Способ формирования изображения и устройство его осуществления

Изобретение относится к аппаратным средствам персонального компьютера /ПК/ и телевидения, может быть использовано в мониторах ПК и в телевизионных приемниках. Техническим результатом является построение изображения на экране без строчной развертки. Результат достигается тем, что в способе формирования изображения на экране производится производиться накопление кодов предыдущего кадра тремя накопителями кодов кадра, синхронная выдача всех кодов в параллельном виде в преобразователи «код - длительность излучения» и включение управляющими сигналами с преобразователей всех элементов на излучение с длительностями пропорциональными величине каждого кода. Устройством для осуществления способа является цифровой монитор, содержащий плоскопанельный экран, в который введены три канала цветовых сигналов, каждый из которых включает накопитель кодов кадра и блок формирования управляющих сигналов, световой канал каждой излучающей ячейки содержит светодиод белого свечения и цветной фильтр, управляющий вход каждого светодиода подключен к выходу блока формирования управляющих сигналов, и экранное стекло по числу излучающих ячеек имеет углубления, в которых и размещаются излучающие ячейки. 2 н.п.ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к аппаратным средствам персонального компьютера /ПК/ и телевидения, может быть использовано в мониторах ПК и в телевизионных приемниках.

За прототип способа принят существующий способ формирования изображения на экране монитора [1, с.456], заключающийся в последовательной развертке строк растра по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла кадра до правого нижнего. При развертке строки растра идет однократное поочередное воспроизведение кратковременных /по 0,04 мкс [2, с.131]/ элементов изображения строки. Изображение кадра представляется в виде быстро сменяющихся мелких элементов изображения строки и состоит из совокупности всех однократно воспроизведенных элементов изображения всех строк. А благодаря свойству памяти зрительного аппарата и явлению необходимого кратного после свечения экрана или элемента матрицы зритель воспринимает изображение кадра на экране в целом. Недостатком прототипа является то, что формирование кадра из последовательности кратковременных и мелких изображений элементов строк снижает полноту восприятия зрителем яркости и насыщенности цветов и четкости деталей цветного изображения, формируемого на экране монитора.

Прототипом устройства формирования изображения кадра принят жидкокристаллический ЖК-монитор по технологии активных ЖК-ячеек /TFT-экран/ [1, с.476-477], содержащий [3, с.488-490] блок усилителя, АЦП, ЦАП, процессор, размещенный на главной плате монитора, контроллер, плоскопанельный ЖК-экран и лампы подсветки. Каждый элемент ЖК-матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой управляемых ими ЖК-ячеек [1, с.477]. Каждая ячейка представляет электронно-управляемый цветной светофильтр одного из основных цветов R, G, B. ЖК-ячейки не генерируют свет, а лишь управляют интенсивностью проходящего через них света от ламп подсветки. Принцип действия основан на эффекте световой волны. При отсутствии внешнего электрического поля ЖК-ячейка пропускает через себя почти весь поток света от лампы подсветки. А при подаче на подложки ячейки напряжения молекулы вещества в ячейке располагаются параллельно силовым линиям электрического поля: плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, ЖК-ячейка становится менее прозрачная. Для получения цветного изображения каждая ЖК-ячейка в триаде снабжена одним из цветных светофильтров R, G, B. Триада ЖК-ячеек дает изображение одного цветового пикселя. Разрешающая способность плоскопанельного ЖК-экрана соответствует числу триад ЖК-ячеек в матрице. Размер ЖК-ячейки 0,28×0,28 мм [3, с.490], размер триады-элемента матрицы соответственно, 0,75×0,28 мм [3, с.489 рис.]. Формирование и подача управляющего сигнала с видеоадаптора ПК на каждую ЖК-ячейку экрана - трудная задача [1, с.477]. Для ее решения в состав монитора входит контроллер ЖК-экрана, который выполняет синхронизацию по частоте и фазе сигналов с видеоадаптора ПК с сигналами, управляющими в ЖК-экране разверткой изображения по строкам и столбцам. Контроллер занимается обслуживанием строк и столбцов матрицы. Недостатки прототипа ЖК-монитора: наличие строчной развертки кадра последовательно по ЖК-матрицам /ЖК-ячейкам/ строк, высокая инерционность реакции ячеек на управляющий сигнал [4, с.357, 360], «недостаточно черный» черный цвет на экране /нельзя добиться полного запирания ячеек от света ламп подсветок/ [5, с.33], невозможность точно управлять положением жидкого кристалла соответственно значению кода сигнала искажает цветопередачу изображения [6, с.145], малые углы комфортного обзора [3, с.490].

