Óptica - Complemento sobre ecrãs e projetores

Óptica - Complemento sobre ecrãs e projetores

01/08/2018

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  Este é o complemento dos artigos relacionados aos projetores e televisores. O assunto é os tipos de sinais que excitam os pixels da tela, a taxa de atualização de imagem e os padrões de resolução mais comuns do mercado!

  Como foi visto em artigos anteriores, display's LCD, Plasma, LED e projetores 3LCD são feitos de vários emissores de luz (ou "refletores", no caso dos chips DMD), conhecidos como pixels, dispostos em uma matriz. Pixel é a abreviação de Picture Element, sendo que "Pix" é a abreviação de picture em inglês.

  As telas possuem um formato, ou melhor dizendo, uma proporção. Esta proporção é independente do tamanho da tela em polegadas e da resolução dela. Abaixo, a lista de proporções utilizadas pela indústria:

  Nos monitores e televisores CRT, chips DMD antigos ou básicos, a proporção mais utilizada é a 4:3. Durante o período de transição entre CRT e LCD, também foi muito utilizada a taxa de proporção 4:3. Atualmente, a grande maioria de telas LED, LCD, 3LCD e chips DMD utilizam a taxa de proporção 16:9. Monitores Gamer de alto desempenho e alguns televisores "super modernos" já utilizam proporção de 21:9. As outras taxas de proporção mostradas na tabela acima foram pouco utilizadas no mercado.

 

   Quando se trata de tamanho de telas, existe o tamanho do display, medido em polegadas e o tamanho máximo da imagem que pode ser reproduzida neste display, isto é, a quantidade de informação que este display pode reproduzir e que é medido em pixels. Vamos ver primeiro o tamanho do display.

 

TAMANHO DO DISPLAY

  Como foi dito, o tamanho de um display, seja ele CRT, LCD ou LED é dado em polegadas. Uma polegada equivale a 2,54 cm (25,4 mm). Existem vários tamanhos de display. Os displays utilizados em projetores 3LCD possuem, normalmente, menos de uma polegada. As maiores TVs CRT possuem, normalmente, 29 polegadas. TVs LCD e LED comerciais apresentam, no máximo, 84 ou 92 polegadas. Valores acima destes costumam ser extremamente caros e não muito viáveis comercialmente para serem produzidos.

  Você pode encontrar TVs e monitores onde o valor está com uma aspa na sequência do número, por exemplo, 55"e 32", isto significa, respectivamente, 55 polegadas e 32 polegadas.

  O tamanho do display é medido na diagonal. Veja a imagem abaixo para entender melhor:

 

RESOLUÇÃO

  Agora, vamos falar um pouco da resolução, isto é, da quantidade de informação, do "tamanho da imagem" que pode ser mostrada na tela.

  Com a chegada do padrão analógico VGA, abreviação para Vídeo Graphics Array, em meados dos anos 1980, surgiram muitas variações de resolução semelhantes e compatíveis com a esta interface de vídeo. A resolução considerada "padrão" para a interface VGA é a 640x480 pixels mas, nos anos 1990, foram criados várias outras resoluções maiores para monitores um pouco mais sofisticados. Estas resoluções são mostradas na tabela abaixo:

  Também nos anos 1990, uma variação chamada XGA (eXtended Graphics Array) foi lançada com dimensões 1024x768 pixels no formato 4:3. Outras variações desta resolução (WXGA, SXGA, UXGA e etc) também foram criadas mas, eram alargadas, isto é, no formato 16:9. A maioria destas resoluções é apresentada na tabela abaixo:

  Outras variações do XGA são mostradas na tabela abaixo:

  A variação XGA possui outras variações com dimensões consideradas de "alta resolução". Você pode ver-las na tabela abaixo:

 Resoluções como por exemplo, a HUXGA (6400x4800) e QUXGA (3200x2400) são de formato 4:3. Já as resoluções como por exemplo, a WQSXGA (3200x2048) e WHSXGA (6400x4096) são de formato 16:9.

