Цифровые графические интерфейсы проекторов

Стив Сомерс

      Всем нам в недалеком будущем придется иметь дело с цифровым дисплеем, подключаемым к цифровому порту данных компьютера. Дисплеи на плоских панелях уже стали желанными чуть ли не для каждого владельца компьютера. То же можно сказать и о постоянно растущем семействе портативных компьютерных проекторов. И все же, цифровое подключение мониторов и проекторов необходимость или очередная техническая мода?

История повторяется

      Цифровое подключение - вовсе не новинка. Созданные на основе ТТЛ (5-вольтовая транзистор-транзисторная логика), недорогие графические интерфейсы CGA и EGA обеспечивали передачу ограниченного количества цветов. Соответствующий монитор на базе ЭЛТ принимал выходной сигнал компьютера и подавал его на декодер, преобразующий цифровые сигналы в аналоговые сигналы RGB. Сигналы были непрерывными, и настраивать систему было несложно.
      Конечно, во времена, когда проекторы только появились, мало кто занимался их подключением, потому что они были рассчитаны в основном на показ телевизионных изображений. Компьютерные дисплеи предназначались только для ПК. Никто не думал о соединении компьютера с проектором. Перед изготовителями компьютеров такая задача не стояла - тогдашние проекторы строились на базе аналоговых ЭЛТ, были громоздкими и очень дорогими. Соединению компьютера с проектором на большом расстоянии препятствовали несовместимость интерфейсов и ряд технических проблем.
      Для пользователей компьютерной графики сигналы в этих ранних цифровых форматах преобразовывались отдельными устройствами в аналоговые сигналы и модифицировались для обеспечения совместимости с существующими проекторами на ЭЛТ. Развитие проекторной технологии шло в направлении непосредственной совместимости через аналоговый интерфейс VGA.
      Сегодня портативные проекторы сами являются цифровыми. Цифровые устройства получения изображений делают проекционные системы доступными для гораздо более широкого круга пользователей. Помимо компактности, портативные проекторы обладают высокой светоотдачей, гибкостью графических режимов и относительно невысокой ценой.
      Интерфейс VGA, состоящий из цифровой памяти и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), отличался умеренными стоимостью и быстродействием. В условиях преобладания аналоговой технологии дисплеев на основе ЭЛТ изготовители графических плат реализовывали все новые и новые разрешения дисплеев. Но сам графический выход должен был оставаться аналоговым. Одновременно производители дисплеев совершенствовали свои изделия, обеспечивая возможность их работы с разными частотами развертки. То же требование предъявлялось и к проекторам. Такая вновь обретенная совместимость стала предпосылкой создания той широкой гаммы режимов графического разрешения, которую мы имеем сегодня. Аналоговые дисплеи способны отображать бесконечное число плавно переходящих друг в друга цветов и оттенков серого в пределах своих спектральных возможностей.

Зачем нужен цифровой интерфейс?

      Современные портативные проекторы вполне подходят для решения повседневных задач отображения компьютерной графики. Тогда зачем, спрашивается, нужен цифровой интерфейс?
      На этот вопрос будет легче ответить, если мы рассмотрим сегодняшнюю проекторную технику. В первых портативных проекторах, а также во многих современных моделях применяются жидкокристаллические (ЖК) дисплеи. В ЖК-дисплее изображение формируется дискретными ячейками - пикселями. Пиксель - нечто вроде светового клапана. Прохождение света через пиксель управляется в цифровой форме подачей на каждую ячейку электрических управляющих сигналов. Дискретный способ формирования изображения используется и в других технологиях с фиксированным разрешением - например DLP (digital light processing) и D-ILA (direct image light amplifier).
      В технологии DLP применяется массив микрозеркал, отражающих падающий свет на обзорный экран, а в технологии D-ILA свет отражается жидкокристаллической поверхностью на кремниевой подложке с матричной адресацией.
      Пиксели размещаются в виде двумерного прямоугольного массива, причем каждый пиксель адресуется системой управления дисплеем индивидуально. Каждый пиксель представляет один элемент изображения, поэтому важно, чтобы информация входного изображения соответствовала количеству пикселей дисплея. Если такого соответствия нет, то изображение может оказаться больше проецируемой площади экрана или, наоборот, меньше.
      Чтобы обеспечить требуемое разрешение изображения, аналоговый сигнал нужно преобразовать в цифровой так, чтобы каждый элемент изображения соответствовал одному из пикселей дисплея. Здесь-то и возникают трудности. Если допустить, что входной сигнал по своим временным параметрам очень близок к одному из стандартных форматов VGA или совпадает с ним, то входные схемы проектора должны синхронизироваться с этим сигналом и оцифровывать аналоговое изображение с помощью генерируемых ими сигналов тактовой частоты, достаточно близкой к тактовой частоте графической платы компьютера. Однако это нельзя гарантировать. Единственный источник абсолютного временного сопряжения с сигналом VGA - синхроимпульс горизонтальной развертки, который имеет пологие фронты и появляется только в конце каждой активной строки изображения. Аналоговый сигнал преобразуется в отдельные отсчеты, или пиксели, размеры которых должны соответствовать размерам пикселей дисплея. Как правило, такое соответствие достигается. Но если в демонстрируемом изображении имеются мелкие детали, то зритель увидит шум и искажения. Особенно трудно добиться четкости мелкого текста. Это происходит потому, что пространственное положение мелких деталей зависит от погрешности времени дискретизации в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) проектора.
      Приходилось ли вам заниматься настройкой параметров Timing и/или Phase в проекторе, добиваясь "чистого" изображения? Случалось ли, что вы не могли достичь нужного результата и сдавались? Искажения, возникающие при оцифровке широкополосного аналогового видеоизображения, а также высокие затраты на борьбу с ними - причина обращения к цифровому интерфейсу. Подумайте сами: разве не имеет смысла передавать цифровую информацию непосредственно из графической платы в проектор? Безусловно имеет, более того, это уже технически возможно осуществить, причем с разумными затратами и без потерь качества.

