WIZUALIZACJA INFORMACJI Problemy, stan obecny, perspektywy rozwoju

WIZUALIZACJA INFORMACJI Problemy, stan obecny,

perspektywy rozwoju

dr hab. inż. Bogdan B. Kosmowski, prof. P.G.

Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Katedra Optoelektroniki

Politechnika Gdańska 80-952 Gdańsk Narutowicza 11/12 tel.(48 58) 3471084 fax. (48 58) 3471848 e-mail kosmos@eti.pg.gda.pl

• System wizualizacji informacji

• Displeje optoelektroniczne - klasyfikacja,

- charakteryzacja, - parametry.

• System wzroku człowieka - budowa,

- właściwości,

- możliwości percepcyjne, - achromatyzm – barwa, - kolorymetria w systemie wzroku człowieka.

• Wybrane technologie płaskich displeji - LCD,

- Plazma – OLED, - e-ink – FED,

- DLP, - EL.

• Co zdarzy się jutro w świecie wizualizacji?

- wzrost rozdzielczości, - moce sterowania, - barwa,

- nowe zastosowania („inteligentne” i inne!)

Plan referatu

„Displeje są oknami w wiek informacji”

Displeje są najtrudniejszymi w realizacji elementami elektronicznymi:

- zależność efektu percepcji informacji od psychofizycznych właściwości operatora,

- wielorakie charakterystyki, zespoły parametrów, (optyczne, elektryczne, ...),

- wpływ zmiennych warunków oświetlenia otoczenia na postrzeganie displeji,

- przetwarzanie energii,

- bardzo szerokie pasmo przetwarzanych sygnałów,

Każdy z nas jest ekspertem w dziedzinie displejów; mając dwoje oczu

– a to wystarczy aby...

System przetwarzania / transmisji obrazów

OBIEKT

Źródło obrazu

SYSTEM OPTYCZNY

KAMERA

Sensor Skaner

SYSTEM TRANSMISJI

Modulacje

OPERATOR Obserwator

DISPLEJ System wizualizacji

informacji

ODBIORNIK Demodulacja Sygnał elektryczny

-świecący -stały / zmienny -2D / 3D -B/W / Kolor

ustalone / zmienne parametry

-rozdzielność -czułość -jednorodność -pamięć / bez pamięci

-stopnie szarości -skala barw

-próbkowanie -filtrowanie -modulacje -kompresja

OBRAZ

-Hardcopy -Soft (monitor) -2D, 3D -B/W / Kolor -obrazy stacjonarne/

ruchome

-demodulacja -dekompresja -korekcja sygnału / błędów

-OCR

KOMPUTER Software Zbiory / Pamięć

System wizualizacji informacji

- Źródło informacji

- Układ sterujący displeja - -kontroler - Displey, wyświetlacz, ekran

- Operator

Zadania

Transformacja i prezentacja informacji dla jej skutecznego przekazania do systemu wzroku operatora

(bez względu na warunki techniczne, optyczne,psychotechniczne) Właściwości

Parametry – charakterystyki - optyczne,

- fotometryczne (transmisja, reflektancja), - widmowe (kolorymetria),

- elektro-optyczne (statyczne, dynamiczne), - elektryczne (, J, P, f, ...),

- ergonomiczne,

- przestrzenne ( rozdzielczość, kąt obserwacji), - niezawodność.

Domeny Zastosowań Displeji (I)

- systemy stacjonarne,

- urządzenia przenośne ( zasilanie bateryjne) Displeje:

Bezpośredniej obserwacji:

- monitory (komputery, komunikacja, przemysł, sterowanie, .. ), - aparatura medyczna (EKG, EEG, tomografia, „image fusion” ...), - telemedycyna,

- samochody,

- DTP - lotnictwo,

- informacja publiczna, - ...

Projekcyjne:

- edukacja, - reklama, - rozrywka, - ...

Systemy 3D: - symulatory, - (lv), - LCD, - VR

Domeny Zastosowań Displeji (II)

Parametry charakterystyczne displeji optoelektronicznych.

