Метод самостоятельного определения времени отклика LCD экрана монитора или телевизора

«Кто нам мешает, тот нам поможет»
к/ф «Кавказская пленница»

Преамбула

Время отклика LCD экрана является одной из важнейших характеристик монитора и телевизора. От него зависит, насколько хорошо данный монитор подходит, например, для компьютерных игр или просмотра видео. Если время отклика слишком большое, то на экране за движущимися высококонтрастными объектами будут оставаться видимые глазом артефакты, воспринимаемые как «призраки» или «тени», мешающие просмотру. Но, в отличие от большинства других технических характеристик, время отклика трудно измерить. А ведь это могло бы быть бы очень полезно, например при приобретении нового монитора или телевизора, а также при их настройке.

С другими техническими параметрами все более-менее понятно и очевидно. Например, размеры экрана при желании можно измерить рулеткой или линейкой. Разрешение экрана и размер пикселя тоже можно «пощупать», разглядывая экран с близкого расстояния. Многие параметры (например, яркость и контрастность экрана, глубина черного, равномерность засветки, отображение градиентов, резкость, углы обзора, гамма и так далее) можно проверить с помощью специальных тестовых программ начиная от простейших утилиток типа «Nokia Test», и до программ для комплексной настройки, проверки и сравнения, например «LCD Vs_mon».

Но, к сожалению, время отклика LCD экрана так просто посмотреть и «пощупать» не получается, и остается ориентироваться на значения, указываемые изготовителем в паспорте или рекламном буклете. Но тут тоже все довольно запутано. Существуют разные понятия времени отклика: GtG (grey to grey, от серого к серому), BtW (black to white, от черного к белому), BtB или BWB (black-white-black, с чёрного на белый и обратно). К тому же каждый изготовитель измеряет время отклика монитора по собственной методике, некоторые из них для уменьшения времени отклика используют технологию разгона Overdrive, и поэтому прямое сравнение мониторов или телевизоров разных марок друг с другом может быть некорректным.

Так что хотелось бы иметь какой-то инструмент, с помощью которого дома (а еще лучше в салоне магазина при покупке) можно было бы провести объективное измерение, чтобы на его основе определить, насколько хорошо данный телевизор или монитор подходит именно вам.

Можно ли как-то это сделать?

В принципе конечно можно, но…

Вот, например, краткое описание методики измерения времени отклика, принятой на IXBT.COM:

Теория
Определение времени отклика для мониторов дано в стандарте ISO 13406-2. Время отклика — это сумма времени, необходимого для изменения относительной яркости объекта с 0,1 до 0,9 (время включения) и времени для обратного изменения (время выключения). Относительная яркость при этом определяется как разность мгновенной (в текущий момент времени) и минимальной (монитор включен, на вход подается видеосигнал, соответствующий черному полю) яркостей, отнесённая к разности максимальной (монитор включен, на вход подается видеосигнал, соответствующий белому полю) и минимальной яркостей.

Практика

Аппаратная часть комплекса для измерения времени отклика состоит из фотодатчика, измеряющего относительную яркость на участке экрана тестируемого монитора, и USB-АЦП L-Card E-140 (макс. 100 кГц, работает на частоте 10 кГц, 14 бит) для оцифровки и ввода данных с датчика в компьютер, а также необходимых кабелей…

Программная часть комплекса — это программа GelTreat, позволяющая регистрировать и анализировать зависимости типа время-отклик, модифицированная для получения значений времен отклика.

В ходе измерений, программой GelTreat запускается два процесса: первый регистрирует сигнал с датчика, второй — в DirectDraw-режиме выводит на экран тестируемого монитора шаблоны. Страницы в шаблонах меняются через 500 мс на протяжении 10 с…

На записи получаем примерно 10 импульсов. Обрабатываем последние 5, где режим монитора уже точно установился… В результате, на графике появляются горизонтальные красные линии, отмечающие 10% и 90% от максимального отклика (яркости)… Всего определяем по 5 интервалов, затем подсчитываем средние времена включения, выключения и их сумму…

Можно ли такой способ рекомендовать для самостоятельного тестирования?

