Проекционная система (проекционный модуль) – это комплекс оптоэлектронных
элементов, преобразующий входные электрические сигналы изображения в проецируемую
«картинку». Различие технологий построения проекционных систем и является
основой различия проекторов. Цифровой модулятор светового потока в проекционном
модуле динамично изменяет яркость каждого RGB-пикселя в соответствии с
сюжетом изображения, так формируется проецируемая «картинка». На сегодняшний
день в цифровых проекторах используются три типа проекционных модулей:
наиболее распространенные LCD и DLP – технологии формирования изображения,
а также новая технология D-ILA (вариант технологии LCOS), компании JVC.
Результаты сравнения приведены в таблице.
LCD
В проекционных модулях, построенных по LCD-технологии, в качестве
источника света используется лампа, свет которой с помощью цветоразделительных
дихроичных фильтров делится на красный, зеленый и синий световые потоки.
Потом каждый световой поток поляризуется и направляется в жидкокристаллический
светопропускающий модулятор, «включающий» и «выключающий» пиксели, в зависимости
от сигнала яркости пикселя соответствующего цвета. Затем свет попадает
в оптическую систему, которая смешивает отдельные модулированные световые
потоки (красный, зеленый и синий) и через линзы объектива передает изображение
на экран.
Жидкокристаллический светопропускающий модулятор (LCD-матрица) имеет ряд
преимуществ. Прежде всего, это аналоговые свойства LCD-матрицы. Последняя
может плавно, в зависимости от управляющего сигнала, изменять поляризацию,
т.е. проходящий световой поток, в отличие от DLP-технологии, которая предусматривает
только импульсное управление световым потоком, без промежуточных значений
яркости пикселей (промежуточные оттенки формируются за счет разной длительности
светового импульса пикселей). Кроме того, себестоимость LCD-матриц достаточно
низкая, что позволяет использовать в проекторе три матрицы, отдельно для
каждого из основных цветов (красного, синего и зеленого). В итоге это
дает возможность добиться высокой яркости формируемого изображения и очень
высокого качества цветопередачи.
Но светопропускающий LCD-модулятор имеет и свои недостатки. Свет лампы
источника проходит насквозь через LCD-модулятор. При этом прозрачные электроды,
подающие управляющие сигналы к отдельным поляризующим пикселям, добавляют
в изображение искажения, приводящие к видимой «пикселизации» изображения
в LCD-проекторах.
DLP
Технология DLP разработана компанией Texas Instruments. Модулятор
светового потока DLP-проектора – это Digital Micromirror Device (DMD-чип
– цифровое микрозеркальное устройство). В дешевых DLP-проекторах световой
поток источника, проходящий через цветоразделительный диск, попадает на
светоотражающий DMD-чип, а затем в оптику и проекционные линзы. Здесь
используется принцип временного сложения цветов, на самом деле наблюдаемых
поочередно, но сливающихся для зрителя в единую «картинку». Поток белого
света направляется на цветоразделительный диск, обычно состоящий из трех
или четырех фильтров-сегментов: красного, зеленого, синего и прозрачного.
Последний используется для повышения уровня светового потока проектора.
DMD-чип представляет собой ряд миниатюрных (микро) зеркал, подвижно колеблющихся
на шарнирах под действием управляющих сигналов. Каждое микрозеркало DMD-чипа
соответствует пикселю на экране. Для отображения «включенного» пикселя
на экране микрозеркало отражает свет в оптику объектива, а для установления
нужного цвета пикселя DMD-чип несколько раз «включает» и «выключает» пиксели
во время вращения цветоразделительного диска. «Включение» и «выключение»
микрозеркала – это процесс, когда под действием управляющего сигнала микрозеркало
либо отбрасывает падающий свет в объектив, либо направляет его на светопоглощающую
«ловушку». Суммарный промежуток времени отображения цвета в рамках кадра
определяет яркость данного пикселя. Для сложения нескольких цветов микрозеркала
«включаются» при прохождении луча через необходимые фильтры цветоразделительного
диска. Таким способом DLP-проектор объединяет цвета, формируя единую полноцветную
«картинку». Процесс этот происходит настолько быстро, что зритель видит
только результат. В то же время, ввиду стробоскопического эффекта, на
изображении может наблюдаться «эффект радуги», а при передаче серых полутонов
импульсным способом, свойственным DLP-технологии, в период смены кадра
возникают сложные искажения изображения, видимые зрителю.
