Видеостены

Нельзя объять необъятное.
Козьма Прутков

Известное высказывание, прозвучавшее в прошлом веке, в наше время уже можно поставить под сомнение. Объемы информации, хранящейся в базах данных сегодня, измеряются в единицах, которые лет сто назад встречались разве что в описаниях нашей Галактики. Те же перемены происходят и в системах отображения информации. На стадионах появляются гигантские панели, демонстрирующие динамические сюжеты с самыми острыми моментами игры. Компьютерные системы управления технологическими процессами и диспетчерские центры оборудуются специальными видеостенами, которые позволяют не только "увеличить" экран монитора до размеров стены, но и предоставляют возможность повысить разрешение до невиданных ранее значений. Поэтому нам показалось интересным разобраться с тем, какие технологии стоят за этими "гигантами".

"Телевизоры" для стадионов и площадей

Развитие систем визуализации сегодня идет одновременно в двух направлениях. С одной стороны, происходит наращивание физических размеров экранов, с другой — увеличение разрешающей способности.

В тех случаях, когда основная задача — представить информацию как можно большей аудитории, а точность ее отображения не является критичным параметром, используют плазменные и светодиодные панели. Сегодня светодиодные табло являются самым современным и перспективным средством для наружного применения. При яркости свечения 5—9 тыс. кд/м2, разрешении 12—30 мм и максимальном размере изображения 1024 x 768 пикселов они прекрасно воспринимаются с расстояния не менее 10—15 м. Поэтому часто их можно встретить на стадионах и площадях.

В полноцветных светодиодных табло для формирования пиксела обычно используются группы из 3—9 синих, красных и зеленых светодиодов. Так как эти элементы изготовляются по полупроводниковой технологии, то особых препятствий для улучшения разрешения нет. Уже существуют панели с шагом точки 3—6 мм. Однако пока широкому внедрению подобных устройств мешает их высокая стоимость. Да и энергопотребление таких панелей очень велико. Из-за низкого КПД светодиодов для обеспечения большой яркости требуются десятки киловатт.

Видеостены — инструмент точный

Если рассмотренные выше средства визуализации являются, по сути, увеличенным экраном монитора, то другой класс оборудования — видеостены — позволяет как бы объединить десятки дисплеев в одном, "суммирующем" их размеры и разрешение.

Основные потребители видеостен — различные диспетчерские залы, где необходимо выводить сразу несколько изображений высокого разрешения на один экран. Причем это могут быть и окна приложений, и динамичный сигнал телевизионного вещания или любого другого видеоисточника. Работа в подобных центрах управления в режиме "24 часа в сутки, 7 дней в неделю" выдвигает определенные требования к системам отображения: они должны быть эргономичными и формировать цельную картинку, или, иными словами, температура цвета отдельных блоков должна быть одинакова.

Обобщенная блок-схема видеостены включает, кроме самого устройства вывода изображения, также управляющий им компьютер (рис. 1). Ведущие производители предлагают свои решения для различных операционных систем — и Windows, и Unix. При этом устройство отображения, состоящее из нескольких обратных проекторов, представляется системе как один экран с суммарным разрешением его составных частей.

Рис. 1. Tиповая блок-схема видеостены

Поговорим подробнее о системе отображения. Первыми появились видеостены на основе CRT-технологии. Их комплектовали как телевизионными трубками, так и проекторами, использующими три электронно-лучевые трубки, излучающие RGB-составляющие исходного изображения. Первый тип имеет ограничение на размер диагонали экрана, а его разрешение не превышает 600 x 800. Такие устройства часто можно увидеть на различных концертах и шоу. Зато проекторы второго типа после точного сведения формируют на экране изображение с разрешением до 2500 x 2000, поэтому они использовались в достаточно ответственных проектах. Однако видеостены, изготовляемые по CRT-технологии, сложны в эксплуатации, так как требуют периодической настройки, поэтому в настоящее время они уступили место проекторам на основе LCD- и DLP-технологий.

Оба типа позволяют достичь разрешений до 1024 x 768 при яркости 750—800 люмен и глубине представления цвета 24 бита (16 млн. цветов). Однако более перспективным представляется микрозеркальная технология, разработанная компанией Texas Instruments. В нашем издании уже была посвященная ей публикация (№ 33, 1999), поэтому лишь коротко напомним ее суть.

На кремниевой подложке расположены микрозеркала, которые могут поворачиваться на небольшой угол под воздействием управляющего электрического импульса. Поэтому такие микросхемы называют цифровыми микрозеркальными устройствами (DMD — Digital Micromirror Device), а технологию — цифровой обработкой света (DLP — Digital Light Processing). Существует три способа формирования изображения с помощью этой матрицы, однако всех их объединяет главный принцип: каждое из зеркал отвечает за один пиксел. В системах, предназначенных для затемненных или полузатененных помещений, каковыми являются диспетчерские или командные центры, обычно используется схема с двумя чипами DMD. Один из них постоянно обрабатывает красную составляющую RGB-сигнала, а другой — зеленую и синюю. Это позволяет сформировать "теплый" цвет изображения, создающий уют в темной комнате.