 

  Nos anos 2000, com a popularização de dispositivos compactos (celulares, por exemplo) foi criada uma resolução "reduzida" com 320x240 pixels apenas e, exclusiva para dispositivos compactos. Outras resoluções com dimensões próximas a esta também foram criadas. A maioria destas resoluções é apresentada na tabela abaixo: 

 O "Q" da sigla significa "Quarter" já que, a resolução 320x240 é a quarta parte do tamanho da resolução 640x480. Temos também a resolução 144x98, bastante utilizada em featurephones antigos. Dois smartphones que utilizam display com resolução QVGA é o LG Optimus L1 || e o Sony Xperia X10 mini.

  Com a popularização de smartphones, resoluções "alargadas" do padrão VGA foram utilizadas. Por exemplo, o smartphone Google Nexus One e o Samsung Galaxy S utilizam um display com resolução 800x480 pixels.

 

  Com tantas resoluções diferentes, com novas tecnologias sendo aplicadas em televisores e monitores, optou-se por criar um padrão de referência para padronizar resolução dos displays e fazer um apelo de mercado mais forte: o HD, sigla para High Definition, que em português significa Alta Definição. Veja abaixo, o selo de certificação utilizado em dispositivos que suportam HD:

  Pode ainda ser encontrado o selo "HD Ready" que significa a mesma coisa do "HDTV".

 

  HD se refere a resolução 1280x720 pixels com proporção de 16:9 e uma resolução de 3440x1440 pixels para displays com proporção 21:9. É fácil de encontrar televisores com esta resolução e também filmes, vídeos, enfim, conteúdo com esta resolução. Isso proporcionou a eliminação de possíveis conflitos e distorções na exibição por existirem muitas resoluções diferentes. No HD, algumas variações também foram criadas e a tabela abaixo mostra as principais:

 Resoluções abaixo do HD são definidas como Standard Definition, abreviado por "SD".

 

  Temos também o Full HD, conhecido com FHD, 1080p e até mesmo "1K". É uma evolução do HD que proporciona mais qualidade ainda! O apelo comercial destes aparelhos foi bem mais forte que o do HD. Veja o selo de certificação para aparelhos que suportam o Full HD:

  Full HD se refere a resolução de 1920x1080 pixels com proporção 16:9. Existe uma variação para monitores 4:3 cuja resolução é 1920x1440 pixels e uma variação de 2560x1080 para displays de proporção 21:9.

 

  A atual "modinha" do mercado é vender aparelhos com a sigla "4k", também chamado de 2160p, Ultra HD, UHD, Quad FHD ou QFHD. Mas o que exatamente significa 4k? "4k" representa uma resolução 4 vezes maior que o padrão Full HD mas, não é exatamente por este motivo que é utilizado o termo "4k". No Sistema Internacional de Unidades (SI), o "kilo" é um sufixo utilizado para representar o número 1000, portanto ao ter até 999.000 unidades de alguma coisa você pode abreviar com a letra "k" (é recomendável que se utilize o "k" minúsculo por definição do SI). No caso da resolução 4k, são 3840x2160 pixels e, pelo número 3840 ser mais próximo do número 4000, pegou-se o nome "4k" nas TVs Ultra HD. Abaixo, você vê o selo do padrão 4k:

  Dispositivos com padrão UHD utilizam proporção de 16:9 também! Mesmo assim, a Digital Cinema Initiatives (DCI) adotou o proporção 17:9 com resolução de 4096x2160 pixels, que se tornou muito mais utilizada em cinemas mas, também recebe o nome de 4k, ou melhor dizendo, "DCI 4k". Outra variação é para proporções 21:9 (Ultra Wide ou Super Wide Screen) que utiliza resolução 5120x2160 pixels. Abaixo, resumimos em uma tabela as variações de resolução para o padrão 4k.

  O padrão 2k, com resolução de 2018x1080 (ou 2048 x 858 / 1998 x 1080 pixels, padronizado pela DCI para o cinema) não vingou no mercado pela resolução ser próxima do padrão Full HD, por isso foi "pulado" direto para o 4k.