Компактные DLP-проекторы с одним DMD-чипом используются для проведения
бизнес-презентаций и в домашних кинотеатрах. Аппараты с тремя DMD-чипами
применяются в цифровых кинотеатрах, в больших аудиториях. Ввиду высокой
стоимости они не являются массовым продуктом, в отличие от проекторов,
использующих технологии LCD и LCOS.
Главными достоинствами DLP-проекторов являются компактные размеры, высокий
уровень контрастности и менее заметная «пикселизация» изображения.
Размеры. При использовании одного DMD-чипа и цветоразделительного диска
необходим лишь один комплект оптики, что позволяет создавать компактные
проекторы. Все современные аппараты весом до 2 кг произведены с применением
DLP-технологии.
Уровень контрастности. Со времени появления модулятора HD2 технология
производства DMD-чипов была усовершенствована, а именно, угол поворота
зеркал стал больше и достиг 12°, что делает воспроизведение черного цвета
более «глубоким» (возросла контрастность изображения).
«Пикселизация» изображения. В отличие от светопропускающей технологии
LCD, технология DLP основана на отражении. Управляющий механизм находится
за микрозеркалами, таким образом отражающая поверхность чипа используется
более эффективно (она не затеняется проводниками, как это происходит в
LCD-матрице) и работает с меньшими искажениями. При этом микрозеркала,
образующие пиксели формируемого изображения, покрывают 90% рабочей поверхности
DMD-чипа. Поэтому дискретность, «пикселизация» изображения проявляются
в DLP-проекторах намного меньше.
Главные недостатки DLP – цена (для трехчиповых моделей) и использование
цветоразделительного диска (для недорогих одночиповых моделей).
Цветоразделительный диск уменьшает яркость примерно на 30%. В то время
как DMD-чип формирует один цвет изображения, другие цвета теряются, поглощаются
светофильтрами. Этот недочет несколько компенсируется ярким неполяризованным
светом, направляемым на DMD-чип. В DLP-проекторах нового поколения используется
более эффективный метод работы цветоразделительного диска – Sequential
Color Recapture (SCR). Технология SCR основана на вторичном использовании
светового потока, отражаемого (а не поглощаемого, как раньше) цветоразделительным
диском усовершенствованной конструкции, что способствует повышению яркости
формируемого изображения.
Цена DLP-проекторов достаточно высока по причине сложности исполнения
механической части проектора, хотя стоимость DMD-чипа ниже LCD- или LCOS-матриц.
Даже несмотря на то что в LCD-проекторах используются три матрицы и более
сложная оптика, их цены конкурентны с ценами одночиповых DLP-проекторов.
LCOS (D-ILA)
LCOS (Liquid Crystal on Silicon – жидкие кристаллы на кремниевой
подложке) – самая новая технология в производстве проекторов, разработанная
несколькими компаниями. D-ILA – это вариант LCOS-проекторов, предложенный
фирмой JVC и обеспечивающий высочайшее качество изображения и стабильность
работы. Достигается это тем, что управляющий прохождением света слой жидких
кристаллов в LCOS-матрице располагается поверх светоотражающей кремниевой
подложки.
Концепция LCOS – комбинация жидких кристаллов как средства модуляции отражаемого
светового потока и управляющей полупроводниковой CMOS-структуры.
Поскольку элементы электронной схемы управления не препятствуют прохождению
световых лучей через рабочий слой (как это происходит в обычной LCD-матрице),
эффективность использования поверхности чипа достигает 93%, что заметно
превышает этот показатель у DMD- и LCD-матриц. Кроме того, технология
изготовления LCOS-матриц легко вписывается в типовой процесс производства
CMOS-структур, а значит, сами матрицы в перспективе могут быть относительно
недорогими.
Проекционный модуль, построенный по LCOS-технологии, содержит лампу, три
LCOS-матрицы, модулирующие красный, зеленый и синий цветовые потоки, и
оптическую систему. Световой поток лампы через призму и поляризаторы поступает
на LCOS-матрицы и после отражения направляется в оптическую систему объектива,
где цветовые потоки смешиваются и, попадая на экран, образуют единое полноцветное
изображение.
Главные достоинства LCOS-технологии – высокое реализуемое разрешение,
меньшие искажения, аналоговые свойства LCOS-матрицы при модуляции светового
потока и высокий уровень контрастности.
