• Leonardo Ritter

Óptica - Geometria de Pixel e os Filtros de Cores

Atualizado: há 4 dias

Já temos o artigo sobre projetores DLP, 3LCD, TVs LCD, Plasma, OLED, CRT, mas não há nada sobre os filtros de cores, que contribuem para a geração da imagem colorida que vemos na tela. Este artigo é dedicado a estes filtros essenciais na geração da imagem.

Vamos mostrar os principais padrões de geometria de filtros de cores utilizados nos displays de aparelhos eletrônicos, começando pelo mais comum!

O padrão RGB é composto de três cores: Vermelho (Red), Verde (Green) e Azul (Blue). Cada pixel da tela é subdividido nestas três cores, isto é, nestes três subpixels. Diferentes tons destas três cores misturados formam milhões de outras cores. Veja o diagrama padrão de um pixel com filtro RGB:

Filtro RGB padrão

Imagem 1 - Filtro RGB mais comum


Os filtros RGB são utilizados em televisores e monitores CRT, Plasma e vários modelos de LCD. No caso dos LCD, essa é uma geometria de pixel bastante utilizada, sendo cada cor separada por uma linha vertical e uma horizontal na cor preta.

Algumas fabricantes titulam esta geometria como "padrão legado", pois foi a primeira e a mais utilizada para dispositivos eletrônicos que exibem imagem.

O 'DELTA', o 'IN LINE' e a 'GRADE DE ABERTURA' (TRINITRON)


Nos primórdios das TV's tubo, existiu uma organização diferente das cores do padrão RGB, chamada de "Delta". Esta geometria de pixel consistia em Fósforos coloridos no formato esférico, como pode ser visto na imagem abaixo:

Organização de filtros em Delta

Imagem 2 - Filtro RGB no padrão Delta


A Shadow Mask presente atrás dos fósforos da tela era composta por uma matriz de milhares de círculos, sendo que cada um deles englobava os três fósforos que compunham o filtro RGB. Como era difícil de se ajustar a pureza e a convergência do canhão para que os três feixes de elétrons passassem por dentro de cada circulo da máscara, essa tecnologia deu espaço para as Shadow Mask's 'In Line', mostrada na imagem abaixo:

Organização dos filtros de forma retangular

Imagem 3 - Filtro RGB no padrão In Line


Se você olhar bem próximo de uma tela CRT, verá que a matriz de pixels é formada de retângulos posicionados em pé. Isso tornou muito mais fácil o ajuste de 'foco' do canhão de elétrons. Cada pixel retangular é formado por três linhas de Fósforo que formam o filtro RGB.


O "Trinitron", também conhecido como "Slot mask", foi uma tecnologia patenteada pela SONY ainda nos anos 1960 e substituiu a máscara de sombras por uma 'Grade de Abertura'. Esta grade substitui a chapa com matriz de furos que compõem a Shadow Mask original por uma série de fios metálicos verticais que separam cada cor do padrão RGB. Diferente dos demais, não há separação horizontal dos filtros. Veja abaixo um pedaço ampliado de uma tela com a tecnologia Trinitron:

Grade de Abertura

Imagem 4 - Filtro RGB no padrão Trinitron


Perceba que há apenas divisões verticais entre cada cor do filtro RGB. Uma das vantagens é que com o uso da TV Tubo, a máscara de sombras tende a esquentar e dilatar para todos os lados, prejudicando também o ascendimento perfeito dos Fósforos, porém com a Grade de Abertura apenas os fios verticais se dilatam com o calor e isso não afeta a reprodução de imagem. A Grade de Abertura também permite telas CRT planas ou quase planas, enquanto os CRT's com Shadow Mask permitem apenas telas com curvatura esférica.

Após o fim da patente, em 1996, outras marcas puderam usar a tecnologia Trinitron, porém com outro nome. A Sony ainda criou o "FD Trinitron", que usava sistemas de Feedback controlados via computação para garantir a nitidez do 'foco' do canhão de elétrons para melhorar ainda mais a imagem em telas planas.