Pasywne

Displej LCD PDP EL VFD LED

AC 2-5 AC / DC AC DC DC

MUX12 - 20 90 - 250 160 - 220 12 - 40 2-5

1-10 1-10 1-10 ~X ~10

A/cm² mA/cm² mA/cm² mA/cm² mA/cm²

CR 10-20-50 30 40 50 40

t 30 -150ms 10 -20s 100s 10s <s

L

(cd/m²) -- 90 -170 60 - 100 360 - 400 150 (lm/W) 0,3 - 0,1 0,3 - 1,5 10 0,1 - 1,5

B/W Red-

orange

Green etc.

Red- orange, Full colour

Red- orange

etc

+ multi colour

yellow, green, blue + Full

colour

PAMIĘĆ + + + - - - / +

Aktywne

10-30 x10³

1s 100-300

30 CRT Us (V)

BARWA

Yellow- orange

etc.

Full colour

I _S X0- X00

mA

Układ wzroku człowieka - budowa

Układ wzroku człowieka Właściwości

percepcyjne operatora

Układ wzroku człowieka – właściwości (I)

Zależność częstotliwości migotania od luminancji i barwy

Postrzeganie migotania

Optymalne zakresy kątowe pola

widzenia operatora

Układ wzroku człowieka – właściwości (II)

Proces adaptacji oka do ciemności

L = C L

Zależność czułości progowej L / L od luminancji obiektu

Układ wzroku człowieka – właściwości (III)

B= k (L - L

)

Jaskrawość B ( Brightness)

 

 

CR MAX L L

MIN L ^ONL ^OFF CR

ON OFF

 ,  

, 1 

 

 

C ABS L L

MAX L^ON L ^OFF C

ON OFF

 

, 0  1

Postrzegany kontrast w funkcji

luminancji otoczenia

n  0,33 0,44

Układ wzroku człowieka – właściwości (IV)

Zjawiska związane z procesem widzenia:

adaptacja do jasności - dostosowanie wzroku do poziomu oświetlenia

adaptacja do barwy - zanikanie postrzegania różnicy wrażeń barwnych obiektów o identycznych charakterystykach widmowych, a obserwowanych kolejno w różnych warunkach (widmowych) oświetlenia

kontrast barwny następczy - pojawienie się chwilowych powidoków barwy dopełniającej do postrzeganego poprzednio bodźca

kontrast barwny równoczesny

- różnice wrażeń barwnych identycznych widmowo obiektów, oświetlonych tym samym (identycznym widmowo) źródłem, lecz znajdujących się w otoczeniach o różnych barwach.

kontrast równoczesnej luminancji

- pola testowe o identycznej luminancji są różnie postrzegane - zależnie od luminancji tła. Z identycznych pól to postrzegana jest jako jaśniejsze, które otoczone jest ciemniejszym tłem.

Układ wzroku człowieka – właściwości (V)

     



 K

 

^  V ^ d ^

380 780

Czułość widmowa widzenia

Kolorymetria (I)

Barwę charakteryzujemy trzema atrybutami:

- luminancja [cd/m

]

- chromatyczność: - odcień, - nasycenie

Ilościowa ocena właściwości obiektów barwnych - metody analizy kolorymetrycznej, wraz z procedurami pomiarowymi - systemy kolorymetryczne CIE - CIE 1931, CIE 1964, CIE LUV, CIE LAB

Tk() - widmo transmisji obiektu, B() - widmo iluminantu - składowe trójchromatyczne widmowe

     

   T

   



   



   

Y k





   

Z k



 

y d





100

  

x X

X Y Z

  

y Y

X Y Z

  

z  Z x y z, ,

x+y+z=1

x, y, z - współrzędne barwne CIE 1931

Kolorymetria (II)

Składowe trójchromatyczne widmowe

Wykres chromatyczny

Kolorymetria (III)

Mac Adam ellipses in CIE 1931 x,y chromaticity diagram.

