Эргономика дисплея

 Подборка: Daemon

Большую часть информации при работе с компьютером человек получает, глядя на дисплей, и здесь неизбежно возникает вопрос, насколько экран безопасен для здоровья. Современные мониторы не создают паразитных излучений, электростатических полей и тому подобных нежелательных явлений, которые можно было бы классифицировать как «невидимый вред», т. е. наносимый здоровью человека факторами, не улавливаемыми его органами чувств. Многочисленные научные исследования до сих пор еще не выявили такового. Выяснилось лишь одно (проблемы, связанные с малоподвижным образом жизни, с дефицитом общения или расстройствами психики из-за чрезмерного увлечения играми здесь не рассматриваются): ПК может ухудшить зрение вследствие длительной чрезмерной нагрузки на глаза. Значит, работоспособность, самочувствие и просто настроение человека напрямую зависят в основном от правильных выбора и настройки системы видеоадаптер - дисплей. Причем это особенно актуально для настольных компьютеров, поскольку устанавливает «подходящую пару» не производитель, а сам потребитель. Как правило, все негативные последствия от работы с ПК вызваны неудачным выбором или неверной регулировкой видеосистемы. Если не учитывать возможности процессора трехмерной графики, иначе 3D-ускорителя, то качество изображения на экране можно регулировать тремя параметрами (здесь речь идет только о регулировке, осуществляемой в видеоадаптере: яркость, контрастность, цветовая температура, а также многочисленные геометрические регулировки, осуществляемые непосредственно на мониторе, - тема отдельного разговора): пространственным разрешением, глубиной цвета и частотой регенерации (обновления) изображения.

Пространственное разрешение обычно измеряется как произведение горизонтального размера (в точках) на вертикальный, например 1024*768 точек. Чем оно выше, тем больше информации можно разместить на экране. Однако с увеличением разрешения ухудшается четкость изображения. Одна из причин этого - конечный размер «зерна» дисплея, под которым принято подразумевать триаду из светящихся точек трех основных цветов. Естественно, дисплей не может отобразить большее количество точек, чем имеется зерен. Теоретическая оценка максимального разрешения для различных мониторов дана в таблице:


1 - Соответствует 72 тнд (Дисплеи с таким размером зерна не выпускались, однако традиционно считается, что изображение на экране имеет именно такое разрешение. То есть последний столбец таблицы соответствует не плотности зерен, а рекомендуемой плотности пикселов на 1 мм.)


Приведенные в ней значения посчитаны без учета толщины электронного луча и ограниченной полосы пропускания видеоусилителей, поэтому их следует рассматривать не как рекомендуемые, а как оценки с превышением. А поскольку ни при одной из существующих технологий изготовления ЭЛ-трубок зерно не имеет форму квадрата, то сам шаг зерна может быть рассчитан различными способами (при различных технологиях светоизлучающие элементы зерна могут иметь различную форму, что также затрудняет сравнение. Например, в дисплеях с апертурной решеткой можно указать лишь горизонтальный шаг, в то время как по вертикали светоизлучающие элементы представляют собой практически непрерывные полосы, проходящие от самого верха, до самого низа экрана):


Естественно, производитель выбирает тот, при котором получается значение, наиболее привлекательное с точки зрения маркетинга. Однако не всегда оно отражает реальную разрешающую способность дисплея. Есть и еще одна хитрость, на которую идут разработчики. В документации на дисплей, как правило, приводится максимальное разрешение. Никакого отношения к приведенным выше оценкам этот параметр не имеет - он характеризует лишь допустимые частоты разверток дисплея, ни в коей мере не гарантируя того, что заявленное количество точек в реальности будет различимо на экране. Есть и другие причины, снижающие четкость изображения, например ограниченность полосы пропускания видеоусилителей и конечный диаметр электронного луча. Этот луч нельзя сделать очень тонким сразу по нескольким соображениям. Кроме технологических причин можно также указать, что современный дисплей должен работать в режимах с количеством строк, изменяющимся, как правило, от 350 до 1024 - 1440. Если их много, то они как бы «наползают» друг на друга, в то время как при небольшом числе между ними отчетливо видны промежутки.

