תצוגה צבעונית (Color Display)

עד כה ראינו מערכות תצוגה המציגות צבעים חד-גוניים (חד צבע) כאשר לכל אלמנט תמונה (pixel) יש מתג הקובע אותה להיות מופעלת או מכובה. המידע לגבי הנקודות שדולקות או כבויות כרגע על המסך נשמר במכלא מסגרת (frame buffer) השולט על אלומת האלקטרונים. כל נקודה על המסך מיוצגת באמצעות סיבית אחת, כאשר היא נמצאת במצב של "אחד" לוגי הנקודה מוארת וכאשר הוא נמצא במצב "אפס" לוגי הנקודה מוחשכת (כבויה).

לשפרפרת מסך CRT צבעוני יש שלושה תותחי-אלקטרונים שיוצרים שלוש אלומות אלקטרונים שונות. תוואי המסך, לעומת תוואי המסך במסכי שחור/לבן, מורכב משורות ועמודות של מקבצי נקודות (שלשה = triad). בכל שלשה (triad) יש שלוש נקודות : אחת אדומה , אחת ירוקה ואחת כחולה אשר מהוות את שלושת הצבעים הבסיסים. בעזרת שלושת הצבעים הבסיסים הללו ניתן ליצור למעשה כל צבע ממגוון הצבעים הקיימים. כמות ומגוון הצבעים האפשרי תלוי, במידה רבה, ביכולת הטכנולוגית של תותחי הצבעים לשנות את עוצמת האלומה שלהם שינויים עדינים ובמידת קליטת ההארה של נקודות הצבע בכל שלשה. ככל שהשינויים של האלומות קטנים ומדויקים יותר נקבל על התצוגה מגוון צבעים גדול יותר ואמין יותר.

האלומות היוצאות מתותחי האלומות מאירות כל אחת נקודה נפרדת בתוך כל שלשה. כדי ליצור תצוגה צבעונית על המסך, על כל שלשה לקבל ערך אדום, ירוק וכחול. לעומת ייצוג הנקודות על ידי סיבית אחת במכלא המסגרת במסכי שחור/לבן, כאן יש צורך לייצג כל נקודה על ידי לפחות שלוש סיביות, אחת לכל צבע בסיס.

בארכיטקטורת מסך הכוללת ייצוג של שלוש סיביות לכל שלשה, כאשר כל סיבית מסמנת את אחד משלושת צבעי הבסיס (אדום, ירוק וכחול), ניתן להשיג 8 צבעים שונים כמתואר:

צבעים עיקריים: 1=תותח פועל, 0=תותח לא פועל

  טבלת צבעים בארכיטקטורת שלוש סיביות צבעונית

ארכיטקטורה זו נקראת לעיתים קרובות "מערכת מיפוי קבועה". הצבעים שהיא יוצרת הם קבועים, חזקים וקשיחים וזאת משום שהאלומות המוקרנות עבור כל צבע מוקרנות בעוצמה מלאה. אין אפשרות לקבוע כאן את עוצמת ההארה של האלומות השונות.

על מנת לקבל עוצמות הארה משתנות, שיאפשרו מגוון צבעים רחב יותר, יש לשלוט על כל אחד משלושת תותחי הצבעים באמצעות אות אנלוגי (חשמלי). האות האנלוגי קובע את עוצמת ההארה של האלומה שמוציא תותח האלקטרונים וכך את עוצמת הצבע לכל ערך בין מצב כבוי למצב של הארה מלאה.

העוצמה של כל תותח אלקטרונים מיוצגת על ידי ערך דיגיטלי. הערך הדיגיטלי מומר לאות אנלוגי באמצעות ממיר מדיגיטלי לאנלוגי Digital To Analog Converter) DAC) והאות האנלוגי נשלט ע"י תותח האלקטרונים עצמו וכך על עוצמת ההארה של האלומה.

טבלת מיפוי בארכיטקטורת צבעים עם עוצמה משתנה

הערכים הדיגיטליים ששולטים על כל תותח אלקטרונים נשמרים בטבלת חיפוש הנקראת Palette.

אוסף של ערכים עבור כל אחד מתותחי האלקטרונים יוצר שורה אחת בטבלת החיפוש ולמעשה קובע צבע אחד עבור מכלא המסגרת (frame buffer). המספרים במכלא המסגרת בוחרים צבע (שורה) בטבלת החיפוש (Palette). באיור 3 ניתן לראות דוגמא לטבלת חיפוש עם ייצוג של 4 סיביות עבור עוצמת כל צבע. "0000" משמעו שאלומת האלקטרונים כבויה, "1111" מסמל הארה מלאה, הערכים  מייצגים עוצמות הארה יחסיות ב-16 רמות אפשריות. יש לציין שבמכלא מסגרת בעל שלוש שכבות (3 סיביות) ניתן לייצג בו זמנית רק שמונה צבעים לכן אפיון הארכיטקטורה הזו הוא עדיין שמונה.

טבלת החיפוש (Palette)  בארכיטקטורת תצוגה צבעונית פשוטה

 בטבלה שבאיור  יש עתה ייצוג של 12 סיביות עבור צבע, כלומר ניתן לקבל 4096 צבעים שונים.

לכל שלשה על המסך המיוצגת במסך על ידי Pixel יש כתובת ששומרת את מספר הצבע במכלא המסגרת (בין 0 ל-7). הכתובת הזאת עוברת לטבלת החיפוש (Palette) וממנה מקבלת את ערכי הצבע שמוגדר בתא הזה בטבלה. ערכי הצבע מועברים דרך הממיר מדיגיטלי לאנלוגי (DtoA) לאות אנלוגי השולט על עומת ההארה של תותחי האלקטרונים.