Цель изобретения - исключение операции строчной развертки при формировании изображения на экране. Техническим результатом является построение изображения на экране без строчной развертки и восприятие изображения зрением в течение длительности всего периода кадра. Результат достигается сосредоточением всех кодов предыдущего кадра тремя блоками накопителя кадра /R, G, B/, синхронной выдачей всех кодов кадра в параллельном виде в преобразователи «код - длительность излучения» и синхронным излучением всех излучающих ячеек экрана в течение периода кадра. Излучателями в каждом элементе матрицы являются три светодиода белого свечения, снабженные соответственно одним из светофильтров основных цветов.

Заявляемый способ формирования изображения на плоскопанельном экране включает последовательно выполняемые операции по схеме на фиг.1:

1. накопление кодов трех основных цветов предыдущего кадра тремя накопителями кодов кадра;

2. синхронная выдача из трех накопителей кодов кадра всех кодов в параллельном виде в свои преобразователи «код - длительность излучения», которых по числу одновременно выдаваемых кодов;

3. включение управляющими сигналами с преобразователей «код - длительность излучения» всех элементов матриц плоскопанельного экрана на излучение с длительностью пропорционально величине кода.

Сущность заявляемого способа в том, что в способе формирования изображения, выполняющего построение изображения кадра на плоскопанельном экране, производится предварительное накопление кодов трех основных цветов предыдущего кадра тремя накопителями кодов кадра, синхронная выдача из накопителей кодов кадра всех кодов в параллельном виде в свои преобразователи «код - длительность излучения», которых по числу одновременно выдаваемых кодов, и включение управляющими сигналами с преобразователей «код - длительность излучения» всех элементов матрицы на излучение с длительностью, пропорциональной величине каждого кода.

Цветопередача от каждого элемента матрицы определяется совокупностью длительностей /скважностями/ излучений каждого из трех ее излучателей, а яркость излучения каждого из излучателей-светодиодов пропорциональна величине кода цветового сигнала.

Блок-схема цифрового монитора на фиг.2, накопитель кодов кадра на фиг.3, блок регистров на фиг.4 и 5, излучающая ячейка на фиг.6, состав элемента матрицы и его форма на фиг.7, расположение элементов матрицы в экране на фиг.8, блок формирования управляющих сигналов на фиг.9. Цифровой монитор воспроизводит с видеоадаптора ПК /или приемной части телевизора/ видеорежим 1920×1080×100 Гц. Частота дискретизации составляет:

f_д=1920×1080×100 Гц=207,36 МГц,

где: 1920 - число отсчетов в строке, 1080 - число строк в кадре, 100 Гц - частота кадров. Частота строк: f_с=1080×100=108 кГц. Длительность кадра: .

Сущность изобретения в том, что в цифровой монитор, содержащий плоскопанельный экран из элементов матриц по числу разрешения кадра, каждый из которых включает три ячейки, содержащие цветные светофильтры R, G, B, введены три канала цветовых сигналов, каждый из которых включает последовательно соединенные накопитель кодов кадра и блок формирования управляющих сигналов, выходы которых подключены к входам плоскопанельного экрана, каждая ячейка элемента матрицы является излучающей ячейкой, световой канал которой составляют последовательно расположенные светодиод белого свечения и цветовой светофильтр, излучающие ячейки в элементе матрицы образуют треугольник, управляющий вход светодиода подключен к соответствующему выходу блока формирования управляющих сигналов, экранное стекло по числу излучающих ячеек имеет углубления, в которых и размещены излучающие ячейки.