 

  O padrão 5k até que é utilizado no mercado mas, é ainda preferem o 4k por ser "levemente" mais barato! Possui resolução de 5120x2880 pixels e proporção 16:9, algo parecido com o 4k.

 

  O padrão 8k é o futuro! É 16 vezes maior que a resolução Full HD! Também pode ser chamado de 4320p, Full UHD ou Super UHD. Ainda não há conteúdo para resoluções tão altas e a aplicação desta resolução em displays é extremamente cara e até agora, por motivos de dificuldades na fabricação, só é viável em aparelhos acima de 80 polegadas. A resolução 8k apresenta variações de tamanho de acordo com a proporção de tela. A tabela abaixo resume as principais resoluções:

  A resolução 8k Fulldome tem 8192x8192 pixels e serve principalmente para equipamentos de projeção em planetários.

 

  Para finalizar, vale lembrar que, ter uma TV 4k não significa que você vai ver imagens em 4k, isso só vai acontecer se o conteúdo exibido tiver sido gravado em 4k, caso contrário as imagens exibidas terão resoluções comuns e serão apenas ampliadas para preencher todo o display! Isso vale para qualquer outra resolução: não adianta ter um dispositivo que exibe imagens com uma qualidade arrasadora se você utiliza-lo apenas para ver conteúdo gravado em resoluções inferiores. Para jogos vale mais a pena um monitor 4k (se o computador suportar gerar gráficos com FPS razoável), pois a qualidade dos gráficos é excelente nesta resolução.

  Existe uma relação entre o tamanho em polegadas e a resolução da tela. Esta relação é dada em PPI (Pixel Per Inch - Pixel Por Polegada). Não existe um padrão de resolução e de tamanho em polegadas: dois dispositivos podem ter resoluções iguais mas telas com tamanhos diferentes. Por exemplo, uma TV de 84 polegadas pode ter resolução 1920x1080 pixels (Full HD) da mesma forma que uma TV de 32 polegadas pode ter resolução de 1920x1080 pixels. Outro exemplo: um smartphone com tela de 5,5 polegadas pode ter resolução de 1280x720 pixels (HD) e um monitor de 22 polegadas pode ter a mesma resolução de 1280x720 pixels.

  Por não existir padrões, adotamos a densidade de pixels por polegada, ou PPI, como você preferir. Quanto maior foi o PPI de uma tela, mais informações vão ser exibidas no mesmo espaço, isto é, mais detalhes de uma imagem pode ser exibido na mesma área. Por exemplo: uma tela de 32" com 1920x1080 pixels (Full HD) terá um PPI maior que uma tela de 32" e resolução de 1280x720 pixels (HD).

  Cuidado para não confundir PPI com a sigla DPI (Dots Per Inch - Pontos Por Polegada) normalmente utilizada para definir a qualidade de uma impressão.

  O trecho a seguir foi retirado do artigo técnico sobre o funcionamento de televisores LCD.

  "A atualização da imagem é feita pixel a pixel (...). Quando este pixel é ascendido, o pixel seguinte recebe os sinais RGB, e assim por diante. O sistema atualiza os pixels linha por linha. Esta atualização pode acontecer de duas maneiras:

 > Atualização sequencial (ou progressiva), abreviada pela letra"p" que significa "Progressive Scan" (Varredura progressiva), começando da linha 1 e terminando na última linha, para formar um frame;

 > Atualização do tipo "i", que significa "Interlaced Scan" (Varredura Entrelaçada) e é quando as linhas ímpares são atualizadas primeiro para que daí o sistema volte e atualize as pares, fazendo assim um frame completo."

  O trecho a seguir foi retirado do artigo técnico sobre o funcionamento de televisores CRT.

  "A atualização é intercalada pois, no passado, quando as TVs tubo foram inventadas, os fósforos utilizados na tela não eram tão bons e havia a necessidade de intercalar a atualização para que não se notasse a imagem se apagando na parte de cima do monitor quando o feixe de elétrons estivesse atualizando as linhas de baixo. Este padrão ficou para sempre na indústria de TVs tubo."

  Apesar das telas LCD e LED sequer utilizarem fósforo em sua composição, o padrão de varredura entrelaçada (ou intercalada) ainda permanece nos displays Full HD ou inferiores.

