Тестирование проекторов проходило в два этапа. Первый этап заключался в инструментальных измерениях оптических параметров проекторов — светового потока, контрастности и однородности светового потока, которые являются важными характеристиками, позволяющими судить о проекционных возможностях проектора. Такие измерения необходимы, потому что заявленные значения светового потока и контрастности часто значительно превышают реальные величины. Второй этап тестов представлял собой субъективное тестирование. Тесты были проведены в Лаборатории средств отображения информации (http://www.lsoi.ru) как при заводских установках проектора (по методике ANSI), так и при настроенном «световом клине».
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ
Заводские установки проектора. Каждый проектор имеет некоторые оптимальные, с точки зрения производителя, предустановленные настройки светового потока («яркости») и наклона гамма-функции («контрастности»). Эти предустановленные настройки называются заводскими установками и могут быть активизированы через меню (пункт Reset у многих проекторов). Поскольку большинство проекторов на нашем рынке являются презентационными (business), или многоцелевыми (multi-purpose), а сугубо кинотеатральные (home cinema) довольно редки, то заводские установки, как правило, оптимизированы для воспроизведения компьютерной графики при демонстрации презентаций. Для графического изображения характерны: четкие линии, яркая палитра и резкие цветовые границы (рис. 1).
Неяркие цвета и оттенки редко используют в презентациях — кто же хочет выглядеть, в прямом и переносном смысле, бледно на презентации. Кроме того, презентации часто показывают при значительных засветках экрана, поэтому при заводских установках проектор, как правило, имеет максимальную контрастность и наибольший световой поток. Для графического изображения даже 50% избыток контрастности (рис. 1Б) или светового потока (рис. 1В) или и того и другого вместе (рис. 1Г) не так заметны на глаз по сравнению с нормальным изображением (Рис. 1А). Другое дело — реальное изображение (кино, ТВ или видео), где могут быть какие угодно цвета и оттенки. Поэтому заводские установки, за редким исключением, не годятся для просмотра кино, и проектор нужно настраивать дополнительно.
Световой клин. Для использования в домашнем кинотеатре проекторы настраиваются при помощи так называемого светового (градиентного) клина. Световой клин — это серая полоска, в которой интенсивность серого цвета линейно нарастает от чисто черного до чисто белого цвета (рис. 2 верхний). Для удобства работы число градаций клина уменьшают, так что клин превращается в ряд равномерно окрашенных прямоугольников со ступенчатым изменением градаций интенсивности серого (рис. 2 нижний). Самый левый прямоугольник светового клина на последнем рисунке почти не виден, так как он сливается с цветом бумаги. «Выставить» (настроить) клин — означает таким образом отрегулировать настройки яркости и контрастности проектора, чтобы изображение светового клина на экране было как можно ближе к оригиналу: должны быть видны все градации серого от чисто белого до чисто черного цвета и все границы между градациями.
При правильно выставленном световом клине проектор может одновременно воспроизводить как яркие, так и бледные оттенки одного цвета, как темные участки, так и светлые (рис. 3). Это означает, что как темный, так и светлый видеоряд будут отображаться одинаково реалистично.
Чтобы понять, каким образом связан световой клин и изображение, посмотрим, что бывает в обратном случае. Если световой клин не настроен, то наблюдаются разнообразные ухудшения качества изображения, наиболее часто встречающиеся из которых приведены на рис. 4.
При избыточной контрастности изображения (рис. 4А) пропадают слабые оттенки — арка на заднем плане почти белая, а открытая створка двери совсем не видна. Перенасыщаются яркие цвета — цвет кожи стал красно-желтым, излишне обостряются цветовые переходы, сливаются как темные (листва дерева), так и светлые участки (плиты перед домом) изображения.
Недостаток контрастности (рис. 4Б) приводит к уменьшению глубины цвета: чисто белый цвет отображается как светло-серый, чисто черный — как темно-серый. Падает насыщенность цветов — они становятся бледными, светлые участки становятся серыми, а также сглаживаются цветовые переходы.
При повышенном сверх нормы световом потоке (рис. 4В) излишне увеличивается яркость изображения. При этом неправильно отображается черный цвет клина, который стал темно-серым, и темные участки изображения: темная листва стала светлой, а также сливаются светлые участки изображения.
Падение светового потока (рис. 4Г) приводит к снижению яркости изображения, в результате чего неправильно отображается белый цвет, который становится светло-серым, и сливаются темные участки изображения.
