Jasové poměry na pracovištích se zobrazovacím zařízením

Jasové poměry na pracovištích se zobrazovacím zařízením

Úvod
Pracoviště s monitory a displeji se v nejrůznějších pracovních prostorech vyskytují stále častěji. Jelikož monitor, resp. svítící plocha monitoru či displeje, tvoří hlavní výstupní rozhraní mezi počítačem a člověkem, je nutné dodržet takové parametry tohoto rozhraní, aby tok informací byl maximální při minimální zrakové únavě. Optimalizace parametrů není triviální záležitostí a je ovlivněna individuálními požadavky uživatele. Aby bylo možné problém podrobněji studovat a případně řešit, je třeba znát výchozí informace. Ty lze rozdělit na dvě základní skupiny: hardwarovou a softwarovou. Každá z těchto částí přímo ovlivňuje kvalitu přenosu informace od aplikace k uživateli.

Do procesu zrakového vnímání při práci na pracovišti se zobrazovacím zařízením však vstupují další faktory, které zrakovou činnost přímo ovlivňují. Je to zejména celkové rozložení intenzity osvětlení, nebo spíše jasu, na všech pracovních plochách pracoviště (obrazovka, klávesnice, předloha – pracovní stůl), v blízkém i vzdáleném okolí, směrovost a stínovost světla v místnosti, popř. barevná skladba prostoru. Při uvažování všech vlivů představuje optimalizace nelehkou úlohu s komplikovanými vazbami ve skutečném prostředí. O osvětlování pracovišť se zobrazovacím zařízením bylo napsáno množství článků a doporučení, a není tedy nutné je zde znovu uvádět. Velmi málo pozornosti je ale věnováno samotným zobrazovacím zařízením a programovému vybavení, které se o zobrazení stará, přestože jsou v podstatě nejdůležitějším prvkem při zrakové činnosti a práci s počítačem.

Zobrazovací jednotky
V současné době existuje množství technologií zobrazovacích jednotek, které se používají ke generování obrazové informace pro lidský zrakový systém. V prvním přiblížení je možné tyto technologie rozdělit na dvě hlavní skupiny, a to na klasické monitory s vakuovými obrazovkami (dále monitory) a ploché displeje notebooků nebo nynějších moderních počítačů (dále displeje). Společnou charakteristikou obou technologií je dělení obrazu na elementární obrazové body (pixely), uspořádané v pravidelné pravoúhlé mřížce, a aktivní chování obrazu co se týče světelných parametrů, tj. zobrazovací jednotka působí jako zdroj světla.

Obě tyto vlastnosti způsobují jisté komplikace v odlišnosti od běžně se vyskytujících ploch, které do zrakového systému normálně předávají informace prostřednictvím odraženého světla a ve většině případů v tvarech spojitých bez postřehnutelného dělení na elementární body. Srovnáním může být jakákoliv tiskovina v papírové podobě, kde informace v podobě písma a obrazů vytvářejí různé jasové úrovně v důsledku různého činitele jasu, který je způsoben technologií tisku. Dopadající světlo tak vytváří kontrasty, které jsou zrakem rozlišovány jako písmo a ostatní grafika. Na základě zkušeností a učení vzniká vlastní informace po dekódování jasového rozložení v mozku. U zobrazovacích jednotek se jasové rozložení generuje přímo bez přítomnosti vnějšího osvětlení, které je zde spíše na závadu, jestliže osvětluje zobrazovací jednotku a nikoliv její okolí. Každý elementární bod je v podstatě zdrojem světla, které tak má odlišné vlastnosti než světlo odražené. Výsledkem je, že zobrazovací plochy jsou výrazně jasnější než běžné plochy pasivní (plochy, od kterých se světlo odráží). Paradoxně uživatel počítače vyhledává maximální jas obrazovky a minimalizuje jas okolí (záměrné zatmívání místnosti žaluziemi, zhasínání umělého osvětlení), zvláště v případech, kdy nepracuje s tištěnou či jinou předlohou. Únava zraku je pak výrazně rychlejší, neboť relativně malá část je více méně přetěžována výrazně vyšším jasem, než jaký je jas okolí.

