Differenze fra CRT, LCD / LED, Plasma, OLEd

Tecnologie differenti con difetti e pregi che possono avere un peso importante sulla qualità dell’emulazione.
Per capire la differenza di uso e conseguentemente come sarà il risultato finale, andiamo a vedere brevemente come funzionano i vari tipi di schermo.

Come funziona un CRT

CRT: Catod Ray Tube, tubo a raggi catodici, lo schermo è formato da una matrice di pixel, detta maschera di separazione. Ovvero una griglia che serve per delineare con maggiore precisione i diversi fosfori ed evitare l’illuminazione di un fosforo sbagliato.
Ogni Pixel è costituito da 3 “subpixel” ( i fosfori ) di colore Rosso, Verde, Blu (in inglese Red, Green,Blue da cui RGB)
I pixel possono essere disposti secondo tre maschere di separazione a discrezione del costruttore.

Per illuminare correttamente lo schermo vengono utilizzati 3 cannoni di elettroni, detti catodi (1), uno per colore, che vanno a colpire ed illuminare il fosforo del loro colore. Gli elettroni vengono sparati dal cannone, convogliati da una lente elettronica, deflessi dal giogo di deflessione (4) per essere così accelerati e sparati verso lo schermo (7).
L’intensità del fotone determinerà l’intensità di luminosità del subpixel che sommato agli altri 2 costruiranno il colore che effettivamente verrà percepito da chi osserva il monitor.

1: Cannone di elettroni
2: Fascio di elettroni
3: Bobina di messa a fuoco
4: Bobina di deflessione
5: Polo positivo (Anodo)
6: Maschera di separazione del verde, rosso e blu
7: Strato di fosfori verdi, rossi e blu
8: Ingrandimento dello strato con i fosfori

L’immagine a video viene disegnata partendo dall’angolo in alto a destra, riga per riga scendendo di una riga per volta.
A rallentatore è possibile vedere il raggio che ‘scansiona’ tutta la superfice del monitor e disegna l’immagine in base all’intensità e al fosforo colpito.

I monitor lavorano disegnando un’immagine con una frequenza di aggiornamento verticale di 60 fotogrammi per secondo nello standard NTSC, 50 nello standard PAL. I monitor Arcade gestiscono valori intermendi senza problemi, mentre su alcune TV potremmo avere delle risoluzioni con un refresh che non sono ben gestite.

Quando si parla di progressivo o interlacciato si intende una differenza tangibile nel disegnare l’immagine: con il progressivo l’immagine è disegnata come nella gif qua sopra ovvero viene impressa a video tutto il fotogramma, mentre nel caso di risoluzioni interlacciate vengono disegnate prima le righe dispari e poi le pari come nell’esempio seguente:

Questo causa il problema del flickerin o sfarfallamento che risulta fastidioso in special modo nelle schermate di testo o fisse.

Utilizzando le risoluzioni progressive, con un refresh identico all’originale il lag dei comandi è 0.
Il monitor CRT è sempre la soluzione ottimale per rigiocare ai vecchi Arcade e Console.

LCD / LED

Da Wikipedia:

Il display a cristalli liquidi (in acronimo LCD, dall’inglese Liquid Crystal Display) è un tipo di display che utilizza le proprietà di modulazione della luce dei cristalli liquidi.


Un LCD è formato da due lastre di vetro trasparente, trattate e separate da un sottile strato di cristalli liquidi, soggette ad una tensione elettrica controllata. A seconda della potenza di questa tensione, i cristalli cambiano il loro orientamento (seguendo il principio della polarizzazione), lasciando passare più o meno luce. In altre parole, sarebbe qualcosa di simile a un insieme di piccoli interruttori che permettono alla luce di passare attraverso di essi in modo indipendente. Ogni interruttore genererà un pixel, che finirà per formarsi per contrasto con gli altri pixel. Questi sono formati da 3 subpixel seguendo il principio dei 3 colori RGB.

Un Monitor o Tv LCD ha una struttura come questa:

Come è facile intuire, la luce proviene da un pannello posteriore (che può generare luce bianca con neon, led, luce diffusa o a griglia) e passando per vari filtri si viene a creare l’immagine interna.
La polarizzazione dei ‘pixel’ e l’interpolazione dell’immagine avviene all’interno del Tv prima di essere elaborata sulla griglia (TFT) che andrà a polarizzare i Cristalli Liquidi e questo genera un ritardo (valore che viene espresso con “lag / latency”).
Nel campo videoludico, i monitor professionali hanno latenze pari a 0 e sono ideali quindi per il gaming a discapito del costo.

