Малая яркость и контрастность изображения. Как определить контрастность изображения. Оценка контрастности изображения

Одной из самых главных характеристик телевизора при выборе является значение контрастности изображения на экране телеприемника. Если вы выбираете телевизор по качеству картинки, то обязательно обратите внимание на значение контрастности у разных моделей.

По определению контрастность равна отношению яркости в самой светлой точке экрана к яркости точки, где самое тёмное изображение. Другими словами уровень белого делим на уровень черного и получаем контрастность. Только вот значения этих уровней можно получить только при специальной проверке телевизора с применением специализированных приборов. Поэтому простому пользователю приходится верить или производителям или различным обзорам на сайтах, где тестируют телевизоры. Кому больше доверять и как проверяют контрастность, и поговорим дальше.

Мы сказали, что контрастность одна из самых важных характеристик телевизора. Поэтому производители стараются максимально повысить это значение для улучшения продаж. Производитель может в лаборатории измерить яркость пикселя, при подаче сигнала, который никогда в реальных условиях не используется. Затем измерить яркость этого пикселя при отсутствии сигнала, что невозможно при обычном просмотре. После этого высчитывается значение контрастности. И вот значения, измеренные в таких условиях, и попадают в паспорт изделия. Из-за этого и видим сегодня, что значения контрастности многих телевизоров просто зашкаливают. Все это возможно, потому что в мире нет обязательных правил по измерению контрастности дисплеев.

большая контрастность

Разделяют статическую (естественную) и динамическую контрастность . Естественная контрастность зависит только от возможностей дисплея, а динамическая получается в результате применения дополнительных технологий.

Статическая контрастность измеряется по яркости точек в одном сюжете (самой яркой и самой темной). При измерении динамической контрастности используются технологии для её завышения. Сам телевизор при воспроизведении видео регулирует контрастность в зависимости от сюжета, который в данный момент показан на экране. То есть регулируется подсветка в жк матрице. При показе яркого сюжета световой поток от подсветки увеличивается. А когда сюжет меняется на темный (ночь, темная комната и т.д.), то и подсветка начинает уменьшать свой световой поток. Получается, что на ярких сценах из-за увеличения света от подсветки значение уровня черного плохое, а на темных сценах уровень черного хорош, но световой поток уменьшится. Нам это тяжело заметить, потому что на ярких сценах и подсвеченный черный кажется полностью черным. А на темных сценах яркость светлых объектов кажется достаточной. Такая особенность человеческого зрения.

Такая схема управления подсветкой увеличивает контрастность, хотя и не настолько как заявляют производители. И действительно многие телевизоры с динамической контрастностью выигрывают по качеству изображения у аппаратов, которые не имеют такой схемы регулировки.

Но все равно дисплеи с высокой естественной контрастностью будут цениться выше. Это можно продемонстрировать, если вывести на экран картинку, где будет изображен белый текст на черном фоне. У экрана с высокой статической контрастностью текст действительно будет белым, а фон будет черным. А вот дисплей с высокой динамической контрастностью если и покажет черный фон, то буквы будут уже серыми. Поэтому и при воспроизведении обычного видео на экране с повышенной естественной контрастностью картинка буде максимально приближена к реальному изображению. Например, на фоне вечернего неба будут яркие уличные фонари. А на фоне дневного яркого неба черная машина действительно будет черной. Такое изображение мы видим в кинотеатрах.

Максимально реальным, по контрастности , изображение было на экранах кинескопных телевизоров. Но с приходом эры HDTV эти телеприемники уступили свое место на рынке другим аппаратам. Сегодня значения высокой естественной контрастности достигаются при использовании домашних проекторов LCOS. Первое место среди этих устройств занимают аппараты фирмы JVC со своей версией D-ILA. Далее можно отметить Sony с технологией SXRD. На третье место уже можно поставить плазменные телевизоры.

Производители жк телевизоров внедрили в последние годы несколько технологий для достижения того уровня контрастности, которая возможна в других моделях. Наилучшие результаты в повышении контрастности дает применение светодиодной подсветки с локальным затемнением. При этом невозможно регулировать подсветку каждого пикселя и не происходит управление каждым светодиодом в отдельности, но все равно результат получается хорошим. Но производители отказались от самого эффективного вида подсветки, когда светодиоды расположены по всей площади экрана. Такое производство оказалось дорогим. Сегодня в основном используется так называемая боковая подсветка. Здесь светодиоды располагаются сверху и снизу. Для боковой подсветки так же разработаны схемы локального затемнения. Телевизоры с такой подсветкой показывают достаточно хорошие результаты по значению контрастности.

Во время выбора телевизора в магазине оценить качество контрастности дисплея тяжело . Мешает внешнее яркое освещение, экраны могут иметь разное покрытие: антибликовое или глянцевое. В паспорте не всегда написано правдивое значение контрастности, потому что производители его измеряют в лабораториях и при подаче на экран специальных сигналов. Даже прочитав несколько обзоров в Интернете не всегда понятно, какое настоящее значение контрастности. Ведь каждый меряет его по-своему.