LCOS-технология за счет использования управляющей полупроводниковой CMOS-структуры
позволяет наращивать число пикселей и, следовательно, разрешающую способность
матрицы без значительного увеличения ее размеров. Проекторы, созданные
по LCOS-технологии, способны достичь разрешения QXGA (2048 x 1536) и выше.
Например, JVC продемонстрировала проектор D-ILA с разрешением 3840 x 2040
пикселей.
Причиной меньшего числа искажений является отражательный, а не светопропускающий
принцип работы LCOS-матрицы.
Аналоговые свойства LCOS-матрицы при модуляции светового потока. LCOS-матрица,
как и LCD, имеет свойство плавно изменять модулируемый световой поток
характеристики и лучше, чем DLP-матрица, воспроизводит оттенки серого
цвета (меньшие искажения обусловлены отсутствием принудительной пульсации
светового потока, применяемой в DLP-пректорах для создания на экране оттенков
серого цвета).
Высокий уровень контрастности. Жидкокристаллическая структура D-ILA (LCOS)
имеет преимущества над LCD. В D-ILA-матрицах жидкие кристаллы выравнены
вертикально, что позволяет существенно повысить контрастность изображения
(теоретически до 2000:1).
Ввиду преимуществ над DLP и LCD и высоким достижимым разрешением, LCOS-технология
быстро развивается.
Характеристика трех технологий
Характеристики проекторов
Масштабирование
Цифровые проекторы способны воспроизводить сигналы с разрешением,
не совпадающим с исходным разрешением источника сигнала. Для этого сигнал
масштабируется цифровыми методами, но при этом происходит неизбежная потеря
четкости и детализации изображения. В некоторых случаях, чтобы предотвратить
эти искажения, проектор может воспроизводить входной сигнал в режиме letterbox
(например, когда картинка просто уменьшается, для того чтобы полностью
поместится на экране, а сверху и снизу добавляются черные полосы). Качество
используемых масштабирующих процессоров для проекторов (внешних или внутренних)
может широко варьироваться.
Преобразование 3:2 (Telecine, он же 3:2 pulldown)
Почти все проекторы имеют встроенные процессоры для преобразования
кинофильма с частотой 24 кадра/с в видеоформат с частотой 30 кадров/с.
Для видеоформата с частотой 50 кадров/с этого не требуется.
Лампы
В современных проекторах мгновенный выход лампы из строя – явление редкое.
Лампа теряет свои исходные параметры постепенно. Насколько быстро – это
зависит от интенсивности использования проектора. Обычно лампа работает
от нескольких сот до 6 тыс. ч (в среднем порядка 1000 ч). Некогда популярные
металлогалогенные лампы из-за недолгого срока службы и нестабильной цветовой
температуры уступают позиции ксеноновым (1000 – 2000 ч, ~5600°K, 25 –
40 лм/Вт) и UHP-лампам (2000 – 6000 ч, ~8500°K, 60 лм/Вт).
Минимальное и максимальное проекционное расстояние
Это расстояние зависит от типа объектива и определяет, насколько
далеко проектор может быть удален от экрана. Примеры расчетов для различных
вариантов объективов проекторов JVC D-ILA можно посмотреть на сайте www.jvcdig.com.
Минимальный размер экрана. Этот параметр определяется его минимальной шириной.
Работа в сети
Проекторы, имеющие специальную плату, могут управляться дистанционно,
через порт RS-232C или по протоколу TCP/IP.
RS-232C – низкоскоростной последовательный интерфейс, предназначенный
для непосредственного контроля функций аппарата, через который также можно
связывать несколько проекторов при мультиэкранной инсталляции.
Второй интерфейс – TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)
– основа Internet-технологий и связующее звено между прибором и локальной
сетью (LAN). Скорость потока данных зависит от свойств сети и может легко
достигать 100 Мбайт/с.
Через порт RS-232C посылаются и принимаются команды операционной системы
проектора, а если несколько проекторов соединены последовательно, то каждый
из них получает свой RS-232C-адрес.
TCP/IP работает так же, но с большей скоростью, и каждый проектор получает
свой IP-адрес в локальной сети.
Работа проектора в сети имеет ряд преимуществ, самое явное из которых
– дистанционное управление. Кроме этого, проекторы могут быть дистанционно
включены, выключены, синхронизированы, могут дистанционно осуществляться
коррекция растра, сдвиг изображения, изменение гаммы и параметров «картинки»,
производиться поправки, зависящие от состояния лампы, вентилятора и входного
сигнала.
