Śledząca Kamera – nowa metoda oceny odwzorowania ruchu na wyświetlaczach!
Badanie ruchu na wyświetlaczach
Z tygodnia na tydzień przybywa wyposażenia w naszej forumowej redakcji. Realizujemy tym samym nasze marzenia o dostarczaniu wam najlepszych i najbardziej szczegółowych testów wyświetlaczy. Gdy tylko jest taka możliwość, to udoskonalamy procedury testowe. Te, nierzadko, są wysoko-zaawansowanymi technikami wymagającymi specjalistycznych urządzeń. Pokój redakcyjny pozwala nam wreszcie składować cały ten sprzęt i możemy ewoluować znacznie dynamiczniej.
Dzisiaj oficjalnie wprowadzamy nową metodę testowania odwzorowania ruchu na wyświetlaczach. Jesteśmy prawdopodobnie pierwszą redakcją w Polsce i być może drugą w Europie, która wykorzystywać będzie omawianą technikę. Tego typu rejestracja obrazów wiernie odwzorowuje postrzegane, ludzkim okiem, smużenie. 
Aby zrozumieć jak działa owa metoda należy przyswoić podstawową wiedzę o odwzorowaniu ruchu na wyświetlaczach płaskich. Zastanówmy się więc, co jest właściwie źródłem smużenia. Większość audiencji odpowiedziałaby na to pytanie: “długi czas reakcji matrycy LCD”. W 2015 roku nie ma w tym jednak już zbyt wiele prawdy. Obecnie stosowane matryce są przeważnie na tyle szybkie, że uchwycenie niewygaszonych klatek w momencie gdy nie powinno ich być na ekranie nie jest wcale proste. Dzięki temu mogą powstawać matryce 240 hercowe, jakie stosuje na przykład Samsung czy Sony. Oczywiście, na rynku znajdziemy też wolniejsze panele, które wciąż zostawiają smugę złożoną z niewygaszonych klatek, ale jest to coraz rzadsza sytuacja. Najlepszym, zresztą, zaprzeczeniem tezy, jakoby smużenie brało się wyłącznie z czasu reakcji matrycy jest rozmycie widoczne na wyświetlaczach OLED, a te jak przecież wiemy mają bardzo, bardzo, krótki czas reakcji…
Na powyższym zdjęciu widzimy matrycę telewizora Sony W905. Po prawej stronie wyłączony system”motionflow”, po lewej włączony – i czterokrotnie bardziej zagęszczone ruchy. Mamy więc do czynienia z panelem 240Hz.
Jaka jest zatem geneza rozmycia na ekranie przy szybkich ruchach? Zagadnienie to poruszyłem podczas testu telewizora LG EC930V. Jest to wyświetlacz OLED, a więc nie mający problemów z czasem reakcji. Podobnie jednak do wyświetlacza LCD cechuje się on działaniem sample&hold i właśnie to zjawisko odpowiada za największą część smużenia w dzisiejszych wyświetlaczach. Sample-and-hold (w skrócie S&H) oznacza, że klatka obrazu, która została wyświetlona na ekranie znajduje się tam przez cały czas aż do nadejścia czasu następnej. Dobrą stroną tego jest brak migotania. Złą, to, że oko śledzące obiekt na ekranie podąża za nim płynnie, podczas gdy ten stoi przez jakiś czas w miejscu (dokładnie przez 16,7 [ms] przy 60 klatkach/sek). Nasz mózg w konsekwencji postrzega smużenie. S&H jest obecnie główną przyczyną smużenia nie tylko w telewizorach OLED, ale i LCD. Dla lepszego zrozumienia zagadnienia przeanalizujmy poniższy schemat:
Uzyskanie fotografii wiernie odwzorowującej smużenie (powstałe przez oba opisane wyżej zjawiska) nie jest jednak takie proste. Robiąc zwykłe zdjęcie możemy uchwycić ewentualne resztki poprzednich klatek. Co jednak z efektem S&H? Tu z pomocą przychodzi przyrząd, który był obiektem zagadki zadanej przeze mnie jakiś czas temu:
Powyższa szyna służy do prowadzenia aparatu po linii równoległej do ekranu. Trik polega na tym, że prowadząc aparat z prędkością równą prędkości obiektu testowego na ekranie, uzyskujemy bardzo wierne zdjęcie tego, co postrzega nasz wzrok śledząc ruch na ekranie telewizora. Krótko mówiąc, rejestrujemy wszystkie niekorzystne zjawiska, jakie zachodzą na ekranie w pewnym przedziale czasowym, a rezultaty są widoczne jak na dłoni. Bezpośrednie porównanie takich zdjęć jest dziecinnie proste i daje pełny obraz sprawności wyświetlacza, natomiast interpretacja pomiarów rozdzielczości dynamicznej (TVL) czy zawiłe opisy słowne, które stosowaliśmy do tej pory (i nadal w pewnej mierze będziemy) nie były tak łatwe do zrozumienia, ani nie dostarczały tak dużo informacji.
