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23.11.1984 - 

Hohe Auflösung ist gefordert, um Grafiken vor der endgültigen Druckausgabe zu überprüfen:

4000 Bildelemente horizontal flimmern nicht

Bildschirme sind die am häufigsten eingesetzten Grafikgeräte. Mit ihrer Hilfe kann der Anwender Grafiken Wirtschaftlich gestalten, bevor er Zeit, Arbeit und Kosten für die Erstellung von Hardcopys aufwendet. Die drei wichtigsten Vergleichsmerkmale bei grafikfähigen Bildschirmterminals sind Preis, Funktionen und Bedienungskomfort.

Im folgenden werden vier Techniken der Bildschirmanzeige untersucht. Dabei ist es ohne Bedeutung ob die Geräte Linien zeichnen, indem sie Vektoren darstellen oder indem sie einzelne Punkte ansteuern. Alle hier vorgestellten Produkte, die mit den nachfolgend aufgeführten Techniken arbeiten, akzeptieren Vektor-Endpunkte als Eingabedaten.

Die vier Techniken sind:

- Freies Abtasten oder gesteuerter Elektronenstrahl

- Speicherbildröhre

- Raster-Refresh

- Plasma-Platinen

Laut einer IDC-Untersuchung werden sich Bildschirme mit Raster-Refresh-Technik im Markt für kommerzielle Grafiken durchsetzen. Diese Bildschirme sind äußerst anpassungsfähig.

- Ein Auflösungsvermögen von 500 Bildpunkten in der Horizontalen reicht gewöhnlich aus. Benutzer, die sehr komplexe Drucke genau überprüfen müssen, benötigen eine Auflösung von bis zu 4000 Bildpunkten in der Horizontalen. Mehr als 1000 horizontale Bildelemente sind erforderlich, wenn der Bildschirm für eine endgültige Ausgabe abfotografiert werden soll, und die Farbdias mehr als passabel sein sollen.

- Der Preis ist dann ein wichtiger Punkt, wenn für die doppelte Leistung einer Funktion ein vier- bis zehnfach höherer Preis nicht gerechtfertigt ist.

- Eine Löschfunktion ist wichtig, wenn alphanumerisch Texte erstellt und Texttabellen bearbeitet werden sollen.

- Die Systembelastung sollte möglichst gering gehalten werden. Lokale Intelligenz und Speichermöglichkeiten gleichen dabei in den heute verfügbaren Terminals die Unterschiede der verschiedenen Technologien aus.

- Leuchtstärke (Leuchtintensität) ist wichtig, wenn die Bildschirme in normaler Büroumgebung eingesetzt werden.

- Farbige Grafik wird von vielen Anwendern gewünscht. Nur wenige Techniken und nur wenige Geräte in den einzelnen Techniken unterstützen die Farbe.

Mittlere Auflösung

Raster-Refresh-Terminals erfüllen die Anforderungen gut, wenn mittlere Auflösung und Farbe verlangt wird. Ist dagegen farbige Darstellung weniger wichtig, aber eine hohe Auflösung notwendig, erfüllen Speicherröhren-Terminals diese Anforderungen besser. Andernfalls werden wesentlich teurere Raster-Refresh-Terminals benötigt, die ein sehr hohes Auflösungsvermögen haben.

Random Scan- oder DBRT(directed beam refresh terminal)-Bildschirme arbeiten mit einer Technik, bei der Zeichnungen mindestens 30mal pro Sekunde wiederholt, wiederaufgefrischt werden. Dabei wird jeder Bildpunkt abgetastet und mit dem Elektronenstrahl direkt angesteuert. Das Bild entsteht also genauso wie beim Zeichnen mit Bleistift und Papier.

Diese Technik ist äußerst aufwendig. Die Informationen über die zu erstellende Grafik werden lokal im Speicher des Bildschirms in Form der Vektor-Endpunkte abgelegt. Man benötigt dabei einen Minicomputer, um das Bild richtig zu setzen. Außerdem muß im Bildschirm ein Controller enthalten sein, der mit einem Minicomputer vergleichbar ist.

Der Controller greift auf den lokalen Speicher zu und bringt die Anzeige auf den Bildschirm. Die Random Scan Technologie ermöglicht einen Kompromiß zwischen den Gerätekosten und der Anzeigequalität auf dem Bildschirm.