ארכיטקטורה מוגבלת להצגת 8 צבעים שונים בו זמנית על המסך. אם רוצים להציג יותר מ-8 צבעים בו-זמנית יש להגדיל את מכלא המסגרות ליותר שכבות. לדוגמה חוצץ מסגרות בעל 4 שכבות (4 סיביות) יוכל להציג 16 צבעים בו-זמנית על המסך וכו'.

אם רוצים להגדיל את מגוון הצבעים שניתן להציג, כלומר לשפר את רגישות אלומת האלקטרונים של תותח אלקטרונים. יש להגדיל את מספר הסיביות המוקצה לכל תותח אלקטרונים. לדוגמה עם נייצג כל אלומה עם 5 סיביות במקום עם 4 סיביות בטבלה שבאיור 3 נקבל 32,768 צבעים שונים וכו'.

על מנת להגיע לאיכות תמונה של טלוויזיה יש צורך במעל מיליון צבעים, כלומר יותר מ-20 סיביות בטבלת החיפוש (Palette).

מסך CRT צבעוני מכיל שלושה סוגים שונים של זרחנים שמסודרים (כפי שתואר קודם) בקבוצות בצורת משולש הנקראות שלשה. השלשות פרושות בשורות וטורים על כל שטח המסך. בכל שלשה יש שלושה זרחנים שונים. כל זרחן מותאם כימית על מנת להאיר בצבע מסוים. הצבעים הזרחנים הם: אדום, ירוק וכחול.

מסך CRT צבעוני מכיל שלושה תותחי אלקטרונים. כל תותח אלקטרונים יוצר אלומת אלקטרונים שנועדה לגרות את אחד הזרחנים בשלשה להאיר. האלומה הפוגעת בזרחן גורמת לו להפיץ אור באורך גל מיוחד לו (אורך הגל הוא למעשה הביטוי הפיזיקלי של הצבע), אורך הגל שהזרחן מפיץ נקבע על ידי התכונות הכימיות שלו. צבע לבן נוצר כאשר שלושת אלומות האלקטרונים פוגעות בשלושת הזרחנים שבשלשה בעוצמה מקסימלית. צבע שחור נוצר כאשר לא פוגעים בכלל בזרחנים שבשלשה. הצבעים השונים נוצרים בשילובים בין שלושת הצבעים ועוצמות ההארה שלהם.

 מיקום תותחי האלקטרונים לעומת מיקום הזרחנים בכל מקבץ (triad)

 על מנת לוודא שאלומת אלקטרונים תפעיל רק את הזרחן המתאים לה מתוך השלשה, מותקנת במסך  רשת שנקראת "רשת הצללה" (Shadow Mask), רשת ההצללה היא לוחית מתכת דקה שמוצבת ליד המסך ומפרידה בין תותחי האלקטרונים לבין השלשות שעל המסך. כל שלשה נמצאת במרחק קבוע משאר השלשות. המרחק נקרא חדות הנקודות (Dot Pitch), הוא נע בין 0.28 ל-0.33 מילימטר. מרחק זה גם קובע את המרחק בין החורים ברשת ההצללה.

שפורפת המסך כולל רשת ההצללה

 למרות שיש סוגים נוספים של מסכי CRT צבעוניים, הסוג הנפוץ ביותר הוא מסך CRT עם רשת הצללה, הוא גם נפוץ בטכנולוגיות של מסכי טלוויזיה.

תצוגות צבע-אמיתי (True Color Display)

נקראות גם תצוגות RGB (אדום, ירוק, כחול). ארכיטקטורה כזאת מאפשרת מגוון בלתי מוגבל ליצירה של צבעים מטבלת חיפוש (Palette) גדולה. למעשה המערכת מאפשר יותר צבעים מאשר העין האנושית מסוגלת לקלוט. המערכת נקראת צבע-אמיתי בגלל מגוון הצבעים הגדול שמכיל יותר צבעים וגוונים ממה שהעין האנושית מסוגלת להפריד, בדומה למגוון הצבעים בעולם האמיתי. בעולם האמיתי מצויים גוונים שהעין האנושית לא מפרידה אך כן קולטת את המתאר הכללי שלהם. צבעים אלו דרושים על מנת לייצג תמונה בצורה אמינה, ללא דקויות אלו התמונה לא תיראה אמינה לעין האנושית.

בעזרת שימוש בארכיטקטורת צבע-אמיתי אנחנו יכולים לקבוע את הצבע הרצוי על ידי בחירת כל אלמנט צבע (אדום, ירוק וכחול) בנפרד. טבלת הצבעים במצב זה תכיל מידע בן 8 סיביות עבור כל צבע, כלומר 256 רמות שונות של עוצמה עבור כל צבע.

 טבלת צבעים בארכיטקטורת צבע-אמיתי.

 מספר הצבעים המקסימלי האפשרי בשיטה זו הוא: 256*256*256 = 16.7  מליון צבעים.

המערכת שתיארנו כאן היא המערכת המינימלית הדרושה על מנת לייצג גרפיקה בצבעים אמינים. לצערנו קיימות הרבה מערכות שמשתמשות בטבלאות צבעים קטנות יותר, וזאת כדי להוזיל את עלות המערכת.