Tak może wyglądać przykładowe zdjęcie zrobione na testowanym ostatnio przez nas ekranie. Jest to matryca 60Hz bez jakichkolwiek poprawiaczy, stąd spore rozmycie. Ciągnąca się za obiektem “kometa” sugeruje, że czas reakcji też nie jest na najwyższym poziomie:
Bez problemu wychwycimy też w ten sposób artefakty technik takich jak “overdrive” – widzimy większe halo za obiektem:
Co się dzieje gdy zmniejszamy intensywność podświetlenia w wyświetlaczach podświetlonych diodami LED? Naturalnie zaczyna ono pulsować. Częstotliwość diod będzie stanowiła o tym, na ile konturów zostanie “poszatkowany” obiekt, jeśli podświetlenie nie jest zsynchronizowane z matrycą, a przy 60Hz nie może ono być, bowiem spowodowałoby to duże migotanie. Przykładowy wyświetlacz posiadał diody pracujące z częstotliwością 240Hz i… zgodnie z przewidywaniami zarejestrowaliśmy czterokrotny kontur obiektu. Dokładnie tak samo wyglądało to w naturze!
Metoda śledzenia obrazu kamerą była już od dłuższego czasu stosowana w przemyśle. Ceny sprzętu oscylowały jednak w okolicach 30 000$ za dedykowane systemy, co było raczej barierą nie do przeskoczenia. Jakiś czas temu pewien inżynier – Mark Rejhon z serwisu BlurBusters.com– opracował jednak metodę “ręczną” wymagającą trochę mniejszej inwestycji, ale i większej cierpliwości przy wykonywaniu pomiarów. Obiekt testowy dostępny jest bezpłatnie na stronie TestUfo.com Kluczem do sukcesu było zaprojektowanie specjalnej ścieżki synchronizacyjnej, która pozwala ocenić, czy dane zdjęcie zostało zrobione z odpowiednią prędkością poziomą i pionową. Robiąc zdjęcia używamy bowiem ekspozycji 1/15 sekundy przy 60Hz lub 1/30 przy 120Hz. Nakładamy więc na siebie cztery klatki obrazu i każda z nich musi być w tym samym miejscu względem obiektywu!
A tak wygląda zmontowane stanowisko testowe:
Do pierwszego testu użyliśmy obiektu testowego “ufo” ze strony wspomnianego eksperta. Zawarta tam ścieżka synchronizacyjna pozwala na zrobienie zdjęcia z dokładnością położenia co do jednego piksela. W przyszłości stworzymy na pewno własny obiekt testowy, który wykorzystamy w każdym teście w sposób jednolity.
W nadchodzących testach możecie spodziewać się więc rozbudowanej sekcji “odwzorowanie ruchu”. Znajdzie się w niej dodatkowa tabela przedstawiająca zdjęcia rzeczywistego rozmycia obrazu w każdym trybie upłynniacza. Od dziś więc nasze testy staną się jeszcze bardziej wnikliwe i dokładne, a w bieżącym roku postaramy się zrobić ich znacznie więcej niż w poprzednim
Za pomoc w zbudowaniu naszego urządzenia do profesjonalnego badania ruchu dziękujemy firmie Sony Polska, która udostępniła nam zaawansowany aparat α99 z mocowaniem typu A i pełnoklatkowym przetwornikiem obrazu (35 mm) – SLT-A99V. Do tego dwa wymienne obiektywy, które umożliwiają nam robienie zdjęć.
Pozdrawiamy,
Maciej & Gmeru.