Еще одним преимуществом является мониторинг. Подключенный по IP проектор
может автоматически передавать сигналы о своих неполадках самого разного
характера.
Мониторинг состояния проводится также и в последовательной цепи устройств,
соединенных через RS-232C, но в этом случае он не будет автоматическим,
так как проекторы должны принудительно опрашиваться. Все больше появляется
беспроводных локальных сетей (Wireless LAN). Новый стандарт 802.11g обеспечивает
передачу данных со скоростью 54 Мбайт/с.
Обратная проекция / прямая проекция / потолочное крепление
Цифровые проекторы позволяют производить горизонтальный переворот
изображения, необходимый для систем обратной проекции.
При креплении проектора к потолку он должен обладать возможностью достаточного
сдвига изображения с помощью объектива и корректировки растра (для предотвращения
так называемых трапецеидальных искажений).
Сквозной выход на монитор
Этот выход позволяет направить отображаемый сигнал также и на другие
проекторы или мониторы.
Объективы
Конструкция многих проекторов дает возможность менять объективы,
которые позволяют производить масштабирование изображения (zoom) или применять
специализированные адаптеры. Соотношения, даваемые объективами (определяемые
их фокусными расстояниями), варьируются от 0,7 : 1 (широкоугольные) до
10 : 1 и более (длиннофокусные объективы с узкой направленностью).
Объективы с фиксированным фокусным расстоянием рассчитаны на фиксированное
расстояние между проектором и экраном, которое определяется физическим
разрешением проектора. Таким образом, проектор с разрешением SXGA (1280
пикселей по горизонтали) должен располагаться на расстоянии, при котором
все 1280 пикселей будут отображаться на экране, а аппарат XGA (1024 пикселя
по горизонтали), не способный к масштабированию до 1280 пикселей, должен
будет в этом случае располагаться ближе к экрану.
Масштабирование (zoom) – это функция, которая дает возможность устанавливать
проекторы на произвольном расстоянии от экрана и регулировать размер изображения.
Чем большим коэффициентом масштабирования обладает аппарат, тем меньше
вы ограничены в выборе места расположения проектора.
Если проектор имеет ручную регулировку масштабирования, то настройку объектива
перед показом необходимо производить вручную.
Моторизованное масштабирование позволяет производить настройку размера
и фокусировки изображения дистанционно (с помощью моторизованного объектива,
линзовая система которого управляется специальным электродвигателем).
Цифровое масштабирование увеличивает изображение посредством цифровой
интерполяции пикселей в специализированном процессоре проектора. Ввиду
того, что увеличенный фрагмент является лишь частью изображения, ухудшаются
показатели разрешения (качество «картинки» ухудшается).
Анаморфирующий адаптер предназначен для увеличения кадра только по одной
оси (в основном горизонтальной) и используется в цифровом кино или домашних
кинотеатрах в форматах от HDTV 16 : 9 до Cinema Scope – 2,4 : 1.
Купольные линзы, формирующие полусферическое изображение (180°), были
разработаны для использования в цифровых проекторах.
Деление изображения на фрагменты/«сшивка» изображения
Большинство проекторов может быть использовано для групповой работы
на единый экран для формирования больших изображений. Проецируемое изображение
каждого аппарата может четко граничить с частью изображения, получаемой
с помощью другого проектора (так называемая «жесткая сшивка»), либо части
общего изображения могут стыковаться «внахлест», с плавным переходом (так
называемая «мягкая сшивка» изображения). Для этого может потребоваться
специальный процессор обработки сигналов изображения. Некоторые проекторы
имеют встроенную функцию «мягкой сшивки».
Контроль яркости экрана
Часто проекторы снабжаются системой автоматической регулировки интенсивности
выходного светового потока в зависимости от параметров лампы, что может
использоваться как для увеличения срока службы лампы, так и для компенсации
снижения ее яркости в процессе эксплуатации.
Коррекция растра/искажения изображения
Если проектор установлен не на оптической оси относительно центра
экрана, изображение проецируется под углом, что может привести к появлению
трапецеидальных искажений. Для устранения этого явления существует функция
коррекции растра. Новые процессоры изображения (Silicon Optix) позволяют
произвести необходимые регулировки, избежав искажения «картинки», вызванные
неправильным положением проектора или неровностью экрана.