Бытует неверное мнение, что контрастность и световой поток как бы взаимозаменяемые параметры, что малую контрастность (как на рис. 4Б) можно компенсировать повышением светового потока, а недостаточный световой поток (как на рис. 4Г) — восполнить увеличением контрастности изображения. Это не так: на рис. 4Д яркость недостаточна, а контрастность повышена, а на рис. 4Е, наоборот, мала контрастность и увеличена яркость. В обоих случаях мы имеем искаженное изображение: правильная «картинка» может быть получена только при совместной регулировке яркости и контрастности.
Следует отметить, что отрегулировать проектор без светового клина, используя, например, какой-нибудь знакомый видеоряд, тоже возможно, но для этого необходим опыт, и в любом случае уйдет гораздо больше времени, чем при настройке с использованием светового клина.
Методика измерений. Как уже упоминалось, измерения светового потока и контрастности проводились по методике ANSI. Все этапы методики строго регламентированы, здесь мы коротко опишем основные действия.
Для измерений светового потока на экран проецируется изображение белого поля формата 4:3, размер которого 1 м (40 дюймов) по диагонали. При помощи калиброванного люксметра в девяти определенных фиксированных точках изображения измеряется освещенность экрана. После этого рассчитывается световой поток равный произведению усредненной по девяти точкам освещенности на площадь экрана.
Для измерения контрастности по белому и черному полям (КБЧ) на экран поочередно выводятся изображения белого и черного полей формата 4:3 и размером по диагонали 1 м, освещенность которых измеряется так же, как и при определении светового потока. Отношение освещенностей белого и черного полей равно КБЧ.
При измерении контрастности по шахматному полю (КШП) на экран, закрытый черным бархатом, проецируется изображение шахматного поля (формат 4:3, диагональ 1 м), после чего измеряются освещенности на черном и белом полях шахматного поля, отношение которых и равно КШП.
Более подробно о методике ANSI можно узнать на www.ansi.org или www.lsoi.ru.
Оценка проекционных возможностей. Измеренные реальные световые потоки и контрастности были использованы для оценки проекционных возможностей проекторов, под которыми здесь подразумеваются максимальные диагонали, которые можно получить в различных условиях (полностью затемненное помещение, засветка экрана различной интенсивности) и различных режимах (при заводских установках или при настроенном световом клине) воспроизведения.
Для оценки проекционных возможностей использовались следующие простые соображения.
Во-первых, просмотр кино будет комфортным, если яркость изображения, которая пропорциональна освещенности, не будет очень большой или очень малой. За основу можно взять освещенность экрана в стандартном кинотеатре, которая лежит в пределах 85—120 лк согласно справочным данным [1]. Таким образом, за допустимый минимум освещенности экрана в области изображения можно принять среднее значение этого диапазона — около 100 лк. Увеличение размера изображения сопровождается уменьшением уровня освещенности, поэтому та диагональ, при которой освещенность экрана в области изображения упадет до 100 лк, и будет максимально достижимой диагональю для данного проектора.
Во-вторых, просмотр изображения при наличии посторонних засветок экрана будет комфортным, если контрастность изображения не снизится ниже определенного предела: контрастность при засветках тем ниже, чем выше уровень засветки. Для изначально контрастного графического изображения за минимум контрастности можно принять величину 10:1, а для киноизображения больше — 50:1.
Оценим проекционные возможности абстрактного проектора со световым потоком 1000 лм и контрастностью 250:1 при заводских установках и 800 лм и 160:1 при выставленном световом клине.
Расчет кривой освещенности. Зависимость освещенности экрана в области изображения от диагонали изображения определяется соотношением I(d) = kФ0/d2, где Ф0 — измеренный световой поток проектора, d — диагональ изображения и коэффициент k=2.083 или 2.34 для изображения формата 4:3 или 16:9 соответственно. Кривые освещенности рассчитывались для световых потоков, измеренных как при заводских установках, так и при выставленном световом клине.
Пересечение зеленой кривой освещенности (рис. 5 левый) с прямой I0 = 100 лк дает максимальную диагональ 4 м в режиме показа кино, а красной кривой — и 4,5 м в графическом режиме.
Расчет кривой контрастности. Зависимость контрастности по шахматному полю от диагонали изображения в присутствии посторонней засветки экрана определяется соотношением K(d) = (kФ0/d2 + I’)/(kФ0/(K0d2) + I’), где Ф0 — световой поток проектора, K0 -контрастность при отсутствии посторонних засветок экрана, d — диагональ изображения, I’ — уровень посторонней засветки экрана и k = 2.083 или 2.34 для изображения формата 4:3 и 16:9 соответственно.
