Introdução sobre o funcionamento dos monitores LCD, QLED e OLED
O monitor de vídeo é um periférico de saída de dados de computadores e principal dispositivo de comunicação entre o usuário e a máquina. A princípio, a saída de dados dava-se por terminais com teletipo que foram sucedidos por televisores e estes por monitores monocromáticos e CRT’s por volta de 1970 e 1980. As tecnologias atuais baseiam-se principalmente em monitores LCD, QLED e OLED.
As principais camadas que compõem um painel de cristal líquido transmissivo (LCD) consistem em:
1) fonte de luz branca denominada de backlight que pode ser obtida por meio de Lâmpada Fluorescente de Cátodo Frio (CCFL) ou diodos emissores de luz LED’s (os painéis LCD LED são mais econômicos em termos energéticos e proporcionam mais qualidade de imagem);
3) vidro TFT (Thin Film Transistor) que é uma matriz formada por pequenos transistores e depósito metálico transparente o qual permite o controle de um campo elétrico manipulador do alinhamento das moléculas do cristal líquido posicionado em cada subpixel que compõem o painel (com isso é possível controlar a quantidade de luz que atravessa cada um destes pontos);
4) filtro de cores, vidro colorido formado por uma sequência ordenada de cores básicas RGB (Red, Green e Blue (Vermelho, Verde e Azul)), onde cada cor representa um subpixel, a menor área da tela em que o brilho pode ser controlado.
Para emitir a cor branca, por exemplo, os três pontos RGB, que compõem um pixel, devem liberar a máxima passagem de luz, conforme o código de cores RGB [7], e a mistura destas cores (vermelho, verde e azul), observada a distância, pela ilusão de ótica, resulta na cor branca. Quanto maior a especificação em bits de cores do painel, maior será a gama de cores que o mesmo pode representar. Em um painel de 8 bits, cada ponto na tela pode gerar até 256 cores e a junção destes três pontos resultam em quase 17 milhões de tonalidades diferentes por pixel.
As principais vantagens dos monitores LCD em relação aos monitores CRT’s (que utilizam tubo de raios catódicos) é que são mais leves, menores no aspecto de profundidade, insuscetíveis a interferências eletromagnéticas, não emitem radiação, podem ser construídos em tamanhos maiores e consomem menos energia. Entretanto, necessitam sistemas de controle mais complexos para proporcionarem qualidade e taxas de atualização de imagem semelhantes aos dos monitores CRT’s, o que os tornam mais caros.
Novas tecnologias mais eficientes (em termos energéticos e qualidade de imagem) são os painéis do tipo OLED, comum em displays de Smartphones, e QLED. A primeira emprega uma tecnologia diferente que utiliza menos materiais construtivos, não necessitam de fonte de luz traseira e cristal líquido, já que cada subpixel pode emitir luz própria, o que possibilita a construção de telas flexíveis, transparentes e com maior contraste, porém ainda são pouco acessíveis e têm vida útil inferior a dos LCD’s. A segunda tem funcionamento semelhante à dos LCD’s, porém entregam maior definição de cores e brilho, não somente melhor contraste como na OLED.
Aspectos que definem a qualidade e desempenho dos monitores
Do princípio básico de funcionamento dos monitores LCD, QLED e OLED, pode-se definir alguns parâmetros importantes que definem a qualidade e desempenho dos mesmos: resolução e tamanho de tela, brilho, contraste e tempo de resposta.
Resolução de tela
Quanto maior a resolução de tela melhor será a nitidez, os detalhes, a aproximação da imagem com o objeto original. A resolução máxima de tela está diretamente ligada à quantidade de pixels que o o painel possui, também conhecida por “resolução nativa”.
Um painel com resolução nativa de 1366 x 768, possui 768 colunas e 1366 linhas de pixels e ocupa um padrão conhecido por WXGA (maior que a resolução do padrão HDTV que é de 1280 x 720 e menor que o padrão Full HD que é de 1920 x 1080).
Proporção ou formato de tela
A proporção de tela, formato de tela ou relação de aspecto, destes padrões exemplificados acima, será de 16:9, uma vez que 1366/768 resulta em aproximadamente 1,778 (16/9) e assim sucessivamente. Os padrões de relação de aspecto correspondem aos formatos de mídia da indústria cinematográfica que comumente são de 4:3 ((classic TV) mais antigo), 16:9 (Widscreen) e 21:9 ((UltraWide) bastante comum em painéis gamers – para jogos eletrônicos).
A relação de aspecto 16:9 é mais difundida por ocupar os principais padrões de mídia atuais que são em HD, Full HD e 4K. Da resolução de tela também se especifica a quantidade pixels existentes no painel, como no exemplo citado, 1280 x 768 resulta em 1.049.088 pixels.
Observa-se na ilustração ao lado que uma imagem foi fotografada na resolução de 2160 linhas (4k) na proporção 16:9. Todos os detalhes dessa imagem serão melhor visualizados e processados em painéis com resolução e proporção igual a esta. A imagem pode ser reproduzida em painéis de menor resolução ou proporção, porém com perda de detalhes causada pela adequação pelo software de reprodução.