Есть несколько методик измерения контрастности . Подают на вход сначала черное поле и замеряют яркость, а затем – белое поле и замеряют яркость. Получается хорошая контрастность, но при реальном просмотре никогда не будет полностью белой или полностью черной картинки. При это еще и при показе обычного видеосигнала в телевизоре включается видеообработка, которая так же вносит свои изменения. Более правдивые показания дает тест по методу ANSI, когда на экран подается шахматное поле с белыми и черными полями. Это больше соответствует обычному изображению. Но при этом белые поля будут влиять на измерения значения яркости черных полей. Так что единого правильного метода измерения контрастности нет.

Так что рекомендации по выбору телевизора с хорошей контрастностью остаются те же. Если вы будете смотреть в основном кино в затененной комнате, то лучше всего подойдет плазма. В освещенной комнате хорошие результаты покажет LCD телевизор со светодиодной подсветкой из-за своей большой яркости. Между этими моделями можно поставить жк телевизор при наличии запаса по светоотдачи. И нужно запомнить главное, любой телевизор нуждается в правильной настройке. Отрегулируйте правильно яркость и контрастность аппарата для получения максимально качественного изображения.

Дополнительно:

Как настроить контрастность / яркость изображения монитора (экрана) на ноутбуке?

Контрастность происходит от английского слова «contrast». Она есть у любого монитора, будет то телевизор, компьютер, ноутбук или даже мобильный телефон. Но, чаще всего настраивать контрастность экрана приходится именно для компьютера. Если знать алгоритм действия, то сделать это будет несложно. Контрастность является отношением яркости самого светлого участка экрана к самому темному его участку. Настройку можно проводить с помощью кнопок на мониторе. Правильно настроенная контрастность улучшить восприятие текста и изображения. Также она обеспечит реалистичную передачу цветов, если речь идет о цифровых изображениях.

Как настроить контрастность на Windows

Итак, техника у вас может быть любой марки (торговый производитель), но должна быть установлена операционная система Windows. Когда компьютер грузиться, то логотип этой системы появляется на экране. Также, уже при включенном компьютере, он отображается на кнопке «Пуск». У большинства жителей нашей страны установлена именно такая операционная система.

Итак, необходимо воспользоваться калибровкой цветов монитора. Калибровка поможет настроить не только контрастность, но и другие параметры передачи цвета по необходимости. Все необходимо подбирать исключительно под себя, но ориентироваться на усредненные показатели.

Способ настройки будет зависеть от монитора:

На передней панели некоторых мониторов находится кнопка яркости и контрастности. На некоторых мониторах эти регуляторы могут быть на задней панели. Будут использоваться стандартные обозначения для каждой характеристики.

Экранное меню. Для некоторых типов мониторов, а также для ноутбуков, настройка происходит с помощью экранного меню. Найти его можно в «Меню», которое откроется при нажатии на кнопку «Пуск». Можно посмотреть исходные значения и задать свои.

Экран ноутбука. Можно будет воспользоваться кнопка яркости на передней панели, но в старых моделях. В современных моделях нет элемента управления контрастностью. Поэтому, нужно будет использовать клавишу Fn и и нажимать на значки и для уменьшения или, соответственно, увеличения контрастности.

Какие настройки оптимальные?

Для экрана компьютера есть свои стандартные настройки контрастности, которых нужно придерживаться для комфортной работы. Несмотря даже на то, что все люди разные и требования к изображениям может быть разным.

Частота изображения на современных мониторах рекомендована в пределах от 60 до 85 Гц. Что касается яркости, она не должна быть выше 80 канделах на квадратный метр. Высокая контрастность (это, как мы уже выяснили, соотношение яркости черного и белого цвета) способна сделать изображение максимально четким. Чем показатель контрастности выше, тем быстрее будут уставать глаза. Оптимальную настройку надо производит с учетом середины на шкале, которая предлагается производителем.

Интересно! С помощью программы NTest можно подобрать наиболее точные настройки экрана под себя, а потом задать их на своем компьютере.

Это основные моменты, как нужно настраивать изображение на своем компьютере. Чаще всего, при установке операционной системы, применяются усредненные показатели. Но, для более комфортной работы необходимо покрутить их в ту или другую сторону. Кстати, восприятие изображения также может зависеть от времени суток и от того, как освещение падает на экран. Все это необходимо учитывать, подбирая характеристики под себя. Разобраться с контрастностью не сложно, хотя, придется потратить немного личного времени.

И еще полезные статьи о контрастности:

Ремонт кофеварки своими руками — проблемы, разбираем самостоятельно.
Как пользоваться соковыжималкой, инструкция и схема по эксплуатации.
Какое разрешение экрана для просмотра жк телевизора оптимальное и лучшее?
Про телевизоры с форматом сверхвысокой четкости UHDTV.
Где и как лучше купить холодильник в кредит (в рассрочку) без переплаты?