Цифровой монитор включает /фиг.2/ три идентичных канала цветовых сигналов R, G, B, каждый из которых включает последовательно соединенные накопитель 1 кодов кадра и блок 2 формирования управляющих сигналов, выходы блоков 2 подключены к входам плоскопанельного экрана 3. Блок 2 состоит из преобразователей «код - длительность излучения», которых по числу разрешения в кадре 2073600 /1920×1080/. Накопители 1 кодов кадра идентичны /фиг.3/, каждый включает блоки 4 регистров по числу строк в кадре 4_1-1080.

Информационным входом накопителя 1 кодов кадра являются поразрядно объединенные 1-8 входы блока 4 регистров. Управляющими входами являются: первым - первый управляющий вход U_к /100 Гц/ блока 4, вторым - объединенные вторые управляющие входы U_выд /108 кГц/ блоков 4, третьи - объединенные третьи управляющие входы U_д /207,36 МГц/ блоков 4 регистров. Каждый управляющий выход предыдущего блока 4 регистров является первым управляющим входом каждого последующего блока 4. Управляющий выход последнего блока 4₁₀₈₀ регистров подключен параллельно к четвертым управляющим входам всех блоков 4 регистров. Первым, вторым, третьим управляющими входами монитора являются объединенные соответственно первые, вторые и третьи управляющие входы накопителей 1 кодов кадра, первым, вторым, третьим информационными входами цифрового монитора являются информационные входы накопителей 1 кодов кадра соответственно первого, второго и третьего каналов цветовых сигналов. Блоки 4 регистров идентичны /фиг.4 и 5/, каждый включает первый 5, второй 6 ключи, распределитель 7 импульсов и восемь регистров 8_1-8. Информационным входом блока 4 являются поразрядно объединенные третьи входы разрядов восьми регистров 8. Выходами блока 4 регистров являются параллельные выходы всех разрядов восьми регистров 8, с каждого блока 4 всего 15360 выходов /1020×8/. Управляющими входами являются: первым - первый управляющий вход 100 Гц первого ключа 5; вторым - сигнальный вход U_выд второго ключа 6, третьим - сигнальный вход U_д первого ключа, четвертым - первый управляющий вход второго ключа 6, подключенный к управляющему выходу последнего блока 4₁₀₈₀ регистров. Последний выход /1920/ распределителя 7 импульсов подключен к второму управляющему входу ключа 5 и является управляющим выходом блока 4₁ в следующий блок 4₂, где подключен к первому управляющему входу ключа 5. Выход первого ключа 5 подключен к входу распределителя 7 импульсов, выходы которого последовательно с первого по последний подключены к первым управляющим входа разрядов параллельно восьми регистров 8_1-8. Выход второго ключа 6 подключен параллельно к вторым управляющим входам всех разрядов регистров 8.