  Quando falamos 1080p, por exemplo, não significa "1080 pixels" mas sim, uma imagem com resolução de 1920x1080 pixels e varredura progressiva. Quando falamos, por exemplo, 720i, estamos nos referindo a uma imagem com 1280x720 pixels e varredura entrelaçada. A letra "i" e "p" podem ser aplicadas em qualquer outra resolução, dependendo das configurações do aparelho, inclusive para projetores 3LCD e chips DMD, que também podem atualizar a imagem de forma progressiva ou intercalada.

  A taxa de atualização de imagem se refere a quantas imagens o televisor ou monitor consegue reproduzir no período de 1 segundo. Por este motivo que utilizamos a unidade Hertz para medir a taxa de atualização. Atualmente, a taxa de atualização mais comum é 60 Hz mas, no passado tínhamos 30 Hz também (normalmente chega a 29,97 Hz). Existem taxas de atualização de 75 Hz, 89 Hz, 120 Hz, 144 Hz, 240 Hz e 480 Hz sendo que, os modelos a partir de 120 Hz já são bem mais caros devido a complexidade do sistema.

  Imagine um monitor de 60 Hz com resolução de 1920x1080 pixels: são 1080 linhas para serem atualizadas 60 vezes por segundo! Agora imagine um monitor 4k (3840x2160 pixels) a 480 Hz: são 2160 linhas para serem atualizadas 480 vezes a cada segundo!

  Quando se trata de varredura intercalada, a maioria dos monitores se retem a 30 Hz de taxa de atualização. Isso é decorrente do processo de atualização, que como foi dito no tópico anterior, acontece primeiro nas linhas ímpares e depois nas pares para se ter uma imagem completa, tornando tudo mais complexo e desnecessário nos aparelhos que não são CRT.

 

  Lembrando que, todos os monitores e televisores com display de Plasma, LCD e LED são compatíveis com o sistema "i" e "p" e taxa de atualização de 30 Hz e 60 Hz, no mínimo.

  Não é só mandar os sinais de imagem para o monitor e reproduzi-los! Deve haver um sinal de sincronismo vertical e horizontal. Em TVs tubo com 525 linhas de pixels e 30 Hz (normalmente chega a 29,97 Hz), é necessário um sinal de 15.750 Hertz (15,7 KHz) para o sincronismo horizontal. Como são 30 Hz, 30 imagens (ou frames, em inglês) por segundo, é necessário um sinal de 60 Hz de sincronismo vertical. Vale notar que, para que ocorra uma varredura entrelaçada, o sincronismo vertical deve ter uma frequência o dobro da taxa de atualização!

  Para um monitor de 1920x1080 pixels com varredura progressiva a 60 Hz, necessitamos de um sincronismo vertical de 60 Hz e um sincronismo horizontal de 64.800 Hz (64,8 kHz) (Sem contar o back porch e o front porch). Para um televisor de 1080i, necessitamos de um sincronismo vertical de 120 Hz a um sincronismo horizontal de 32.400 Hz (32,4 kHz) (Sem contar o back porch e o front porch). Isto vale para todas as outras resoluções existentes e todos os tipos de display, inclusive para projetores 3LCD e chips DMD.

  No caso dos padrões analógicos VGA e DVI-I (versão analógica do padrão DVI), o sinal de sincronismo vertical (V-Sync) e horizontal (H-Sync) é mandado em duas linhas separadas do sinal de imagem, só que os dois sinais de sincronismo são enviados no padrão binário, isto é, uma variação de 0's e 1's diz ao circuito principal do display a frequência necessária que deve ser gerada para atualização.

  No caso do DVI-D (DVI Digital), HDMI e DisplayPort, os sinais de cores para cada pixel são transmitidos com um determinado clock, que varia de acordo com a resolução do display.

  Independente da interface utilizada (S-Vídeo, Vídeo Composto, Vídeo componente, VGA, DVI, HDMI e DisplayPort), os sinais vão ser aplicados nos subpixels da tela normalmente, da esquerda para a direita e de cima para baixo.

