W IZUALIZACJA INFORMACJI Problemy, stan obecny, perspektywy rozwoju

1. WIZUALIZACJA INFORMACJIProblemy, stan obecny,perspektywy rozwoju dr hab. inż. Bogdan B. Kosmowski, prof. P.G. Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Katedra Optoelektroniki Politechnika Gdańska 80-952 Gdańsk Narutowicza 11/12 tel.(48 58) 3471084 fax. (48 58) 3471848 e-mail kosmos@eti.pg.gda.pl

2. Plan referatu • System wizualizacji informacji • Displeje optoelektroniczne - klasyfikacja, -charakteryzacja, - parametry. • System wzroku człowieka - budowa, - właściwości, - możliwości percepcyjne, - achromatyzm – barwa, - kolorymetria w systemie wzroku człowieka. • Wybrane technologie płaskich displeji • -LCD, • - Plazma – OLED, • - e-ink – FED, • - DLP, • - EL. • Co zdarzy się jutro w świecie wizualizacji? • - wzrost rozdzielczości, • - moce sterowania, • - barwa, • - nowe zastosowania („inteligentne” i inne!) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

3. „Displeje są oknami w wiek informacji” Displeje są najtrudniejszymi w realizacji elementami elektronicznymi: -         zależność efektu percepcji informacji od psychofizycznych właściwości operatora, -         wielorakie charakterystyki, zespoły parametrów, (optyczne, elektryczne, ...), -         wpływ zmiennych warunków oświetlenia otoczenia na postrzeganie displeji, -         przetwarzanie energii, -         bardzo szerokie pasmo przetwarzanych sygnałów, Każdy z nas jest ekspertem w dziedzinie displejów; mając dwoje oczu – a to wystarczy aby... Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

4. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

5. System przetwarzania / transmisji obrazów Sygnał elektryczny OBIEKT Źródło obrazu KAMERA Sensor Skaner SYSTEM TRANSMISJI Modulacje SYSTEM OPTYCZNY -rozdzielność -czułość -jednorodność -pamięć / bez pamięci -stopnie szarości -skala barw -próbkowanie -filtrowanie -modulacje -kompresja -świecący -stały / zmienny -2D / 3D -B/W / Kolor ustalone / zmienne parametry DISPLEJ System wizualizacjiinformacji OPERATOR Obserwator ODBIORNIK Demodulacja KOMPUTER Software Zbiory /Pamięć -Hardcopy -Soft (monitor) -2D, 3D -B/W / Kolor -obrazy stacjonarne/ ruchome -demodulacja -dekompresja -korekcja sygnału / błędów -OCR OBRAZ Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

6. System wizualizacji informacji -         Źródło informacji -         Układ sterujący displeja - -kontroler -         Displey, wyświetlacz, ekran -         Operator Zadania Transformacja i prezentacja informacji dla jej skutecznego przekazania do systemu wzroku operatora (bez względu na warunki techniczne, optyczne,psychotechniczne) Właściwości Parametry – charakterystyki - optyczne, -  fotometryczne (transmisja, reflektancja), - widmowe (kolorymetria), - elektro-optyczne (statyczne, dynamiczne), - elektryczne (, J, P, f, ...), - ergonomiczne, - przestrzenne ( rozdzielczość, kąt obserwacji), - niezawodność. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

7. Domeny Zastosowań Displeji (I) - systemy stacjonarne, - urządzenia przenośne ( zasilanie bateryjne) Displeje: Bezpośredniej obserwacji: • monitory (komputery, komunikacja, przemysł, sterowanie, .. ), • aparatura medyczna (EKG, EEG, tomografia, „image fusion” ...), • telemedycyna, • samochody, • DTP - lotnictwo, • informacja publiczna, • ... Projekcyjne: • edukacja, • reklama, • rozrywka, • ... Systemy 3D: - symulatory, - (lv), - LCD, - VR Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

8. Domeny Zastosowań Displeji (II) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

9. Parametry charakterystyczne displeji optoelektronicznych. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

10. Układ wzroku człowieka - budowa Właściwości percepcyjne operatora Układ wzroku człowieka Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

11. Układ wzroku człowieka – właściwości (I) Zależność częstotliwości migotania od luminancji i barwy Postrzeganie migotania Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