[The axes of the plotted ellipses are 10 times their actual lengths]

CIE 1931 COLOUR SPACE

Visual sensitivity to small colour differences CIE UNIFORM COLOUR SPACES - CIELUV, CIELAB

CIE 1976 L* a * b*

Systemy kolorymetryczne (I)

RÓWNOMIERNE PRZESTRZENIE BARW

CIE LUV

jasność CIE 1976

Y,u’,v’ –badany bodziec barwowy

Y_n,u_n’, v_n’ – określony biały bodziec achromatyczny dla

Różnica barw CIE 1976 (L*, u*,v*)

008856 ,

Y 0 16 Y

YY 116

* L

n 3

1 n



 



 



 









L 13

*

u  ^*  _n    ^*  _n  

Z 3 Y 15 X

X u 4



 

 X 15Y 3Z

Y v 9



 



Yn

3 Y . 903

L^  ^0.008856

Y Y

n



     





*uv L u v

E      



Systemy kolorymetryczne (II)

nasycenie CIE 1976 (u,v)

chroma CIE 1976 (u,v)

kąt odcienia CIE 1976 (u,v)

różnica odcieni CIE 1976 (u,v)

   





uv 13 u u v v

S    

 

2 2 1

* 2

*

*

uv u v L* S

C    

   

 

* u

* tgv arc u

' u v ' v tg arc

h_uv   ^'_n  ^'_n 

     





*

uv E L C

H      



CIE 1976 Lab

Y 16 116 Y L

1/3

n

 



 



 

















 







 



 















 







 



 

3 1

n 3 1

n

*

3 1

n 3 1

n

*

Z Z Y

200 Y b

Y Y X

500 X a

01 . 0 ,

, 

n n

n Z

Z Y

Y X

dla X

X,Y,Z – badany bodziec barwowy

X_n,Y_n,Z_n – określony biały bodziec achromatyczny

Yn

3 Y . 903

L^  ^{, , 0.008856}

n n

n Z

Z Y

Y X

dla X

Systemy kolorymetryczne (III)

różnica barw:

     





*ab L a b

E      



Przestrzeń barw CIE 1976 L*u*v*

Wpływ oświetlenia na prezentację barw

Wpływ oświetlenia na postrzeganie barwy obrazu.

Wpływ rodzaju źródła oświetlenia.

Oświetlenie D₆₅, R=0,2 L₀=0.10.100 L_CRT=1

Ocena właściwości displeja

* ocena obiektywna:

– pomiary fizyczne (fotometria, kolorymetria), laboratorium

* ocena subiektywna:

– pomiary psychofizyczne, czytelność, postrzegalność, współdziałanie operatora, wpływ warunków otoczenia !

Kryterium oceny czytelności: - jest poprawność (prawdopodobieństwo błędu) postrzeżenia i zrozumienia informacji prezentowanej na displeju.

Elementy procesu:

- błąd postrzegania symbolu,

- błąd czytania wyrazu,

- średni czas obserwacji i wyszukiwania symbolu,

- parametry fizyczne; oświetlenie otoczenia; luminancja displeja; reflektancja displeja i

elementów otoczenia, kąt widzenia, odległość,

- fonty, kształt, wielkość, odstępy między symbolami, wyrazami,

- warunki działania operatora – adaptacja, akomodacja, temperatura, zakłócenia itp.

Efekt – czytelność – zależy zarówno od właściwości fizycznych displeja jak i od procesu psychofizycznego percepcji informacji przez operatora.

Parametry charakteryzujące stan optyczny displeja (I)

DISPLEJE:

- ACHROMATYCZNE

- MONOCHROMATYCZNE - POLICHROMATYCZNE - BARWNE

PARAMETRY:

- jasność, luminancja [ON, OFF], [symbol tło],

- kontrast, wsp. kontrastu, modulacja,

- podstawowa barwa displeja,

- kontrast barwny, (różnica barw),

- skala szarości, odcieni,

- rozkład przestrzenny jasności, kontrastu,

- rozkład przestrzenny właściwości dynamicznych.