Алгоритмы улучшения качества изображений, хранящихся в растровых графических форматах, получают всё большее распространение. На сегодняшний день их существует огромное количество и беспрерывно появляются новые. Это связано с появлением новых способов и технических средств получения, передачи и воспроизводства растровых изображений. Алгоритмы обработки изображений, в основном, ориентированы на ликвидацию недоработок в технических средствах и технологиях, работающих с изображениями. Эти недоработки можно идентифицировать не только визуально, но и пользуясь описанием технических характеристик техники и технологий.

Перед тем, как улучшать изображение, необходимо дать оценку его качеству. Человек, бросив один взгляд на изображение, может сказать яркое оно или тёмное, контрастное или нет, чёткое или размытое и т.д. Алгоритмы же работают детально, анализируя изображение попиксельно или небольшими группами пикселей. Поэтому, на основании работы алгоритма, тяжело дать общую оценку качеству изображения.

К показателям, по которым можно оценить изображение как единое целое, относятся следующие:

яркость;
контрастность;
преобладающий тон;
резкость.

Прежде чем приступить к выработке критериев и методов оценки качества, необходимо выбрать цветовую модель. Наиболее удобной представляется модель RGB по нескольким причинам:

эта модель достаточна проста как для понимания, так и для математического описания;
она применяется во многих технических устройствах и, при необходимости, преобразуется в другие цветовые модели;
она близка к представлениям о природе чувствительности к цвету человеческого глаза.

Требования к критериям оценки качества изображений следующие:

показатели качества для сравнения с критериями должны вычисляться;
значения критериев должны иметь относительный характер (не зависеть от диапазона яркости RGB);
критерии должны быть понятны и наглядны для человека.

Достаточно наглядно оценка качества изображения может быть представлена с помощью RGB-гистограмм.

Рис. 1. Гистограмма тёмного неконтрастного изображения

Рис. 2. Гистограмма светлого изображения

Рис. 3. Гистограмма сбалансированного полутонового изображения

Рис. 4. Гистограмма высококонтрастного изображения

Рис. 5. Гистограмма постеризованного изображения

Недостатком этого способа является отсутствие численного выражения для показателей качества.

Цветовую модель RGB удобно представить в виде куба в прямоугольной системе координат, где в начале координат расположена точка чёрного цвета (яркость R = G = B = 0), а вдоль осей возрастают значения яркости R, G и B. На главной диагонали куба, выходящей из начала координат, расположены ахроматические цвета.

Рис. 6. Цветовая модель RGB

В вершинах куба расположены основные цвета (красный, зелёный, синий), дополнительные к ним (жёлтый, циан и пурпурный), а также чёрный и белый. На гранях куба находятся так называемые «чистые» тона.

Рис. 7. RGB - куб и его невидимые грани

Отсутствие у цвета третей составляющей - признак «чистого» тона. Появление и увеличение доли третьей составляющей в цвете приводит к снижению насыщенности тона, т.е. к приближению данного цвета к ахроматическим цветам.

Оценка яркости изображения

Яркость изображения можно выразить как среднюю яркость всех пикселей (математическое ожидание в терминах теории вероятностей).

Яркость пикселя вычисляется по формуле:

Яркость всего изображения Y, содержащего N пикселей будет равна:

Данное выражение характеризует физическую яркость изображения. Поскольку чувствительность человеческого газа к разным частям спектра неодинакова (максимальная в жёлто-зелёной, меньше в красной, ещё меньше в синей), яркость цветного пикселя будет восприниматься субъективно в зависимости от его тональных характеристик.

Рис. 8. Чувствительность человеческого глаза к различным частям спектра

Оценка как физической (), так и видимой () яркости изображения представлена в абсолютных величинах. Перейти к относительным величинам можно разделив значение яркости на максимально возможное значение яркости:

Тогда будет лежать в диапазоне . Значение 0 будет соответствовать абсолютно чёрному изображению, а значение 1 – абсолютно белому. Изображение оптимальной яркости должно иметь значение близкое к 0.5.

Оценка контрастности изображения

Контрастность изображения бывает яркостная и тоновая.

Яркостная контрастность представляет собой разницу между физической или видимой яркостью отдельных участков изображения. Вообще говоря, вычисление физической или видимой яркости можно рассматривать как конвертацию цветного изображения в ахроматические цвета. Поэтому яркостная контрастность - это сравнение двух участков изображения, приведенных к ахроматическим цветам.

Если проанализировать RGB-гистограммы, то можно сделать вывод, что у контрастного изображения количество тёмных и светлых пикселей должно быть приблизительно одинаковым, разница в их яркости - значительна, а основное место сосредоточения пикселей - возле границ диапазона.

Хорошим критерием оценки яркостной контрастности будет дисперсия яркости пикселей изображения:

Более универсальный безразмерный критерий оценки яркостной контрастности - отношение средне-квадратического отклонения к максимально возможному значению яркости:

C изменяется в диапазоне . Значение 0 соответствует однотонному изображению, значение 1 - максимально контрастному. Оптимальное значение контрастности зависит от типа объекта, представленного на изображении.