Зависимости контрастности рассчитывались для уровней посторонней засветки экрана I’ = 0,5, 5 и 50 лк. Для сравнения: 50 лк — типичная освещенность во время перерыва в кинотеатре, 5 лк — средняя освещенность на улице в сумерках и 0,5 лк — типичная освещенность на улице при полной луне в ясную ночь. Еще более простое сравнение: 50, 5 и 0,5 лк — типичные значения освещенности экрана от свечи, расположенной на расстоянии около 14, 45 и 145 см от экрана соответственно.
Пересечение кривой K(d) с уровнем минимальной контрастности изображения (напомним, 50:1 для кино и 10:1 для графики) дает максимальную диагональ для данного уровня засветки (рис. 5 средний и правый).
Окончательно суммируя условие для максимальной диагонали по контрастности и условие для максимальной диагонали по освещенности, можно найти максимальную диагональ изображения для данного уровня засветки экрана и данного светового потока. Для нашего проектора получаем: в режиме просмотра кино максимальная диагональ равна 4 м при незначительной (порядка 0,5 лк) засветке, 1,1 м — при умеренной (порядка 5 лк) засветке и 0,7 м — при значительной (порядка 50 лк) засветке экрана. Для графического режима соответствующие диагонали равны 4,5, 4,5 и 2 м.
СУБЪЕКТИВНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ
Второй этап тестирования заключался в просмотре тестовых фрагментов для субъективной оценки качества изображения. Кроме того, оценивались: функциональность и удобство меню и органов управления проекторов, а также уровень акустических помех от проектора. На основании измеренных данных и результатов субъективного тестирования рассчитывался рейтинговый индекс, на основании которого проекторы сравнивались между собой.
Понятно, что не вполне корректно сравнивать два проектора, цена которых отличается в два-три раза, даже если у этих проекторов близкие технические характеристики: цена проекторов во многом определяется аппаратными особенностями — наличием или отсутствием устройств повышения качества изображения, возможностями электронной части проектора и т.п. Учитывая вышесказанное, проекторы были разделены на четыре ценовые группы: меньше $2000 (4 проектора), от $2000 до $3000 (5 проекторов), от $3000 до $6000 (5 проекторов) и больше $6000 (4 проектора), и сравнение велось внутри группы. Если читатель не согласен с таким делением, то ничто не мешает ему сравнивать проекторы из разных ценовых групп.
Существуют различные методики расчета рейтингового индекса, основанные на суммировании с различным весом оценок тестовых параметров. При этом применяют различные шкалы для разных величин. Вместе с тем субъективное тестирование по своей сути сводится к оценкам типа «нравится», «не нравится» и «нормально», поэтому можно ввести трехбалльную шкалу с оценками 3, 1 и 2, соответственно. По такой трехбалльной шкале были оценены: уровень шума, настройки, удобство управления, удобство меню и дизайн проектора. Вместе с тем изображение как более важный параметр субъективного тестирования оценивалось по пятибалльной шкале: «неудовлетворительно», «плохо», «удовлетворительно», «хорошо» и «отлично». По результатам субъективного тестирования рассчитывался средний «субъективный балл».
Величины светового потока и контрастности, измеренные при настроенном световом клине, приравнивались к соответствующим баллам, после чего суммировались и усреднялись, что давало средний «объективный балл». Затем рассчитывался «общий балл» по субъективному и инструментальному тестированию: Общий балл = Субъективный балл х Объективный балл, т.е. общий балл — это качество проектора, помноженное на его возможности. И, наконец, рассчитывалось отношение цены и качества из соотношения:
Цена/качество = Цена/Общий балл. Тот проектор, для которого величина Цена/качество оказывалась наименьшей, становился победителем в своей ценовой группе.
результаты тестирования
DLP-проекторы. Так называются проекторы, в которых для формирования изображения применяется одна или несколько микрозеркальных матриц DMD (Digital Micromirror Device), дословно «цифровой микрозеркальный прибор». DMD-матрица выпускается исключительно американской фирмой Texas Instruments, которой принадлежат также торговые марки DMD и DLP. В тестах участвовали только одноматричные DLP-проекторы, поэтому далее везде будет подразумеваться именно одноматричный проектор.
DMD-матрица представляет собой микросхему со множеством микроскопических прямоугольных зеркалец. Например, матрица с размером по диагонали 17,8 мм (0,7 дюйма) и разрешением 1024х768 имеет на своей поверхности 786432 зеркальца, размер каждого из которых по диагонали около 0,000013 м, то есть порядка десяти тысячных долей миллиметра. Каждое микрозеркало укреплено на матрице при помощи ножки с шарнирным механизмом. Таким образом, микрозеркало может качаться на ножке, поворачиваясь на определенный угол. Кроме того, каждое зеркало имеет собственный привод, вероятно, электростатический, который и управляет положением зеркала: в одном (включенном) состоянии зеркало отражает свет от проекционной лампы в объектив проектора, а в другом (выключенном) положении в специальную ловушку. В каждый момент времени в создании изображения одновременно принимают участие сотни тысяч зеркал, поэтому для управления зеркалами создана специальная технология DLP (Digital Light Processing) — «цифровое управления светом».