KONTRAST:

-współczynnik kontrastu

-kontrast

-modulacja

 

 

 1 CR

L , L Min

L , L CR Max

1 0

1 0

 





Max

L L C ABS

1 0

1

0   



CR 1 1 C 

 





M ABS

1 0

1

0  



 

L_o,L₁ – luminancja displeja w stanie ON i OFF, (symbol / tło)

Parametry charakteryzujące stan optyczny displeja (II)

KONTRAST BARWNY

- różnica barw CIE LUV,

- displeje o addytywnym mieszaniu barw

Dla oceny kontrastu barwnego obiektów o subtraktywnym mieszaniu barw zalecono stosowanie różnicy barw CIE Lab:

Dla monochromatycznych displeji stosowane są współczynniki różnicy barw (color difference ratio )– S Kobayashi:

jest „czarnością” ciemnego stanu displeja,

jest „białością” stanu jasnego ( displeja achromatycznego).

     





uv L u v

E      



     





ab L a b

E      



  



*

* uv

* uv uv

*

* uv

uv 100 B

B E , w CDR

100 w E

,

CDR 

 



 

    ^{ }

B_uv^*   L^*  u^*  v

 

100 ^{2 2 2}

12

   

W_uv^*   L^*  u^*  v

 

100 100 ^{2 2 2}

12

Parametry charakteryzujące stan optyczny displeja (III)

Jako dodatkowe wielkości charakteryzujące displej stosuje się:

-nasycenie barwy

- chromatyczność (chroma)

- kąt barwy (hue angle) określający barwę w wielkościach liczbowych

   

S u u v v C

uv n n Luv

* ' ' ' ' *

     *

 

 

13 ^{2 2}

12

   

 

 ^{   }



12

* 2

* 2

*

uv u v C a b

C    



 



 



 



  _*^* _{ab *}^*

uv a

tg b arc u h

tg v arc h

Wizualizacja informacji B.B.Ko smowski

28

Displeje ciekłokrystaliczne

G - H PLA N.

W - T STN PDL C HPD LC TN AM AA TFT SmC R-

- gość - gospodarz - tekstura planarna - zmiana fazy C.K.

- super twisted nematic

- C.K. zdyspergowane w polimerze - holographic PDLC

- twisted nematic - aktywne matryce - aktywne adresowanie - Thin Film Transistor

- smektyczne C.K.(chiralne, ferroelektryczne) - reflective optically compensated bend

- multiple line addressing

Driving of LCD panels (I)

PASSIVE ACTIVE MATRIX

Driving of LCD panels (II)

+ cheap + superior optical parameters +  luminance + dynamic - video pictures

- long switching times - aperture - increase of illumination power

- viewing angle

- compensation (DSTN) - cost, yield

PASSIVE ACTIVE MATRIX

STN

LCD_IPS

+ - b. szeroki kąt obserwacji,

- stan OFF - „idealnie ciemny, bez elementów kompensujących,

- prosta struktura elektrod, filtry barwne bez elektrod ITO, - zredukowanie zmian barwy w zależności od warunków obserwacji

- czasy przełączania  50 msek - - zmniejszony współczynnik apertury

Displeje plazmowe - PDP

AC - PLASMA DC - PLASMA

- 75 % kosztów - elektronika - drivery U_pp ~100 + 150 V

- niejednorodność parametrów - sprawność świetlna

AC PDP

 = 1 lm/W L ~ 300 cd/m² (MgO EBeam)

DC PDP

 = 0,4 lm/W L ~ 150 cd/m² (tańsza produkcja)

Perspektywy:

  2 lm/a L ~ 700 cd/m² Panele o przekątnej > 40” !

Plasmatron

1995 SONY 25” 16 : 9

PALC Plasma addressed LC (matryca aktywna sterowana przełącznikami plazmowymi

768 x RGB x 448

L ~ 250 cd/m

CR = 70 : 1 260 · 10

barw - prosta struktura elektrod

- technologia adaptowalna do wielkowymiarowych displeji (sitodruk)

- niższe koszty produkcji, większy uzysk.

DLP (DMD) – Digital Light processing (I)

DLP (DMD) – Digital Light processing (II)

ZALETY:

 cyfrowa informacja obrazu,

 cyfrowe sterowanie skalą stopni szarości (PWM),

 cyfrowe sterowanie reprodukcją barwy (PWM),

 wysoka sprawność świetlna (system refleksyjny) (~ 60%),

 minimalne zniekształcenia obrazu (matryca luster),

 duża apertura pikseli (~ 0,9),

 niezawodność.

