L’RGB nei monitor

Rieccoci all’ottava puntata di Colorama!
Sommario delle puntate precedenti: 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7.

In questa puntata vedremo come viene implementato l’ RGB, che prende il nome dalle iniziali dei suoi colori primari (red, green, blue).

L’RGB e’ un modello additivo (ovvero che applica i principi della sintesi additiva) ed è molto utilizzato per la codifica dei colori nei dispositivi di acquisizione d’immagine (come scanner e fotocamere digitali), e praticamente in qualsiasi dispositivo dotato di schermo. Vediamoli in dettaglio.

I monitor

Il numero di colori che un monitor e’ in grado di visualizzare, e’ detto profondità di colore.

Tutti i monitor più recenti ormai supportano almeno una profondità di colore di 24 bit, di cui 8 per ogni colore primario (rosso verde e blu), che portano a una gamma di 256 toni per ogni primario.
Combinati tra loro forniscono 16,7 milioni di possibili colori.

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Nei monitor di ultima generazione, che supportano una profondità di colore di 32 bit, gli 8 bit in più rispetto ai classici 24 vengono utilizzati per rappresentare 256 possibili livelli di opacità.

Alcuni monitor più vecchi supportano solo profondità di colore di 16 bit, suddivisi in 5 per il rosso e il blu, e 6 per il verde, per un totale di 65365 colori possibili.
Viene utilizzato un bit in più per il verde perchè essendo in una lunghezza d’onda in cui si sovrappongono le fasce di assorbimento dei coni retinici M e L (come abbiamo già visto), l’occhio è più sensibile a quel colore.

Nei casi dei monitor con profondità di colore ancora inferiori, come quelli a 8 bit (256 colori) o 4 bit (16 colori), viene utilizzata una lista di combinazioni di primari immagazzinata in memoria video, chiamata palette o tavolozza dei colori.
In questo caso i bit vengono utilizzati per definire l’indice della lista. Queste modalità vengono perciò definite indicizzate.

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Nei monitor, i tre primari RGB si compongono fisicamente all’interno di ogni pixel, un punto luminoso colorato sulla superficie del monitor stesso, formato da tre subpixel di colore diverso.

La risoluzione di un monitor indica il numero di questi pixel, e di conseguenza la definizione dell’immagine.

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Una risoluzione di 1024×768, ad esempio, comporta un maggior numero di pixel rispetto ad una di 800×600, e di conseguenza, a parità di diagonale, pixel più piccoli.

Si riduce quindi l’effetto di sgranatura dell’immagine, e la sintesi additiva che si genera nell’occhio risulta più omogenea.

Comunemente, tuttavia, è possibile cambiare la risoluzione via software, e si perde la corrispondenza tra pixel apparenti e pixel reali.
Parliamo quindi di risoluzione nativa (che spesso è la massima risoluzione possibile) per indicare le reali caratteristiche fisiche di un monitor.

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Il dot pitch invece, indica la distanza, all’interno della griglia, tra subpixel dello stesso colore.
Viene misurato in centesimi di millimetro, e da una misura della distanza tra un pixel e l’altro, ovvero della dispersione dei pixel sulla griglia.

CRT e LCD

La tecnologia con cui vengono realizzati questi pixel e il modo in cui vengono creati i subpixel, dipende dal tipo di monitor specifico.

Negli schermi a tubo catodico (CRT) classici, ad esempio, ogni pixel è composto da tre fosfori di tre tipi diversi, ognuno capace di emettere, se eccitato da un fascio di elettroni, una luce di uno dei tre colori primari RGB.

Nei più recenti schermi a cristalli liquidi (LCD), ogni pixel è costituito da tre celle contenti un liquido, che se sottoposto a un campo elettrico cambia la sua polarizzazione, fermando o lasciando passare la luce.
Dietro allo strato di queste celle c’è una sorgente luminosa (in genere una lampada alogena o a LED), la cui luce viene fatta passare selettivamente solo dalle celle di volta in volta attivate.

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Nei CRT le triadi di fosfori, disposti lungo una maschera metallica forata, formano l’equivalente di un retino di stampa, una griglia di punti che cambiano colore a seconda del modo in cui vengono eccitati.
La disposizione dei singoli fosfori varia molto da marca a marca, e dalle diverse scelte commerciali, ma in genere quasi tutti adottano una struttura triangolare di fosfori circolari.

Nei display LCD invece, il colore viene generato semplicemente sovrapponendo alle celle dei filtri colorati dei tre primari RGB, e disponendoli a griglia in maniera simile ai monitor CRT.
Le celle LCD però hanno forma rettangolare, quindi in genere i subpixel vengono disposti affiancati invece che a triangolo come nel caso dei fosfori CRT.

A sinistra: griglia di pixel in un monitor CRT, i fosfori sono disposti a triangolo.
A destra: griglia di pixel in un monitor LCD, le celle sono affiancate.