Если дисплеи CGA допускали отображение только 200 строк растра, EGA - 200 и 350, то в видеосистеме VGA применена одна хитрость. Поскольку нельзя было отказаться от режима 200 строк из соображений совместимости, а максимальное количество строк экрана должно было составить 480, то, чтобы сузить диапазон частот развертки, поддерживаемый дисплеем, и улучшить качество изображения, при формировании сигнала в 200-строчных режимах каждая строка отображалась дважды и высота одного пиксела равнялась удвоенной ширине строки растра. В результате вместо ряда 200, 350, 400 и 480 строк дисплей должен был поддерживать только 350, 400 и 480. Сейчас можно было бы пойти тем же путем, применив 2-, 3- или 4-кратное сканирование одной строки видеопамяти в режимах с низким разрешением (скажем, до 600 строк), но, к сожалению, производителей видеоадаптеров волнуют другие проблемы. Еще одна из причин снижения четкости - несведение. При таком дефекте дисплея наблюдается рассогласование изображений, формируемых «разноцветными» электронными пушками.

Все сказанное выше относится только к ЭЛТ-дисплеям. У ЖК-дисплеев а также на основе других перспективных технологий, например на светоизлучающих диодах, есть свои особенности. В первую очередь они связаны с тем, что зерно имеет квадратную форму и точно соответствует пикселу в одном из поддерживаемых разрешений. Это так называемое «родное», или физическое разрешение, четкость изображения в котором максимальна и превосходит обеспечиваемую на лучших ЭЛТ-дисплеях. Все остальные разрешения обеспечиваются за счет интерполяции (в старых дисплеях иногда используется не вся площадь экрана), поэтому четкость в них заметно ниже и уступает четкости ЭЛT-дисплеев. Правда, следует заметить, что это справедливо лишь при управлении дисплеем через цифровой (DVI) вход. Если же сигнал подавать по аналоговым цепям (D-Sub), то четкость может быть даже хуже.

В целом можно сказать, что применять плоские дисплеи целесообразно лишь тогда, когда предпола гается их работа с единственным «родным» разрешением, особенно если речь идет об отображении текста или векторной графики. При воспроизведении полутоновых изображений, в частности видео, четкость существенной роли не играет.

Глубина цвета измеряется в битах на пиксел и характеризует количество цветов, которое одновременно может быть отображено на экране. Собственно, «одновременно отображено» - не совсем точное выражение. Оно было справедливо в те времена, когда само количество цветов было невелико, по крайней мере существенно меньше количества точек на экране: 2, 4, 16, 256 цветов. В распространенном сейчас режиме True Color уже более 16 млн. цветов, и они целиком на экране поместиться уже явно не могут, а недавно появились видеоадаптеры, поддерживающие более 3 млрд. цветов (10-разрядный цвет по каждой из составляющих). Между глубиной цвета и количеством отображаемых цветов есть однозначное соответствие:


При работе в режимах с низкой глубиной цвета использовалась палитра. Это было целесообразно тогда, когда цифроаналоговые преобразователи поддерживали большее количество цветов, чем можно было разместить в видеопамяти. Например, аппаратно реализовывалось 262 144 цвета (по 64 уровня яркости для каждого из основных цветов), а объем видеопамяти позволял отвести не более 1 байта на точку, что соответствовало 256 цветам. Тогда для данного приложения выбирались 256 наиболее важных цветов, и только они могли быть отображены на экране. Естественно, такой режим был хорош для однозадачной среды, но имел ограничения в случае с многозадачными, ведь для каждого из одновременно присутствующих на экране приложений оптимальный набор цветов мог быть различным. Поэтому в настоящее время в основном используются режимы с непосредственным представлением цвета.