Un altra problematica legata agli LCD è l’effetto scia: nei primi modelli e in alcuni tv con latenze alte, l’effetto è causato dal tempo di passaggio dei cristalli liquidi da uno stato attivo a spento. Questo richiede un tempo di natura fisica. Oramai l’effetto è imputabile più all’occhio umano che rimane impresso mantenendo memoria dell’immagine: i pannelli LCD mantengono l’immagine fra un frame e l’altro e sono retroilluminati in continuo senza spegnersi come accade nei CRT, per tanto l’effetto può essere più forte quanto più la qualità del pannello sia bassa.

Esistono vari pannelli LCD con tecnologie diverse ma simili nel funzionamento.
Nei pannelli IPS ( In-Plane Switching ) le molecole di cristallo si muovono parallelamente al pannello e non perpendicolarmente disperdendo meno luce. Molti di questi modelli hanno tempi di risposta alti ma angoli di visuale e contrasti migliore. Con la tecnologia Super-IPS hanno in buona parte posto rimedio a questi limiti.

Uno dei talloni degli LCD è il contrasto: essendo retroilluminato il nero non è propriamente nero, avendo comunque luce dal pannello posteriore.

Gli schermi a LED (Light Emitting Diode) sono un particolare tipo di schermo LCD, per cui hanno le stes­se caratteristiche fatta eccezione per l’illuminazione dello schermo. In questo caso si utilizzano i led, che emettono una luce colorata e utilizzano minore energia e spazio. Per retroilluminare uno schermo LCD i led possono essere a luce bianca, ma anche rossa, verde e blu (LED RGB).

Plasma

La tecnologia al plasma è stata per anni diretta concorrente del LCD.
Il principio di funzionamento è simile alle altre: 3 colori creano un Pixel. Quest’ultimo è formato da 3 subpixel. Ogni subpixel è costituito da un micro contenitore di gas rarefatto (Xeon) con due elettrodi, uno frontale e uno posteriore.Se si applica una corrente alternata ad alto voltaggio (circa 300V), il gas viene messo in movimento (plasma) ed emette raggi ultravioletti. Per rendere visibile questa radiazione si utilizzano degli ‘scintillatori’ (o ‘luminofori’) che ‘risuonano’ ad una frequenza di luce visibile all’occhio umano.

Un punto di forza del Plasma, oltre alla dimensione, è l’angolo di visione elevato ma soprattutto il contrasto: i neri sono neri ‘puri’, avendo il pixel spento e non retroilluminato come accade negli LCD. Mentre rispetto ad un CRT abbiamo una luminosità maggiore.

Un punto negativo dei pannelli al Plasma è il fatto di avere o il pixel acceso o spento. Per creare luminosità con intensità diverse si accende ad intermittenza il pixel. Questo può dare fastidio soprattutto ad una visione ravvicinata.

I problemi tangibili sono la grandezza del pannello, il quale non può fisicamente essere più piccolo di una certa diagonale.
Mentre, rispetto alla stragrande maggioranza degli LCD, la visione di immagini in movimento è più pulita, ma anche il problema che il Plasma, col tempo, si esaurisce.

Il Lag è pressochè assente come nei CRT.

Particolare di un singolo Pixel di un Tv al Plasma

OLED

OLED è l’acronimo di Orgainc Light Emitting Diodes (diodo organico ad emissione di luce). Un pannello OLED è formato da più strati sovrapposti che operano un’attrazione tra delle particelle caricate positivamente (anodo) e negativamente (catodo), quando l’energia passa dal catodo all’anodo viene stimolato il materiale organico (diodo) presente tra i due strati che produce luce visibile. Il materiale organico utilizzato è quindi elettroluminescente ed è quello che ci permette di visualizzare le immagini nel televisore.

La novità dell’OLED sta nel fatto che grazie a questa tecnologia non serve più una fonte luminosa esterna per illuminare il pannello come nelle tradizionali tv LCD o LED. Questo permette ai produttori di questa nuova tecnologia di ridurre drasticamente lo spessore della televisione in quanto viene completamente eliminata la fonte luminosa che occupa spazio e di ridurne anche i consumi .

Quali sono i vantaggi di questo nuovo tipo di televisori?