Die Vorteile der Random Scan-Technik

- Auflösung: Von allen Grafikbildschirmen haben Random Scan-Terminals das höchste Auflösungsvermögen.

- Leuchtintensität (Leuchtstärke): Da das Bild 30 bis 60 mal pro Sekunde aufgefrischt wird, wird die Leuchtenergie des Phosphors gut ausgenutzt.

- Dynamik: Sich bewegende Anzeigen sind möglich.

Die Nachteile der Random Scan-Technik:

- Preis: Das Preis/Leistungsverhältnis steigt stark an. Auch in Zukunft bleibt es schwierig, gute Leistung bei niedrigen Kosten zu erhalten, denn bei diesen Geräten sind die teuersten Komponenten nicht diejenigen, die vom Preisverfall bei hochintegrierten Schaltkreisen (LSI) profitieren. Vom Preis her liegen diese Terminals weit über denen der konkurrierenden Techniken.

- Systembelastung: Auch wenn der Benutzer nicht arbeitet, ist der Zentralrechner stark belastet, oder es werden zusätzliche Minicomputer benötigt, weil die Speicher-Bildröhre bistabil ist (das heißt sie kennt nur zwei Zustände: an und aus), haben alle Leuchtspuren scharfe Umrisse. Bei der Rastert-Refresh- und Random Scan-Technik weist dagegen die Intensität der Leuchtspuren eine Gauß'sche Verteilung auf. Dadurch ist die Intensität nicht überall gleich, und die Umrisse nicht so scharf. Auch bei Plasma-Bildschirmen ergibt sich für die Intensität der Punkte eine Gauß'sche Verteilung. Wegen der beschriebenen Technik der Speicherbildröhre ist beim Vergleich mit anderen Techniken noch ein wichtiger Punkt zu beachten. Da die Speicherbildröhre Punkte und Linien schärfer abgrenzt, ergibt sich bei ihr ein besseres und schärferes Bild mit höherer Auflösung als bei der Raster-Refresh-Technologie, wenn auch die Anzahl der Bildpunkte gleich ist.

Die Vorteile der Speicher-Bildröhre

- Auflösung: Im Vergleich zu den anderen Techniken hat die Speicher-Bildröhre ein sehr hohes Auflösungsvermögen. Linien bestehen nicht aus einzelnen Punkten, sondern sind durchgehend. Sie haben eine scharfe Kontur. "Kerben" sind nicht zu sehen. Dies ist bei komplexen Bildschirmanzeigen von großem Nutzen. Speicher-Bildröhren mit 11 Zoll haben einen Adreßraum von 1024 x780, die häufiger eingesetzten 19-Zoll-Geräte haben einen hochauflösenden Bildschirm mit einem Adreßraum von 4096 x 3120 Punkten.

- Preis: Diese Terminals sind billiger als die der anderen Technologien, obwohl sie Bildpunkte wahlfrei ansteuern können.

- Bilderhaltung: Die Speicher-Bildröhre kann äußerst komplexe Informationen auf dem Bildschirm darstellen, ohne daß Rechner und Terminal interaktiv sind. Hierdurch wird die Bandbreite der Datenübertragung verringert.

- Flimmerfrei: Speicher-Bildröhren sind fast flimmerfrei und schonen so die Augen.

- Kosten: Die Anschaffungs- und Betriebskosten sind bei der Speicher-Bildröhre weitaus geringer als bei den anderen Techniken, die in Grafiksystemen eingesetzt werden.

Die Nachteile der Speicher-Bildröhre:

- Löschen: Es kann immer nur der gesamte Schirm gelöscht werden. Für grafische Darstellungen ist das meist kein großer Nachteil, weil Grafik-Software im allgemeinen einen kompletten Bildschirm erstellt. Gleichwohl unterstützen Speicher-Bildröhren nicht das Rollen von alphanumerischen Texten und das Löschen einzelner ausgewählter Zeichen. Nur die Tektronix-Modelle 4114 und 4054 verfügen über eine dynamische Wiederauffrischung ("Dynamic Refresh") und bieten damit diese Möglichkeiten. Weil aber die alphanumerischen Zeichen stark flimmern und die Bildintensität niedrig ist, zahlt der Benutzer für diese Funktionen einen hohen Preis.