É importante ressaltar que um painel LCD de tamanho grande pode ser mais acessível que outro de tamanho menor porque pode possuir baixa resolução de tela ou sistema óptico inferior. Caso for LED o painel é chamado de LCD LED ou LCD W-LED, caso for CCFL, apenas LCD. E além disso, apesar de existirem Smartphones com display em 4K, se o painel possui alta resolução mas num tamanho de tela pequeno, os ícones, gráficos e textos serão tão reduzidos na tela que será necessário diminuir a resolução nativa para que possam ser enxergados e isso fará com que o monitor perca desempenho.
A escolha da resolução de tela dependerá da aplicação do monitor. Para uso comum, doméstico ou escritórios, a resolução de tela de 1280 x 1024 pixels e tamanho entre 17 a 19 polegadas são considerados satisfatórios. Para aplicações como edições de mídias, são recomendados painéis com resoluções nativas maiores. Já para aplicações em gamers, recomenda-se que o painel tenha a mesma resolução nativa em que o jogo possa rodar, afim de prezar desempenho.
Tamanho de tela
O tamanho de tela refere-se a medida em polegadas na diagonal de um canto ao outro do painel. Tamanhos comuns podem ser de 15, 17, 19, 21, 24, 27 e 32 polegadas.
1 polegada (unidade de comprimento usada no sistema imperial de medidas) corresponde a 2,54 centímetros.
Brilho de tela e contraste
A taxa de contraste típica define a diferença entre o branco máximo e o preto máximo que o painel consegue reproduzir. Quanto maior esta relação, mais definida serão as cores. Taxas de contraste variam entre 450:1 a 6000:1 e o brilho de tela entre 200 a 450 cd/m². Vale ressaltar que alguns fabricantes preferem indicar “taxa de contraste dinâmica”, que é uma especificação com nome semelhante e, geralmente, apresenta uma taxa resultante altíssima, mas é uma informação irrelevante porque não tem relação com a taxa de contraste típica.
Variações da tecnologia LCD
Os painéis TN ocupam a variação mais antiga, proporcionam maior desempenho, com tempos de resposta de até 1 ms e taxas de atualização de até 240 Hz com preços acessíveis, porém possuem menor fidelidade de imagem e menor ângulo de visão. Os IPS, que dispõem do alinhamento de pixels em plano horizontal, proporcionam melhor ângulo de visão, e melhor fidelidade de imagem, exceto na reprodução de cores escuras, onde o preto tende a ser cinza, o que pode ser entendido por menor taxa de contraste e, além disso, consomem cerca de 15% mais energia que painéis TN de mesmo tamanho e possuem maior tempo de resposta, geralmente acima de 4 ms, o que torna painéis IPS menos indicados para aplicação em games de competição, por exemplo.
Conforme na figura 10, pode-se observar que há espaços que não são preenchidos com subpixels na tela, uma limitação presente na tecnologia LCD. Além disso, outra limitação é que não é possível bloquear totalmente a passagem de luz nos subpixels para gerar o preto máximo na tela, exceto nas tecnologias OLED, onde cada subpixel pode ser totalmente apagado [7].
Essas três tecnologias contam ainda com subvariações que na prática não significam muitas diferenças.
Ângulo de visão
Define o ângulo máximo de observação sem que se perca as características em relação a observação frontal. Esta especificação é importante se o monitor será usado em local onde pode haver espectadores em diversos pontos de observação. Alguns fabricantes informam os ângulos de visão entre 0 a 180º, ao invés de 0 a 90º graus por resultar num número maior.
Tempo de resposta, taxa de atualização e input lag
O tempo de resposta define o tempo mínimo em que um pixel do painel pode mudar a cor de preto (desligado) para branco (ligado) e voltar a preto novamente (preto a preto). Quanto menor este valor, que é medido em milissegundos, melhor será o desempenho do monitor.
Em reproduções de vídeos e jogos, por exemplo, podem ocorrer alterações muito rápidas nas imagens e se o painel não puder acompanhar essas mudanças podem surgir efeitos indesejáveis na tela devido ao atraso na alteração de pixels. Tempos de respostas, normalmente, estão entre 1 a 8 ms. Monitores gamers possuem tempo de resposta mais baixo, entre 1 a 5 ms.
O tempo de resposta tem influência com a taxa e atualização de tela, medida em Hertz e que indica quantos quadros (frames) o monitor consegue reproduzir por segundo (FPS). Por exemplo, se o monitor traz especificação de 144 Hz ele é deverá ser capaz de reproduzir até 144 frames por segundo na resolução nativa. Com isso, pode-se definir que o tempo de resposta máximo para atender esta especificação será 1/144 que resulta em aproximadamente 7 ms. Entretanto, se este monitor tiver o tempo de resposta menor que 7 ms, cada quadro de imagem permanecerá estático por mais tempo na tela, o que resultará numa percepção mais nítida.