С удешевлением видеопамяти появились режимы с 32 битами на пиксел, в которых использовалось только 24 бита. Такой неэкономный расход видеопамяти был удобен, с одной стороны, для написания программ, поскольку в этом случае на точку приходилось одно слово процессора, или 32 разряда, а с другой - для упрощения схемы дешифратора адресов видеоконтроллера.

С увеличением как экранного разрешения, так и глубины цвета видеоадаптеру требовалось все больше видеопамяти. Значит, поддержка тех или иных режимов зависит от объема памяти на видеоплате. Оценить последний для конкретного режима можно по формуле:

V = (X*Y*P/ 8),

где V - требуемый объем видеопамяти, байты;
X, Y - пространственное разрешение по горизонтали и вертикали соответственно, пикселы;
P - глубина цвета, бит на пиксел (8 в знаменателе служит для перевода битов в байты).

Объем видеопамяти - не единственный фактор, ограничивающий глубину цвета или пространственное разрешение. Определенную роль также играет скорость работы видеопамяти. Например, видеоадаптер VGA имел достаточно памяти (256 Кбайт) для поддержания режима 640*400 точек при 256 цветах, но видеопамять за время показа строки (около 30 мкс) не могла выдать 640 байт данных, поэтому приходилось ограничивать либо глубину цвета (640 точек в строке при 16 цветах), либо разрешение (320 точек при 256 цветах). И в том и в другом случае от видеопамяти требовалось лишь 320 байт на строку. Подобные ограничения были и у многих видеоадаптеров с 512-Кбайт - 1-Мбайт видеопамятью в режимах с большой глубиной цвета (16-24 бита на пиксел).

В настоящее время в видеоадаптерах устанавливается по 64-128 Мбайт видеопамяти, и ее объем явно больше, чем может понадобиться для хранения экрана самого высокого разрешения. Это связано с тем, что наряду с изображением (на экране) в ней хранится определенный объем данных, необходимый для визуализации 3D-сцен, в первую очередь текстур материалов и координат полигонов, из которых состоят 3D-объекты.

Такая характеристика, как глубина цвета, важна исключительно для видеоадаптера. Монитор способен работать при любых значениях этого параметра. Однако не всегда многообразие цветов, генерируемое видеоплатой, можно увидеть на экране из-за того, что монитор обеспечивает ограниченное количество градаций цвета. В большей степени это относится к ЖК-мониторам, для которых труднее обеспечить линейную зависимость между приложенным напряжением и синусом угла вращения плоскости поляризации. Кроме того, разные расстояния между электродами, неоднородность химического состава ЖК-среды и неравномерность подсветки также приводят к колебаниям светоотдачи разных ячеек.

Частота регенерации (иначе говоря, частота обновления или частота кадровой развертки) - это характеристика, которая, возможно, не так явно «заметна» на экране дисплея, как две предыдущие, но она очень сильно влияет на утомляемость глаз при длительной работе.

Первые кинофильмы были сняты с частотой 16 кадр./с. Вскоре стало понятно, что она не обеспечивает плавных движений на экране, и киноиндустрия перешла на 24 кадр./с., и это до сих пор считается приемлемым. Однако первые же опыты формирования телевизионного сигнала показали, что регенерация изображения на ЭЛТ-экране приводит к его сильному мерцанию. Если в кино большую часть времени затвор киноаппарата открыт, а перерыв между показом двух последовательных кадров составляет совсем небольшую величину, то в телевидении луч пробегает весь кадр, не задерживаясь ни в одной точке, в результате чего интервал между засветкой одного элемента изображения практически равен длительности кадра. Этот перерыв и фиксирует глаз, когда пытается подстроиться под постоянно изменяющуюся освещенность, и вследствие этого наступает утомление.

Человеческий глаз имеет светочувствительные элементы двух типов: палочки с высокой чувствительностью, но не различающие цвет (по последним данным палочки также играют определенную роль в цветовосприятии), и колбочки с более низкой чувствительностью, обеспечивающие цветовосприятие. Палочек насчитывается около 130 млн., и они рассредоточены по всей площади сетчатки. Колбочек гораздо меньше - 6-7 млн., и большая их часть сконцентрирована в так называемом желтом пятне, соответствующем центру поля зрения. Инерционность колбочек выше, чем у палочек, и потому мерцание лучше всего различается боковым зрением.