Это не ТТЛ

      В цифровом интерфейсе биты графики пересылаются при помощи низковольтных сигналов с использованием той или иной дифференциальной схемы для надежной передачи информации по витым парам проводов. Сегодня типичный цифровой интерфейс обеспечивает скорость передачи графики с тактовой частотой до 165 МГц в каждой из четырех или более дифференциальных линий (три для данных и одна для синхросигналов - это минимальная конфигурация). Такой скорости соответствуют режимы разрешения изображения вплоть до SXGA - 1280 x 1024. (Недавно появилось сообщение о создании комплекта микросхем для интерфейса с более высоким быстродействием, способного поддерживать графический режим UXGA - 1600 x 1200.)
      Уровень передаваемых сигналов значительно ниже, чем в старых логических элементах: размах сигнала в каждой паре проводов single-ended составляет всего около 500 мВ (разность равна 1 В). Иногда, чтобы обеспечить скорость выше 165 МГц, требуется больше линий передачи данных.
      Общая концепция такой интерфейсной технологии впервые была применена в портативных компьютерах для связи плоского ЖК-дисплея с графической системой. Кроме простоты, ее основными достоинствами являются довольно низкое потребление энергии и малый уровень паразитных излучений. Цифровой подход позволил существенно упростить интерфейс для дисплея портативного ПК.
      Цифровой интерфейс не только передает графическую информацию в компонентах RGB, но также несет и сигналы синхронизации отсчетов. Это особенно важно, потому что тем самым достигается устойчивая синхронизация (с наносекундной точностью) дисплея и отпадает необходимость в сложных системах фазовой автоподстройки для создания устойчивого изображения.
      Ожидается, что применение цифрового интерфейса снизит стоимость дисплея, так как при этом не нужны сложные схемы АЦП. Станут ли дисплеи дешевле, не знаю, но мы вправе ожидать их упрощения и повышения качества изображения при корректном использовании интерфейса.
      Самая распространенная реализация цифрового подхода - интерфейс Digital Flat Panel (DFP). Компании Proxima, Sharp, Compaq, Sanyo, NEC, Sony и Infocus и другие изготовители проекторов уже предлагают интерфейс DFP в некоторых своих изделиях. В описаниях этих продуктов упоминается либо интерфейс DFP, либо цифровой интерфейс PanelLink. В большинстве реализаций интерфейса DFP используется электрический драйвер-приемник PanelLink - фирменная разработка компании Silicon Image.
      В интерфейсе DFP, основанном на технологии TMDS (transition minimized differential signaling), проектор подключается через 20-контактный MDR-разъем - компактный разъем с двухрядным расположением выводов, который меньше стандартного 15-контактного разъема VGA. Этот разъем - недавно утвержден Video Electronics Standards Association (VESA).
      Группа компаний под руководством Intel - Digital Display Working Group (DDWG) - разработала другой новый стандарт. Этот стандарт, называемый Digital Visual Interface (DVI), также базируется на технологии TMDS фирмы Silicon Image. Однако в нем используются два новых интерфейсных разъема, которые, по утверждению разработчиков, облегчат переход от аналогового разъема VGA. У изготовителей дисплеев в настоящее время DVI, похоже, пользуется наибольшим успехом.
      Но сегодня в дисплеях на плоских панелях применяется не только цифровой интерфейс PanelLink. Фирмой National Semiconductor разработан интерфейс LVDS (low voltage differential signaling). Его первые и самые распространенные реализации прячутся в наших портативных компьютерах, соединяя ЖК-дисплей с графическим контроллером. National Semiconductor опубликовала стандарт для интерфейса под названием LVDS Display Interface (LDI). Хотя LDI не получил широкого распространения в мониторах и проекторах, он поддерживается многими моделями микросхем драйверов-приемников, предназначенных для сопряжения с дисплеями, и широко распространен в скоростных системах передачи данных, например в компьютерных шинах. Интерфейс LDI применяется в плоском мониторе 1600SW фирмы SGI, которым комплектуется ряд ее рабочих станций.
      Цифровое сопряжение - это здорово, особенно с точки зрения изготовителей дисплеев и проекторов. Но вам следует помнить, что пока еще не существует полной стандартизации на основе какой-то одной технологии. (Подробнее об этом см.: "Приверженцы plug-and-play, остерегайтесь!" на с. 23.)