  1. Come detto in precedenza il minor spessore.
  2. Contrasto elevatissimo (infinito) in quanto le immagini nere sono realmente nere per via del fatto che i pixel sono proprio spenti.
  3. Angolo di visuale illimitato.
  4. Tempi di risposta molto rapidi.
  5. Consumi bassissimi.
  6. Colori più brillanti e luminosi.

Cosa ci interessa ?

Prima di tutto vediamo quali sono i termini più importanti relativi alle TV HD, di cui conoscere il significato.

– Rapporto di contrasto: differenza tra i colori bianchi e brillanti con i colori più scuri e il nero; Più alto è il rapporto, migliore è il contrasto.

– Frequenza di aggiornamento: Quante volte lo schermo ridisegna (“refresh”) l’immagine creata.
La frequenza di aggiornamento è misurata in hertz o cicli al secondo.
Più alta è la frequenza di aggiornamento, migliore sarà la qualità delle immagini in movimento, con sfocatura ridotta e maggiore chiarezza.
Gli schermi al plasma di solito hanno una frequenza di aggiornamento molto più alta, con tassi di refresh da 600Hz, ma LCD e TV LED stanno recuperando terreno con valori variabili tra i 60, 120, 240, o anche 480Hz.

– Tempo di risposta del pixel: simile alla frequenza di aggiornamento, il tempo di risposta dei pixel è il numero di millisecondi con cui i singoli pixel reagiscono al cambio di immagine.
Il tempo di risposta si riferisce a quanto rapidamente i singoli pixel cambiano colore dal bianco al nero, rosso o verde.
Più basso è il tempo, meglio è e le immagini che si muovono velocemente saranno meno sfocate.

– Risoluzione: Tutte le tv FullHD hanno la stessa risoluzione di 1920×1080 a 16/9; Le tv HD Ready hanno risoluzione minore e, quindi, una immagine meno nitida.

I problemi con i vecchi videogiochi iniziano qua

Sebbene il Rapporto di contrasto possa non interessare particolarmente il videogiocatore ‘di passaggio’ e l’esperienza di gioco non ne risenta direttamente, un buon contrasto può essere utile soprattutto quando si utilizzano shader o effetti che simulino un CRT.

La Frequenza di aggiornamento va ad essere direttamente responsabile di eventuali problematiche. Perché? Giocando ai vecchi videogiochi ideati e sviluppati in standard Pal o NTSC, quindi con frequenze oscillanti tra i 50hz e i 60hz, possiamo avere problemi di sincronismo tra cosa viene visualizzato e cosa ‘mandato a video’. Immaginiamo un videogioco con refresh di 59Hz su un tv a 100Hz. L’immagine viene scritta moltissime volte su schermo, ripetendo quando necessario alcuni frame. E’ vero che si affatica meno la vista alzando la frequenza di aggiornamento ma nel caso specifico si vengono a disegnare i frame in modo errato, in quanto si andrà ad aggiungere, ripetendoli, frame mancanti per sopperire alla differenza di frequenza. L’ideale è avere un Monitor che possa scendere di frequenza adattandosi all’ingresso, senza introdurre lag per sincronizzare i dati in ingresso video da quanto disegnato a video.

Il Tempo di risposta del pixel è un ritardo che abbiamo già visto. Questo valore si può avere dalle caratteristiche del modello di monitor: più è basso, meglio è. Per il gaming si cerca di rimanere sotto i 5ms.

La Risoluzione, che apparentemente può sembrare un dato poco importante su videogiochi di vecchia generazione, gioca un ruolo molto importante in quanto il prodotto videogioco veniva sviluppato su CRT per essere visualizzato su CRT con risoluzioni e frequenze dei CRT.
Significa che si andava a sfruttare i limiti fisici di un tubo catodico per avere degli effetti a video.
Un esempio classico è l’arrotondamento dei pixel del CRT, con la tipica sfumatura delle scanline

La differenza del contrasto e dell’uso della sfumatura dei crt si nota ancora di più nelle immagini della guida per il cavo vga-scart di Joseph1975

Il ritardo interno

Nei pannelli ad alta risoluzione, o comunque in tutti i casi in cui non si visualizza a schermo con la risoluzione originale, abbiamo un adattamento attraverso un’interpolazione sfruttando degli algoritmi propri del monitor che variano da costruttore a costruttore. Andremo per tanto a lavorare sull’immagine, spesso introducendo un lag tangibile di qualche frame, per ingrandire l’input in ingresso alla risoluzione del pannello. Esistono alcune soluzioni proposte da alcuni emulatori e distro che permettono di saltare i frame di ritardo dati dall’interpolazione ricreando un effetto 0 lag, pregiudicando però la corretta emulazione in quanto frutto di un lavoro di calcolo a posteriori. Dobbiamo però riportare che al giocatore questo processo rimane nascosto, ovvero: se ben fatto non si notano salti o ritardi nel gioco.