Более сложный случай представляет тоновая контрастность. Конвертированные в оттенки серого цвета могут иметь одинаковую яркость, но визуально чётко различаться.

Можно вычислить «средний тон» пикселя для всего изображения. Его удобно выразить через средние значения RGB:

Расстояние в RGB кубе между пикселями изображения и «средним тоном» определяется по формуле:

В качестве оценки тоновой контрастности изображения можно взять среднее расстояние в RGB кубе между пикселями и «средним тоном»:

В RGB-кубе максимальное расстояние между двумя точками равно длине главой диагонали:

Хорошую тоновую контрастность будут иметь пиксели, расположенные на расстоянии , или (длины ребра RGB-куба):

=~R_max"/>

Оценка преобладающего тона

Оценка тоновой насыщенности

Тоновая насыщенность - это отличие цвета от ахроматического при их одинаковой яркости. В RGB-кубе тоновую насыщенность пикселя можно выразить как расстояние до диагонали ахроматических цветов:

Для всего изображения оценка тоновой насыщенности может быть выражена как среднее значение тоновой насыщенности для всех пикселей:

Оценка резкости изображения

Понятие резкость, как характеристику аппаратных средств и технологий, можно разделить на три составляющие:

резкость, как характеристика фокусировки объектива на объект;
резкость как характеристика оборудования, позволяющая воспроизводить без искажений яркостный переход максимального контраста;
резкость как результат специальной обработки исходного изображения.

Идеальное оборудование должно обеспечить вывод информации о смене цвета в элементе изображения таким образом, чтобы никакого промежутка между цветами не было.

С физической точки зрения нерезкий переход можно рассматривать как диффузное смешение двух контрастных цветов.

С точки зрения человеческого восприятия резкость — это наличие контура контрастного перехода (яркостного или тонового) между двумя соседними частями изображения.

Для оценки резкости изображения в ахроматических цветах удобно использовать яркость пикселей. Такое изображение может быть представлено прямоугольной матрицей (размерностью соответствующей размерам изображения в пикселях), элементами которой являются значения яркости пикселя.

Рис. 9. Контрастный (сверху) и неконтрастный (снизу) переходы между цветами

Поскольку в настоящее время в большинстве случаев используется квадратный пиксель, можно составить другую матрицу (матрицу яркостных контрастов), элементами которой будут разности яркости последующего и предыдущего пикселей по горизонтали или по вертикали ( или ). Можно учитывать и диагональные разности.

Значения элементов матрицы характеризуются следующим образом:

Далее осуществляется сканирование строк для разностей по горизонтали (столбцов для разностей по вертикали) матрицы яркостных контрастов. Строка (столбец) разбивается на участки, в которые входят элементы, имеющие одинаковый знак (переходые участки) или участки со значениями элементов равными 0.

Для каждого переходного участка оценивается:

Для проведения анализа матрицы яркостных контрастов необходимо определить критерии и их значения: какое значение элемента матрицы считать контрастным переходом, а какое - нет.

Порог «минимальной заметной разницы» контрастной чувствительности (JND) или дифференциальный порог определяют согласно закона Вебера-Фехнера, который формулируется следующим образом: субъективная величина ощущения, измеренная в единицах минимальной заметной разницы, пропорциональна логарифму физической величины стимула:

Закон утверждает: ощущение разницы между близкими по величине стимулами пропорциональна величине стимулов, т.е.:

Это отношение называется пороговым контрастом, а - дифференциальным порогом. В средине дифференциального порога изменения интенсивности стимула не ощутимы.

Отношение Вебера-Фехнера (пороговый контраст) составляет 1-3%.

Таким образом, для каждого переходного участка матрицы яркостных контрастов в идеальном случае или , ~0.03"/> (здесь и далее - крутизна участка).

Поскольку критерии оценки резкости связаны с локальными участками изображения, общая оценка резкости по этим критериям будет сильно зависеть от типа объекта на изображении (документ, пейзаж и т.д.). И всё же в качестве оценки резкости всего изображения можно предложить средние значения длины и крутизны для всех n переходных участков.

Для оценки резкости цветных изображений вместо разности яркости соседних пикселей можно использовать расстояние в RGB-кубе между цветами этих пикселей:

При сканировании матрицы тоновых контрастов, подобно сканированию матрицы яркостных контрастов, необходимо контролировать тенденцию изменения тона: отрезки, соединяющие пиксели в RGB-кубе должны лежать на одной прямой. Реально они могут иметь некоторое незначительное отклонение ε. Осуществить такой контроль можно сравнивая сумму длин расстояний между цветами в RGB-кубе с расстоянием между крайними точками этой ломаной линии:

Прекращение выполнения данного условия можно считать границей участка.

И для всего цветного изображения вычисляются также, как и для ахроматического изображения.

Несмотря на грубость и приблизительность предложенных критериев и методов оценки, их можно успешно использовать для предварительного отбора изображений из больших массивов в автоматическом режиме; для предварительной оценки качества изображений с целью выбора более детальных методов оценки и т.п.