Важный канал связи

      Откуда компьютер узнает, какое разрешение подавать на дисплей?
      Главная особенность всех новых цифровых интерфейсов - наличие канала Data Display Channel (DDC), предназначенного для связи между дисплеем и источником графической информации. Этот стандарт, утвержденный VESA, - жизненно важное звено для реализации технологии plug-and-play.
      DDC обеспечивает корректную настройку дисплея с помощью отдельной линии связи между дисплеем и графическим контроллером компьютера. Эта линия не проходит через схемы обработки изображения, находящиеся в цифровом интерфейсе того или иного типа. Дисплей сообщает компьютеру, что он собой представляет и что может отображать. Благодаря этому графический контроллер при загрузке настраивает дисплей на максимальное разрешение.
      Некоторые графические платы вообще не передают на выход изображение, если этот канал связи не работает надлежащим образом. Стандарт DVI определяет, что если связь по DDC не обнаружена, то следует установить минимальное разрешение 640 x 480.

TMDS и LDI

      TMDS и LDI по существу представляют собой два базовых способа передачи данных, конкурирующих за внимание рынка. Оба они используют низковольтную дифференциальную технологию. В обоих применяется несколько витых пар проводов. В обоих скорости передачи составляют сотни мегабитов в секунду. Оба посылают в дисплей синхросигналы. Оба дают прекрасные результаты. Однако в каждом из них используется собственная электроника, свои схемы соединений, своя кодировка данных, и между собой они не стыкуются.
      Эти новые технологии цифровых интерфейсов - результат работы разных групп производителей дисплеев для ПК, равно стремящихся к получению высокого качества изображения, удешевлению дисплеев и упрощению процесса их производства. Они обладают возможностями расширения, достаточными для того, чтобы не устареть по крайней мере в ближайшие 10 лет. Не менее важно, какие физические параметры разрешения дисплея, пользователи считают необходимыми для своих нужд. Конечно, никто не станет пренебрегать возможностью получить более высокое разрешение благодаря какому-нибудь техническому прорыву в технологии графических контроллеров, но скольким из нас оно будет необходимо? Да, мы будем этого хотеть просто потому, что оно есть, но нас устроит и тот факт, что процесс перехода на цифровые сопряжения уже необратим.

Просто, но не спешите

      Чувствуете, как просто стало подключить проектор к вашему персональному компьютеру. Поставьте компьютер на стол, подсоедините двухметровый кабель и нажмите кнопку включения. Это все. Но, не забудьте предварительно включить проектор, если вы загружаетесь с выводом на проектор, а не на дисплей компьютера. Иначе канал DDC не сможет сообщить компьютеру, куда нужно направить изображение.
      "Все это хорошо, - скажете вы, - но мой проектор должен постоянно стоять в определенном месте, а я хотел бы воспользоваться преимуществами цифрового сопряжения plug-and-play. Мне нужно подвесить проектор к потолку и для этого понадобится соединительный кабель длиннее 15 м". К сожалению, спецификация цифрового интерфейса предусматривает длину кабеля не более 10 м. В случае такого "удаленного" подключения приходится использовать специальные средства. Это обойдется несколько дороже (в зависимости от конкретной конфигурации), но сегодня уже существуют устройства, позволяющие решить эту проблему. Простое удлинение кабеля делу не поможет. Для всех цифровых систем характерен "пороговый эффект": когда деградация сигнала достигает определенной величины, система внезапно теряет работоспособность.
      Теперь, быть может, вы несколько лучше представляете себе суть революции в технике подключения проекторов и дисплеев. Как и персональные компьютеры, проекторы быстро совершенствуются с точки зрения соотношения стоимости и качества. Цифровой интерфейс проектора - гигантский шаг к идеальному миру презентаций в режиме plug-and-play. Но не спешите расставаться со своей платой VGA. Можно ожидать, что, пока идет переход на цифровые соединения, добрый старый интерфейс VGA еще останется в течение какого-то времени на портативных проекторах.