- Farbe: Speicher-Bildröhren unterstützen farbige Darstellungen nur sehr begrenzt. Die normale Bildschirmanzeige besteht aus hellgrünen Zeichen auf dunkelgrünem Hintergrund. Dabei sind rote und gelbe Auffrisch-Linien möglich. Direkte farbliche Gestaltung wird nicht unterstützt.

- Ausfüllen von Flächen: Speicher-Bildröhren zeichnen Vektoren. Soll eine Fläche ausgefüllt werden, wie etwa ein Balken in einem Balkendiagramm, so erfordert das kostbare Rechenzeit. Denn der Balken muß mit zahlreichen, eng aneinanderliegenden Linien schraffiert werden.

- Geringe Leuchtstärke (Leuchtintensität): Die Speicher-Bildröhre hat von allen Anzeigen-Techniken die geringste Leuchtintensität.

- Feste Bilder: Es werden keine dynamischen Bilder unterstützt.

- Ergonomie: Wegen der geringen Leuchtintensität müssen dieses Terminals in möglichst dunklen Räumen stehen. Geringer Kontrast und grelle Anzeige beeinträchtigen die Erkennbarkeit.

- Flimmern: Das Bild wird fortlaufend aufgefrischt. Auch wenn die Wiederholfrequenz über der Flimmergrenze des menschlichen Auges liegt, wirkt sich die Auffrischung doch unbemerkt auf das Auge aus: Es ermüdet.

- Funktionsvielfalt: Der Random Scan-Bildschirm hat viele Funktionen, die nicht gebraucht werden. So muß man umfangreiche Hardware einsetzen, um ein kompliziertes Bild auf dem Bildschirm bewegen zu können. Diese Hardware wird kaum genutzt, wenn nur einfache alphanumerische Werte auf dem Bildschirm dargestellt werden. Bei Random Scan-Terminals bezahlen Sie für sehr hohe Leistungsfähigkeit, auch wenn Sie diese nicht benötigen.

Random Scan-Terminals werden häufig für CAD/CAM-Anwendungen eingesetzt.

Die bistabile Speicher-Bildröhre mit direkter Anzeige (DVST = direct view bistable storage) wurde 1967 eingeführt. Erst durch sie wurde Computer-Grafik für Techniker und Wissenschaftler einsetzbar. Sie hat folgende Markmale: Punkt-zu-Punkt Vektoren liefern glatte Linien. Es werden keine Pufferspeicher zum Wiederauffrischen des Bildes benötigt, weil das Bild im Phospor gespeichert ist. Dadurch lassen sich Linien von sehr hoher Qualität erstellen und eine Bildschirmdarstellung, die es ermöglicht, eine Vielzahl von Informationen festzuhalten.

Kollektoren fangen Sekundärelektronen

Ein Schreibstrahl in der Bildröhre (CRT) erzeugt das Bild auf dem Schirm. Es wird mit geringer Energie erhalten durch ständig fließende Elektronen aus einer Elektronenkanone. Da kein lokaler Speicher erforderlich ist, ergeben sich niedrige Gerätekosten. Die Primärelektronen aus der Elektronenkanone werden durch den phosphoreszierenden Leuchtbildschirm als Sekundärelektronen abgestrahlt. Diese werden von Kollektoren aufgefangen, um statische Aufladung zu verhindern. Eine positive Eigenschaft dieses Bildschirmes ist, daß die Primärelektronen wahlfrei ankommen können und die Linien kontinuierlich aufgefrischt werden und nicht zyklisch, wie bei der Random Scan- und Raster-Refresh-Technologie. Diese physikalischen Vorgänge ergeben ein nahezu flimmerfreies Bild.

Die Speicher-Bildröhre ist eine hervorragende Anzeigentechnik für hohe Auflösung und exakte Überprüfungen. Sie ist nicht empfehlenswert für hell erleuchtete Räume oder farbige Darstellungen.