Наверное, вряд ли…

Может быть, можно это сделать как-то попроще, например, с помощью обычного фотоаппарата или видеокамеры? В принципе можно, но тут есть определенные трудности, проблемы, связанные как с принципом формирования изображения на LCD матрице телевизора или монитора, так и с принципами фиксации изображения фотоаппаратом или видеокамерой.

Тут нам понадобится немного теории.

Теория

Изображение на LCD матрице монитора или телевизора формируется из расположенных по строкам и столбцам нескольких миллионов отдельных точек, пикселей, каждый из которых в свою очередь состоит из триады цветных субпикселей.

К каждому пикселя в соответствии с его расположением применяется адресация по строкам и столбцам.

Информация на переключение пикселя передается построчно, последовательно всем пикселям каждой строки, и так последовательно строка за строкой для всего экрана. Потом процесс запускается заново, начинается передача следующего кадра. Обычно в LCD экранах мониторов и телевизоров время такого цикла, частота кадров бывает от 60 герц и более, то есть обновление кадров происходит каждые 16,7 миллисекунд и даже менее.

Соответственно и пиксели на LCD матрице переключаются не единовременно, а строка за строкой. Поэтому даже в пределах одного кадра, в каждый момент времени часть пикселей на экране уже «старые», появившиеся аж целых несколько миллисекунд назад и уже успевшие переключиться и изменить свою яркость, часть более молодые, находящиеся в процессе переключения, ну а некоторые только что появились, и только собираются переключаться.

Поэтому если мы с помощью высокоскоростной съемки попробуем зафиксировать, что происходит на поверхности ВСЕГО экрана с черного на белый, то на снимке мы получим не ровный серый тон, а своеобразную градиентную заливку. Часть экрана уже изменила цвет, а часть еще нет.

В принципе конечно можно измерить в фотошопе яркость пикселей в разных частях снимка экрана, по их положению, а также, исходя из частоты кадровой и строчной развертки, определить момент их появления, и на основании этого путем математических расчетов попытаться вычислить время отклика, но простым такое решение вряд ли можно назвать. Да и точным такое измерение вряд ли будет. Ну, а о наглядности и говорить нечего…

Да и не всякая камера позволит сделать такой снимок.

И дело тут не только в каких-то особых требованиях к ее быстродействию, а в некоторых особенностях работы затвора и фиксации изображения. Например, приведенный выше снимок сделан старенькой бюджетной мыльницей с центральным затвором, но сделать аналогичный снимок даже самой современной «зеркалкой» со шторным затвором в принципе невозможно.

Остановимся на этом поподробнее.

Сначала несколько слов о затворах, применяемых в фото- и видеотехнике.

Затворы в фото- и видеотехнике

Из всего многообразия конструкция остановимся на трех, наиболее интересных для нашего дальнейшего рассмотрения.

Центральный затвор располагается между линзами объектива или сразу за задней линзой. При его срабатывании экспонируется сразу вся площадь светочувствительного элемента. Выдержка регулируется временем открытого состояния затвора. Такой затвор имеет относительно простую конструкцию, при любых выдержках обеспечивает равномерную экспозицию всей поверхности светочувствительного элемента, поэтому различными вариантами подобных затворов оснащается большинство компактных цифровых камер. Но поскольку центральный затвор располагается внутри объектива и затрудняет его замену, такая конструкция крайне редко встречается в камерах со сменными объективами

Шторный затвор располагается непосредственно вблизи фотопленки или светочувствительного элемента. Поскольку шторки затвора начинают двигаться от одного края к другому, экспонирование кадра тоже происходит последовательно, от края до края. Скорость движения шторок затвора поддерживается строго постоянной при любой выдержке, а выдержка регулируется изменением размера «щели», расстояния между шторками в процессе их движения (поэтому иногда такой затвор называют шторно-щелевой).

Полностью открытым такой затвор оказывается только при выдержке, большей так называемой выдержки синхронизации, X-Sync, которая указывается в технических характеристиках камеры, и которая используется при съемке со вспышкой. В данном случае со вспышкой снимать мы ничего не будем, но этот параметр нам все же потребуется.