Литература:

David H. Hubel. Eye, blain and vision. – Scientific American library a division of help. – New York.
А.Гонта, Е.Седов Резкость изображения и оборудование CCTV.

Все прекрасно знаете, что фотоаппараты не идеальны и не всегда точно подбирают цвет (свет) на фото. Бывает, вспышка не успевает зарядиться и мы наблюдаем практически черный квадрат Малевича, бывает она сработает чересчур сильно и мы наблюдаем белый квадрат неизвестного художника с красными точками посередине (глазенки хомячка), а бывает что мы пытаемся не зависеть от вспышки, пробуем снять без нее, а фото получается желтовато-коричневатого мутного оттенка. Все это с легкость можно вылечить средствами Photoshop (безусловно, в разумных пределах! Конечно же, полностью черный или полностью засвеченный кадр восстановить не удастся).

Как правильно менять яркость, контрастность и насыщенность

Давайте начнем сначала с некратких, а затем кратких определений, чтобы понимать что же мы с вами меняем.

Что нам говорят по этой теме словари:

Яркость — световая характеристика тел. Отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции на плоскости, перпендикулярной оси наблюдения.

Контрастность — различимость предмета наблюдения от окружающего его фона (монохроматическое излучение); цветовая контрастность - разновидность оптической контрастности, связанная с разницей цветовых оттенков.

Насыщенность — в физическом плане насыщенность цвета определяется характером распределения излучения в спектре видимого света.

Гхм… Неудобоваримые термины… Попробую сформулировать попроще и касательно данной темы:

Яркость — количество белого цвета на вашем фото. Чем выше вы ставите яркость, тем светлее становится кадр.

Контрастность — разница между разными, расположенными рядом цветами. Чем выше контрастность, тем более резко мы наблюдаем переход от одного цвета к другому (иногда контрастность срабатывает как повышение резкости).

Насыщенность — насколько сочно и ярко у вас выглядит тот или иной цвет. Можно увеличивать ее в нескромных пределах — тогда фото начинает даже «резать» глаз.

Можно, конечно, расписать по пунктам каждую из этих характеристик, но это было бы неправильно. Правильно комплексно менять все три настройки кадра. Как? Сейчас разберем…

Возьмем для рассмотрения вот такое вот темное, слабоконтрастное фото…

Команды эти прячутся в меню «Изображение», далее «Коррекция», затем «Яркость / Контрастность» и «Цветой тон / Насыщенность»:

При нажатии кнопки «Яркость / Контрастность» мы наблюдаем такое вот окошко:

При выборе «Цветой фон / Насыщенность» вот такое:

Для начала открываем «Яркость / Контрастность» и спокойно и умиротворенно двигаем оба ползунка вправо до требуемого значения яркости и контраста (все это делается чисто интуитивным образом и в каждом случае по-своему!). Не следует выставлять всегда точно такие же значения как на этом вот кадре:

Мне вот показалось что сначала нужно выставить яркость на +120, а контрастность на +30. Но всем заметно что цвета чересчур яркие и ненатуральные. Хорошо, что мы знаем где находится меню «Цветовой фон / Насыщенность», которая нам поможет это исправить:

Мне кажется, что если сбросить значение насыщенности на 13 пунктов получается неплохо. Вот, вроде бы, и все, но я всегда перестраховываюсь и еще разок захожу в «Яркость / Контрастность», проверяя, может что -то еще следует поменять для достижения наиболее красивого результата и реалистичного фото.

Главный редактор - Владимир Крылов, к.т.н.
Зам. главного редактора - Михаил Никуличев, к.ф.н.

Первая часть статьи посвящена характеристикам современных светодиодных экранов, влияющим на качество изображения – управления яркостью методами ШИМ, формирование изображения с временным разделением и частоте рефреша экранов. Во второй части статьи рассмотрены - динамический диапазон яркости, цветопередача и контрастность экранов, драйверы и современные системы управления светодиодными экранами, электромагнитная совместимость и индустриальные помехи экранов.

Светодиодный экран – сложное электронное устройство, содержащее большое количество компонентов. Качество изображения и эксплуатационные характеристики светодиодного экрана зависят как от параметров компонентов, используемых в экране, так и от возможностей системы управления данным экраном.

С точки зрения качества изображения важны следующие характеристики экрана:

разрешение экрана (т.н. пространственное разрешение), в случае светодиодных экранов обычно выражаемое в виде расстояния между пикселями (pitch size);
максимальная яркость (измеряемая в Нитах);
динамический диапазон яркости, выражаемый в количестве уровней яркости, которые возможно отобразить на светодиодном экране (эта характеристика носит также название радиометрического или энергетического разрешения);
частота смены кадров, выражаемая в количестве кадров, показываемых за секунду (fps) (это временное разрешение);
частота обновления кадра (частота рефреша), измеряемая в Герцах (это тоже временное разрешение);
спектральное разрешение – насколько много спектральных составляющих формируют изображение;
однородность цвета по всему экрану;
баланс белого цвета и возможность его настройки;
линейность восприятия яркости – субъективная характеристика качества изображения, которая выражается в возможности различать глазом близкие уровни яркости, как на темных участках изображения, так и на ярких;
контрастность изображения экрана;
характеристика изменения качества изображения экрана в зависимости от угла обзора;

Кроме качества изображения отметим также такие эксплуатационные характеристики светодиодного экрана:

наличие системы мониторинга состояния светодиодного экрана;
развитость ПО (программного обеспечения) системы управления (возможность построения сетей светодиодных экранов, в том числе сетей, содержащих как светодиодные, так и LCD экраны, возможность управления экранами через Internet, наличие встроенной подсистемы информационной безопасности);
уровень электромагнитного излучения в виде индустриальных радиопомех, создаваемых светодиодным экраном.

