Sehen und Monitor
(Quelle: Free-Photos bei pixabay.com)
Um zu verstehen, wie in einem Computer Farben erzeugt und dargestellt werden, ist es hilfreich sich zunächst kurz damit zu beschäftigen, wie die Farbdarstellung auf dem Computerbildschirm prinzipiell funktioniert. Um die Prinzipien auf Seiten der Hardware zu verstehen, ist ein kleiner Ausflug in die Biologie und die Funktionsweise des menschlichen Auges notwendig. Anschließend wird die Kodierung als Kernelement bei der Ansteuerung der Hardware für die Farbdarstellung betrachtet.
1 Das Sehen des menschlichen Auges
Schauen Sie sich die drei Videos nacheinander an.
Lernziel:
Sie sollten in der Lage sein:
- die für das farbige Sehen relevanten Bestandteile der Netzhaut zu benennen und unterscheiden zu können.
- erklären zu können, wie der Mensch mehr als drei Farben wahrnehmen kann.
Video 1 von The Simple Biology "Wie sehen wir?", Dauer: 5'36 Min.
Video 2 von binogi.de "Wie kann unser Auge unterschiedliche Farben sehen?, Dauer: 3'47 Min.
Video 3 von dasGehrin.info "Wie wir Farben sehen?", Dauer: 1'24 Min.
2 Aufbau und Funktionsweise eines Monitors
Die Tatsache, dass das menschliche Auge nur auf drei Farben bzw. die entsprechende Wellenlänge reagieren kann, haben sich Monitorentwickler zu Nutze gemacht.
Moderne Monitore sind relativ flach. Die zur Zeit gebräuchlichste Technik sind LCD-Monitore ( engl. liquid crystal display).
Eine Flüssigkristallanzeige (LCD) oder ein Flüssigkristallbildschirm ist eine Anzeige (engl. display) oder ein Bildschirm, dessen Funktion darauf beruht, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird. Das klingt komplizierter als es ist.
Wie das funktionieren kann, zeigt das Video von Thomas Schwenke sehr anschaulich:
Link zum Video "TFT/LCD-Monitor, Dauer: 3'17 min.
Lernziel:
Sie sollten in der Lage sein:
- zu beschreiben, was man unter Polarisation von Licht versteht und wofür diese wichtig ist.
- die zwei Bereiche zu benennen, für die eine Stromversorgung des Monitors wichtig ist.
LCDs bestehen aus sehr vielen Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Transparenz ändern können. Dazu wird mit elektrischer Spannung in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle (TN = Twisted Nematic)) gesteuert. Damit ändert sich die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht, das mit einer Hintergrundbeleuchtung und Polarisationsfiltern erzeugt wird. Soll ein Display beliebige Inhalte darstellen können, sind die Segmente in einem gleichmäßigen Raster angeordnet (siehe nächstes Kapitel: Pixel). Die Spannung wird dann ganz genau pro Bildschirmpunkt mit drei Dünnschichttransistoren (sogenannten TFTs), angelegt.
Die Farbwahrnehmung entsteht dadurch, dass zum Schluss das Licht, das je Subpixel entsprechend gedimmt ist, noch durch eine Folie mit Farbsegmenten geleitet wird (siehe Abb.). Ein Pixel besteht dann aus je einem roten, blauen und grünen Subpixel. Die Mischung dieser drei Farben ergibt dann die gewünschte Farbe des Pixels.
Wenn man ganz dicht mit dem Auge an den Monitor herangeht, kann man die Struktur sogar mit bloßem Auge sehen. Je älter der Monitor ist, desto besser geht das.
Freiwillige Aufgabe: Wenn Sie ein Handy dabei haben, dann versuchen Sie mit maximaler Auflösung ein Foto von einem Bildschirmausschnitt zu schießen. Zoomen Sie anschließend so weit wie möglich in das Bild. In der Regel können Sie dann die Subpixel erkennen.
