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Misure: fotometria e tempi di risposta
Misure: fotometria e tempi di risposta
Emidio Frattaroli - 17 Dicembre 2009
“A conclusione di un lavoro di ricerca e sviluppo iniziato più di due anni fa, posso finalmente presentare un nuovo, potente sistema di misura che sarà di fondamentale importanza per l'analisi di alcuni degli aspetti dinamici dei display, dei videoproiettori e dei sistemi di riproduzione 3D”
Pagina 1 - Introduzione

La scorsa settimana per me è finito un vero e proprio incubo da cui non riuscivo più ad uscire e che si è trasformato, per mia grande fortuna, in un successo davvero straordinario. Ai lettori di AV Magazine della prima ora sarà piuttosto familiare la mia passione per la fotometria. Una passione così profonda che ha reso AV Magazine tra le più autorevoli testate a livello internazionale per quanto riguarda le misure sui display e videoproiettori. Al di là delle rilevazioni sul flusso luminoso, rapporto di contrasto, gamma e colori, avevo in programma  l'introduzione delle misure sui tempi di risposta già prima della nascita di questa testata, con particolare riguardo all'analisi del famigerato "motion blur" (alias "effetto mosso") legato ad alcuni limiti della tecnologia LCD.

È notorio come, tra i limiti della teccnologia LCD, ci sia una certa "lentezza" nel modulare i vari livelli di intensità luminosa di ogni singolo pixel. Se il tempo necessario per la transizione ai vari livelli è troppo elevato, possono verificarsi degli artefatti che si traducono oggi in una certa perdita di dettaglio nelle immagini in movimento. Per questo motivo, l'analisi dei tempi di risposta potrebbe fornire un importante tassello nella costituzione del giudizio complessivo della qualità d'immagine dei videoproiettori e display.


Il meraviglioso fotometro Photo Research PR810L con tubo fotomoltiplicatore
alta sensibilità e uscita analogica che può essere interfacciato con l'oscilloscopio

Il progetto per qualche anno è andato avanti solo sulla carta, rallentato dalla cronica mancanza di tempo e di liquidità. Nel 2007, con la comparsa dei primi sistemi di riduzione del "motion blur" di qualità accettabile, ho deciso che questo progetto non poteva più essere rimandato poiché ero certo che la "nitidezza" delle immagini in movimento sarebbe diventata uno degli aspetti principali nell'analisi della qualità dei display e dei videoproiettori. Purtroppo mi sono scontrato immediatamente con due grandi difficoltà: la mancanza sia di letteratura tecnica adeguata alle mie esigenze, sia di un vero confronto con altri ricercatori, comprensibilmente gelosi del know-how accumulato.

Per un primo, lungo periodo, ho iniziato a verificare la presenza di strumenti di misura utili allo scopo. Sul mercato esistono numerosi strumenti "già pronti" per questo tipo di rilevazioni. Purtroppo, il budget necessario per quelli più interessanti è incompatibile con le possibilità finanziarie di una testata come questa. Quelli con prezzo più accessibile hanno troppe limitazioni. Inoltre, con l'avvento dei primi, veri, sistemi di riduzione del "motion blur", è cambiato anche l'approccio nella quantificazione dei tempi di risposta. In altre parole, quello che mi serviva era lo strumento "perfetto": veloce, versatile, preciso e poco costoso. Che non esisteva.

Pagina 2 - La scelta del sensore e dell'amplificatore


Alcuni fotodiodi Hamamatsu con caratteristiche fotoelettriche diverse
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La seconda fase del progetto ha riguardato uno degli aspetti fondamentali nella produzione di uno strumento per l'analisi dei tempi di risposta: il sensore luminoso. Ne esistono davvero tanti, con tecnologie, caratteristiche e prezzi piuttosto eterogenei. Si vai dai più moderni sensori CCD, ai costosissimi e fragilissimi tubi fotomoltiplicatori, per arrivare ai più comuni ed economici fotodiodi al silicio, questi ultimi suddivisi in varie categorie, come i fotodiodi "a cascata". Dopo una prima analisi dei vari prodotti presenti sul mercato, ho concentrato la mia attenzione sui fotodiodi più comuni, utilizzati in modalità fotoamperica e caratterizzati da un tempo di risposta dell'ordine del microsecondo.


