Das Licht im Hintergrund

Fachartikel aus Videor VIEW 02|2012: Technik und Besonderheiten von LCD-Monitoren im Security- und Broadcast-Bereich

LCD-Monitore haben sich in den vergangenen Jahren rasant weiterentwickelt, und der Einsatz von LEDs zur Hintergrundbeleuchtung macht die Nachteile, die manch einer im Vergleich zur guten alten Röhre empfunden hat, mehr und mehr wett. Und schon schickt sich mit den organischen Leuchtdioden – OLED – eine Technologie an, den Monitor-markt erneut zu revolutionieren. Wir werfen einen Blick auf den aktuellen Stand der Technik und klären die Besonderheiten von Security- und Broadcast-Monitoren.

Gerade einmal vier Jahre ist es her, da haben wir in der VIEW die jeweiligen Vor- und Nachteile von TFT- und CRT-Monitoren besprochen – ein Artikel, der anschließend auch von Fachzeitschriften aufgegriffen und veröffentlicht wurde und der noch immer sehr hoch bei Google & Co. gerankt wird, wenn man die entsprechenden Suchbegriffe eingibt. Mittlerweile sind die CRT-Monitore gänzlich von unserer Website verschwunden, und auch in unserem Gebrauchtgeräteshop finden sich ausschließlich LCD-Monitore. Die Röhre hat ausgedient, auch wenn sie bis zuletzt ihre Fans hatte, die sich nicht so recht von den klobigen Kästen trennen konnten. Nicht nur die Technik der LCD-Monitore hat eine rasante Weiterentwicklung erfahren – die Entwicklung von analoger zu digitaler bzw. IP-basierter Technologie lässt auch die generelle Bedeutung professioneller Monitore in einem neuen Licht erscheinen. Welche technologischen Entwicklungen lassen sich ausmachen? Welche Bedeutung hat der Zusatz „professionell“ im Security- und Broadcast-Bereich? Ist ein LCD-Monitor von Elektronik-Discountern nicht „professionell“ genug?

Funktionsweise der Flüssigkristallanzeige
LCD steht für „Liquid Crystal Display“ und lässt sich mit „Flüssigkristallanzeige“ übersetzen. Die Eigenschaften von Flüssigkristallen werden seit Anfang des 20. Jahrhunderts erforscht, und bereits 1968 wurde in den USA bei der Radio Corporation of America das erste funktionierende LCD eingeführt, das aber freilich wenig mit den heute bekannten LC-Displays gemein hatte. Die Funktionsweise eines LCDs lässt sich vereinfacht mit einer Jalousie vergleichen: Bei waagrecht gestellten Lamellen kommt Licht hindurch, bei senkrechten Lamellen bleibt das Licht draußen. Im LCD übernehmen diese Funktion die in Flüssigkeit schwimmenden Kristalle, die ihre Ausrichtung verändern können und in Abhängigkeit davon Licht hindurchlassen oder blockieren. Das Licht stammt von der Hintergrundbeleuchtung, die von Leuchtstoffröhren oder LEDs (dazu später mehr) stammt. Jeder Bildpunkt besteht aus drei Kammern, die mit Flüssigkristallen gefüllt sind und für die jeweils ein Farbfilter (rot, grün, blau) festgelegt ist. Ausrichtungsfilter, sogenannte Alignment Layer, die die Schicht von Flüssigkristallen einschließen und an denen Spannung anliegt, bauen ein elektrisches Feld auf, über das die Kristalle wie die Lamellen der Jalousie ausgerichtet werden. Je nach Ausrichtung der Kristalle kann das Licht der Hintergrundbeleuchtung den Polarisationsfilter passieren oder nicht und sich durch den jeweiligen Farbfilter bewegen. Durch die additive Mischung entsteht die gewünschte Farbe auf der Glasplatte des LCDs.

Hintergrundbeleuchtung mit CCFLs
Herkömmliche Kaltkathodenstrahllampen, sogenannte CCFLs (cold-cathode fluorescent lamps), die zur Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden, werden in Röhrenform nebeneinander oder untereinander angeordnet. Ihr Licht trifft auf einen lichtleitenden Kunststoff, der das Licht möglichst gleichmäßig verteilen soll, bevor es die erwähnten Polarisations-, Ausrichtungs- und Farbfilter durchläuft. Die gleichmäßige Lichtverteilung ist in der Praxis aber häufig schwierig, und so können unterschiedlich helle Bereiche auftreten, in der Regel an den Stellen, an denen sich die CCFL-Röhren befinden. Weiterer Nachteil sind die niedrigen Kontrastwerte: Bedingt durch die Bauart können die Lichtröhren nur alle gleichzeitig gedimmt werden. Bei Szenen mit sowohl dunklen als auch hellen Bildteilen müssen somit alle CCFLs hochgeregelt werden – aus Schwarz wird dann Grau und Details gehen somit in den dunklen Bereichen verloren. Dies wird schon jedem Science-Fiction-Fan aufgefallen sein, wenn das Raumschiff in den schwarzen Orbit vorstößt, der eher grau-verwaschen daherkommt. Vorteile von LCDs mit CCFLs sind die Leuchtstärke der Lampen, die auch einen problemlosen Einsatz in hellen Räumen ermöglicht, sowie die mittlerweile sehr kostengünstige Produktion, die sich in niedrigen Marktpreisen niederschlägt.