Digitale lnformation im Zentralrechner gespeichert

Das Raster-Refresh-Terminal, auch digitales Fernsehgerät genannt, arbeitet ähnlich wie ein normaler Fernsehapperat. Der Elektronenstrahl läuft in einem bestimmten Muster in einem festen Zeitabstand über den Bildschirm. Daher müssen nur die Intensität und, bei Farbe, der Sättigungsgrad übertragen werden. Diese Geräte arbeiten gewöhnlich mit einer Auflösung von 480 Punkten pro Zeile. Ein Standard-Fernsehgerät hat 150 Punkte pro Zeile. Die Anzeige des Bildes setzt sich aus Bildelementen, auch Pixel genannt, zusammen. Jede Zeile enthält 500 oder mehr Bildelemente, der gesamte Schirm 500 Zeilen. Daraus ergibt sich, daß bei jedem Bildaufbau etwa 300 000 Bildelemente über den Schirm laufen.

Der Hauptunterschied zwischen Raster-Refresh-Terminal und dem "analogen" Fernsehgerät besteht in der Art, wie die Anzeige die Bildinformation erhält. Bei Raster-RefreshTerminals werden die Bildinformationen in digitaler Form im Zentralrechner oder in einem lokalen Speicher des Bildschirmgerätes gespeichert. Bei der analogen Fernsehtechnik ist es einfach, alle Bildelemente aufzunehmen und sie sequentiell von der Kamera zum Empfänger zu übertragen. Dagegen benötigt man bei einem Computer viel Speicherplatz und Rechenleistung um den Bildaufbau eines Fernsehsignals zu speichern.

Pro Bildelement mehr als ein Bit

Für jedes Bildelement auf dem Bildschirm ist mindestens ein Bit erforderlich. Die Qualität der normalen Fernsehbilder ist nicht sehr gut. Für ein hohes Auflösungsvermögen werden wesentlich mehr Bildelemente vorausgesetzt als sie normale Fernseh-Bildröhren liefern. Hochauflösende Raster-Bildschirme haben über 1000 Bildelemente oder Pixel in der Horizontalen. Will man farbige Darstellungen erhalten, muß pro Bildelement noch mehr als ein Bit abgespeichert werden. Der Speicherplatzbedarf vervielfacht sich also, wenn Farbe benötigt wird.

Neben hohem Speicherplatzbedarf erfordert hohes Auflösungsvermögen auch eine hohe Geschwindigkeit der Elektronik. Um die Bildschirmanzeige in der Sekunde 30mal zu wiederholen, müssen alle its im Speicher des Computers ausgelesen und in l/30 Sekunde angezeigt werden. Je höher das Auflösungsvermögen und je mehr Farben unterstützt werden um so mehr Bits sind gespeichert und um so schneller muß die Elektronik des Terminals arbeiten.

Elektronik muß doppelt so schnell arbeiten

Es gibt zwei Methoden, um den Bildschirm ständig aufzufrischen. Bei der einen wird, wie beim normalen Fernsehgerät, immer nur jede zweite Zeile aufgefrischt (Zeilensprung). Bei der zweiten Methode werden jedesmal alle Zeilen aufgefrischt (ohne Zeilensprung). Diese ist schwieriger, weil die Elektronik des Terminals doppelt so schnell arbeiten muß. Aber bei dieser Methode wird das Flimmern wesentlich reduziert. Daher sind Bildschirmgeräte ohne Zeilensprung vorzuziehen.

Für die Software ist es ohne Bedeutung, daß die Bildschirmdarstellung aus Punkten aufgebaut wird. Denn die Mehrzahl der Terminalgeräte akzeptiert die Darstellung mit Vektoren. Diese Geräte wandeln intern die Vektoren in eine Punktmenge um die sie abspeichern. Raster-Refresh-Geräte erfüllen mühelos folgende Anforderungen: Dichte Flächenschraffur, Farbe, Linienzeichnung mit unterschiedlicher Strichstärke, gut ausgeprägte Zeichensätze, selektives Löschen und unterschiedliche Leuchtintensität.

Weil die Kosten für Bildschirmgeräte und Speicherbausteine ständig sinken, werden Rastergeräte, die davon stark profitieren, in Zukunft wahrscheinlich auf dem Markt für grafische Bildschirmgeräte vorherrschend sein.