In der Werbung wird seit etwa 2009 häufig von LED-Fernsehern gesprochen. Dabei handelt es sich in den meisten Fällen ebenfalls um Flüssigkristallbildschirme (LCDs) zur Bilddarstellung, bei denen zur Hintergrundbeleuchtung LEDs eingesetzt werden (LED-Backlight). Bildschirme mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) sind für Fernsehgeräte mittlerweile Standard.
Aufgabe: Monitorbestandteile
Auf einem Tisch liegt ein auseinandergebauter Monitor.
Bearbeiten Sie in einer kleinen Gruppe (3-4 Personen) die dort ausliegenden Aufgaben.
Sprechen Sie sich im Kurs ab, so dass die Stunde über jeder die Monitoraufgabe machen konnte.
Für Schnelle und Wissbegierige:
Schauen Sie sich ein weiteres Video an, in dem noch detaillierter die Funktionsweise eines Monitors erklärt wird und zudem die neueste Entwicklung in diesem Bereich dargestellt wird.
Link zu dem Video von Brainfaqk "Wie funktioniert ein Bildschirm? #13", Dauer: 8'51 min.
3 Von Pixeln und dpi in der Praxis
Ein Pixel ist der kleinste darstellbare Bestandteil eines Computerbildes. Das Wort ist eine Abkürzung des englischen Begriffs "Picture Element". Der Fachausdruck im Deutschen dafür ist Bildpunkt.
Ein Pixel wird definiert durch:
- eine bestimmte Position auf dem Bildschirm und
- eine bestimmt Farbe
Die Angabe 1024 x 768 Pixel gibt z.B. an, wie viele Pixel auf der Monitorfläche horizontal bzw. vertikal zu finden sind.
Bei der Bewertung eines Bildschirms ist es also nicht nur wichtig zu wissen, wie groß er ist (angegeben wird i.d.R. die Bilddiagonale), sondern auch wie hoch die maximal mögliche Auflösung ist. Denn beide Werte hängen nicht zwangsläufig zusammen. Wenn eine Auflösung von 1.600 x 1.200 Pixel eingestellt werden soll, kommen dafür Bildschirme mit 20,1", 21,3" und 23,1" in Frage.
Quest: Monitorauflösung
Finden Sie heraus, welche Auflösung ihr Monitor hat.
Quest: Grenzen der Auflösung
Wenn man ganz genau hinschaut, dann erscheinen auf einigen Bildern viele runde Linien beim Vergrößern plötzlich eckig.
Suchen Sie im Internet ein geeignetes Bild (keinen reinen Kreis!) und dokumentieren Sie durch zwei Screenshot dieses Phänomen und erkläre Sie es.
(5 XP)
Praxistipp
Die Angabe ... x ... Pixel finden Sie auch bei Bildern im Internet. Bei der Bildersuche in Google kann man unter Suchoptionen gezielt nach Bilder mit großer Auflösung suchen. Nutzen Sie diese Information (u.a.) für die Praxisaufgabe im Kapitel Farben codieren.
(Screenshot: Google)
dpi
Bilder in super toller Auflösung bringen uns aber nichts, wenn wir sie nicht auch so schön ausdrucken können.
Bei Druckern und Scannern findet man die Maßeinheit dpi. Sie steht für "dots per inch", also "Punkte pro Zoll" (1 Zoll = 2,54 cm).
Dpi geben an, wie fein gedruckt bzw. gescannt werden kann. Je größer die Menge der dpi, desto besser die Auflösung, denn die Qualität der Darstellung von Bildern hängt von der Menge der Bildpunkte ab. Was man genau unter einem Dot, also einem Punkt versteht, ist je nach Kontext der Anwendung (Monitor, Bild, Drucker) leider verschieden, so dass nicht automatisch davon ausgegangen werden kann, dass gilt 1dpi = 1ppi (pixel per inch), auch wenn die Einheiten häufig (z.T. irrtümlich) synonym verwendet werden.