Budapest Műszak és Gazdaságtudomány Egyetem Mechatronka, Optka és Gépészet Informatka Tanszék CRT Montor gammakarakterszkájának felvétele 9. mérés
Mérés célja: Számítógéppel vezérelt CRT montor gamma karaktersztkájának felvétele Felhasznált eszközök: - CRT montor - PC a mérő szoftverrel - Gossen PROFISIX fotográfa fénymérő Elmélet háttér: A CRT montorok felépítése és működése A számítástechnka területén jelenleg még a CRT (katódsugárcsöves, Cathode Ray Tube) montorok a legelterjedtebbek, bár a nem professzonáls felhasználás területén elterjedőben vannak az LCD képernyők. A katódcsöves montorok jellemző legnagyobb mértékben a benne található CRT képcsőtől függnek. A képcső (1. ábra) tulajdonképpen egy ernyőfelületű üvegbúra, amelyen belül vákuum van. Az ernyő belülről fluoreszcens tulajdonságú fényporral bevont. A mögötte elhelyezkedő elektronágyú, elektronokkal bombázva az ernyőt, felvllanásokat és ezáltal képpontot hoz létre. Az elekronsugár az ernyőt soronként letapogatva hozza létre a teljes képet. Az elektronágyú az elektronokat kbocsátó fűtött katódból és elektron-fókuszálólletve gyorsító anódokból áll. Az elektronnyalábot az eltérítő tekercsek pozíconálják. A képernyőn a legksebb megjeleníthető nformácó az egy képpont* (dot, trplet, 2. ábra). Ez közelítőleg a fluoreszcens ernyő előtt található szta (rács) egy nyílásán átengedett elektronsugár által gerjesztett felület nagyságával egyenlő. A képcső vezérlőelektronkája a képcsövön kívül a montor másk fontos alkotóeleme. Ez a rendszer végz el a számítógépből érkező vdeojel átalakítását a képcső számára felhasználható formába. katód gyorsító anód elektronnyaláb fókuszáló anód eltérítő tekercsek vezető bevonat 1. ábra: A CRT-képcső felépítése fénypor-réteg * Nem azonos a pxel fogalmával, az ugyans a szoftveresen megjelenített képpontot jelöl. 2
A színes montorok képcsövét, a trkromatkus színelméletnek megfelelően, három eltérő típusú fényporral vonják be. Ezek zöld, kék és vörös hullámhossz-tartományú fényt bocsátanak k, ha elektronsugár ér őket. Ennek megfelelően a katódok száma s három a színes képcsőben. Az CRT alap színngeret nevezhetjük még prmer színeknek vagy csak egyszerűen prmereknek. Egy trpleten belül a három prmer színnger fzka kterjedése olyan kcs *, hogy megfelelő megfgyelés távolságot feltételezve bőven szemünk szögfeloldás határa alatt ( 1 ) van. Ezzel pedg létrejön a CRT montoron az addtív színkeverés feltétele. A CRT montor elektronkus vezérlése a számítógép vdeokártya D/A átalakítója által közvetített kék, zöld és vörös analóg elektromos jeleket és a megjelenítést bztosító sznkronjelet alakítja a képcső számára szükséges nagyfeszültségű jellé. addtív színkeverés képernyőmátrx trplet 2. ábra: Az színngerek addtív színkeverése és a színes CRT képernyőmátrx felépítése Szín- és képalkotás számítógéppel A CRT montort vezérlő RGB és sznkron vdeojelek analóg mennységek. A számítógép vszont dgtáls működésű eszköz. Ezért a jel létrehozására szükséges a számítógép számára egy grafkus alrendszer, am egyrészt elvégz a D/A átalakítást, másrészt előkészít, létrehozza és tárolja a montoron megjelenítendő kép paraméteret. A számítógépekben ezt a feladatot külön csatolókártya a vdeokártya végz. Amkor egy számítógépes program nformácót (képet, alfanumerkus karaktert) szeretne megjeleníten a montoron, akkor az nformácót az operácós rendszeren keresztül az ún. drawng engne (3. ábra - a) egységnek