Таким образом даже если съемка производится с короткой вспышкой (например, 1/1000 секунды), экспонирование всего кадра займет гораздо больше времени – от 1/30 секунды в старых пленочных зеркалках и до 1/200 секунды и менее в современных цифровых.

Такой затвор конструктивно намного сложнее центрального, несколько капризнее в работе, могут возникать проблемы с равномерностью засветки, но зато он позволяет легко заменять объектив, и способен обеспечивать очень короткие выдержки. Поэтому шторный затвор как правило используется в зеркальных фотокамерах.

Ну и наконец, третий тип затвора, на котором мы остановимся, это электронный затвор. Строго говоря, это не отдельное устройство, а просто принцип дозирования информации светочувствительной матрицы. Прямо в открытом состоянии информация на светочувствительной матрице сначала обнуляется, потом производится экспонирование матрицы в течение времени выдержки, и затем считывание информации. Такой затвор конструктивно самый простой и, следовательно, дешевый, и поэтому часто используется в простейших фото- и веб-камерах и смартфонах, а поскольку он не имеет механических частей, а следовательно, шумов и износа, то часто используется для видеосъемки фото- и видеокамерами даже при наличии в них другого затвора.

Последний тип затвора наиболее важен для нашего дальнейшего рассмотрения.

Теперь несколько слов о применяемых в фото- и видеокамерах светочувствительных матрицах.

Светочувствительные матрицы

В настоящее время для съемки в основном используются светочувствительные матрицы CCD и CMOS. У каждого из этих типов матриц есть свои особенности, достоинства и недостатки. Мы остановимся лишь на одной из особенностей каждой из этих матриц, важной для дальнейшего понимания.

В современной CCD матрице с буферизацией столбцов (interline CCD) отснятый кадр одномоментно считывается в специальный защищенный от света кадровый буфер, расположенный в самой матрице, и потом относительно неспешно перекачивается оттуда для дальнейшей обработки.

В CMOS матрице процесс считывания информации ячеек происходит построчно, пиксель за пикселем, стока за строкой, примерно также, как процесс передачи информации в LCD матрице монитора или телевизора, о которой мы говорили выше.

Некоторые выводы, важные для дальнейшего рассмотрения.

• Центральный затвор в сочетании с любыми типами матриц дает снимок, сделанный в единый момент времени.
• Шторный затвор в сочетании с любыми типами матриц дает снимок, разные участки которого были экспонированы в немного разное время, определяемое выдержкой синхронизации. Конечно, разница времени очень небольшая, но при съемке быстродвижущихся объектов или очень быстрых процессов из-за этого могут возникать определенные эффекты. Обычно они отрицательные (например, Роллинг шаттер), но иногда они могут оказаться и положительными. Но об этом ниже.
• Электронный затвор в сочетании с CCD матрицей дает снимок, сделанный в единый момент времени, однако электронный затвор в сочетании с CMOS матрицей дает снимок, разные участки которого были экспонированы в немного разное время, как и при использовании шторного затвора. Соответственно и эффекты от этого будут аналогичные шторному.
  
  Роллинг шаттер

Ну, наконец, мы подошли к главному вопросу статьи, и попробуем все-таки как-то зафиксировать, а затем каким-то образом измерить время отклика LCD матрицы без использования высокоскоростной камеры или иного специального дорогостоящего оборудования.

Автором предлагается именно такой, весьма доступный и достаточно наглядный метод

Поскольку смена кадров это очень быстрый процесс, то казалось бы, что для его фиксации лучше всего было бы использовать камеру с центральным затвором. Но как мы выяснили, даже идеальная камера, способная делать моментальные снимки нам не поможет, потребуется серия снимков, снятых с частотой хотя бы 1000 кадров в секунду. Но мы попробуем пойти другим путем, и обойтись «подручными средствами».

Представим, что на экране отображается картинка из белого и черного прямоугольников, которые в какой-то момент времени меняются местами:

->

В результате мы увидим:

На LCD экране это происходит это не моментально, а в течение некоторого интервала времени. При частоте обновления экрана 60 кадров в секунду это 16,7 миллисекунд.