Блок 2 предназначен для формирования длительности излучения каждого светодиода 9 в излучающих ячейках элементов матрицы, т.е. для запитывания светодиодов на длительность пропорционально значениям кодов их цветовых сигналов. Экран 3 представляет совокупность 2073600 элементов матриц /1920×1080/ и экранное стекло. Каждый элемент матрицы выполнен из трех излучающих ячеек, излучающих три основных цвета R, G, B. Световой канал излучающей ячейки представляет /фиг.6/ собой последовательно расположенные светодиод 9 белого свечения и цветной светофильтр 10. Излучающие ячейки в элементе матрицы /фиг.7/ образуют треугольник. Расположение излучающих ячеек в экранном стекле экрана 3 на фиг.8. Элемент матрицы своего корпуса не имеет. Экранное стекло для размещения ячеек имеет соответствующие углубления, в которых и размещаются световые каналы излучающих ячеек. Управляющий вход каждого светодиода подключен к соответствующему выходу в блоке 2. Принцип действия излучающей ячейки основан на прямо пропорциональной зависимости длительности излучения светодиода 9 от величины кода цветового сигнала. Уровни яркости воспринимаются зрением соответственно длительности излучений светодиодов в течение периода кадра, т.е. скважности излучения [7, с.27]: отношение времени, когда светодиод излучает, к времени, когда он не излучает в том же периоде кадра. Суммарное излучение трех светодиодов /R, G, B/ матрицы формирует изображение пиксела, воспринимаемое зрением как яркость определенного цветового тона. Цветовое излучение каждого светодиода каждой ячейки участвует в цветопередаче не только пиксела своего элемента матрицы, но и соседних с ним /справа, слева, сверху, снизу/ излучающих ячеек. Это способствует уже аналоговой цветопередаче изображения всего изображения кадра в целом и дополнительно приближает достоверность цветопередачи к оригиналу по всем параметрам: яркости, насыщенности и четкости. Блоки 2 формирования управляющих сигналов идентичны, каждый включает /фиг.9/ источник 11 питания, генератор 12 импульсов и с первого по 2073600-й преобразователи «код - длительность излучения», которые идентичны и каждый включает последовательно соединенные первый ключ 13, вычитающий счетчик 14 импульсов, дешифратор 15 и второй ключ 16. Исходное состояние ключей 13 и 16 закрытое. Генератор 12 импульсов выдает на сигнальные входы ключей 13 импульсов частотой 25,51 кГц. Преобразователи «код - длительность излучения» работают идентично. При длительности кадра 10 мс /100 Гц/ коду 00000001 соответствует длительности излучения светодиода 9 в один импульс 39,26 мкс , коду 00000010 - длительность излучения в два импульса 78,5 мкс, коду 00000011 - три импульса 117 мкс и т.д., коду 11111110 - 254 импульса 9958 мкс и коду 11111111 - соответствует длительность в 255 импульсов 9997 мкс. Инерционность срабатывания светодиодов 9 много меньше 1 мкс [8, с.9]. По окончании кодов блоками 1 сигнал U_выд /100 Гц/ открывает /фиг.9/ все первые ключи 13 в блоке 2. Коды кадра каждого цветового сигнала синхронно и в параллельном виде поступают на информационные 1-8 входы вычитающих счетчиков 14 импульсов. Открытые ключи 13 пропускают импульсы 25,51 кГц с генератора 12 на счетные входы счетчиков 14. Сигнал U_выд /100 Гц/ открывает и все ключи 16. Напряжение питания, например 3 В, через открытые ключи 16 запитывает светодиоды 9 в излучающих ячейках, которые начинают излучение. Процесс вычитания в счетчиках 14 длится до появления в них кода 00000000. С приходом в дешифратор 15 кода из одних нулей он выдает сигнал U_з, закрывающий оба ключа и 13 и 16. Питание светодиода 9 заканчивается, излучение прекращается. Длительность излучения воспринимается как определенный уровень яркости цвета, излучающего светодиодом 9. Излучения светодиодов трех ячеек проходят свои цветные светофильтры 10 и поступают на экранное стекло, формируя изображение цветного пиксела. Скважность излучений всех светодиодов экрана за время периода кадра /10 мс/ формирует яркости цветовых тонов пикселов, в совокупности составляющих изображение кадра на экране 3. Вариант размера светодиодов принимается диаметром 0,4 мм /фиг.7/, размер элемента матрицы /трех ячеек/ составляет 0,8×0,75 мм, толщину плоскопанельного экрана составляют толщина экранного стекла и толщина светодиода и будет до 15 мм. Ширина двух строк /фиг.8/ составляет 1,15 мм. При числе пикселов 2073600 разрешение соответствует формату НДТV: 1920×1080. Размер экрана:

по горизонтали 1920×0,8 мм = 1536 мм,

по вертикали 1080×0,6 мм = 648 мм, по диагонали 1667 мм, 65''.

В качестве светодиода 10 белого свечения принимается сверхяркий светодиод, например L-53MWC фирмы Kingbright [9, с.45] с силой света 3 кд. Максимальная яркость свечения светодиода составляет:

,

где: 3 кд - сила света светодиода, 0,16 мм² - площадь излучения светодиода. С учетом потерь излучения и 80% яркость изображения на экране будет достаточно высокой.