Zrakovou náročnost dále ovlivňuje velikost pozorovaných detailů, které jsou dány softwarovým rozhraním, rozlišovací schopností zobrazovací jednotky a velikostí zobrazované plochy. Rozeberme nyní podrobněji vlastnosti nejčastěji používaných zobrazovacích jednotek.

Monitory
Technologie principiálně používá stejné metody jako běžné televizní obrazovky, tj. luminiscenční vrstva na stínítku obrazovky je buzena proudem elektronů, který je ovládán buzením katody (regulace jasu) a vychylovacím systémem rozmítání paprsku (regulace polohy). Odlišnosti v různých konstrukcích spočívají ve vylepšování vlastního stínítka, stínící masky, vychylovacích systémů a elektronového děla. Pro rozbor vizuálních podmínek jsou podstatné jejich výsledné technické parametry.

Historicky vývoj započal u nebarevných (černobílých, monotónních) systémů, s malou zobrazovací plochou a nízkou rozlišovací schopností. Nyní jsou takové systémy ve zdokonalené podobě využívány u jednoúčelových zařízení s minimálními požadavky na kvalitu obrazové informace (pokladny, průmyslové stroje, jednoduché terminály apod.). S postupným vývojem se začaly objevovat barevné obrazovky s větším rozlišením a větších rozměrů. Monitory s úhlopříčkou 14 palců a méně s rozlišením VGA (640 × 480 bodů) či SVGA (800 × 600 bodů), v současné době již velmi málo používané, započaly éru velkého rozvoje těchto zařízení a za poměrně krátkou dobu jsou dnes běžně k dispozici monitory s úhlopříčkou 17 palců a více s rozlišením minimálně 1 600 × 1 200 bodů. Trendem budoucnosti je zvětšování rozměrů zobrazovacích jednotek při současném zvyšování jejich rozlišovací schopnosti, zplošťování obrazovek s cílem dosáhnout absolutně ploché obrazovky s minimálním geometrickým zkreslením (moderní obrazovky technologie Trinitron, Flatron) a zvyšovat snímkovou obnovovací frekvenci, která je nutná ke stabilitě obrazu. Zároveň je snahou zvětšovat poměr obrazové plochy k hloubce monitoru při současném zmenšování hmotnosti a snižování příkonu.

Displeje
Pojmem displej se obvykle označují zobrazovací jednotky přenosných počítačů a moderních tenkých monitorů především na bázi technologie TFT, HPA či DSTN. Do této skupiny se řadí i technologie plazmových displejů, která je však pro vysokou cenu zatím používána spíše k náročným prezentačním účelům než k běžné kancelářské práci.

Displeje DSTN (Dual Super Twisted Nematic) – zobrazovače na bázi tekutých krystalů s pasivním buzením jsou vzhledem ke své relativně nízké ceně rozšířeny u přenosných počítačů nižší kategorie pro nenáročné aplikace. Jejich nevýhodou je relativně dlouhá reakční doba (asi 300 ms), což zhoršuje vizuální efekt u měnících se obrazů. Pro dlouhodobou práci je nelze doporučit, neboť zrak je zatěžován zvýšenou pozorností, kdy se pohybující obrazy ztrácejí (tzv. ponorkový efekt) a zřetelné se objevují až po zastavení. Nejzřetelnější je toto zejména u kurzorových ukazatelů, při posuvu tzv. posuvníků, pohybu v nabídce funkcí (menu) a v různých aplikačních animacích.

Další nevýhodou je malý kontrastní poměr, který se běžně pohybuje okolo 25 : 1. To způsobuje nejasné kontrasty, a tudíž nevýrazné přechody mezi zobrazenými plochami různých jasů, které mají být rozlišovány. To opět zvyšuje zrakovou zátěž.

Displeje TFT
(Thin Film Transistor) – zdokonalené zobrazovače na bázi tekutých krystalů jsou v současné době velmi dynamicky se rozvíjející technologií se stále klesající cenovou hladinou a s rostoucí kvalitou. Představují vynikající řešení pro přenosné počítače pro profesionální použití a nyní i pro stacionární zobrazovací jednotky stolních počítačů, kde vynikají jejich nesporné přednosti, jako jsou ostrost obrazu, vynikající přesnost geometrie obrazu, rovnoměrnost jasu, vysoký kontrastní poměr (100 : 1, některé prameny uvádějí kontrastní poměr až 500 : 1), velká rychlost odezvy (reakční doba asi 80 ms), což umožňuje přehrávat videosekvence ve vysoké kvalitě. Jedinou nevýhodou zatím je stále vysoká cena, která je dána technologickou náročností výroby, zvláště u rozměrných displejů s velkým rozlišením.