Рассмотрим некоторые из вышеперечисленных характеристик подробнее.

Формирование изображения на светодиодном экране и управление яркостью

Широтно-импульсная модуляция (PWM) и частота рефреша (refresh rate)

Исходное изображение для вывода на светодиодный экран формируется в виде компьютерного файла, чаще всего в виде видеоролика в некотором формате (*.avi, *.mpg). Этот файл декодируется управляющим компьютером (или видеоконтроллером), затем преобразуется в специальный цифровой поток, подающийся на микросхемы драйверов постоянного тока, которые, в свою очередь обеспечивают пропускание электрического тока через светодиод, что и вызывает излучение в определенном спектре.

Для формирования различных уровней яркости излучения светодиодов применяют технику широтно-импульсной модуляции - ШИМ (PWM - Pulse-width modulation). Суть этой техники заключается в том, что в зависимости от необходимого уровня яркости ток не постоянно подается на светодиод, а только в течение некоторого времени (зависящего от требуемого уровня яркости), затем прекращает подаваться, затем снова подается и т.д. Например, для формирования яркости в половину от максимальной надо пропускать ток половину времени некоторого цикла, в четверть яркости – четверть времени, и т. д. Иными словами, светодиод работает в режиме “включен-выключен”, причем время включения пропорционально требуемому уровню яркости.

Из этой техники следует, что на светодиоде (а значит и на экране) изображение формируется циклично. Время минимального цикла, за который происходит последовательное «включение» и “выключение” светодиода называется периодом обновления (рефреша, refresh time). Чаще используется обратная величина – частота рефреша (refresh rate).

Рассмотрим пример. Пусть частота рефреша светодиодного экрана равна 100 Гц. Если нам нужно обеспечить полную яркость – 100%, то мы постоянно подаем ток на светодиод весь период рефреша, равный в данном случае 1/100 с = 10 мс. Если требуется яркость 50%, то за это время мы в течение 5 мс подаем ток, в течение следующих 5 мс не подаем, в следующий цикл снова 5 мс подаем, 5 мс – нет и т.д. Если требуется яркость в 1% от максимальной, то ток подается в течение 0,1 мс и не подается в течение 9,9 мс.

Кроме этой техники применяются модифицированные методы PWM: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch), Adaptive Pulse Density Modulation (MY-Semi). Суть этих техник заключается в “размазывании” времени “включения” светодиода по всему периоду рефреша. Так формирование 50%-ой яркости при частоте рефреша 100 Гц может выглядеть так: 1 мс - светодиод включен, 1 мс – выключен, 1 мс – включен, 1 мс – выключен и т.д. То есть для 50% яркости можно сказать, что период рефреша уменьшился в 5 раз и стал равен 2 мс. Соответственно частота рефреша увеличилась и стала 500 Гц. Но эти цифры справедливы лишь для формирования 50% яркости. Для каждой схемы формирования яркости есть минимальная яркость – 1 импульс (некоторое минимальное время) включения светодиода и остальное время он выключен.

Таким образом, четкая цикличность присущая традиционному PWM при применении модифицированных методов искажается, поскольку, в зависимости от уровня яркости можно выделить периоды с меньшим временем (и следовательно большей частотой рефреша). Можно, например, сказать, что для данного светодиодного экрана частота рефреша изменяется от 100 Гц до 1 кГц. Это означает, что минимальную яркость на светодиодном экране мы показываем с периодом рефреша 100 Гц. А при формировании больших уровней яркости можно выделить периоды (“включения-выключения” светодиодов) с меньшей длительностью.

Итак, для модифицированных методов PWM такое понятие как частота рефреша может трактоваться неоднозначно. Однако, если рассматривать период рефреша как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всех уровней яркости , то это значение не зависит от схемы формирования PWM.

Чересстрочная развертка или временное разделение (time division) светодиодных экранов

В ряде случаев конструкцией светодиодного экрана предусмотрен такой метод формирования изображения, при котором в один момент времени ток не может быть подан на все светодиоды сразу. Все светодиоды экрана разбиваются на несколько групп (как правило, две, четыре или восемь), которые включаются поочередно. То есть описанные выше методы формирования изображения применяются поочередно к каждой из этих групп. В случае двух таких групп формирование изображения аналогично применяемой в аналоговом телевидении чересстрочной развертке.