Разработанные в 30-х годах прошлого века телевизионные стандарты обусловлены балансом между существовавшими тогда техническими возможностями и минимально приемлемым (по меркам первой половины прошлого века) качеством изображения. В результате частота регенерации была удвоена по сравнению с «киношной», но лишь за счет введения чересстрочной развертки. В итоге оказалось, что наиболее комфортное расстояние до телеэкрана сравнительно велико - не менее 5 длин диагонали экрана. Это, с одной стороны, требуется для того, чтобы чересстрочная структура изображения не различалась глазом, а с другой - чтобы изображение экрана целиком укладывалось в желтое пятно, не затрагивая периферийные области сетчатки глаза, более чувствительные к мерцанию.

Пока экран по размеру не превышал чайного блюдца, а телевизор приходили смотреть соседи с других этажей, такое ограничение не казалось чрезмерным. Введение более совершенных стандартов вещания наталкивается на то, что необходимо обеспечить их совместимость с огромным парком уже существующих телевизоров, что будет чрезвычайно дорого стоить. Иное дело компьютер - частоту регенерации его экрана можно настраивать совершенно независимо от частот регенерации других систем. Не зависит она также от телефона, телевидения и Интернета. Так что утверждения о негативном влиянии телевизионного экрана на зрение не распространяются на монитор. Современные дисплеи прошли длительный этап эволюции и достаточно безопасны, т. е. допускают длительную работу (естественно, при соответствующей настройке) без каких-либо негативных последствий.

Минимальная частота регенерации для комфортной работы - величина, зависящая как от индивидуальных особенностей человека, так и от характеристик изображения. Считается, что при отображении светлых символов на темном фоне частота регенерации должна быть не ниже 72 Гц, а для темных символов на светлом - не ниже 85 Гц. Однако не следует устанавливать максимально возможную частоту регенерации. Как и слишком высокое разрешение, она ухудшает четкость и, следовательно, повышает утомляемость. Это связано с конечной шириной пропускания цифроаналоговых преобразователей видеоадаптера и видеоусилителей дисплея. Пример того, как может изменяться изображение при различных частотах регенерации, показан в таблице:


В ней буквами А, Б, В и Г обозначены видеосистемы с разной полосой пропускания (А - наибольшая), а в левой колонке сверху вниз показано, как будет изменяться вид фрагмента текста при увеличении частоты регенерации.

Ширина полосы пропускания системы зависит от ширины полос пропускания каждого из звеньев, причем она уже любой из них. Так, если полосы пропускания как цифроаналоговых преобразователей видеоадаптера, так и видеоусилителей дисплея равны между собой и составляют 240 МГц, то суммарная полоса пропускания их «дуэта» будет менее 170 МГц.

В ЖК-дисплее все происходит совершенно иначе, чем в основанном на ЭЛ-трубке. Если у последнего время свечения определенной точки на экране значительно меньше, чем длительность кадра, то у ЖК-экрана, напротив, каждый пиксел в идеале сохраняет интенсивность своего свечения неизменной на протяжении всего кадра. Более того, поскольку светимость пиксела ЖК-дисплея определяется ориентацией огромных органических молекул под воздействием небольшого внешнего поля, то время релаксации такой системы велико и составляет десятки миллисекунд. Значит, приемлемая частота регенерации такого дисплея вообще-то должна быть 20-50 Гц, т. е. существенно ниже минимальной величины, поддерживаемой видеоадаптерами. Таким образом, частоту обновления ЖК-дисплея следует всегда устанавливать равной 60 Гц, так как большие значения способны привести лишь к негативным последствиям (особенно при использовании аналогового интерфейса D-Sub) и совсем не снизят степень утомляемости глаз.

:: на начало ::