továbbítja. Az egység a grafka nformácót pxelekg lebontja, és meghatározza ezek memóracímet és paraméteret. A pxel paramétere: a képernyőn elfoglalt helyzete (x,y koordnátá) továbbá a jellemző színnformácója. A színek azonosítása kódokkal történk, és annál nagyobb helyértékű bnárs számot kell e célra alkalmazn, mnél több színngert használ az alkalmazásunk (1. táblázat). Színazonosító bt helyértékenek a száma: Maxmálsan megjeleníthető színek száma: 800x600-as felbontáson szükséges mnmáls memóra 4 2 4 =16 ((800*600*4)/8)/10 6 bt=0.24 Mbt 8 2 8 =256 ((800*600*8)/8)/10 6 bt =0.48 Mbt 16 2 16 =65.536 ((800*600*16)/8)/10 6 bt =0.96 Mbt 24 2 24 =16.777.216 ((800*600*24)/8)/10 6 bt =1.44 Mbt 1. táblázat: Számítógéppel megjeleníthető színngerek száma és a megjelenítéshez szükséges memóranagyság * A képpontok mérete képcső típustól függően: 0,25-0,29 mm. 3
A drawng engne által létrehozott mátrxos adatcsomagot a raszter-tár (frame-buffer) tárolja. Ez a memóraegység párhuzamos többsíkú tárolást tesz lehetővé. Egy memórasík a képernyőmátrx egy btny metszékét képes tároln. Például egy nyolc btes színmélységgel rendelkező kép 800x600-as felbontású képernyőn, egymás mögött nyolc darab 800x600 btet tartalmazó memórasíkon tárolódk. A memórának gen gyorsnak kell lenne, és általában ez a grafka alrendszer gyorsaságának és lehetőségenek legszűkebb keresztmetszete. A megjelenítés dőbel sorrendségéről a vezérlő és sznkronzáló egység gondoskodk (3. ábra - c). A frame bufferből kolvasott adatok a sznkronjellel együtt a D/A (dgtáls/analóg) átalakítóba, majd végül a montorba kerülnek. Előbb azonban a színek kódjának megfelelő alapszín-megfeleltetéseket s el kell végezn. Ezt a feladatot végz a LUT (Look-up Table, 3. ábra - d). A LUT a megjelenítendő szín bnárs kódjához egy 0-255-g terjedő vörös (R), zöld (G) és kék (B) ún. DAC (Dgtal Analog Convert) értéket rendel. A három DAC R, DAC G, DAC B érték határozza meg, hogy a kívánt színnger mlyen RGB prmer aránynak megfeleően történjen kkeverésre. A három prmer 256 lépésben történő változtatásával maxmum 256 3 =16.777.216=2 24 különböző színnger hozható létre. A számítógép bnárs rendszerében ez a színrendszer 24 btes kódolással valósítható meg, így ezt a színnger mennységet 24 btes színmélységnek nevezzük. Ha a számítógép (pl. vdeomemóra hány matt) csak 8 bt-ny 2 8 =256 színnger megjelenítésére képes, akkor a LUT a megjelenítendő 24-btes kép 16 mlló színkódját kosztja a lehetséges 256 színre. Ez természetesen azzal jár, hogy ezek után az eredetleg sok különböző színngert tartalmazó kép több részlete azonos színezetűvé válk. 3. ábra: A számítógép grafkus feldolgozó rendszere A gamma karaktersztka Az előzőekben szerepelt, hogy az egyes színek elektronágyúnak ntenztása 24 btes rendszerben 256 lépésben változtatható. A montor által sugárzott fénysűrűség és a 0 255-g állítható dgtáls ntenztás-egység (DAC érték) közt összefüggés azonban nem lneárs (2.15 ábra). A nemlneartás annak köszönhető, hogy a CRT képcső elektronágyújának elektronáram-sűrűségét szabályzó lneárs feszültségváltoztatás a sugárzott fénysűrűség exponencáls változását vonja maga után. A feszültségváltozás és a fénysűrűség vszonyát leíró függvény exponencáls ktevőjét nevezzük a CRT montor gammájának. Értéke 2,2 körül. Mvel szemünk (Steven és Weber-Fechner törvényében leírt * ) fénysűrűség/vlágosságészlelet vszonya hasonló a CRT gamma karaktersztka nverzéhez, ezért a lneárs DAC * A fénysűrűség (L) és vlágosság-észlelet (B) között összefüggés B=L p, ahol p 0,33. 4