Uma variação do Trinitron da Sony foi o "CromaClear", criado pela NEC Corporation nos anos 1990. Veja abaixo um pedaço ampliado de uma tela com tecnologia CromaClear:

CromaClear

Imagem 5 - Filtro RGB no padrão CromaClear


Essa tecnologia dispensa o par de fios de amortecimento horizontais presente nas telas com Grade de Abertura. O CromaClear também engloba melhorias na Pistola de Elétrons utilizada no CRT.


Para saber mais sobre o padrão Delta, In Line e Trinitron, bem como o CromaClear, CLIQUE AQUI!

Para saber mais sobre o canhão de elétrons, o feixe de elétrons e o funcionamento geral de um Tubo de Raios Catódicos, CLIQUE AQUI!

A geometria RGBCMY vem da combinação do padrão RGB com o padrão CMYK. CMYK é formado pelas cores Ciano (Cyan), Magenta (Magenta), Amarelo (Yellow) e Preto (Black). Neste caso, o filtro RGBCMY abandona a cor preta e em alguns casos passa a utilizar uma mascara transparente que permite a passagem direta da luz branca do backlight (se você leu os primeiros artigos sobre óptica, a cor branca é formada pela mistura das outras cores).

Veja um filtro RGBCMY abaixo:

Disco de cores RGBCMY

Imagem 6 - Filtro de cor no padrão RGBCMY


Mas qual o motivo do filtro acima estar em forma de disco segmentado?

Esta geometria está presente em projetores DLP. Este disco é chamado popularmente e comercialmente de Color Wheel. Existem também discos de cores imitando uma Espiral de Arquimedes.

Lembrando que, existem vários outros modelos de Color Weel. Como eu disse acima, alguns discos além de ter todas estas cores, apresentam uma faixa transparente para a passagem da luz branca do backlight para melhorar o brilho e reduzir a saturação de cor. Outros não possuem esta faixa transparente, como é o caso na Imagem 6, onde é necessário girar o disco muitas vezes para que a luz branca seja formada.

Alguns Color Weel possuem apenas o padrão RGB comum ou o RGB com a faixa transparente, outros Color Weel apresentam apenas o padrão CMY ou o CMY com uma faixa transparente. Existem também os discos de cores RGBRGB.

A opção por utilizar o padrão RGB juntamente com o CMY se deve ao fato de que com este conjunto base se torna possível criar uma variedade maior de cores do que se utilizassem apenas um deles.

Você deve ter notado que a divisão das cores no disco não é igual, isto pois cada cor possui uma faixa de frequência e um comprimento de onda, fazendo com que o espaço que cada cor ocupa no disco tenha que ser dimensionado para a melhor precisão possível do aparelho. Normalmente, a distribuição das cores no disco RGBCMY é parecida com o desenho acima. Na grande maioria dos discos de cores RGB ou RGB com faixa transparente a distribuição de cores é de forma proporcional, e isto também vale para discos que possuem apenas CMY ou CMY com faixa transparente.

Lembrando que há exceções: alguns Color Weel são RGBY (Y é de Yellow - Amarelo) com faixa transparente.


Para saber mais sobre os projetores DLP, CLIQUE AQUI!


CURIOSIDADE: Os projetores 3LCD utilizam três pequenas telas LCD (também pode ser chamado de chip LCD), geralmente com menos de uma polegada de tamanho, sendo um chip para a cor verde, outro para a cor vermelha e outro para a cor azul. Desta forma, cada pequena tela possui apenas um filtro de cor. O sinal das três é misturado através de um prisma dicroico e projetado na parede. Para entender melhor, CLIQUE AQUI e leia o artigo sobre projetores 3LCD!

Também chamado de RG-B-GR, a geometria de pixel conhecida como PenTile foi criado nos anos 1990 e adquirida pela Samsung Electronics em 2008, mas só na última década vem ganhando espaço no mercado. Ela possui as mesmas cores do padrão RGB, só que organizadas de forma diferenciada. Veja um pixel PenTile abaixo:

Filtro RG-B-GR

Imagem 7 - Geometria de pixel PenTile


Você percebeu que são 5 zonas de cor? Então, o nome "Pen" significa Penta e "Tile" é azulejo. Esta geometria foi criada baseando-se na Biomimética da retina Humana, que possui quantidades praticamente iguais de células cone do tipo L e M, mas significativamente menos cones do tipo S. Colocar as cores verde e vermelho na mesma proporção e uma quantidade menor da cor azul num pixel não afeta a qualidade da imagem. Este formato foi utilizado em alguns modelos de telas LCD.