Для того чтобы передать цвет изображения в DLP-проекторе, применяется вращающееся колесо с 3 секторами (красный, синий и зеленый) из цветного стекла. Колесо вращается с частотой порядка 150 оборотов в секунду. При каждом обороте колеса цветные сектора по очереди пересекают свет от проекционный лампы, создавая пучки света красного, синего и зеленого цветов, которые затем последовательно попадают на микрозеркальную матрицу. Таким образом, в течение времени воспроизведения одного кадра (1/25 с) цветовое колесо успевает сделать шесть оборотов, шесть раз создав цветной пучок каждого из трех цветов. Во время прохождения, например, красного сектора на DMD-матрице во включенном положении остаются только те микрозеркала, которые соответствуют красным участкам изображения. То же самое происходит при прохождении синего и зеленого секторов. Таким образом, изображение, создаваемое DLP-проектором, состоит из чередующихся вспышек красного, синего и зеленого цветов, которые следуют с очень большой частотой. Глаз вследствие своей инертности не видит отдельных вспышек, поэтому изображение воспринимается как целое, а последовательная смена цветов, например красного и зеленого, воспринимается как смешанный цвет — желтый.
Различные участки изображения имеют различную яркость, цвета могут быть яркими или бледными. Для того чтобы передать цвет различной интенсивности, используется физиологическая особенность зрения, которая заключается в том, что короткие (намного меньше постоянной времени глаза) световые вспышки кажутся тем ярче, чем дольше они длятся. В применении к DLP-технологии это означает, что чем больше времени находится во включенном (отражающем) состоянии то или иное микрозеркало, тем ярче будет соответствующая точка изображения. Рассмотрим это на примере создания красной точки разной интенсивности. Она формируется при отражении от соответствующего микрозеркала за время прохождения через световой пучок красного светофильтра, которое обозначим как Dt. Максимальная яркость точки будет достигнута, если в течение всего Dt микрозеркало находилось во включенном состоянии. Если микрозеркало находилось в состоянии отражения половину времени (t, то яркость красной точки будет вдвое меньше, если 1/100 от Dt — то в сто раз меньше и т.д. Если микрозеркало вообще не включалось, то воспроизводится черная точка. То же самое происходит и с другими цветами соответственно при прохождении двух других цветных секторов.
Для управления временем отражения применяется широтно-импульсная модуляция: время нахождения микрозеркала во включенном состоянии зависит от ширины управляющего импульса. Если учесть, что в проекторах применяется 8-битный цвет, то должно быть 256 градаций ширины импульса для передачи 256 градаций интенсивности. Таким образом, управляя временем отражения микрозеркал, можно создавать как чистые цвета различной интенсивности, так и всевозможные смешанные цвета в количестве 256х256х256 = 16777216 оттенков.
DLP-технология формирования изображения обладает множеством достоинств. Во-первых, это более точное отображение цветовых точек, чем у LCD-проекторов, поскольку нет проблемы несведения лучей. Во-вторых, это меньшие потери светового потока за счет отсутствия поглощения, поскольку изображение формируется в отраженном свете, а не в пропущенном.
Вместе с тем DLP-технология обладает и недостатками, особенно если не применяются технологии улучшения качества изображения (обычное дело для презентационных проекторов). К недостаткам DLP-технологии относится, во-первых, «эффект радуги»: при перемещении взгляда с одного участка изображения на другой на мгновение появляются красная, синяя и зеленая полоски, действительно похожие на радугу. Во-вторых, это «эффект дымчатых очков», который заключается в том, что даже яркие цвета выглядят как сквозь дымчатые очки, то есть с серым оттенком. Этому эффекту можно дать следующее объяснение. Выше мы увидели, как формируются точки того или иного цвета. Что произойдет, например, при воспроизведении какого-нибудь чистого цвета, например зеленого? При прохождении зеленого светофильтра микрозеркала будут включены и отобразятся точки чистого зеленого цвета, а при прохождении красного и синего — черные, которые глаз также увидит. Таким образом, к чистому зеленому добавится черный цвет, что на глаз воспринимается как серый оттенок.
LCD-проекторы. Так называются проекторы, в которых изображение формируется при помощи трех жидкокристаллических матриц LCD (Liquid Crystal Display), которые еще называют LCD-или ЖК-панелями. LCD-матрицы выпускаются несколькими фирмами.