Auch die Terminals der Personal Computer sind Rastergeräte. Weil hier in einem Gerät ein Raster Terminal und ein eigenständiger Rechner kombiniert sind, schaffen sich viele Unternehmen Personal Computer an.

Die Vorteile der Raster-Refresh-Technik

- Preis: Die Raster-Refresh-Geräte sind mit kostengünstigen Monitoren ausgestattet, deren Preise genauso sinken wie die Preise für integrierte Schaltkreise. Der Preis spielt nur bei der Kaufentscheidung für exotische Geräte eine Rolle.

- Farbe: Raster-Refresh-Geräte übertreffen bei Farbdarstellung die anderen Technologien. Für dichte Schraffuren genügt oftmals ein einziger Befehl. Dadurch wird viel Rechenzeit eingespart, die erforderlich wäre, wenn man die Schraffuren mit Software-Befehlen erstellt. Für die Farbdarstellung ergeben sich nur geringe zusätzliche Kosten.

- Lichtstärke (Leuchtintensität): Die Raster-Refresh-Geräte sind leuchtintensiv und können deshalb in normalen Büroräumen eingesetzt werden.

- Löschen: Die Geräte ermöglichen es, Texte im Dialog zu verschieben und zeichenweise zu löschen. Man kann deshalb mühelos mit alphanumerischen Zahlen arbeiten.

Die Nachteile der Raster-Refresh-Technik:

- Auflösungsvermögen: Trotz der ständigen Weiterentwicklung können Raster-Refresh-Geräte im Auflösungsvermögen nicht mit Speicher-Bildröhren konkurrieren. Sie sind bei der Darstellung von unverzerrten Linien mit klaren Umrissen und bei der Darstellung der gesamten Bildinformation unterlegen. Allerdings wird diese Technik gerade im Hinblick auf bessere Auflösung ständig weiterentwickelt.

-Die Raster-Refresh-Technik mit ihrer mittleren bis hohen Auflösung reicht im allgemeinen aus. Liegt allerdings der Schwerpunkt auf hohem Auflösungsvermögen und wird Farbe nicht benötigt, ist die Technik der Speicher-Bildröhre vorzuziehen.

-Nach einer noch relativ neuen Technik arbeitet der Plasma-Bildschirm. Zwischen zwei Glasplatten liegt ein versiegelter Zwischenraum, der mit Neongas gefüllt ist. Auf einer Glasplatte laufen Elektroden in horizontaler, auf der anderen in vertikaler Richtung. Damit ein einzelner Bildpunkt leuchtet, werden die horizontalen und vertikalen Elektroden die diesen Punkt bilden, gleichzeitig unter Spannung gesetzt. Dadurch steigt das Spannungspotential zwischen den beiden Platten so an, daß der Punkt leuchtet. Solange die Spannung gehalten wird, leuchtet der Punkt. Fällt die Spannung ab, erlischt er. Auf dem Bildschirm erscheinen die Linien als helle, orangefarbene Punkte auf schwarzem Hintergrund.

- Beim Plasma-Bildschirm sind die Linien verzerrt. Die Punkte, aus denen sie gebildet werden, haben keine scharfen Umrisse. Und die Elektroden, mit denen die Punkte zum Leuchten gebracht werden, lassen nicht jeden Punkt mit der höchsten Helligkeit leuchten.

Ein Vorteil des Plasma-Bildschirmes ist die Anzeigehelligkeit, mit der Anwender eine Linie durch das Ausschalten einzelner Punkte (aus denen sie besteht) zeichenweise löschen kann. Ein weiterer Vorteil ist ihre robuste Konstruktion. Diese Eigenschaft macht Plasmabildschirme besonders für militärische Anwendungen interessant.

Die Nachteile der Plasmatechnik sind die begrenzte Größe der Anzeige, die komplizierte Elektronik mit 512 Stromzuführungen auf jeder Seite, die verzerrten Linien, das niedrige Auflösungsvermögen, die relativ hohen Herstellungskosten und die niedrige Schreibgeschwindigkeit .

Plasmabildschirme werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo ihre Konstruktionsmerkmale und besonders ihre Robustheit benötigt werden. Zum Erstellen von Präsentationsgrafik in einer normalen Büroumgebung sind sie wenig geeignet.