądu, który dzięki zjawisku fl uorescencji (a w przypadku PhOLED – fosfo-rescencji) prowadzi do emisji fotonów o konkretnej długości fali. Ca-łość jest szczelnie zamknięta w obudowie, która może mieć grubość nawet ułamka mikrometra, ale w  wielokolorowych matrycach są to dziesiąte części milimetra, co wynika m.in. z konieczności zapewnie-nia odpowiedniej ochrony przed otoczeniem.

Rys. 21. Wyświetlacz OLED fi rmy LG

Źródło: http://lg.gadzetomania.pl/57624,przelom-na-ktory-czekalismy-technologia-oled-wokol-nas [dostęp: 10.06.2017].

Gwałtowny rozwój techniki telewizyjnych wyświetlaczy przynosi odbiorcom ciągle nowe rozwiązania.

Po OLED-ach kolejno pojawiały się: kolorowy telewizor laserowy oraz FED (od Field Emission Display) – wyświetlacz z emisją polo-wą. Ten pierwszy zwany w  skrócie „Laser TV” lub wyświetlaczem wykonanym w technologii laserowej, wykorzystuje dwa (lub więcej) indywidualne modułowe optyczne wiązki promieni lasera w celu wy-tworzenia kolorów wyświetlającego punkt obrazu, w efekcie uzysku-jąc kolorowy obraz. FED to rodzaj wyświetlacza opartego na zasadzie zderzenia przyśpieszonych elektronów z ekranem pokrytym lumino-forem, znanej ze zwykłych telewizorów i monitorów CRT, z tą różnicą, że pojedyncze działo elektronowe zostało zastąpione, wykorzystujący-mi zjawisko tunelowe – katodawykorzystujący-mi z ewykorzystujący-misją polową. Katody są wykona-ne w postaci nanorurek węglowych i pracują na zimno, dzięki czemu mogą być bardzo gęsto upakowane.

Zjawisko tunelowe to zjawisko, w którym cząstka może przebić się przez barierę potencjału wyższą niż jej energia. Przykładowo: rzucona

przez nas kula ma za małą energię kinetyczną, aby pokonać wierz-chołek góry, a jednak znajdzie się po jej drugiej stronie. Nie pokonała wierzchołka, ale wykorzystała „tunel” w górze do przejścia na drugą stronę. Emisja polowa zwana inaczej emisją autoelektronową lub emi-sją zimną, to emisja elektronów z przewodnika lub półprzewodnika pod działaniem silnego pola elektrycznego występującego w pobliżu powierzchni ciała. Elektrony wychodząc z ciała pokonują barierę po-tencjału wskutek zjawiska tunelowego21.

Rozwój techniki przynosi nieustannie nowe rozwiązania, skutku-jące nieustannym wzrostem jakości odbieranego obrazu telewizyjne-go. Ten dynamiczny rozwój techniki jest dla telewizyjnych twórców z  jednej strony gwarancją, że widz otrzyma coraz lepszy produkt, z drugiej – wymusza na nas nieustannie zapewnienie coraz wyższego poziomu produkcji.