Данный способ применяется, в основном, для удешевления светодиодных экранов, так как для его реализации требуется меньше светодиодных драйверов (в два, четыре, восемь раз - в число раз соответствующее количеству поочередно включаемых групп), которые составляют существенную часть стоимости светодиодного экрана. Кроме этого, метод временного деления практически неизбежен при высоком разрешении (то есть малом шаге) светодиодного экрана, так как в этом случае чрезвычайно сложно обеспечить размещение большого количества драйверов и их теплоотвод.

Следует понимать, что при применении этого метода снижается максимальная яркость светодиодного экрана, а также уменьшается частота рефреша (в количество раз соответствующее количеству групп).

Предположим, что мы производим временное деление между двумя группами светодиодов. На одну группу подается ток в соответствии с требуемой яркостью и используемым методом PWM. Другая группа в это время отключена от источника тока. По прошествии периода рефреша группы меняются – теперь на вторую подается ток, а первая отключена. Поэтому, общий период, за который обновляется вся информация на светодиодном экране, увеличивается в два раза.

Понятие частота рефреша в этом случае еще более размывается. Строго говоря, период рефреша как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всего светодиодного экрана, увеличивается. Однако, если для каждой группы рассматривать только период, на котором формируется изображение методом PWM, то частота рефреша – прежняя.

Частота рефреша светодиодного экрана и человеческий глаз

Частота рефреша, в первую очередь, влияет на восприятие изображения глазом человека. Изображение, образно говоря, постоянно “мерцает”, хотя и с достаточно высокой частотой. Восприятие человеком световых образов – явление психофизическое и устроено таким образом, что отдельные вспышки света суммируются во времени. Это суммирование происходит в течение определенного времени (10 мс) и зависит от яркости вспышек (закон Блоха). Если свет “мерцает” достаточно быстро, с частотой выше некоторой пороговой (CFF – Critical Flicker Frequency), то глаз человека воспринимает этот свет так же, как если бы он горел постоянно (закон Тальбо-Плато). Пороговая частота CFF зависит от множества факторов, таких как спектр источника света, расположение источника по отношению к глазу, уровень яркости. Однако, можно с уверенностью сказать, что при обычных условиях эта частота не превышает 100 Гц.

Таким образом, если рассматривать восприятие изображения на светодиодном экране, сформированного методом PWM или модифицированным PWM, человеческим глазом, то изображение с частотой рефреша 100 Гц и 1 кГц будут восприниматься одинаково.

Частота рефреша экрана и видеокамера

Однако, в качестве воспринимающей системы может выступать не только глаз человека, но и видеозаписывающая аппаратура, которая имеет характеристики, отличные от глаза. Это особенно актуально для светодиодных экранов, установленных на стадионах, спортивных сооружениях или концертных площадках, с которых обычно ведется видеотрансляция. Время экспозиции, или выдержка (shutter speed), в современных видеокамерах может меняться от секунд до тысячных долей секунды.

Рассмотрим светодиодный экран, в котором изображение формируется традиционным методом PWM с частотой рефреша 100 Гц. На экране демонстрируется статическое изображение. Предположим также, что мы снимаем светодиодный экран видеокамерой с выдержкой 1/8 с, т.е. время экспозиции 125 мс. За это время на фотосенсор попадет свет от 12,5 периодов рефреша. Когда мы делаем серию кадров с данной выдержкой, то разница в световом потоке, попадающем на светочувствительный элемент, не превышает потока, сформированного светодиодами за 0,5 периода рефреша, т.е. не более 4% от всего потока. Разница образуется за счет того, что видеокамера и светодиодный экран, естественно, не синхронизированы и каждый кадр, сделанный видеокамерой, попадает в разное время относительно начала цикла рефреша светодиода. Таким образом, видеоизображение с камеры будет показывать достаточно ровную картинку со светодиодного экрана.

Теперь уменьшим выдержку, с которой мы снимаем до 1/250 с, время экспозиции равно 4 мс. Это время в 2,5 раза меньше периода рефреша. Теперь соотношение между временем начала кадра видеокамеры и началом цикла PWM будет иметь существенное значение. Одни кадры могут попасть в начало цикла, другие в середину, третьи в конец. Таким образом, образуется значительная погрешность в световом потоке в разных кадрах. То есть, изображение, проигрываемое на видеокамере, будет случайно менять яркость, будет “плыть”. Кроме того, уменьшится яркость изображения, что, впрочем, характерно для всех снимаемых на короткой выдержке объектов. Если еще уменьшить выдержку, то с большей вероятностью будут появляться черные кадры (когда начало кадра видеокамеры попадает на тот участок цикла PWM, где светодиод “выключен”) и изображение с камеры начнет мерцать.

Таким образом, если мы хотим снимать на видеокамеру светодиодный экран, на котором изображение формируется с использованием традиционного PWM, то частота рефреша должна быть сопоставимой или превосходить выдержку, с которой снимает камера.