Alguns fabricantes indicam o tempo de resposta de “cinza a cinza” ou no inglês “gray to gray” ou “GtG” que é uma informação incompleta pelo motivo de que cada tipo de cinza (mais escuro ou mais claro) resultará num valor diferente e mais baixo se comparado com a especificação “preto a preto”, “Black to Black” ou “BtB”. [10] Ao invés disso, podem informar ainda “MPRT” do inglês Moving Picture Response Time, que é apenas um efeito de luz de fundo afim de diminuir a percepção de desfoque de movimento e simular um tempo de resposta de 1ms, também impreciso.
O input lag é o tempo em que uma ação do utilizador leva para ser mostrada no painel após o processamento de imagem pelo monitor. Quanto maior os níveis de tratamento da imagem antes de ser exibida no painel (que ocorre em sistemas digitais), maior será o input lag. Geralmente, os fabricantes não informam essa especificação mas existem aparelhos que fazem estas medições, como o Lag Tester. De acordo com o site DisplayLag, esta especificação varia de 9 a 117 ms e são avaliados como bons monitores os que possuem input lag inferiores a 40 ms e excelentes abaixo de 20 ms.
A escolha da taxa de atualização e tempo de resposta do monitor depende da aplicação do mesmo. Não faz sentido, por exemplo, utilizar um monitor com alta taxa de atualização ou muito baixo tempo de resposta, que são mais caros, para aplicações onde na maioria das vezes haverá apenas conteúdo estático na tela. Por outro lado, para games ou reprodução de vídeos de alta definição, são desejados monitores com taxa de atualização acima de 75 Hz com tempo de resposta inferior a 5 ms.
Alguns fabricantes recomendam placas de vídeo NVIDIA GeForce GTX 980 ou AMD Radeon RX 480 ou superiores para monitores com taxa de atualização de 240 Hz.
Conexões de entrada
Para painéis com resoluções de até 1080p as conexões de entrada, tanto no monitor quanto na placa de vídeo, podem ser HDMI ou D-Sub. Acima disso, recomenda-se conexões DisplayPort ou DVI dual-link de modo a suportar a alta taxa de dados. Monitores com suporte à tecnologias G-Sync ou FreeSynk contam com conexão DisplayPort. Monitores com painéis em baixa resolução, para aplicações básicas, geralmente adotam a conexão VGA, compatíveis com a maioria conexões onboard das placas-mãe.
Pode contar também com interfaces adicionais como USB, MHL (compatível com alguns aparelhos móveis), saída de áudio para fones de ouvido, entre outras.
Suporte a outras tecnologias
Os monitores podem possuir suporte à tecnologias presentes em algumas placas de vídeo como a G-Sync da Nividia e FreeSynk da AMD. A função básica dessas tecnologias é eliminar imagens “cortadas” e “tremidas”, causadas por erros de comunicação entre o processador e monitor em aplicações que geram altas taxas de atualizações, superiores as que o monitor pode reproduzir, como em jogos de altos FPS.
Conclusão
Quanto maior a resolução de imagem, o brilho de tela, a taxa de contraste típica, a taxa de atualização, o ângulo de visão e quanto menor o tempo de resposta, melhor será o monitor tanto em qualidade de imagem quanto em desempenho. A escolha do monitor dependerá da aplicação em que será usado, em observação ao custo benefício. Para aplicações básicas, como em escritórios, exceto em edições de mídias, não é necessário o uso de monitores de alto desempenho, que são mais caros. Por outro lado, para aplicação em games de competição, por exemplo, são desejados monitores de médio e alto desempenho além de hardware, como processador e placa de vídeo, compatíveis.
Referências:
[1] Univesp, “Tópicos Avançados em Física – Aula 01 – Cristais líquidos”, Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=eXvffhDzJyE>. Acesso em: 02 de jan. 2020.
[2] Timóteo, “Electrônica analógica: LCD’s, Plasmas e Monitores”, Disponível em: <https://pt.slideshare.net/MarioTimotius/lc-ds-plasmasmonitores>. Acesso em: 02 de jan. 2020.
[3] Wikipédia, “Graphics display resolution”, Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Graphics_display_resolution>. Acesso em: 02 de jan. 2020
[4] Wikipedia, “Twisted nematic field effect”, Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Twisted_nematic_field_effect>. Acesso em: 02 de jan. 2020.
[5] LG do Brasil, “Monitores IPS”, Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=nq7W_pkOeZw>. Acesso em: 02 de jan. 2020.
[6] RTINGS, “IPS vs VA”, Disponível em: <https://www.rtings.com/tv/learn/ips-led-vs-va-lcd>. Acesso em: 02 de jan. 2020.
[7] Wikipedia, “RGB”, Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/RGB>. Acesso em: 03 de jan. 2020.
[8] The Slow Mo Guys, “Como Funciona uma TV em Câmera Lenta”, Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=3BJU2drrtCM>. Acesso em: 03 de jan. 2020.
[9] Wikipedia, “IPS panel”, Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/IPS_panel>. Acesso em: 03 de jan. 2020.
[10] Blur Busters, “GtG versus MPRT: Frequently Asked Questions About Pixel Response On Displays”, Disponível em: <https://www.blurbusters.com/gtg-versus-mprt-frequently-asked-questions-about-display-pixel-response/>. Acesso em: 06 de jan. 2020.