Создан дисплей c яркостью солнца

Дисплей HDR разработан фирмой Sunnybrook Technologies совместно с учеными из Университета Британской Колумбии и Йоркского университета. Яркость на различных участках экрана составляет от 0,1 до 10000 кандел/м². В то же время HDR ничем не уступает обычным ЖК-дисплеям по другим параметрам: разрешению, частоте обновления и глубине цвета.

Благодаря новаторской технологии подсветки пикселей HDR-дисплей способен отображать детали в 30 раз более яркие, чем обычные дисплеи, а также в 10 раз более темные. Контрастность достигает 60000:1, что значительно превышает возможности любых устройств визуализации, которые сегодня применяются в гражданских целях.

Без всякой «адаптации»

Напомним, что человеческий глаз способен работать в достаточно широком динамическом диапазоне (шире, чем у предлагаемого HDR-дисплея), но только благодаря уникальному природному свойству адаптации. После функционирования в условиях яркого освещения наше зрение способно через некоторое время привыкнуть почти к кромешной темноте (человек теряет способность различать цвета лишь при освещенности 10 люкс, то есть при слабом лунном свете). Если принимать в расчет такие уникальные природные особенности, то диапазон яркости, воспринимаемый человеческим глазом, составляет примерно семь порядков. А вот дисплей HDR выдает сверхширокий динамический диапазон без всякой «адаптации» — одновременно и очень яркие, и чрезвычайно темные. В таком режиме — это действительно предел восприятия.

Создать такое уникальное устройство удалось путем объединения двух разнотипных дисплеев: ЖК-дисплея высокого разрешения и «монохромного» дисплея низкого разрешения, состоящего из решетки чрезвычайно мощных белых светодиодов. Решетка светодиодов выполняет функцию подсветки и замещает традиционную для ЖК-дисплеев технологию равномерной подсветки всех пикселей матрицы. Новаторство состоит еще и в том, что число светодиодов на несколько порядков меньше, чем число пикселей на дисплее высокого разрешения. Ученые провели специальные психологические исследования и выяснили, что при этом качество изображения визуально не ухудшается и остается таким же четким, как на ЖК-дисплее высокого разрешения без светодиодной подсветки.

Преодолевая ограничения

Сейчас на рынке присутствуют дисплеи, которые генерируют изображение с помощью разнообразных технологий: наиболее распространены кинескопы на электронно-лучевых трубках, жидкокристаллические и плазменные панели. Однако ни одна из этих технологий не способна даже близко обеспечить ту яркость изображения, которая привычна для человеческого глаза. К примеру, обычная лампа накаливания обеспечивает яркость 2000 кандел/м², а в солнечный день все объекты отражают свет с яркостью 10000 кандел/м2. Но современные компьютерные дисплеи способны показывать объекты в скромном диапазоне примерно от 1 до 300 кандел/м². Неудивительно, что после долгой работы с такими темными компьютерными мониторами человеческие глаза с трудом способны воспринимать нормальный свет.

Инженеры из Sunnybrook Technologies решили преодолеть ограничения традиционных дисплеев и создать устройство, яркость которого не уступала бы яркости отраженного солнечного света, то есть 10000 кандел/м². И это им удалось. Причем HDR-дисплей способен отображать не только очень яркие объекты, но одновременно демонстрировать высокую детализацию темных. Белые светодиоды HDR-дисплея излучают свет силой от 0 до 250 тыс. кандел/м². Их мощность точно регулируется 8-битным цифро-аналоговым преобразователем. Большие светодиоды находятся в решетке размерностью 5 мм, подсвечивая ЖК-дисплей изнутри.

Одна из нескольких модификаций HDR-дисплея
(слева — вид сбоку; справа — вид спереди)

Примечания:
LED — светодиоды; LCD — ЖК-панель; LCD Pixel — пиксели ЖК-панели.
Схема размещения светодиодов HDR-дисплея может быть и другой, более плотной, например, в виде шестиугольных «сот». Разработчики утверждают, что светодиоды можно размещать с разной плотностью в зависимости от предназначения дисплея.

Источник: Sunnybrooktech.com

Схема HDR-дисплея демонстрирует, каким образом удается достичь такого небывалого динамического диапазона (рисунок выше). Все очень просто: когда данный участок дисплея отображает темный объект, то соответствующие светодиоды отключаются и работают только слабые пиксели обычного ЖК-дисплея. В это же время светодиоды на других участках дисплея могут светиться с яркостью до 250 тыс. кандел/м2 каждый, обеспечивая соответствие устройства заявленным характеристикам.