Esta é uma variação do PenTile original, apesar de não ser dividido em 5 zonas. O nome RGBG foi dado pois utilizam subpixels verdes intercalados com subpixels azuis e vermelhos alternados. O olho Humano é mais sensível ao verde, especialmente para as informações de luminância de alta resolução. Veja a imagem de um pixel com geometria RGBG:

Filtro RGBG

Imagem 8 - Filtro RGB no padrão RGBG


Abaixo, a visualização de parte de uma tela AMOLED com geometria RGBG:

Filtros de cores de uma tela AMOLED vista no microscópio

Imagem 9 - Geometria de pixel RGBG de uma tela AMOLED vista no microscópio

A geometria RGBG foi utilizada nas telas AMOLED, principalmente as de smartphone, pois conseguia reduzir a quantidade de subpixels e assim facilitar a produção dos display's, aumentar a durabilidade, reduzir o consumo de bateria e melhorar os contornos nas imagens.

Mesmo prometendo vários benefícios, especialistas criticaram a tecnologia, pois ela trazia tons esverdeados ou azulados em algumas partes da tela, além de contornos com distorção de cor. Em imagens em preto e branco também era possível notar esverdeamentos momentâneos sem motivos aparentes.

Segundo o gerente de marketing da Samsung na época, os filtros levavam mais tempo para se degradar, principalmente o de cor azul, tornando o display com cara de novo por mais tempo. Veja a imagem abaixo, feita pelo site The Verge e que mostra a discrepância de qualidade entre um display comum e um com pixels RGBG:

Discrepância de qualidade de display entre um HTC OneX e um OneS

Imagem 10 - Discrepância de qualidade de display entre um HTC OneX e um OneS. (O HTC OneS possui uma tela AMOLED PenTile RGBG)


Produzir um display AMOLED acima de 720 linhas já seria um problema grande se utilizassem a geometria RGB padrão, por isso que o PenTile RGBG foi uma boa saída.

A geometria de pixel RGBW ("W" de White - Branco) foi uma outra variação do PenTile muito pouco utilizada no mercado. Para aumentar a claridade da imagem de TVs LCD, uma quarta zona foi colocada dentro do pixel. Esta zona não possui cor, ou seja, é transparente, justamente para a passagem da luz branca, fazendo com que o display pudesse ter mais claridade na imagem sem se ter a necessidade de aumentar a fonte de luz e, consequentemente, aumentar o consumo de energia. Veja um pixel com filtro RGBW abaixo:

Filtro RGBW

Imagem 11 - Filtro RGB no padrão RGBW


Equipamentos que utilizam a geometria RGBW também utilizam a renderização de Metamer que otimiza a distribuição da energia entre o subpixel transparente e os subpixels Verde, Vermelho e Azul para melhorar a nitidez da imagem.

O chip driver de controle do display possui algoritmos para a conversão da informação de cor RGB para RGBW, correção de cor, gama, saturação e tudo mais para que a imagem seja reproduzida com o máximo de qualidade pelo ecrã.

Se nas telas LCD o RGBW é incomum, nas telas OLED é diferente. É comum a produção de painéis OLED com uma geometria de pixel incluindo uma zona branca além da zona R, G e B.

Esta é outra variação do PenTile original e que é utilizada atualmente em smartphones e smartTVs AMOLED. Com a mesma ideia das anteriores: facilitar a produção de displays com resoluções altíssimas e densidade de pixels por polegada (PPI) bastante grande.

Para conseguir resoluções maiores em pequenos espaços, o pixel possui formato de diamante (por isso o nome Diamond PenTile) e os subpixels Azul e Vermelho possuem formado de losango. Cada pixel possui dois subpixels de cor verde com formato oval. Veja a imagem abaixo:

Imagem 12 - Padrão RGB na geometria de pixel Diamond PenTile


Veja a imagem abaixo, que especifica melhor como são organizados os pixels em formato de diamante:

Tela Diamond PenTile

Imagem 13 - Organização dos filtros Diamond PenTile


O primeiro aparelho a utilizar a geometria Diamond PenTile foi o Samsung Galaxy S4. Ele vinha com tela AMOLED juntamente da sigla "Plus", portanto todos os aparelhos que possuem display AMOLED Plus são feitos com filtro Diamond PenTile. Os dispositivos que possuem display AMOLED comum podem utilizar geometria PenTile RGBG ou RGB.