Displeje HPA
(High Performance Addressing) přinášejí rozumnou kvalitu za přijatelnou cenu. Jde o vylepšenou technologii DSTN s tenčí vrstvou tekutých krystalů s menším množstvím viskózní kapaliny, což zkracuje reakční dobu oproti displejům DSTN až na polovinu. Toto zlepšení má za následek téměř výrazné potlačení „ponorkového efektu“. Technologie HPA rovněž přináší vyšší kontrastní poměr, což zvyšuje rozlišitelnost různě jasných ploch a přechodů mezi nimi a přispívá tak ke snížení zrakové zátěže. Jde o displeje pro všeobecné použití s dobrou kvalitou pro přenosné počítače střední třídy.

Rozlišovací schopnost
Běžná zobrazovací jednotka využívá, jak již bylo řečeno, pravoúhlý rastr bodů uspořádaných do řádků a sloupců. Počet řádků a sloupců udává rozlišovací schopnost monitoru, obvykle vyjadřovanou dvojicí čísel, např. 800 × 600, což znamená, že jednotka má fyzické rozlišení 600 řádků a 800 sloupců (bodů na řádek). Skutečné rozlišení může být rovno fyzickému nebo menší při určitém zhoršení kvality obrazu, nikdy však nemůže být větší. Rozlišovací schopnost tak ve spojitosti s velikostí úhlopříčky monitoru (resp. její viditelné části) definuje absolutní velikost jednoho obrazového bodu. Zde je třeba zdůraznit, že obvykle udávaná úhlopříčka monitorů zaokrouhleně vyjadřuje úhlopříčku celé obrazovky a viditelná část bývá zpravidla o asi 10 % menší, na rozdíl od displejů, kde úhlopříčka většinou vyjadřuje skutečně viditelnou oblast zobrazovací jednotky.

Pro dosažení nezkreslených geometrických tvarů je nutné, aby body byly v celé ploše zobrazovací jednotky stejně vysoké i široké. Jelikož každý bod je tvořen minimálně trojicí ještě menších bodů (barevných složek RGB), nelze dosáhnout ideálně pravoúhlého tvaru bodu, bod je spíše kruhový (zvláště u technologie Delta). Lepší parametry vykazují obrazovky technologie In-line. Obrazovky technologie Trinitron se speciálním tvarem stínící masky umožňují dosáhnout ještě větší pravoúhlosti, přičemž menší mezery mezi jednotlivými body zajišťují vyšší kontrasty jasů a ostřejší přechody. Obraz se tak jeví jako vysoce kontrastní a někdy až nepřirozeně jakostní.

S rozlišovací schopností monitoru přímo souvisí velikost nejmenšího zobrazitelného bodu, tj. kritického detailu. Rozlišení kritického detailu závisí nejen na jeho velikosti, ale i na vzdálenosti, ze které je pozorován (vzdálenost oka pozorovatele a obrazového bodu), a na kontrastu jasu – poměru jasů obrazového bodu a jeho blízkého okolí.

Pro průměrnou velikost jednoho obrazového bodu lze odvodit vztah

kde
u je délka úhlopříčky viditelné části obrazu,
M počet obrazových bodů na řádku,
N počet obrazových řádků.

To platí za předpokladu, že velikost bodu ve vodorovném i svislém směru je stejná.

Příklad: Pro běžný monitor 17" s viditelnou úhlopříčkou 15,9" (404 mm) při rozlišení 1 024 × 768 bodů je vypočtená velikost jednoho obrazového bodu asi 0,316 mm. Při rozlišení 1 600 × 1 200 (obvyklé maximální rozlišení monitorů 17") se dostane velikost bodu 0,202 mm. Při běžné pozorovací vzdálenosti 0,8 m pozorovatel obrazový bod pozoruje pod zorným úhlem asi 0° 1´ 21", resp. 0° 0´ 52". Více informací poskytuje tab. 1.