12. Optymalne zakresy kątowe pola widzenia operatora Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

13. Układ wzroku człowieka – właściwości (II) Proces adaptacji oka do ciemności L = C L Zależność czułości progowej L / L od luminancji obiektu Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

14. Układ wzroku człowieka – właściwości (III) B= k (L - L0 )n n  0,33 0,44 Jaskrawość B ( Brightness) Postrzegany kontrast w funkcji luminancji otoczenia Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

15. adaptacja do jasności - dostosowanie wzroku do poziomu oświetlenia adaptacja do barwy - zanikanie postrzegania różnicy wrażeń barwnych obiektów o identycznych charakterystykach widmowych, a obserwowanych kolejno w różnych warunkach (widmowych) oświetlenia kontrast barwny następczy - pojawienie się chwilowych powidoków barwy dopełniającej do postrzeganego poprzednio bodźca kontrast barwny równoczesny - różnice wrażeń barwnych identycznych widmowo obiektów, oświetlonych tym samym (identycznym widmowo) źródłem, lecz znajdujących się w otoczeniach o różnych barwach. kontrast równoczesnej luminancji - pola testowe o identycznej luminancji są różnie postrzegane - zależnie od luminancji tła. Z identycznych pól to postrzegana jest jako jaśniejsze, które otoczone jest ciemniejszym tłem. Zjawiska związane z procesem widzenia: Układ wzroku człowieka – właściwości (IV) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

16. Układ wzroku człowieka – właściwości (V) Czułość widmowa widzenia Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

17. Barwę charakteryzujemy trzema atrybutami: - luminancja [cd/m2 ] - chromatyczność: - odcień, - nasycenie Ilościowa ocena właściwości obiektów barwnych - metody analizy kolorymetrycznej, wraz z procedurami pomiarowymi - systemy kolorymetryczne CIE - CIE 1931, CIE 1964, CIE LUV, CIE LAB Kolorymetria (I) Tk(l) - widmo transmisji obiektu,jB(l)- widmo iluminantu - składowe trójchromatyczne widmowe x+y+z=1 x, y, z - współrzędne barwne CIE 1931 Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

18. Kolorymetria (II) Składowe trójchromatyczne widmowe Wykres chromatyczny Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

19. CIE 1931 COLOUR SPACE Kolorymetria (III) Visual sensitivity to small colour differences CIE UNIFORM COLOUR SPACES - CIELUV, CIELAB CIE 1976 L* a * b* Mac Adam ellipses in CIE 1931 x,y chromaticity diagram. [The axes of the plotted ellipses are 10 times their actual lengths] Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

20. Systemykolorymetryczne (I) RÓWNOMIERNE PRZESTRZENIE BARW  CIE LUV jasność CIE 1976 Y,u’,v’ –badany bodziec barwowy Yn,un’, vn’ – określony biały bodziec achromatyczny dla Różnica barw CIE 1976 (L*, u*,v*) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

21. Systemykolorymetryczne (II) nasycenie CIE 1976 (u,v) chroma CIE 1976 (u,v) kąt odcienia CIE 1976 (u,v) różnica odcieni CIE 1976 (u,v) CIE 1976 Lab dla X,Y,Z – badany bodziec barwowy Xn,Yn,Zn – określony biały bodziec achromatyczny dla Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

22. Systemykolorymetryczne (III) różnica barw: Przestrzeń barw CIE 1976 L*u*v* Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

23. Wpływ oświetlenia na prezentację barw Oświetlenie D65, R=0,2 L0=0.10.100 LCRT=1 Wpływ oświetlenia na postrzeganie barwy obrazu. Wpływ rodzaju źródła oświetlenia. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

24. Ocenawłaściwościdispleja * ocena obiektywna: – pomiary fizyczne (fotometria, kolorymetria), laboratorium * ocena subiektywna: – pomiary psychofizyczne, czytelność, postrzegalność, współdziałanie operatora, wpływ warunków otoczenia ! Kryterium oceny czytelności: - jest poprawność (prawdopodobieństwo błędu) postrzeżenia i zrozumienia informacji prezentowanej na displeju. Elementy procesu: -błąd postrzegania symbolu, -błąd czytania wyrazu, -średni czas obserwacji i wyszukiwania symbolu, -parametry fizyczne; oświetlenie otoczenia; luminancja displeja; reflektancja displeja i elementów otoczenia, kąt widzenia, odległość, -fonty, kształt, wielkość, odstępy między symbolami, wyrazami, -warunki działania operatora – adaptacja, akomodacja, temperatura, zakłócenia itp. Efekt – czytelność – zależy zarówno od właściwości fizycznych displeja jak i od procesu psychofizycznego percepcji informacji przez operatora. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