A própria Samsung admitiu que a geometria de pixel PenTile RGBG é inferior ao RGB. Veja a imagem abaixo:

Matriz RGB x Matriz PenTile RGBG

Imagem 14 - Comparação entre o RGB e o RGBG


Apesar da Samsung Display produzir telas para várias concorrentes e também utiliza-las em seus dispositivos, o fornecimento de telas para a Apple produzir o iPhone X foi de displays AMOLED Plus com algumas diferenças no arranjo dos subpixels. Essas diferenças mínimas são mostradas na imagem abaixo:

Telas produzidas para a própria Samsung e para a concorrente Apple

Imagem 15 - Diferenças entre a geometria Diamond PenTile da Samsung para os da Apple, que foram utilizados no iPhone X


A Imagem 15 foi cedida pela DisplayMate. O iPhone X AMOLED Plus está à esquerda, enquanto na direita está o Galaxy AMOLED Plus.

A geometria de pixel RG é exclusiva das telas Quantum LED. Como o backlight destas TVs é composto por LEDs azuis, há apenas a necessidade de utilizar filtros Red (Vermelho) e Green (Verde) e deixar um subpixel transparente para a passagem da luz azul. Os filtros utilizados são feitos de nanocristais de Seleneto de Cádmio (televisores mais antigos) e Fosfeto de Índio (televisores mais atuais). Veja a imagem de nanocristais coloridos abaixo:

nanocristais de Seleneto de Cádmio

Imagem 16 - Os nanocristais das telas QLED


Atualmente, as famosas TVs de pontos quânticos possuem um pequeno mercado, porém tudo indica que elas tem uma longa jornada pela frente.

Apesar de utilizarem os nanocristais, as telas QLED não excluem a utilização de filtros RGB comuns. Os nanocristais servem apenas para deixar a cor mais viva e a imagem parecer muito mais realista. Para ver mais sobre o funcionamento do QLED, CLIQUE AQUI!

Esta geometria de pixel foi criada pela Sharp Electronics com o intuito de aumentar o intervalo de cores reproduzidas, isto é, aumentar a quantidade de cores que podem ser exibidas incluindo uma quarta cor base: o Amarelo (Yellow).

O padrão RGBY também é conhecido com Quattron. Veja abaixo, um pixel com geometria RGBY:

Filtro RGBY (Quattron)

Imagem 17 - Filtro RGB no padrão RGBY


Esta tecnologia foi empregada em televisores LCD da marca Sharp e também em Color Weel de alguns poucos modelos de projetores DLP.

De acordo com a DisplayMate Technology, fabricante de equipamentos para calibração de televisores e monitores, não há conteúdo produzido que utilize esta quarta cor base (Amarelo) para gerar as cores da imagem.

Segundo pesquisas de uma Universidade de Londres (Inglaterra), a luz proveniente do backlight do display de televisores Sharp que possuem este filtro não tem o comprimento de onda da cor amarela (577 a 597 nanometros), ou seja, o filtro amarelo não tem utilidade alguma e, provavelmente só foi incluído por uma questão de marketing, isto é, anunciar uma tecnologia nova que promete mais qualidade de imagem para induzir o consumidor a comprar uma TV nova.

Como foi dito acima, alguns projetores DLP podem ter um Color Weel com filtro RGBY, no entanto, o amarelo não tem uma utilidade forte, já que não há conteúdo reproduzido que necessite desta quarta cor, pois os tons de amarelo são feitos pela simples combinação de tons das cores do filtro RGB comum.

As impressoras, na grande maioria dos modelos, utilizam o sistema de cores CMYK para imprimir documentos e imagens. Você já parou pra pensar o motivo pelo qual a imagem é reproduzida na tela com o padrão RGB e impressa no padrão CMYK?