Zastosowania:

 projekty „ business“ [ marketing, szkolenia, nauczania]

 teatr domowy [ TV, DVD]

 „ściany video“ [ centra dowodzenia, nadzoru...]

 komercyjne zastosowania rozrywkowe [kino cyfrowe]

 optyczne sieci [ multipleksowanie]

 inne zastosowania...

DLP (DMD) – Digital Light processing (III)

CHARAKTERYSTYKA MODUŁU DLP

ROZDZIELCZOŚĆ:

(PIKSELE)

16x16 m. VGA - SVGA (480  10³)

ilość 500÷1,3  10⁶ (1280x1024)- 2.3x10⁶(2048x1152)

MOD PRACY REFLEKSYJNY / PAMIĘĆ STANU ON/OFF

STOPNIE SZAROŚCI 256 /sterowanie rozdziałem czasowym ON/OFF/

CZASY PRZEŁĄCZANIA 10 sek

APERTURA PIKSELI ~ 0,9

SPRAWNOŚĆ ŚWIETLNA  ~ 0,6 (całego barwnego systemu)

BARWA 1610⁶barw,1DMD-sekw., 2-3DMD - addytyw.

STRUMIEŃ ŚWIETLNY 1000 lumenów (3 DMD) 350 lumenów (1 DMD)

KONTRAST 125 : 1

ROZMIAR OBRAZU do 3 4,5 m

NIEZAWODNOŚĆ >210  10⁹ czas działania > 5 lat min. 450  10⁹ przełączeń

NAPIĘCIE STERUJĄCE Max 5 V (CMOS)

OBUDOWA optyczna, hermetyczna

Zastosowania:

Przenośne urządzenia (PDA, Palmtop, e-reader, telefony komórkowe)

Urządzenia o wymaganej bardzo wysokiej czytelności w dynamicznie zmiennych warunkach oświetlenia.

Właściwości:

- czytelność

- bardzo wysoka reflektancja (jaskrawość) papier R 0,65, e-ink  0,42

- bardzo mała moc sterowania (efekt pamięci) xmW-xW

- cienkie, lekkie, elastyczne (0,25 mm!)

- szeroki zakres kąta obserwacji („papier”)

Displeje elektroforetyczne

OLED (organic-LED)

-PRZEWODNOŚĆ POLIMERÓW OK. 10^-12 [ CM ]^-1

-PRZEWODNOŚĆ SPRZĘŻONYCH

DOMIESZKOWANYCH POLMERÓW OK. 10⁵[ CM ]^-1 -GRUBOŚĆ PODŁOŻA :

SZKŁO 0,5 – 0,7 MM PLASTYK 0,3-0,5 MM

Eastman Kodak and Sanyo Electric developed this active-matrix, full-color organic display, only 1.8 mm thick, for digital still and video cameras and other portable imaging products. With a 2.4-inch diagonal screen and integrated drive electronics, the bright display has 852 by 222 pixels, a contrast ratio of more than 250:1, and a peak luminance of 200 cd/m².

A. SMALL MOLECULE” B. POLIMER LED

KODAK CDT, ...

Light Emitting Polymer technology has many exciting features that make it applicable for a wide range of display markets - from low information content applications like segmented displays through to full colour video and graphics displays.

Here are some of the features and potential benefits of LEP technology:

Feature: Benefit

Processability: Flexible substrates possible; large area coating; Simple construction Single substrate processing

Light Emitting/Optical No Backlight; No Colour filter; No polarizers;

High contrast; No aperture loss; 180 degree viewing angle

Patternable: Define complex light emission patterns simply

Very high resolution potential; Any pixel shape and size possible

Low voltage: Battery driven devices; DC drive; <5V activation; No high voltage

Formable Substrates: Innovative designs for end products; Displays shaped to product;

Easy manufacturing integration; Continuous coating for manufacture Fast Switching Speed: Video display capability; Unaffected by temperature

Lightweight: Portability; Ultra thin materials; Potential System-on-Glass structures

Solid State devices: Ruggedness; No open cell; No vacuum

Thin films: Allows use of polarisers to give high contrast; Ultra thin construction;

Features and Benefits of LEP Technology