Un fotodiodo a media sensibilità con amplificatore integrato
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Anche se ero piuttosto sicuro sulla "classe" di fotodiodi da utilizzare, il problema a questo punto si era solo spostato in un'altra direzione: scegliere alcuni prodotti diversi per caratteristiche fotoelettriche e da verificare in laboratorio con un primitivo setup. Inoltre, i fotodiodi utilizzati in modalità fotoamperica, hanno bisogno di un particolare amplificatore che riesca a trasformare la corrente in tensione, poiché con l'oscilloscopio si misura tradizionalmente la tensione in funzione del tempo e non la corrente. La brutta notizia è che ogni fotodiodo ha bisogno di un amplificatore con caratteristiche ben definite. Inoltre, nella realizzazione dell'amplificatore, non dovevano essere trascurati i due colli di bottiglia: latenza e rumore introdotti.

Questa fase è stata piuttosto lunga e laboriosa, con numerosi insuccessi e parecchi soldi spesi inutilmente, poiché alla resa dei conti nella maggior parte dei casi i fotodiodi hannno dimostrato parecchi problemi dal punto di vista della linearità, della finestra di sensibilità, della risposta in frequenza e dell'angolo di campo. Su questi ultimi due aspetti  ho speso parecchie risorse perché la risposta spettrale del fotodiodo si avvicinasse il più possibile alla curva di risposta fotopica (maggiori informazioni in questo articolo) e per evitare che i pixel adiacenti potessero "inquinare" l'acquisizione.

In questo articolo non dirò che tipo di fotodiodo ho selezionato per il nuovo strumento di misura e le piccole, indispensabili modifiche che si sono rese necessarie. Non citerò neanche alcun tipo di informazione sull'amplificazione, sul particolare setup, sulla sonda di acquisizione, sulla fibra ottica che collega la sonda allo strumento vero e proprio, sui segnali test utilizzati per "eccitare" i vari display e proiettori e gli altri particolari sulle metodiche di misurazione. Questo per proteggere l'investimento poiché non è escluso che il nuovo strumento venga messo in produzione nel corso del 2010.

Pagina 3 - L'oscilloscopio Tektronix TDS5054


L'oscilloscopio Tektronix TDS5054B a 4 canali, 500MHz
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Un grandissimo aiuto per l'acquisizione dei tempi di risposta è arrivato dal Tektronix TDS5054: un oscilloscopio digitale a 4 canali e 500 MHz di banda passante, acquistato in un momento di "follia" quando ancora c'era la volontà di misurare il segnale video ad alta definizione analogico, a componenti. Con l'avvento dell'HDMI, il TDS5054 è stato sempre utilizzato in maniera marginale, soprattutto per le misure di potenza e distorsione e ben al di sotto delle potenzialità.


Setup del software Tekscope per le misure dei tempi di risposta
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Con le nuove misure sui tempi di risposta, nell'ultimo anno il TDS5054 ha recuperato con gli interessi il tempo passato nell'armadietto fino al 2008. Tra gli strumenti software a disposizione, ho potuto utilizzare un sistema di misura completamente automatico che mi ha permesso di accelerare notevolmente il tempo di acquisizione. Inoltre, la misura automatizzata della frequenza, si è rivelata molto utile per l'analisi del pull-down e della qualità di riproduzione di materiale 24p attraverso alcuni display e proiettori.


Selezione dei parametri principali per la misura dei tempi di salita e discesa
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Inoltre, il TDS 5054 è un vero e proprio personal computer, con Microsoft Windows 2000 e alcuni software estremamente importanti (come Excel o Mathlab) che posso lavorare in perfetta sinergia con l'unità di acquisizione: un aiuto estremamente prezioso per poter automatizzare alcuni calcoli matematici e inserire un particolare algoritmo per la misura dei tempi di risposta dove il "rumore" o le oscillazioni della luminosità renderebbero molto difficile l'acquisizione tradizionale.

Pagina 4 - I numerosi campi di applicazione


Grafici dell'analisi dei tempi di risposta di due monitor LCD estremamente diversi
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Il principale campo di applicazione di queste nuove misure sarà quello della misura dei tempi di risposta dei display LCD, con particolare riguardo alla quantificazione della qualità di riproduzione delle immagini in movimento. In questo caso il procedimento è piuttosto complesso e prevede l'analisi di 20 tempi di risposta diversi, incrociando i vari passaggi tra il nero, il 25%, il 50%, il 75% e il 100% di intensità del segnale in ingresso. Il risultato sarà un grafico tridimensionale con venti istogrammi distinti e un report riassuntivo per il tempo minimo, medio e massimo come somma tra salita e discesa. Presenterò queste nuove misure in un articolo specifico nei prossimi giorni. 