Теперь представим, что мы решили сфотографировать данный процесс камерой со шторным или электронным затвором с движением шторки слева направо, причем в нашей камере шторка движется относительно медленно, в несколько раз медленнее скорости обновления кадра на LCD экране.

Рассмотрим цепочку событий на экране с одновременным наложением на них положения «щели» в шторках камеры:

1) 2)

3) 4)

Далее начинается обновление кадра:

5) 6)

7) 8)

Обновление кадра закончилось:

9) 10

Ну и так далее…

А теперь вспомним, что на фотографии у нас зафиксировалось только то, что произошло, на экране ДО МОМЕНТА ПРОХОЖДЕНИЯ «щели».

Итак:

Конечно, это сильно упрощенная картинка. На самом деле экран переключается не мгновенно, а в течение времени отклика (которое мы как раз и хотим определить), да и кадровая развертка и движение шторок камеры непрерывные, а не ступеньками, да и поэтому фотография будет не такой гламурной.

Таким образом, на фотографии у нас оказались запечатлены события, происходящие на экране в разные моменты времени в течение одного кадра, условно говоря, множество узких вертикальных «фотографий», снятых одна за другой.

Так ведь это именно то, что нам и нужно!

Осталось понять, как из этого извлечь нужную нам информацию.
Предположим, что штора камеры движется настолько медленно, что за это время на экране монитора кадр успевает смениться не два, а три раза:

-> ->

В этом случае на фотографии у нас получилось бы:

Ну а теперь у нас есть реперные точки, за которые мы можем привязаться, чтобы определить время соответствующих событий.

Нам известно, что в какой-то момент времени произошло изменение прямоугольников на экране, а еще через 16,7 миллисекунды произошло обратное изменение.

Таким образом, на любой горизонтали на картинке расстояние между началом изменения яркости прямоугольников с черного на белый и с белого на черный ровно 16,7 миллисекунд.

Если начало изменения яркости трудно определить, то в качестве реперной точки можно выбрать любую другую характерную точку, например точку совпадения яркости градиентов на верхней и нижней полосе.

Теперь мы знаем, какому расстоянию на фотографии соответствует отрезок времени 16,7 миллисекунд.

Для упрощения разобьем по вертикали нашу картинку на условные временные зоны равной ширины.

В рассмотренном выше случае получилось, что отрезок времени 16,7 миллисекунд занимает 13 временных зоны. Небольшая погрешность в определении в данном случае не страшна, поскольку она составит доли миллисекунды.

Следовательно, одна временная зона соответствует около 1,25 миллисекунд.

Ну, а далее все просто.

Замерим по горизонтали длину фронта от белого к черному (BtW) и от черного к белому (WtB).

В данном случае они совпали, и имеют протяженность примерно 4 вертикальные временные зоны, то есть около 5 миллисекунд.

ЗАДАЧА, ПОСТАВЛЕННАЯ В ЗАГОЛОВКЕ СТАТЬИ, РЕШЕНА!

Правда пока только теоретически, на бумаге. Осталось создать тестовый материал, с которым мы будем работать, и подобрать оборудование, которым можно сделать подобный снимок.

С первым все достаточно просто.

Сделаем простенький видеоролик для offline просмотра с чередующимися по вертикали черными и белыми полосками как на картинке выше, только с частотой 60 кадров в секунду. Легко заметить, что через каждые 16,7 миллисекунды горизонтальная полоска смещается вниз на 1 шаг. Поскольку в большинстве дисплеев время отклика от черного к белому намного больше, чем от белого к черному, полоски в тесте в каждой горизонтали чередуются не через одну, а через три (одна черная и три белых). Соответственно и горизонталей у нас получилось не две, а четыре. Таким образом, в каждый момент времени у нас на экране присутствует одна черная и три белых полоски.

Ну, и для удобства, а также для того, чтобы проще было отлавливать бракованные снимки, сделано две одинаковые тестовых зоны одна под одной.