érték változtatása közel lneárs vlágosság-észlelet változással jár. A szem tehát egy 0,33 körül beépített gamma értékkel rendelkezk. Ilyen (a fzkalag mérhető és az érzékszervek érzékenysége között összefüggést leíró) gamma értékekkel nem csak a látás, hanem más érzékszervek s rendelkeznek: szaglás (0,55), hallás (0,6), tapntás (0,8), súlyérzékelés (1,45). L R,G,B [cd/m 2 ] 50 40 30 20 Vörös Zöld Kék 10 4. ábra: A CRT megjelenítőrendszer gamma görbéje A DAC~L exponencáls kapcsolat közel áll a négyzetes karaktersztkához, azzal hogy a 0 DAC értékhez tartozk egy gen alacsony mértékű offset fénysűrűség (O). A karaktersztka ennek megfelelően a következő alakban írható fel: 2 L[cd/m ] = O + γ G DAC R, G, B ahol DAC=0...255, G a feszültségerősítésre jellemző állandó, γ pedg az exponencáls ktevő. A γ értéke optmáls esetben 1,9 és 2,2 közt mozog. Az L=f(DAC) függvényt gammagörbének vagy gamma-karaktersztkának nevezzük, és az 1. képlettől eltérő matematka megfogalmazása s lehetséges. A fent defnált gamma-karaktersztkát a továbbakban a teljes megjelenítő rendszerre értelmezzük, amelybe belefoglaltatk a CRT gamma, a grafkus hardver gammája és az operácós rendszerben szoftveresen manpulálható gamma s. A montor gamma görbéje mérés útján határozható meg, és az értéke szoftveresen s változtatható. Mérés menete: 0 0 50 100 150 200 250 DAC R,G,B A START menüből elérhető GAMMA nevű programmal hozható létre tetszőleges (R, G vagy B) montor-prmert tartalmazó és adott DAC értékű homogén képernyő. Hozza létre mndhárom montor-prmer esetében a 0, 50, 100, 150, 200, 255 DAC sorozatot és mérje meg mnden esetben a montoron mérhető fénysűrűséget Gossen PROFISIX (használat leírása a mellékletben) fotográfa fénymérővel. 1. 5
A mérés során hozza létre a következő táblázatot: DAC [-] L R [cd/m 2 ] L G [cd/m 2 ] L B [cd/m 2 ] 0 50 100 150 200 250 A három pontsorozatra (DAC ;L ) R,G,B llesszen exponencáls görbét és határozza meg az R, G és B prmerekre az O, G és γ paramétereket (1. képlet). Az O paraméter smert, ugyans ez egyenlő a 0 DAC értéknél mért fénysűrűséggel. A görbellesztést a lneárs-logartmkus módszer segítségével végezze el. A lneárs-logartmkus llesztés kndulásként írjuk fel a gamma-egyenletet: L = O + G DAC γ 2. A fent egyenletet átrendezve és természetes alapú logartmusát véve: ln ( L O) = ln( G) + γ ln( ) DAC ha L O 0, DAC 0, 3. A fent kfejezés megfeleltetethető az alább lneárs függvénnyel: Y = B + A X 4. ahol Y és X mért, tehát smert adatok. Innen lneárs regresszóval (EXCEL segítségével) számíthatóak az A és B együtthatók, amelyekből végül vsszaszámolható a γ és G paraméter: γ = A B G = e 5. A számolt O, G és γ paramétereket táblázatosan adja meg az R, G és B prmerekre! 6
MELLÉKLET Fénysűrűség-mérés a Gossen PROFISIX fotográfa fénymérővel: 1. ábra A 21-el jelölt flm-érzékenységet a 20-as jelzésű gyűrű elforgatásával állítsa 18 DIN (50 ASA) értékre. Az 1-es dffúzort húzza el a fénymérő detektor elől. Helyezze a fénymérőt detektorral a képernyő elé. Nyomja meg és tartsa lenyomva a 6-os gombot. A 13-as gyűrűt tekerje addg, amíg a 4-es mutató nem áll pontosan a 0 pozícóba. Olvassa le az ekkor kjelzett fényértéket (a 22-es skála LV EV között jelzése alatt). A fényértéknek megfelelő fénysűrűség a következő egyenlettel számítható: L FÉ = 0,22834 1,99676 [cd/m 2 ] 7