Nel caso dei monitor CRT, il dot pitch accennato poco sopra e’ generalmente la distanza in diagonale tra fosfori uguali su pixel diversi.

Spesso per ragioni di marketing, diverse geometrie della griglia davano luogo a diversi modi di misurare il dot pitch, che a seconda della marca del monitor veniva di volta in volta chiamato con nomi diversi: “line pitch”, “mask pitch”, “stripe pitch”, “phosphor pitch”, eccetera.

Esempi di diverse geometrie della griglia di pixel: geometria classica (shadow mask), a griglia (aperture grill) o a slot (slot mask). Il modo di misurare il dot pitch cambia.

Al di la degli altisonanti nomi voluti dal marketing comunque (che si ripercuotevano poi anche sui nomi commerciali: “Viewtronic”, “Flatronic”, “Trinitron”, etc.), la differenza era spesso minima, e il concetto sempre lo stesso: dare un’idea della distanza tra un pixel e l’altro.

Ancora piu’ confusione si cominicio’ a fare poi quando venne introdotta la differenza tra il “dot pitch diagonale” classico e l’abbastanza inutile “dot pitch orizzontale”, che erano diversi nel caso dei CRT con le triadi di fosfori disposti a triangolo, come si vede nell’immagine.

Il generico dot pitch comunque, e’ sempre la distanza MINIMA tra subpixel uguali.

Nei recenti display LCD in ogni caso, le celle di liquido sono sempre contigue, quindi il dot pitch (in questo caso la distanza tra celle dello stesso colore) diventa direttamente correlato alla risoluzione, perdendo abbastanza di utilita’ pratica.

I display LCD inoltre, possono essere a matrice attiva o a matrice passiva.
Mentre per i monitor si usa ormai quasi esclusivamente il primo tipo, il secondo è ancora molto usato in schermi ridotti come quelli delle calcolatrici, o altri dispositivi economici.

La differenza sta nel modo in cui le singole celle vengono attivate: i sistemi a matrice passiva hanno un solo controller per riga o colonna, e ogni cella deve mantenere lo stato corrente fin quando il controller non potra’ dedicarsi di nuovo a lei.

Nei sistemi a matrice attiva invece, uno strato TFT (thin film transistor) consente di attivare e disattivare ogni singola cella individualmente. Si evitano quindi i ritardi titpici dei sistemi a matrice passiva, ed è possibile ottenere immagini molto piu’ nitide e luminose.

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OLED

In un display OLED (acronimo di Organic Light Emitting Diode), invece, mentre viene mantenuta la struttura a celle di liquido degli schermi LCD, esse contengono sostanze organiche in grado di emettere luce propria.

Un display OLED quindi, non è retroilluminato, non necessita di una sorgente di luce dietro allo strato delle celle, e può essere molto più sottile e addirittura flessibile.

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Normalmente il materiale organico delle celle è un polimero conduttivo in grado di emettere elettroluminescenza se attraversato da una debole corrente.

I tre primari RGB, stavolta, vengono ottenuti trattando chimicamente in tre modi diversi questo polimero.

Sopra: schema di funzionamento di un display OLED.

A differenza di un LCD che assorbe corrente solo per cambiare la polarizzazione delle celle, in un display OLED il consumo è direttamente proporzionale al numero di celle di volta in volta attive. Una cella assorbe corrente solo se illuminata, una cella nera è semplicemente spenta.

Per ridurre i consumi quindi, si usa spesso lo stratagemma di AUMENTARE le dimensioni dei subpixel rossi e blu (non quelli verdi, che come abbiamo visto influiscono maggiormente sui coni retinici), e usare solo DUE subpixel per ogni pixel: uno verde, e uno alternatamente rosso o blu.
In questo modo si riduce la risoluzione nativa, ma anche il numero di celle da alimentare.

Sopra: differenza tra griglia classica LCD (a sinistra) e griglia PenTile (a destra).

Questa configurazione viene spesso chiamata PenTile matrix, ed è adottata nella stragrande maggioranza dei display OLED attuali.

Di recente la Samsung ha iniziato tuttavia ad adottare una configurazione classica come quella degli LCD anche sui display OLED, commercializzandoli col nome di Super AMOLED Plus.
Il nome altisonante nasconde in realta’ un principio molto banale: si rinuncia al risparmio energetico della configurazione PenTile (usata ad esempio nei vecchi Super AMOLED) in favore di una maggiore risoluzione nativa.

A sinistra: griglia classica del Super AMOLED Plus. A destra: griglia PenTile del Super AMOLED.

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Nella prossima puntata vedremo come l’RGB viene invece implementato nei dispositivi d’acquisizione d’immagine, come scanner, fotocamere e sensori industriali.

A presto!

Fonti
“Fotografia Digitale”, Rob Sheppard, 2004
Webster’s
Displayblog 1 e 2

UPDATE: aggiunta la parte sul dot pitch, grazie a @yudoit per la segnalazione :)