Per ricreare anche visivamente la qualità del CRT esistono filtri hardware e software.

Generatore di Scanline

Si trovano alcuni prodotti, detti generatori di scanline o righe di scansione che interposti tra l’uscita video del pc e l’ingresso video del monitor creare le linee nere tra una riga e la successiva, simulando così le scanline tipiche dei CRT che lavorano a bassa risoluzione come nei cabinati.
Spesso hanno delle regolazioni per aumentare o diminuire il numero e la grandezza delle righe.

Filtri Software

Esistono maschere in .png da applicare direttamente a video, effetti BGFX, HLSL, GLSL..

Per districarsi nella giungla degli effetti possiamo utilizzare la documentazione del MAME
https://docs.mamedev.org/advanced/index.html
Oppure fare qualche ricerca su internet e cercare magari effetti già preconfezionati come quelli nel questo Topic di ArcadeItalia

Ecco un video dove si può vedere un filtro HLSL per mame su un LCD in comparazione con la controparte CRT

Ovviamente il formato del Monitor è importante

per i vecchi giochi l’ideale è un 4:3 ma un 5:4 può andare bene, ma nel caso di uso di un LCD 16:9 con giochi in 4:3 è ovviamente logico usare il gioco mantenendo le proporzioni originali senza stirarlo in orizzontale.

In nostro aiuto vengono i Bezel o Artwork

Il ritardo dei comandi

Parliamoci chiaro: un sistema non originale ed emulato porta con se sempre e comunque un ritardo nei comandi: questo è tanto più piccolo quanto più è fedele la nostra emulazione.
Persino in un sistema in cui si utilizzano tutte le possibilità odierne per avere il pixel perfect ovvero risoluzione e frequenza identica all’originale usando CRT, GroovyMame e interfacce di input a 0 lag, possiamo avere un ritardo di uno o due frame.
Aggiungendo altri ritardi conosciuti, vedi l’interpolazione di un LCD o uno scaler VGA-Scart, l’esperienza finale può essere compromessa.

Nel video vediamo un PC con Groovymame a confronto con la controparte MVS entrambi su CRT alla risoluzione nativa.
L’input Lag, in questo caso, probabilmente è causato dal calcolo del pc.

I vari encoder li abbiamo analizzati qua

Conclusioni

Per il nostro scopo (Cabinet Arcade) un monitor Arcade è sempre preferibile. Ha il vantaggio di non introdurre lag, possibilità di usare il pixel perfect ed uscire al refresh originale del gioco, contrasto e saturazione perfetti, si regola facilmente, non ha alcuni difetti degli LCD e genera un’immagine corretta.
Bisogna sapere però che possono rompersi. Per tanto una revisione da un Tecnico o una riparazione è da mettere in programma. Niente di drammatico: i tecnici si trovano e le riparazioni variano nel costo in base ai componenti.
Un difetto che si può imputare ai CRT è il peso.

Gli LCD vengono utilizzati più per il vantaggio di non dover forzare l’uscita del pc a 15KHz, pesano meno e spesso ne abbiamo uno in casa che non si usa.
Non sono l’ideale per i vecchi videogiochi ma se scelti con conoscenza e settati a dovere possono dare un’esperienza finale tutto sommato accettabile avvicinandosi per molti versi alla controparte CRT.


Su YouTube è possibile trovare molti video in cui viene spiegato sia come funzionano i vari modelli di Monitor, sia le differenze visive e non delle varie tecnologie. Un video molto ben fatto, anche se in inglese è questo:

Ma è possibile sviscerare l’argomento Input Lag o come funziona un CRT, un LCD, un Plasma in più video in molte lingue.
Potete anche trovare molti articoli più o meno tecnici, anche sul nostro Forum e Portale, come questa scheda che tratta i vari tipi di monitor:


Fonti

www.arcadeitalia.net
https://www.mamedev.org/
https://it.wikipedia.org/
https://www.youtube.com/
http://infogiochi.altervista.org/crtvslcd.htm

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