В случае применения модифицированных методов PWM можно провести те же рассуждения. В силу “размазывания” времени включения светодиода по циклу PWM на больших яркостях, изображение, снятое на видеокамеру будет более стабильно, чем при применении традиционного PWM. Но на малых яркостях ситуация остается прежней – картинка будет либо менять яркость, либо мерцать. Поскольку реальное изображение содержит, как правило, различные уровни яркости, то изображение, снятое на видеокамеру также будет иметь погрешности, хотя и иного свойства.

Итак, при видеосъемке избежать наличия искажения изображения при произвольных параметрах съемки не удается. Всегда можно найти значение выдержки, при которой видео будет искажено. Ситуация аналогична съемке аналогового телевизора аналоговой же камерой. В силу различий в частоте развертки при подобной съемке на снимаемом телевизоре видны диагональные черные полосы.

Более важным для видеосъемки светодиодного экрана представляется вопрос однородности изображения, снятого на видеокамеру. Светодиодный экран – конструкция модульная, состоящая из нескольких блоков, изображение на которых непосредственно формируется различными контроллерами. Если эти контроллеры не синхронизируют начало цикла PWM, то есть начало цикла на разных участках светодиодного экрана приходится на разное время, то при съемке может произойти следующая ситуация. На одном участке светодиодного экрана начало кадра видеокамеры может совпасть с началом цикла PWM, а на другом, например, на середину. Если выдержка сопоставима с периодом рефреша, то на одном участке изображение будет светлее, а на другом темнее. Все изображение на светодиодном экране в этом случае будет разбиваться на прямоугольники разной яркости, что представляет больший дискомфорт для зрителя.

Стоимость увеличения частоты рефреша светодиодных экранов

Независимо от способа генерации PWM схемы их реализующие имеют общие черты. Схема генерации PWM имеет некоторую тактовую частоту F pwm . Пусть требуется сгенерировать N уровней яркости. В этом случае частота рефреша F r не может превышать F pwm /N .

Для иллюстрации приведем некоторые примеры:

Приведенные цифры предполагают, что существуют независимые схемы формирования PWM для каждого светодиода, то есть схема PWM реализована непосредственно в светодиодных драйверах экрана.

В случае применения простых драйверов и формирования PWM на контроллере светодиодного экрана, необходимо учитывать, сколько драйверов соединены последовательно и обслуживаются одной схемой PWM. Если одной схемой PWM обслуживаются M драйверов с 16-ю выходами, то частота рефреша не может превышать F pwm /(N*M*16) , что приводит к значительному уменьшению частоты рефреша либо необходимости существенно увеличивать тактовую частоту.

В случае применения временного деления (чересстрочной развертки), как мы уже говорили, частота рефреша уменьшается пропорционально коэффициенту деления.

Итак, для увеличения частоты рефреша светодиодных экранов возможны следующие варианты:

применение “интеллектуальных” драйверов;
увеличение тактовой частоты схемы генерации PWM;
уменьшение количества уровней яркости (глубины цвета).

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Так интеллектуальные драйверы дороже обычных, повышение тактовой частоты увеличивает энергопотребление (а значит тепловыделение, необходимость теплоотвода во избежание перегрева), уменьшение количества уровней яркости снижает качество изображения.

Рефреш светодиодных экранов: Выводы

Часто такой параметр как частота рефреша светодиодных экранов используется в маркетинговых целях как один из показателей качества изображения. Предполагается, что чем выше частота рефреша, тем лучше светодиодный экран при прочих равных условиях. Однако, иногда приводятся цифры, вводящие в заблуждение потенциального покупателя. Например, указание частоты рефреша в несколько килогерц, как мы видели, может означать либо применение модифицированных методов PWM, для которых частота рефреша различна для различных уровней яркости, либо уменьшение глубины цвета.

Следует понимать, что высокие значения частоты рефреша и, одновременно, глубины цвета, скорее всего, предполагают, что этот рефреш в светодиодном экране достигается на определенных (высоких) уровнях яркости.

В случае применения чересстрочной развертки может быть указана частота соответствующая одному циклу PWM для одной группы светодиодов, в то время как реальная частота рефреша экрана (которая влияет на восприятие) в несколько раз ниже.

Более информативным, видимо, является указание глубины цвета и тактовой частоты PWM, с возможным добавлением диапазона частоты рефреша экрана (например, 200-1000 Гц) в случае использования модифицированных методов PWM. Если в светодиодном экране применено временное деление, то необходимо явно указать на этот метод формирования изображения (например time division = 1:1 – нет временного деления, time division = 1:2 – одновременно PWM работает на половине экрана и т. д.).

Для восприятия глазом этот параметр светодиодного экрана вообще несущественен. Для частот выше 100 Гц глаз человека не увидит разницу в качестве изображения. Следовательно, необходимо понять, нужна ли высокая частота рефреша и стоит ли за нее платить.

В случае активного использования светодиодного экрана в процессе видеосъемки этот показатель становится существенным, но следует также обратить внимание на однородность изображения при видеосъемке. Для таких светодиодных экранов, возможно, лучше провести тестовые съемки, чем полагаться лишь на такой параметр как частота рефреша.