Установка (сдвиг) линзовой системы объектива
Эта функция позволяет физически сдвинуть линзовую систему объектива
(вертикально или горизонтально) относительно оптической оси, проходящей
через центр экрана. Этот метод дает возможность не прибегать к ухудшающей
изображение электронной коррекции растра. Для этого апертура объектива
должна быть большей, чем требуется для проецирования изображения при правильной
установке аппарата. При этом «картинка» будет отображаться без искажений,
в случае если изображение проецируется под углом и проектор установлен
не на оптической оси относительно центра экрана.
Формат изображения
Формат изображения – это соотношение ширины и высоты проецируемого
изображения.
5 : 4 – формат изображения для картинки с разрешением SXGA. В этом случае
широкоэкранное изображение будет урезано.
4 : 3 – телевизионный стандарт, а также реализуется при разрешении VGA,
SVGA, XGA и UXGA. Широкоэкранное изображение будет урезано.
16 : 9 – стандарт, предназначенный для широкоэкранных изображений и формата
HDTV. Приближен к формату кинопленки 1.85:1.
1,85 : 1 – Цифровые и кинопленочные кинотеатры.
2,40 : 1 – Cinema Scope.
Уровень шума
Уровень шума измеряется в децибелах. Для домашних театров и конференц-комнат
допустимый уровень собственного шума проектора составляет 40 дБ. Недавно
был представлен проектор со световым потоком 1500 ANSI-лм и уровнем шума
28 дБ.
Частота обновления экрана
Этот параметр соответствует частоте обновления изображения на экране
(частоте смене кадров). Уменьшение частоты обновления приводит к появлению
фликер-эффекта (к заметному мерцанию изображения). Источники компьютерной
или видеоинформации должны давать частоту обновления кадров, поддерживаемую
проектором. Это значение варьируется в пределах от 24 до 120 Гц.
Частота горизонтальной развертки – этот параметр описывает частоту отображения
горизонтальных линий изображения. Чем выше значение частоты горизонтальной
развертки при данной частоте обновления кадра, тем больше разрешение изображения.
Источники компьютерной или видеоинформации должны давать частоту горизонтальной
развертки, поддерживаемую проектором. Это значение варьируется в пределах
от 15 до 135 кГц.
Сдвиг изображения
Позволяет сдвигать проецируемое изображение в модуляторе светового
потока проектора вверх или вниз. Это дает тот же эффект, что и сдвиг линз.
Цветопередача
Технологии соблюдения качества цветопередачи были разработаны для
точного отображения исходных цветов на дисплее. Важнейшие составляющие,
такие как цветовая температура, цветовая и RGB-гамма оптимизированы для
четырех режимов: sRGB, MacRGB, AdobeRGB и EBU.
Стандарты в области цветопередачи:
SRGB – определяет соответствие стандарту качества цветопередачи и цветовой
палитры. Характеризуется достоверность отображения цветов в компьютерах
с операционной системой Windows и системах HDTV.
MacRGB – определяет качество цветопередачи для компьютеров Mac.
AdobeRGB – определяет режим цветопередачи, оптимизированный для работы
с программами фирмы Adobe, такими как Photoshop и Illustrator.
EBU – стандарт цветопередачи Европейского вещательного союза (EBU). Характеризуется
достоверностью отображения цветов для телевизионных мониторов.
Стереоскопические проекционные системы
Для создания стереоскопической проекции применяются два метода.
Система с пассивными очками. В такой системе используются два LCD- или
LCOS-проектора, каждый из которых воспроизводит изображение для правого
и левого глаза, что приводит к созданию стереоскопичной картинки и ортогонального
направления поляризации светового потока, идущего на зрителя. Поляризация
пассивных очков так же ортогональна. Зритель видит раздельно изображения
для левого и правого глаза, в результате формируется стереоскопическое
изображение. Преимущество этой системы в том, что выходной световой поток
LCD- или LCOS-проекторов уже поляризован, поэтому эффективность светового
потока проекторов при таком методе высока. Недостатком является высокая
стоимость инсталляции двух проекторов.
Система с активными очками. В системе с активными очками могут использоваться
DLP (и CRT)-проекторы. Информация для каждого глаза передается поочередно
при высокой частоте обновления кадра (96 – 120 Гц), что позволяет задействовать
лишь один аппарат. В этом достоинство данного метода. Недостатком является
конструкция активных очков с электронным обтюратором, разделяющим изображение
для левого и правого глаза. Они могут быть некомфортны для зрителя после
определенного периода просмотра.
Сравнительные характеристики технологий