Tab. 1. Nejmenší zobrazitelné detaily (mm)/zorné úhly (úhlové minuty), pod kterými jsou detaily pozorovány ve středu obrazu při různé velikosti monitoru, rozlišení a pozorovací vzdálenosti

Jasové parametry
Má-li zobrazovací zařízení podávat obrazovou informaci, musí na výstupní ploše vytvořit rozlišitelné kontrastní plochy představující grafiku, písmo, obrazy. Jestliže se má zobrazovat i pohyblivý obraz, je nutné zajistit i dostatečnou rychlost změny jasu, aby byl pohyb plynulý a ostrý bez stopy či zmizení pohybujícího se objektu.

Tab. 2. Nejmenší pozorovatelné detaily (v úhlových minutách) při pozorovací době 0,2 s u dvou věkových skupin pozorovatelů v závislosti na jasu a kontrastu

K posouzení vlastního zobrazovače je třeba definovat základní parametry v návaznosti na fyziologii zrakového systému. Je nutné si uvědomit, že oko zdravého člověka má svá omezení a hranice, a je tedy zapotřebí k nim přihlédnout.

Základní zrakovou informací je kontrastní přechod. A to takový, který je nejen měřitelný, ale i zrakem rozlišitelný. Při pokusech bylo ověřeno, že klasický monitor je schopen reprodukovat kontrast až pod hranicí kontrastní citlivosti oka (lidské oko při ideálních světelných podmínkách dokáže rozeznat kontrast přibližně 0,018 – viz rovnice (2). Se snižujícím se adaptačním jasem kontrastní citlivost oka klesá. Nejmenší zobrazitelný kontrast zobrazovacího zařízení je dán nejmenším rozdílem jasů sousedních ploch, jejichž jasová úroveň se liší pouze o jeden stupeň (jednu úroveň)^*).

Jelikož měření kontrastu v celém rozsahu zobrazitelných jasů by bylo velmi zdlouhavé a dosti zatížené chybou měření (malé rozdíly měřitelných hodnot), byla použita matematická metoda. V tab. 3 jsou uvedeny změřené hodnoty jasu u vybraných úrovní nastavení složek R, G, B a různých zobrazovacích zařízení. Měřilo se při maximálním nastavení jasu a kontrastu monitoru a při běžném pracovním osvětlení (horizontální osvětlenost asi 300 lx). Jas byl měřen digitálním jasoměrem Minolta LS-100 ve vzdálenosti 1 m od středu obrazovky v integračním zorném úhlu 1°. Pro jasové hodnoty červené, zelené a modré barvy byla použita korekce CCF vypočtená podle publikace CIE 53: Detektory, vztah 1, a uvedená v instrukční příručce k přístroji^**).

Tab. 3. Jasové parametry vybraných typů zobrazovacích zařízení

Z naměřených hodnot průběhu jasu v závislosti na úrovni složek RGB byly sestrojeny grafy, které byly nahrazeny aproximačními rovnicemi – polynomem 3. řádu. Tak mohly být vypočteny i chybějící hodnoty jasu v neměřených úrovních složek RGB. Pro každé takto vypočtené dvě sousední úrovně jasu i a úrovně i – 1 byl vypočten kontrast jasu podle vztahu

Z těchto hodnot byl zjištěn maximální kontrast dvou sousedních ploch, jejichž úroveň složek RGB se liší pouze o jedničku. Úroveň (relativní hodnota jasu), při které tento maximální kontrast nastává, byla zaznamenána. Dalším zjišťovaným parametrem byl kontrast jasu jedné úrovně při maximálním jasu, tj. kontrast nejjasnější plochy vůči ploše s jasem o jednu úroveň menším. Hodnoty jsou uvedeny v tab. 4. Kontrasty byly zjišťovány pouze v úrovních „šedé barvy“, tj. úrovně složek R, G, B měly stejné hodnoty.