  Interfaces como por exemplo a S-Vídeo, Vídeo Composto, Vídeo componente e a transmissão de sinal analógico e digital vão ser detalhadas em artigos futuros, pois possuem um modo funcionamento bem interessante e mais "chatinho" de entender. As outras interfaces citadas neste artigo também vão ser detalhadas em artigos exclusivos futuramente!

  Como o controlador gráfico sabe a resolução da tela? Nas interfaces DVI, VGA, HDMI e DisplayPort há um canal de comunicação padrão para a troca de informações entre chip gráfico e o controlador principal do aparelho, onde são passadas informações sobre a resolução, taxas de atualização suportadas e várias outras informações para que o processador gráfico se adapte ao funcionamento do monitor ou televisor.

   Nos equipamentos digitais, isto é, todos os televisores LCD, Plasma, LED, a formação de cores na tela é através da aplicação de sequências de pulsos elétricos nos subpixels. No caso de Projetores 3LCD e chips DMD, a aplicação de pulsos ocorre nos pixels (na tecnologia 3LCD são 3 displays, um R, um G e um B e nos chips DMD a modulação de cores é sequencial).

  Usamos o termo "profundidade de cor", "Color Depth" ou "BPI" (Bits Per Pixel - Bits Por Pixel) para nos referir ao sistema de cores utilizado nestes equipamentos.

  Como foi dito, o sistema de cores mais utilizado na informática é o RGB (Red, Green, Blue) portanto, é necessário que, para formar cada uma destas cores uma sequência de pulsos elétricos seja aplicada.

 

PADRÕES ANTIGOS

 -> 2 bits: é utilizado o bit 0 para definir a cor preta e o bit 1 para definir a cor branca. Era utilizado nos antigos equipamentos que exibiam imagens em preto e branco.

 

 -> 8 bits: são utilizados 3 bits para definir o tom de cor verde, 2 bits para definir o tom de cor azul (o olho humano é menos sensível a cor azul e por isso foi atribuído um bit a menos) e 3 bits para definir o tom de cor vermelha. Como um bit pode assumir apenas dois valores (0 ou 1), fica 2 elevado a 3 = 8 e 2 elevado a 2 = 4. Traduzindo: pode ser gerado 8 tons de verde, 4 tons de azul e 8 tons de vermelho. No final, temos:  8 * 4 * 8 = 256 cores que podem ser geradas no display!

 

 -> 12 bits: são utilizados 4 bits para definir o tom de cor verde, 4 bits para definir o tom de cor azul e 4 bits para definir o tom de cor vermelha. Como um bit pode assumir apenas dois valores (0 ou 1), fica 2 elevado a 4 = 16. Traduzindo: pode ser gerado 16 tons de verde, 16 tons de azul e 16 tons de vermelho. No final, temos:  16 * 16 * 16 = 4.096 cores que podem ser geradas no display!

 

  CURIOSIDADE: O padrão de 12 bits foi muito utilizado em featurephones antigos já no fim dos anos 1990, com a chegada dos display's a cores nos telefones.

 

PADRÃO HiColor (HIGH COLOR)

  Existem três formatos HiColor que serão explicados aqui:

  > 15 bits: são utilizados 5 bits para definir o tom de cor verde, 5 bits para definir o tom de cor azul e 5 bits para definir o tom de cor vermelha. Como um bit pode assumir apenas dois valores (0 ou 1), fica 2 elevado a 5 = 32. Traduzindo: pode ser gerado 32 tons de verde, 32 tons de azul e 32 tons de vermelho. No final, temos:  32 * 32 * 32 = 32.768 cores que podem ser geradas no display!

 

  > 16 bits: são utilizados 6 bits para definir o tom de cor verde (o olho humano capta melhor a cor verde e por isso foi atribuído um bit a mais), 5 bits para definir o tom de cor azul e 5 bits para definir o tom de cor vermelha. Como um bit pode assumir apenas dois valores (0 ou 1), fica 2 elevado a 5 = 32 e 2 elevado a 6 = 64. Traduzindo: pode ser gerado 64 tons de verde, 32 tons de azul e 32 tons de vermelho. No final, temos:  64 * 32 * 32 = 65.536 cores que podem ser geradas no display!