25. Parametry charakteryzujące stan optyczny displeja (I) DISPLEJE: - ACHROMATYCZNE - MONOCHROMATYCZNE - POLICHROMATYCZNE - BARWNE PARAMETRY: -jasność, luminancja [ON, OFF], [symbol tło], -kontrast, wsp. kontrastu, modulacja, -podstawowa barwa displeja, -kontrast barwny, (różnica barw), -skala szarości, odcieni, -rozkład przestrzenny jasności, kontrastu, -rozkład przestrzenny właściwości dynamicznych. • KONTRAST: • współczynnik kontrastu • kontrast • modulacja Lo,L1 – luminancja displeja w stanie ON i OFF, (symbol / tło) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

26. Parametry charakteryzujące stan optyczny displeja (II) KONTRAST BARWNY -różnica barw CIE LUV, -displeje o addytywnym mieszaniu barw Dla oceny kontrastu barwnego obiektów o subtraktywnym mieszaniu barw zalecono stosowanie różnicy barw CIE Lab: Dla monochromatycznych displeji stosowane są współczynniki różnicy barw (color difference ratio )– S Kobayashi: jest „czarnością” ciemnego stanu displeja, jest „białością” stanu jasnego ( displeja achromatycznego). Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

27. Parametry charakteryzujące stan optyczny displeja (III) • Jako dodatkowe wielkości charakteryzujące displej stosuje się: • nasycenie barwy • chromatyczność (chroma) • kąt barwy (hue angle) określający barwę w wielkościach liczbowych Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

28. Displeje ciekłokrystaliczne G - H PLAN. W - T STN PDLC HPDLC TN AM AA TFT SmC R-OCB MLA - gość - gospodarz - tekstura planarna - zmiana fazy C.K. - super twisted nematic - C.K. zdyspergowane w polimerze - holographic PDLC - twisted nematic - aktywne matryce - aktywne adresowanie - Thin Film Transistor - smektyczne C.K.(chiralne, ferroelektryczne) - reflective optically compensated bend - multiple line addressing Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

29. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

30. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

31. Drivingof LCD panels (I) PASSIVE ACTIVE MATRIX Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

32. + cheap + superior optical parameters +  luminance + dynamic - video pictures - long switching times - aperture - increase of illumination power - viewing angle - compensation (DSTN) - cost, yield Drivingof LCD panels (II) PASSIVE ACTIVE MATRIX Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

33. STN Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

34. LCD_IPS +- b. szeroki kąt obserwacji, - stan OFF - „idealnie ciemny, bez elementów kompensujących, - prosta struktura elektrod, filtry barwne bez elektrod ITO, - zredukowanie zmian barwy w zależności od warunków obserwacji - czasy przełączania 50 msek - - zmniejszony współczynnik apertury Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

35. AC - PLASMA DC - PLASMA AC PDP  = 1 lm/W L ~ 300 cd/m2 (MgO EBeam) DC PDP  = 0,4 lm/W L ~ 150 cd/m2 (tańsza produkcja) Displeje plazmowe - PDP   - 75 % kosztów - elektronika - drivery Upp ~100 + 150 V - niejednorodność parametrów - sprawność świetlna Perspektywy:  2 lm/a L ~ 700 cd/m2 Panele o przekątnej > 40”! Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

36. Plasmatron • SONY 25” 16 : 9 • PALC Plasma addressed LC (matryca aktywna sterowana przełącznikami plazmowymi • 768 x RGB x 448 • L ~ 250 cd/m2 CR = 70 : 1 260 · 103 barw • - prosta struktura elektrod • - technologia adaptowalna do wielkowymiarowych displeji (sitodruk) • - niższe koszty produkcji, większy uzysk. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