Работа цифрового монитора.

Коды цветовых сигналов с цифровых выходов ДVI видеоадаптора ПК поступают в параллельном виде на информационные входы трех накопителей 1 кодов кадра. С соответствующих выходов видеоадаптера ПК на первый, второй, третий управляющие входы накопителей 1 кодов кадра поступают синхроимпульсов частоты кадров U_к /100 Гц/, частоты строк U_c /108 кГц/ и частоты дискретизации U_д /207,36 МГц/. За время первого кадра регистры 8 в блоках 4 /фиг.4/ заполняются кодами первого кадра. Каждый блок 4 сосредотачивает коды одной строки, поэтому их в блоках 1 по 1080 штук. За период кадра в каждом блоке 1 накапливается по 2073600 кодов. Управляющий импульс, поступающий на четвертые управляющие входы блоков 4, выдает из них синхронно и в параллельном виде коды в блоки 2 и обнуляет разряды регистров 8 для приема кодов следующего кадра. Заполнение регистров кодами начинается с открытием импульсов U_к первого ключа 5. Тактовые импульсы с блока 7 поступают последовательно на первые управляющие входы разрядов восьми регистров 8. Сигналы первых разрядов кодов поступают в разряды первого регистра 8₁, вторых разрядов кодов в разряды второго регистра 8₂ и т.д. По заполнении регистров 8 с последнего выхода блока 7 сигнал закрывает ключ 5 и в качестве управляющего выходного сигнала открывает ключ 5 в блоке 4₂. Таким образом за время кадра заполняются регистры 8 всех блоков 4 регистров. Выходной сигнал с блока 4₁₀₈₀ открывает вторые ключи 6 в блоках 4. Сигнал U_выд выдает из всех блоков 4 коды кадра в блоки 2. Одновременно формирование изображения всех пикселов разрешения кадра на экране 3 исключает необходимость в строчной развертке, а однотипность используемых в блоках 1 и 2 электронных схем позволяет выполнить их в виде микросхем. Заявляемый способ позволяет формировать изображение кадра без процесса строчной развертки, а применение предложенных излучающих ячеек и преобразователей к ним «код - длительность излучения» выполняют переход в построении изображении на экране от дискретного к практически аналоговому, как и в природе человеческого зрения.

Источники информации

1. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Аппаратные средства РС. 5-е изд-е, СПб, 2004, с.456, 476-477, прототип.

2. В.В.Пясецкий. Цветное телевидение в вопросах и ответах. Минск, 1986, с.131, 21-я строка снизу.

3. Мураховский В.И. Устройство компьютера. «АСТ-ПРЕСС КНИГА», 2003, 488-490, прототип.

4. В.Мураховский. Железо компьютера. Новые возможности. СПб, Питер, 2005, с.357, 360.

5. «Домашний компьютер» №4, 2006, с.33, 1 и 2 колонки.

6. Энциклопедический справочник. Персональный компьютер. М., 2004, Евсеев и др., с.145.

7. «Домашний компьютер» №4, 2005, с.27.

8. В.И.Иванов и др. Полупроводниковые и оптоэлектронные приборы. Справочник. М., 1984, с.9, 18-я строка сверху.

9. «Радио» №2, 2006, с.45.

1. Способ формирования изображения, выполняющий построение изображения кадра на плоскопанельном экране, отличающийся тем, что последовательно производится накопление кодов трех основных цветов предыдущего кадра тремя накопителями кодов кадра, синхронная выдача из накопителей кодов кадра всех кодов в параллельном виде в свои преобразователи "код - длительность излучения", которых по числу одновременно выдаваемых кодов, и включение управляющими сигналами с преобразователей "код - длительность излучения" всех ячеек элементов матрицы плоскопанельного экрана на излучение с длительностью пропорциональной величине каждого кода.