 

  > 18 bits: são utilizados 6 bits para definir o tom de cor verde, 6 bits para definir o tom de cor azul e 6 bits para definir o tom de cor vermelha. Como um bit pode assumir apenas dois valores (0 ou 1), fica 2 elevado a 6 = 64. Traduzindo: pode ser gerado 64 tons de verde, 64 tons de azul e 64 tons de vermelho. No final, temos:  64 * 64 * 64 = 262,144 cores que podem ser geradas no display!

 

  CURIOSIDADE: Este sistema de 18 bits é utilizado na interface VGA, onde os dados são convertidos em ondas elétricas e ao chegarem num monitor CRT, são amplificados para excitarem os fósforos do tubo. No caso de displays de Plasma, LCD, LED, projetores 3LCD e chips DMD, o sinal é convertido em digital novamente, em sequências de 6 bits para cada cor!

 

PADRÃO TrueColor

  Existem dois formatos que serão explicados aqui. Ambos os formatos ultrapassam a quantidade de cores que o olho humano é capaz de enxergar em imagens fotográficas.

  > 24 bits: são utilizados 8 bits para definir o tom de cor verde, 8 bits para definir o tom de cor azul e 8 bits para definir o tom de cor vermelha. Como um bit pode assumir apenas dois valores (0 ou 1), fica 2 elevado a 8 = 256. Traduzindo: pode ser gerado 256 tons de verde, 256 tons de azul e 256 tons de vermelho. No final, temos:

  256 * 256 * 256 = 16.777.216 cores que podem ser geradas no display!

 

  > 32 bits: este é um outro modelo de TrueColor, mas que não reproduz 256 * 256 * 256 * 256 cores pois, são apenas 3 cores, as cores RGB! O sistema de 32 bits reproduz os mesmos 16.777.216 cores que o padrão de 24 bits, mas com um quarto canal adicionado, o Canal Alfa.

  Com o Canal Alfa é possível ter a opacidade do pixel, isto é, se ele vai ficar transparente ou não. Caso seja atribuído o valor máximo para Alfa, isto é, o 255, o pixel ficará completamente opaco e, se for atribuído o valor mínimo, isto é, 0, o pixel será completamente transparente. Em arquivos no formato PNG, é comum encontrarmos imagens que utilizam este canal. Observe a imagem abaixo:

  Este Canal Alfa permitiu atenuar as bordas de um objeto na imagem, provocar um "efeito de vidro", sombras realistas com partes negras enevoadas e semi-transparentes da imagem além de várias outras coisas.

 

  Utilizando o padrão TrueColor, temos por exemplo:

 > Branco: R= 255; G= 255; B=255. (#FFFFFF em hexadecimal)

 > Azul: R= 0; G= 0; B= 255. (#0000FF em hexadecimal)

 > Verde: R=0; G= 255; B= 0. (#00FF00 em hexadecimal)

 > Amarelo: R= 255; G= 255; B= 0. (#FFFF00 em hexadecimal)

 > Magenta: R= 255; G= 0; B= 255. (#FF00FF em hexadecimal)

 > Ciano: R= 0; G= 255; B= 255. (#00FFFF em hexadecimal)

 > Preto: R= 0; G= 0; B= 0. (#000000 em hexadecimal)

 

  Nos softwares de edição, é comum os códigos estarem em notação Hexadecimal, portanto para a cor branca, teríamos #FFFFFF e para a cor preta teríamos #000000. O sinal hashtag (#) é utilizado para mostrar que o código hexadecimal representa uma cor pois, estes códigos podem ser utilizados para vários fins na computação.

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FONTES e CRÉDITOS

 

Texto, imagens, desenhos, tabelas: Leonardo Ritter, Google Imagens.

Fontes: InfoWester; Pinouts.ru; BurgosEletrônica; artigo técnico do HC sobre displays LCD e CRT; Embarcados; livro "Informática para Concursos"; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).

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