Каждая LCD-матрица состоит из поляризаторов и пустотелой пластины, заполненной жидким кремний-органическим полимером (полисиликоном), который представляет собой полукристаллическое вещество, так называемые «жидкие кристаллы». Полисиликон обладает интересным свойством: под действием электрического поля жидкие кристаллы ориентируются в одном направлении, в результате чего проходящий через них свет поляризуется. Кроме того, ориентированные жидкие кристаллы способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Пиксельная структура матрицы создается при помощи слоя тонкопленочных транзисторов TFT (Thin Film Transistors), каждый из которых управляет ориентацией жидких кристаллов в пределах своего пиксела.
Пластина с жидкокристаллическим веществом находится между двух поляризаторов, направления поляризации которых взаимно перпендикулярны: свет, прошедший через один поляризатор, задерживается другим. Таким образом, в пассивном состоянии пикселы LCD-матрицы не пропускают свет. При активизации пиксела включается электрическое поле в его пределах, в результате чего сориентированные жидкие кристаллы «доворачивают» плоскость поляризации света, прошедшего через одну пластину, так, что свет может пройти и через вторую. Угол, на который доворачивается плоскость поляризации света, зависит от напряженности электрического поля в пределах пиксела. Таким образом, можно регулировать интенсивность «свечения» пиксела.
Чтобы передать цветовую информацию, применяются три LCD-матрицы. Свет от проекционной лампы разделяется на три пучка, один из которых проходит через красный, другой через зеленый, а третий через синий светофильтр. После этого каждый из цветных пучков попадает на свою LCD-матрицу, где сформировано соответствующее изображение: на «красной» матрице активны только те пиксели, которые соответствуют красному цвету исходного изображения, на «зеленой» матрице — зеленому цвету, а на «синей» — синему. И, наконец, три цветных изображения сводятся вместе и через объектив проецируются на экран, создавая цветное изображение.
Достоинствами LCD-технологии формирования изображения является, во-первых, непрерывность изображения во времени, благодаря чему снижается нагрузка на зрение. Во-вторых, цветовое изображение создается одномоментно при смешении трех световых пучков, благодаря этому достигается более естественная цветовая палитра.
К недостаткам LCD-технологии относятся большие потери света при прохождении светофильтров и LCD-матриц. Кроме того, проекторы на основе LCD-технологии чувствительны к качеству светофильтров и зеркал. Еще один недостаток связан с не всегда правильным сведением цветных пучков, что вызывает цветностные шумы и муар.
Световой поток — среднее значение энергии, переносимой электромагнитными волнами видимого диапазона в единицу времени через произвольную поверхность [1]. В случае проектора световой поток — это световая энергия, проходящая через площадь изображения в единицу времени. Отметим, что световой поток от площади изображения не зависит. Единицей измерения светового потока является люмен (лм) [1]. ANSI-Lm (читается «анси-люмен») численно равен люмену и является единицей измерения светового потока проектора по методике ANSI (American National Standard Institute).
Освещенность — отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Единица измерения — люкс (лк) [1]. В случае проектора освещенность экрана в области изображения растет с увеличением светового потока и уменьшается с увеличением размера (площади) изображения. Яркость изображения пропорциональна падающему на экран световому потоку: при увеличении светового потока яркость растет, при уменьшении — падает. Настраивая «яркость» в меню проектора, мы фактически регулируем его световой поток.
Контрастность изображения равна отношению освещенностей экрана в области чисто белого и чисто черного полей. Контрастность изображения при отсутствии посторонней засветки экрана равна контрастности самого проектора, точнее контрастности его формирователя изображения (DMD или LCD-матрицы). Контрастность по белому и черному полям (КБЧ) равна отношению освещенностей при воспроизведении чистого белого и чистого черного полей по очереди. Именно эту контрастность в подавляющем большинстве указывают производители в технических характеристиках проектора: иногда в скобках указывают (full on/off). Контрастность по шахматному полю (КШП) равна отношению освещенностей белого и черного полей, расположенных в шахматном порядке, что действительно напоминает шахматную доску.
Гамма-функция упрощенно — это зависимость (и соответствующая кривая) уровня выходного сигнала от уровня входного. В случае проектора — это зависимость уровня яркости изображения от уровня видеосигнала. Гамма-функция зависит как от светового потока, так и от контрастности. Изменение светового потока (настройка «яркость») вызывает сдвиг гамма-функции по вертикали, изменение настройки «контрастность» вызывает изменение наклона гамма-функции.
Комментарии