2. Устройство осуществления способа - цифровой монитор, включающий плоскопанельный экран, содержащий экранное стекло и элементы матриц по числу разрешения кадра, каждый элемент матрицы включает три ячейки, каждая из которых содержит цветной светофильтр из основных цветов R, G, В, отличающийся тем, что в него введены три канала цветовых сигналов R, G, В, каждый из которых включает последовательно соединенные накопитель кодов кадра и блок формирования управляющих сигналов, выходы которого подключены к входам плоскопанельного экрана, первым, вторым, третьим информационными входами цифрового монитора являются информационные входы накопителя кодов кадра каждого канала цветового сигнала, подключенные к соответствующим информационным (цифровым) выходам видеоадаптера персонального компьютера (ПК), первым, вторым, третьим управляющими входами цифрового монитора являются объединенные соответственно первые, вторые, третьи управляющие входы накопителей кодов кадра, подключенные соответственно к первому, второму и третьему управляющим выходам видеоадаптера ПК, накопители кодов кадра идентичны, каждый включает блоки регистров по числу строк в кадре, информационным входом накопителя кодов кадра являются поразрядно объединенные входы блоков регистров, первым управляющим входом является первый управляющий вход первого блока регистров, вторым - объединенные вторые управляющие входы блоков регистров, третьим - объединенные третьи управляющие входы блоков регистров, каждый управляющий выход предыдущего блока регистров является первым управляющим входом последующего блока регистров, управляющий выход последнего блока регистров подключен параллельно к четвертым управляющим входам всех блоков регистров, и выходами накопителя кодов кадра являются выходы всех блоков регистров, блоки регистров идентичны, каждый включает первый и второй ключи, распределитель импульсов и восемь регистров, информационными 1-8 входами блока регистров являются поразрядно объединенные третьи входы разрядов восьми регистров, выходы всех разрядов восьми регистров являются параллельными выходами блока регистров, первым управляющим входом блока регистров является первый управляющий вход первого ключа, вторым - сигнальный вход второго ключа, третьим - сигнальный вход первого ключа, четвертым - первый управляющий вход второго ключа, подключенный к управляющему выходу последнего блока регистров, выход первого ключа подключен к входу распределителя импульсов, выходы которого последовательно с первого по последний подключены к первым управляющим входам разрядов параллельно восьми регистров, последний выход также подключен к второму управляющему входу первого ключа и является управляющим выходом блока регистров, выход второго ключа подключен параллельно к вторым управляющим входам всех разрядов восьми регистров и к второму управляющему входу ключа, блоки формирования управляющих сигналов идентичны, каждый содержит источник питания, генератор импульсов и по числу разрешения кадра (экрана) преобразователи "код - длительность излучения", которые идентичны и каждый включает последовательно соединенные первый ключ, вычитающий счетчик импульсов, дешифратор и второй ключ, информационными входами блока формирования управляющих сигналов являются информационные входы всех вычитающих счетчиков импульсов, управляющим входом объединенные первые управляющие входы первых и вторых ключей всех преобразователей "код - длительность излучения", подключенные к первому управляющему входу цифрового монитора, выходами блока формирования управляющих сигналов являются выходы вторых ключей всех преобразователей "код - длительность излучения", сигнальные входы которых объединены и подключены к выходу источника питания, сигнальные входы первых ключей объединены и подключены к выходу генератора импульса, в каждом преобразователе "код - длительность излучения" выход первого ключа подключен к счетному входу вычитающего счетчика импульсов, выход дешифратора подключен параллельно к вторым управляющим входам первого и второго ключей, ячейки элементов матрицы плоскопанельного экрана являются излучающими ячейками, в каждую из которых введен светодиод белого свечения, световой канал излучающей ячейки составляют последовательно расположенные светодиод белого свечения и цветной светофильтр, излучающие ячейки в элементе матрицы образуют треугольник, управляющий вход каждого светодиода белого свечения подключен к соответствующему выходу блока формирования управляющих сигналов, экранное стекло имеет углубления по числу излучающих ячеек, в которых и размещаются излучающие ячейки.