Выгода от применения DLP-проекторов в первую очередь заключается в том, что решения на их основе дешевле при том же уровне качества. А увеличение разрешающей способности приводит к повышению яркости, так как растет количество микрозеркал. Единственным недостатком технологии является ее чувствительность к сильным вибрациям и ударам. Зеркала все же обладают конечной массой, и их крепление может сломаться в результате встряски.

Несмотря на некоторые преимущества развивающейся технологии DLP, конкурирующая с ней LCD также находит своих приверженцев. Дело в том, что последняя объединяет два решения. Существуют полисиликоновые проекторы, в которых происходит раздельная обработка светового потока по трем цветовым каналам (рис. 2), и обычные устройства TFT-LCD, где просвечивается одна матрица. Причем следует иметь в виду, что последние дешевле. Но с увеличением разрешения из-за роста плотности световой поток, проходящий сквозь панель, падает. Преимущества технологии LCD заключаются в том, что она позволяет добиваться верной цветопередачи и является полностью цифровой. Она занимает нишу рынка презентационных средств среднего класса.

Рис. 2. Формирование изображения в полисиликоновых проекторах

Еще одна "изюминка" обратных проекторов, используемых в видеостенах, — конструкция их экранов. Дело в том, что световой поток, излучаемый проектором, должен быть равномерно распределен по всей площади экрана и рассеян так, чтобы зритель мог видеть изображение даже под достаточно большим углом к видеостене. Специфика использования этих устройств такова, что в диспетчерских залах, в отличие от кинотеатров, наблюдатели располагаются близко от экрана и могут передвигаться в широких пределах. Ведущие производители добиваются, чтобы диапазон углов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, в которых изображение хорошо видно, был как можно больше. Для увеличения этого показателя без существенного снижения контрастности применяют различные решения. Так, например, компания Synelec в конструкцию экрана, кроме фильтра Френеля, равномерно распределяющего световой поток по площади экрана, добавила непрозрачный слой, который содержит прозрачные микросферы (рис. 3). Благодаря этому уменьшилось отражение от экрана внешнего света, и угол видимости изображения в двух плоскостях составил 160°.

Рис. 3. Конструкция обратного проектора

Отдельно хотелось бы отметить такую особенность конструкции видеостен, как бесшовный стык панелей. В настоящее время ведущие компании добились зазора при стыковке составляющих "кубиков" в 5 мм. Но в ближайшее время должны появиться практически бесшовные стыки. Так, Barco заявляет о том, что расстояние между крайними пикселами на соседних экранах будет в среднем 0,8 мм.

Силиконовое "сердце"

Каким бы высоким не было качество отображения, но если некорректно сформирован сигнал, работать такая видеостена не сможет. Преобразование исходных данных в видеосигнал производится в графическом контроллере системы управления. Различные производители строят свои решения по уже рассмотренной в начале блок-схеме (см. рис. 1). При этом управляющий компьютер достаточно просто интегрируется в локальную сеть. Нужно отметить, что при работе под Unix взаимодействие такого графического сервера с приложениями организуется проще, чем в случае Windows, так как используется стандартный протокол X-Window. Задаче достаточно лишь указать параметры окна и глубину представления цвета. Компания Barco представляет такой управляющий центр под ОС Solaris. Он не только выполняет функции контроллера видеостены, но и осуществляет проверку допуска персонала к работе с устройством, активизирует приложения при возникновении заданных ситуаций.

Однако при построении небольшой видеостены, включающей не более 12 модулей, можно воспользоваться решением под Windows NT, которое предлагает Synelec. Компания производит графические адаптеры с четырьмя выходами. В рабочую станцию под Windows NT можно установить до трех таких устройств. При этом система с помощью специального драйвера "видит" видеостену как один большой экран.

И тут не лишним будет напомнить, что формирование видеосигнала для "экрана", состоящего из нескольких десятков "мониторов", каждый из которых имеет разрешение 1024 x 768, — задание не из простых. Ведь процессор должен обсчитать сигнал для такого "дисплея" с невероятной суммарной разрешающей способностью, глубиной представления цвета в 24 разряда и частотой обновления кадров, достаточной для решения поставленной перед системой задачи. Сегодня с помощью видеостены одно изображение может быть развернуто одновременно максимум на 32 модуля. Однако такие фрагменты объединяются в кластеры, содержащие до 512 проекторов.

Каковы же перспективы развития этой технологии, до каких пределов можно увеличивать размер видеостен? Компания Synelec сообщила о своей разработке под названием U-Gate. В ее рамках каждый модуль имеет собственный графический процессор, которому задаются его координаты в стене. На все модули параллельно подается видеосигнал, из которого каждый "отбирает" свой участок изображения. При этом все проекторы могут обрабатывать два динамичных изображения ("картинка в картинке"). Первая такая система включает пока 24 модуля.

Чем богаты…

В настоящее время в Украине несколько поставщиков предлагают решения по визуализации больших объемов информации. Компания "ЕКТА" (www.ekta.com.ua) из Житомира разрабатывает и производит плазменные и светодиодные табло. В Киеве фирма "Литер" (www.leater.com.ua) поставляет продукцию Barco и Toshiba, а "Видеопроект" (тел. (044) 271-4669) представляет Synelec. Так что сегодня при желании можно подобрать себе подходящий продукт для того, чтобы "объять необъятное".