37. DLP (DMD) – Digital Light processing (I) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

38. DLP (DMD) – Digital Light processing (II) ZALETY: ·cyfrowa informacja obrazu, ·cyfrowe sterowanie skalą stopni szarości (PWM), ·cyfrowe sterowanie reprodukcją barwy (PWM), ·wysoka sprawność świetlna (system refleksyjny) (~ 60%), ·minimalne zniekształcenia obrazu (matryca luster), ·duża apertura pikseli (~ 0,9), ·niezawodność. Zastosowania: ·projekty „ business“ [ marketing, szkolenia, nauczania] ·teatr domowy [ TV, DVD] ·„ściany video“ [ centra dowodzenia, nadzoru...] ·komercyjne zastosowania rozrywkowe [kino cyfrowe] ·optyczne sieci [ multipleksowanie] ·inne zastosowania..... Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

39. CHARAKTERYSTYKA MODUŁU DLP ROZDZIELCZOŚĆ: (PIKSELE) 16x16 m. VGA - SVGA (480  103) ilość 500÷1,3  106 (1280x1024)- 2.3x106(2048x1152) MOD PRACY REFLEKSYJNY / PAMIĘĆ STANU ON/OFF STOPNIE SZAROŚCI 256 /sterowanie rozdziałem czasowym ON/OFF/ CZASY PRZEŁĄCZANIA 10 sek APERTURA PIKSELI ~ 0,9 SPRAWNOŚĆ ŚWIETLNA ~ 0,6 (całego barwnego systemu) BARWA 16106barw,1DMD-sekw., 2-3DMD - addytyw. STRUMIEŃ ŚWIETLNY 1000 lumenów (3 DMD) 350 lumenów (1 DMD) KONTRAST 125 : 1 ROZMIAR OBRAZU do 3  4,5 m NIEZAWODNOŚĆ >210 109 czas działania > 5 lat min. 450  109 przełączeń NAPIĘCIE STERUJĄCE Max 5 V (CMOS) OBUDOWA optyczna, hermetyczna  Koszt DLP Video 640 x 480 (z optyką) 6850 US bez optyki 5200 US DLP (DMD) – Digital Light processing (III) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

40. Zastosowania: Przenośne urządzenia (PDA, Palmtop, e-reader, telefony komórkowe) Urządzenia o wymaganej bardzo wysokiej czytelności w dynamicznie zmiennych warunkachoświetlenia. Właściwości: -czytelność -bardzo wysoka reflektancja (jaskrawość) papier R 0,65, e-ink  0,42 -bardzo mała moc sterowania (efekt pamięci) xmW-xW -cienkie, lekkie, elastyczne (0,25 mm!) - szeroki zakres kąta obserwacji („papier”) Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

41. Displeje elektroforetyczne Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

42. OLED (organic-LED) A. SMALL MOLECULE” B. POLIMER LED KODAK CDT, ... -PRZEWODNOŚĆ POLIMERÓW OK. 10-12 [ CM ]-1 -PRZEWODNOŚĆ SPRZĘŻONYCH DOMIESZKOWANYCH POLMERÓW OK. 105[ CM ]-1 -GRUBOŚĆ PODŁOŻA : SZKŁO 0,5 – 0,7 MM PLASTYK 0,3-0,5 MM Eastman Kodak and Sanyo Electric developed this active-matrix, full-color organic display, only 1.8 mm thick, for digital still and video cameras and other portable imaging products. With a 2.4-inch diagonal screen and integrated drive electronics, the bright display has 852 by 222 pixels, a contrast ratio of more than 250:1, and a peak luminance of 200 cd/m2. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

43. Light Emitting Polymer technology has many exciting features that make it applicable for a wide range of display markets - from low information content applications like segmented displays through to full colour video and graphics displays. Here are some of the features and potential benefits of LEP technology: Feature: Benefit Processability: Flexible substrates possible; large area coating; Simple construction Single substrate processing Light Emitting/Optical No Backlight; No Colour filter; No polarizers;High contrast; No aperture loss; 180 degree viewing angle Patternable: Define complex light emission patterns simply Very high resolution potential; Any pixel shape and size possible Low voltage: Battery driven devices; DC drive; <5V activation; No high voltage Formable Substrates: Innovative designs for end products; Displays shaped to product;Easy manufacturing integration; Continuous coating for manufacture Fast Switching Speed: Video display capability; Unaffected by temperature Lightweight: Portability; Ultra thin materials; Potential System-on-Glass structures Solid State devices: Ruggedness; No open cell; No vacuum Thin films: Allows use of polarisers to give high contrast; Ultra thin construction;Potential plastic substrates Features and Benefits of LEP Technology Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski

44. Wizualizacja informacji B.B.Kosmowski