На снимке они тоже должны получиться совершенно одинаковыми (ну разве что с небольшим смещением по горизонтали из-за кадровой развертки монитора).

А вот если на снимке смещение очень большое, или длина полосок верхней и нижней тестовых зонах не совпадают, то значит что-то пошло не так (например, фотография пришлась на неудачный момент смены кадров монитора), и такой снимок придется забраковать.

Для облегчения последующего анализа видеоролик разделен по вертикали на 50 временных зон. Вертикальные полоски комбинированные, светло / темно-серые (10% / 90%). Это также должно облегчить дальнейшую работу с фотографией. При фотографировании совершенно необязательно, чтобы в кадр уместились все зоны. Можно снять и 40, и 30, и даже 20 зон. При этом не страшно, если на снимке будет и не целое число временных зон, например, 37,5 – на точности это никак не отразится, просто коэффициент пересчета из относительной ширины временной зоны в миллисекунды получится другой.

Ну, а теперь переходим к вопросу

чем будем снимать

Как мы отметили выше, длительность фотокадра должна быть больше, чем длительность кадра на дисплее. Для зеркалок и других фотокамер со шторным затвором длительность фотокадра примерно равна выдержке синхронизации.

И тут нас подстерегает первая засада: современные фотокамеры имеют очень короткую. выдержку синхронизации, намного короче, чем 1/60 секунды.

Тут идеально подошел бы старый советский «Зенит Е», но он к сожалению не цифровой.

Но не все потеряно – аналогичный снимок можно сделать и камерой с быстрым шторным затвором, однако там есть специфические особенности. Но об этом мы поговорим в следующей статье.

К тому же в современных зеркалках обычно есть возможность съемки видео, так что если зекралка с CMOS матрицей, то можно использовать такой режим. Главное, чтобы видеорежим был не очень быстрым – не более 30 кадров в секунду. Ну, а разрешение для видео естественно нужно выбирать максимальное. Во-первых для получения максимально качественного стоп-кадра, а во вторых чтобы максимально замедлить работу электронного затвора.

Те же требования и к видеокамерам: в данном случае должны подойти с максимальным видеорежимом не более 30 кадров в секунду, CMOS матрицей и электронным затвором. Если видеокамера и при съемке фотографий использует электронный затвор, то можно и такой режим попробовать.

Ну и наконец, цифромыльницы, смартфоны и им подобные девайсы, которые обычно считают непригодными для серьезной работы, тут могут идеально подойти.

Требования те же: CMOS матрица, и достаточно медленная работа электронного затвора.

Правда есть еще одно важнейшее требование, которое сразу же отсеет половину цифромыльниц: выдержка при съемке нужна как можно короче, хотя бы 1/500 – 1/1000 секунды, а желательно и еще меньше. Конечно, что-то мы сможем увидеть и при большей выдержке, но надо иметь в виду, что в данном случае чем короче выдержка, тем точнее будет результат.

Такие вот противоречивые требования к оборудованию для съемки.

Но, тем не менее, подходящее для данного теста фотооборудование вполне можно найти. Например, автору статьи вполне неплохо подошла камера смартфона Samsung Galaxy S GT-I9000.

Попробуем определить время отклика монитора с TN матрицей BenQ M2700HD.

Перед тестированием монитор должен быть прогрет и хорошо настроен по уровням черного и белого. Это можно сделать, например, с помощью программы LCD Vs_mon. Если уровни черного и белого настроены неточно, то и тест времени отклика даст соответствующую ошибку. Вернее результат теста будет верный, но для неправильно выставленных уровней.

Для получения как можно более короткой выдержки, при съемке нужно установить максимальную светочувствительность (в данном случае ISO 800). C той же целью, а также для уменьшения влияния ШИМ ламп подсветки, калибровку монитора при тестировании желательно провести при максимально возможной яркости.

Итак, запускаем бесконечный повтор воспроизведения ролика в оконном режиме, и делаем несколько снимков экрана.

Поскольку электронный затвор обычно «движется» вдоль короткой стороны снимка, располагаем камеру перед экраном так, чтобы получился портретный снимок.