Un altro campo interessante è l'analisi della frequenza di quadro. Da ora in poi sarò in grado di misurare la frequenza di riproduzione dai vari display e videoproiettori al variare del segnale in ingresso. Ad esempio, sarà facile verificare se un display o un videoproiettore, con un ingresso a 24p, porti la frequenza in riproduzione a 60Hz oppure ad altri valori che non siano multipli della frequenza in ingresso. Nell'immagine qui in alto è possibile ammirare la frequenza di quadro del display OLED Sony XEL-1 con segnali 24p: la frequenza di scansione è, giustamente, di 72 Hz.


Misura dei tempi di risposta "on-off" degli occhialini attivi nVidia 3D Vision
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Altrettanto interessante è la possibilità di analizzare i tempi di risposta degli occhialini attivi per la riproduzione stereoscopica: una misura che integra le nuove misure sui display stereoscopici che pubblicherò domattina e che riguardano l'analisi del "bundle" nVidia 3D Vision e display LCD Samsung. In questo caso, l'analisi dei tempi di risposta permetterà di analizzare con precisione ed obiettività la qualità di questa nuova categoria di prodotti e vi assicuro che le sorprese non sono mancate!


Analisi del tempo di risposta della retroilluminazione a LED del Sony KDL-46W4500
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In questo momento sto utilizzando con molta soddisfazione il mio nuovo setup di misura anche per l'analisi della velocità degli iris dei videoproiettori, oppure della velocità del "dimming" delle unità di retroilluminazione dei vari display. Tra le altre possibilità cito per completezza l'analisi della frequenza dell'aggiornamento dei colori dei proiettori DLP a chip singolo con ruota colore e con LED, utile per quantificare l'effetto rainbow. Infine, cito anche la misura di alcune caratteristiche dei display al plasma, soprattutto di quei display che dichiarano frequenze di quadro mirabolanti...

Pagina 5 - Conclusioni

Per tornare all'inizio di questo piccolo racconto, quello che vi aspetta sulle pagine di AV Magazine è la conferma del costante impegno di autorevolezza ed obiettività nell'analisi dei vari prodotti per la riproduzione video. Prima di concludere, approfitto per un doveroso ringraziamento alle tante persone che mi hanno sostenuto in questo periodo di ostinata ricerca. Ad iniziare da Sony, nella persona di Cristina Papis, che ha lasciato nel mio laboratorio alcuni display per un tempo davvero interminabile e senza i quali non avrei risolto alcuni problemi nella fase di acquisizione ed elaborazione dei risultati.

Un ringraziamento particolare va all'amico Nicola D'Agostino che mi ha spronato ad andare avanti e che mi ha dato anche qualche consiglio. Eterna riconoscenza va a Chris Chinnock, Presidente di Insight Media e a Matthew Brennesholtz, Senior Analist presso Insight Media. Quest'ultimo è uno dei più autorevoli esperti a livello interplanetario di tecnologie di riproduzione delle immagini, stereoscopia e videoproiezione, autore anche della "bibbia" della videoproiezione "Projection Displays". Il confronto con Matthew è stato fondamentale per verificare la correttezza delle procedure utilizzate e l'attendibilità delle misurazioni.

Domani potrete leggere il primo articolo corredato dalle nuove misure di risposta: il sistema di riproduzione stereoscopica nVidia 3DVision che ho avuto a disposizione - purtroppo - per pochissimi giorni ma di cui sono riuscito ad analizzare gli aspetti più importanti. Nei prossimi giorni seguirà la presentazione delle misure dei tempi di risposta dei display LCD e l'analisi del motion blur e la disponibilità di alcuni segnali test per l'analisi empirica del motion blur.

Entro la fine dell'anno saranno pubblicate due recensioni di altrettanti display LCD (JVC e Panasonic), ma prive dell'analisi dei tempi di risposta poiché si tratta di prodotti analizzati e misurati prima che fosse completato il software di analisi dei tempi di risposta. Stesso discorso anche per quanto riguarda alcune recensioni su videoproiettori che saranno pubblicate da qui alla fine dell'anno. In altre parole, le prime vere recensioni con le nuove misure arriveranno da Gennaio 2010.