Такое «наслоение» двух панелей друг на друга, как ни странно, увеличивает также глубину цвета, поскольку яркость остается очень важной составляющей цвета, а светодиоды представляют собой дополнительный восьмибитный «канал яркости».

Борьба с «паразитным» освещением

При разработке дисплея наиболее серьезной проблемой стал большой размер светодиодов, которые значительно превосходят по размеру пиксели ЖК-дисплея и поэтому действительно засвечивают соседние пиксели. В результате этого значительно ухудшается четкость картинки (появляется «паразитное» освещение).

Разработчикам пришлось придумать такой алгоритм работы ЖК-дисплея, чтобы он был способен нейтрализовать «паразитное» освещение. Это удалось сделать следующим образом: засвеченные пиксели самостоятельно нейтрализуют дополнительное освещение за счет того, что становятся более темными.

Нейтрализация «паразитного» освещения

Изображены (слева направо): требуемая картинка; активность светодиодов; активность пикселей ЖК-панели, нейтрализующих «паразитное» освещение; финальное изображение на HDR-дисплее.

Источник: Sunnybrooktech.com

Названный выше метод позволяет использовать активную матрицу из больших пятимиллиметровых мощнейших светодиодов без ухудшения резкости итоговой картинки.

Примечательно, что HDR-дисплей даже нельзя сфотографировать, потому что ни серебросодержащая пленка, ни тем более, светочувствительный сенсор цифровой камеры не способны зарегистрировать даже половину деталей, которые демонстрирует уникальный дисплей. Их видит только человеческий глаз — и то с трудом.

Новый принцип визуализации изображения в полной мере проявляет свои достоинства только на специально созданных изображениях (или видеороликах), которые содержат служебную информацию для светодиодов (так называемый HDR-тэг). Разработчики утверждают, что низкое разрешение светодиодной решетки позволяет минимизировать объем этой информации относительно общего объема файлов. Так, например, файл в формате TIFF, содержащий требуемую служебную информацию, будет по размеру лишь на 1% больше обычного. Впрочем, дисплей способен эмулировать недостающий световой канал, обрабатывая обычные файлы с 24-битной глубиной цвета.

Яркость поражает воображение (и глаза)

Динамический диапазон видимого глазу изображения (справа вверху), качественного ЭЛТ-монитора (справа внизу) и HDR-дисплея (слева внизу) Источник: Sunnybrook Technologies

Светодиодная решетка в прототипе насчитывала всего 16 штук по горизонтали и 12 по вертикали. Однако даже у этого «малютки» с далеко не самой качественной ЖК-панелью (прозрачность 2%) максимальная яркость составила 3000 кандел/м². Разработчики говорят, что на нормальной ЖК-панели, как у стандартных ноутбуков (прозрачность 7%) максимальная яркость составляет уже 10000 кандел/м². Именно на таком дисплее они провели специальные тесты с целью наглядно продемонстрировать разницу в динамическом диапазоне.

На рисунке справа дана фотография купола церкви Stanford Memorial Church и диаграмма яркости качественной фотографии, снятой внутри здания (более теплые цвета соответствуют более высокой яркости). В нижнем ряду — диаграммы яркости, снятые с двух дисплеев, которые показывают исходную фотографию: с очень качественного дисплея NEC MultiSync XE21 и HDR-дисплея. Разница налицо: в тех участках, где через купол собора проникает солнечный свет, HDR-дисплей светится фактически с той же самой интенсивностью, что и на фотографии. Почти так же, как светится сами лучи солнца, которые проникают в Стенфордскую церковь. Если бы дисплей был больше, чем прототип на выставке Siggraph, то этот участок изображения был бы виден как светлое пятно даже с расстояния 500 метров от дисплея, если не дальше (имеются специальные таблицы по вычислению освещенности на определенном расстоянии до источника света с известной яркостью). В этом нет ничего удивительного, если учесть, что яркость автомобильных противотуманных фар составляет те же 10000 кандел/м².

Разработчики утверждают, что инновационный HDR-дисплей должен прийти на смену обычным ЖК-дисплеям. Однако возникает резонный вопрос: понравится ли обычному пользователю на протяжении всего рабочего дня рассматривать в упор мощную автомобильную фару?

Анатолий Ализар / CNews.ru