Tab. 4. Zhodnocení jasových parametrů vybraných typů zobrazovacích zařízení

Dále jsou v tabulce uvedeny velikosti nejmenších zobrazitelných detailů a tzv. kritické pozorovací vzdálenosti. Tyto vzdálenosti byly určeny z velikosti nejmenšího pozorovaného detailu (jednoho bodu) pro minimální a maximální úhlové rozměry kritického detailu uvedené v tab. 2, tj. pro skupinu pozorovatelů ve věku 15 až 25 let a největší kontrast 0,8 a maximální jas 100 cd·m–2, popř. skupinu pozorovatelů ve věku 55 až 65 let a nejmenší kontrast 0,2 a nejmenší jas 1 cd·m^–2.

Je zřejmé, že takto uvedená kritická pozorovací vzdálenost má pouze informativní charakter a závisí na konkrétní situaci a na pozorovateli, jaká ve skutečnosti bude. Při větším rozlišení monitoru obsahuje pracovní plocha více informací, ovšem pro jejich zrakové zpracování je nutné zrak přiblížit dostatečně blízko, aby bylo možné rozlišit potřebné detaily. Při větším rozlišení se stávají softwarové prvky programů (tlačítka, ikony, menu, lišty atd.) menšími, a je tudíž horší je i zaměřit kurzorem (ukazatelem myši). To může zhoršit celkovou ergonomii práce. Optimum je na zvážení každého uživatele a je v každém případě vhodné různá rozlišení vyzkoušet. Přitom přivyknutí na dané rozlišení může trvat delší dobu, hodiny až dny. Při zpětné změně rozlišení může obraz vypadat velmi nezvykle až nepřirozeně hrubý nebo naopak jemný (podle směru změny rozlišení), ovšem po relativně krátké době se uživatel na situaci podvědomě adaptuje.

Závěr
Výsledky popsané v tomto článku ukazují, v jakých hodnotách se pohybují jasové úrovně u běžných zobrazovacích zařízení a s jakými velikostmi kritických detailů je možné počítat při práci s obrazovkou. Ukázalo se, že parametr hodnotící největší kontrastní poměr nemusí být zcela vypovídající, neboť např. u monitoru s obrazovkou Flatron byl zjištěn menší kontrastní poměr než u obrazovky s technologií Delta. Přitom vizuální vjem je výrazně lepší u obrazovky Flatron, což může být způsobeno dokonalejší skladbou téměř pravoúhlých bodů a dokonale plochou obrazovkou s minimem odlesků. Naopak velmi nízká hodnota kontrastního poměru u displeje technologie DSTN však potvrdila jeho nízkou obrazovou kvalitu a zvýšenou zrakovou námahu při práci s tímto zobrazovacím zařízením.

Při měření na displeji TFT nebyl potvrzen často uváděný vysoký kontrastní poměr 100 : 1 (někde až 500 : 1). K tomuto poměru největšího a nejmenšího jasu by bylo možné se přiblížit při použití displeje při minimálním či nulovém osvětlení, což je však situace nepřípustná vzhledem k nutnosti zrakové činnosti i mimo prostor displeje (klávesnice, pracovní stůl, předloha atd.).

Vzhledem k rozsáhlosti podrobnějších výzkumů a měření není možné v tomto příspěvku vše obsáhnout. Dalším krokem v analýze zrakové činnosti na pracovišti s monitorem by měl být podrobný rozbor softwarových aplikací v souvislosti se zobrazením písma a grafiky v různých barevných a jasových schématech, rozbor jasových parametrů souvisejících pracovních ploch, jako jsou klávesnice, pracovní stůl, tiskové předlohy a další blízké i vzdálené jasové pozadí pracoviště, včetně vlivu svítidel, oken a osvětlených stěn zrcadlících se na pracovní ploše monitoru.

^*) Úroveň je relativní hodnota v rozmezí 0 až 255, tj. číslo zapsané pomocí osmibitového slova; nelze totiž mluvit o absolutních hodnotách, ale pouze o úrovních, např. 256 úrovní jasu znamená, že zařízení je schopno reprodukovat 256 různých jasových hodnot.

^**) CCR – Color Correction Factor je číslo vypočtené pro různé druhy světla, se specifickým spektrálním složením; koriguje spektrální chybu fotometru pro daný druh světla tak, že násobí naměřenou hodnotu, čímž se získá hodnota korigovaná, a tedy fotometricky správná.