O padrão RGB é conhecido como cor luz, pois quando as três cores são sobrepostas formam o branco, que é a mistura de todas as cores do espectro visível. Quando as cores do padrão RGB são sobrepostas duas a duas formam as cores primárias Ciano (C), Magenta (M) e Amarelo (Y).

O padrão RGB tem síntese aditiva. Já o CMY tem síntese substrativa (também conhecido como pigmento), pois quando sobrepostas, as três cores formam a cor preto (K). Veja a imagem abaixo:

Imagem 18 - Comparação do CMYK com o RGB


Cores existentes no RGB podem não existir no CMYK, pois o RGB ao ser sobreposto forma o branco, que como foi dito, é a mistura de todas as outras cores.


Na tela dos monitores e projetores é a incidência de luz de dentro pra fora do aparelho que faz com que o olho Humano perceba os pigmentos que constituem a imagem. Esta luz que parte de dentro do aparelho pode ser a luz branca emitida pela lâmpada dos projetores DLP e 3LCD ou pelo painel de LED's das telas LCD. Nas telas CRT, Plasma e OLED a luz branca não precisa ser desmembrada para formar o vermelho, o verde e o azul, já que as três cores são feitas "do zero" via LED ou excitação de fósforos coloridos.


Já na impressão, é a luz externa, isto é, a luz do ambiente que incide no papel e faz com que o olho Humano capte os pigmentos impressos. Para entender melhor esse negócio de reflexão, refração e absorção e a formação da cor dos objetos, aconselho você a ler os artigos sobre óptica publicados aqui no HC. Para acessar o Capítulo 1 sobre óptica, CLIQUE AQUI!


Podemos citar aparelhos que reproduzem imagens mas utilizam o sistema CMY ou o sistema CMY + RGB: são os projetores DLP. Lembra lá no início do artigo, que mostramos o disco de cores e sobre a variedade de cores que podem ser utilizadas? Então, muitos deles podem utilizar o padrão RGB, ou CMY, ou a combinação dos dois.

Eu também já cheguei a ver uma impressora que utilizava dois cartuchos, sendo um deles com três compartimentos para as cores do sistema RGB e o outro cartucho apara a cor preta. Mas isso é algo meio incomum.


É válido lembrar que, a imagem digitalizada ao ser reproduzida na tela também possui informações de cor compatíveis com RGB, portanto, ao ser impressa, a impressora converte as informações de cor da imagem para o padrão CMYK para que então possa ser feita a impressão. Essa conversão de RGB para CMYK é feita via algoritmos.

Os filtros de cores dos televisores e monitores CRT e Plasma são feitos do elemento químico fósforo dopado com materiais especiais (a grosso modo, podemos chamar de corantes) para ficarem com as cores R/G/B.

Os Color Weels, Televisores e monitores LCD, os filtros já são feitos de polímeros com materiais especiais (a grosso modo, também podemos chamar de corantes) para formarem as cores necessárias (RGB e ou CMY). Em telas OLED o próprio semicondutor orgânico emite luz de acordo com sua composição química.

A formação das cores no display não depende somente da luz de fundo e dos filtros de cor, mas sim de circuitos de processamento e mecanismos específicos para cada padrão de filtro, a fim de aprimorar a exibição da imagem. Para cada filtro PenTile por exemplo, existe um mecanismo eletrônico embutido no(s) CI(s) driver da tela, embutido no chip da placa principal, um algoritmo para otimizar a varredura, otimizar a distribuição de sinais na Matriz, enfim, a qualidade de imagem reproduzida não depende só dos filtros, mas sim de todo o aparelho. Isso também vale para projetores: imagine o complexo mecanismo eletrônico e de software para processar a imagem, posicionar o filtro de cor sobre a luz branca e ativar e desativar os microespelhos do chip DMD!

Gostou do artigo? Conhece algum outro filtro de cor e quer que o Hardware Central inclua neste artigo? Mande uma mensagem para a gente através do e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.

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FONTES e CRÉDITOS

Texto e desenhos: Leonardo Ritter

Imegens: Google Imagens, OLEDInfo.

Fontes: OLED-Info; TecMundo; Wikipedia(somente artigos com fontes verificadas!); Engenharia reversa que o autor do texto fez num projetor DLP; Burgos Eletrônica (You Tube)

Última atualização: 25 de Julho de 2021.

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