Снимки экрана монитора с TN матрицей BenQ M2700HD, сделанные камерой смартфона Samsung Galaxy S GT-I9000.

На приведенных снимках прекрасно видно, что хоть они и различаются по ширине попавшего в них окна плеера, характер линий, соответствующих кадрам на LCD экране в них совершенно одинаковый (ну, кроме масштаба, конечно) – в обоих случаях оказалось четыре горизонтальные полоски, каждая из которых соответствует следующему один за одним кадру на экране монитора.

Поскольку частота кадров монитора была 60 герц (16,7 миллисекунд), по наличию четырех горизонтальных полосок в кадре можно сделать вывод, что общее время срабатывания электронного затвора данной камеры около 65 миллисекунд, что несколько многовато, но вполне приемлемо.

Для дальнейшего анализа годится любой кадр.
Но поскольку на втором снимке уже различим растр матрицы монитора, будем рассматривать первый снимок.
Для наглядности снимок слегка размыт в фоторедакторе, и на него нанесены условные метки, соответствующие времени кадра и времени отклика от 10% белого до 90% черного и от 90% черного до 10% белого (теперь понятно, для чего вертикальные линии сделаны именно таких оттенков).

1. Видно, что длина кадра (16,7 миллисекунд) на снимке заманивает около 13 вертикальных временных зон.
2. Таким образом, одна временная зона на снимке получилась длиной 1,285 миллисекунды
3. Время отклика от белого к черному занимает примерно 1 временную зону, т.е. порядка 1,3 миллисекунды.
4. Время отклика от черного к белому существенно дольше, что характерно для TN матриц. В данном случае падение до 10% белого (видно по «исчезновению» вертикальной полоски) заняло примерно 3 временные зоны, т.е. 4 миллисекунды.

Если в настройках монитора включить Overdrive, то время отклика от черного к белому существенно сокращается.

Т.о задача, поставленная в заголовке статьи решена не только в теории, но и на практике!

Предыдущее тестирование мы проводили при яркости монитора, близкой к максимальной, и при оптимальной настройке уровней черного и белого. Однако обычно монитор эксплуатируется при намного меньшей яркости, да и остальные настройки пользователь обычно подбирает под себя индивидуально. А от этого результат теста может существенно измениться.

Попробуем провести проверку времени отклика того же самого монитора BenQ M2700HD при эксплуатационной «офисной» настройке (невысокая яркость, уровни черного и белого откалиброваны для различимости всех полутонов в светах и тенях).

Overdrive выключен.

Время отклика от черного к белому возросло почти до 20 миллисекунд, т.е. стало более одного кадра. Вот тут-то и становится понятно, почему в тестовом ролике сделано чередование одного черного и трех белых кадров. В данном случае это плата за калибровку с различимостью всех полутонов в светах.

Для «офисного» применения это не страшно, однако для «кинотеатрального» и тем более «игрового» применения, если за высококонтрастными объектами начинают появляться «призраки» или «тени», может быть стоит пожертвовать одной-двумя градациями в светах (тенях), чтобы от них избавиться.

Кроме того на снимке явно видны вертикальные слабо окрашенные полосы разной ярости. Это мерцание подсветки с ШИМ регулированием, из-за уменьшенной яркости CCFL лампы, работающей на неполной мощности. Увы, это тоже плата за комфортную яркость. Отметим, что «карандашный тест» данный монитор проходит без замечаний, так что в реальности все не настолько страшно.

Overdrive включен.

Время отклика от черного к белому осталось практически таким же, как и при максимальной яркости, но теперь после переключения полоска становится белее белого фона. Это артефакт, характерный для Overdrive режима работы дисплея, также проявившийся из-за особенностей калибровки.

Конечно, данная методика вряд ли применима для профессионального тестирования LCD мониторов, и ее результат менее точен, чем по методике, приведенной в начале статьи. Но зато она позволяет достаточно легко провести подобное тестирование самостоятельно, без применения специального оборудования, да и результат теста получается весьма наглядным. Это может быть весьма полезно как при настройке и калибровке уже имеющегося монитора или телевизора, так и при приобретении нового.