Hintergrundbeleuchtung mit LEDs
Mit sogenannten LED-Monitoren wird keine grundsätzlich neue Technologie beschrieben; auch bei ihnen handelt es sich um LC-Displays mit der beschriebenen Technik, nur dass als Hintergrundbeleuchtung LEDs anstelle von CCFLs zum Einsatz kommen. Bei diesen LED-Backlight-Monitoren wird zwischen dem Edge- und dem Direct- oder auch Full-LED-Prinzip unterschieden. Beim Edge-Prinzip, auch Rahmen-Hintergrundbeleuchtung genannt, werden die LEDs lediglich an den Rändern des Monitors angebracht, und das Licht wird über ein Leitersystem über den Bildschirm verteilt. Vorteil dieser Anordnung ist die extrem flache Bauweise der Monitore und der geringe Stromverbrauch; allerdings bleiben die Nachteile von LCD-Monitoren mit CCFLs – ungleichmäßige Ausleuchtung sowie geringe Kontrastwerte – bestehen. Beim Full-LED-Prinzip, also direkter LED-Hintergrundbeleuchtung, werden die Leuchtdioden ganzflächig hinter dem Display platziert, je nach Monitorgröße sind dies bis zu 3.000 LED-Lampen. Diese LEDs werden zu einzelnen Clustern zusammengefasst, deren Helligkeit dann über eine Local-Dimming-Technologie einzeln geregelt wird. Auch wenn diese Regelung nicht pixelgenau ist, so wird das Panel sehr viel gleichmäßiger ausgeleuchtet und die Kontrastwerte werden deutlich erhöht. Weiterer Vorteil im Vergleich zur Beleuchtung mit CCFLs sind der geringere Stromverbrauch und die mit ca. 100.000 Stunden fast doppelt so lange Lebensdauer – ein Faktor, der gerade im professionellen Bereich ausschlaggebend sein kann.

OLED – Organische Leuchtdiode
Neueste Technologie im Bereich der Flachbildschirme sind organische Leuchtdioden, kurz OLED (Organic Light Emitting Diode). Im Gegensatz zur traditionellen Elektronik, die auf anorganischen Leitern wie Kupfer oder Silizium beruht, ist die Basis von OLEDs Kohlenstoff. OLED-Bildschirme kommen ohne Hintergrundbeleuchtung aus und Emittieren selbst farbiges Licht, so dass keine Farbfilter benötigt werden. Das Ergebnis ist ein sehr hoher Kontrast (zehn Mal höher als bei aktuellen LCDs) und eine sehr viel bessere Farbdarstellung. Weitere Vorteile sind die äußert geringe Bautiefe, die noch unter der von LCDs mit Edge-Prinzip liegt, und Reaktionszeiten, die die Werte von LCDs um das 1.000-fache übertreffen: Bei einigen Geräten beträgt sie gerade einmal 0,001 Millisekunden. Problematisch ist derzeit noch die geringe Lebensdauer von OLEDs, die bei nur einigen Tausend Stunden liegt und gerade im Dauerbetrieb schnell erreicht wird.

Merkmale professioneller Broadcast-Monitore Wichtigstes Merkmal professioneller Broadcast-Monitore ist – neben der sehr hohen Bildqualität und den herausragenden Kontrastwerten – die Möglichkeit zur Farbkalibrierung, die von der European Broadcasting Union (EBU) vorgeschrieben wird. Aber auch Funktionen, wie zum Beispiel ein integriertes Waveform Display und ein Vektorskop, mit dem sich Farbe und Bildqualität auch ohne externe Messgeräte kontrollieren lassen, sind bei Drehs im Außenbereich, bei denen es auch mal schnell gehen muss, nicht mehr wegzudenken. Und welcher Consumer-TFT hat schon SDI-Eingänge aufzuweisen, die bis zu 3Gb/s unterstützen? Zusätzlich natürlich zu Composite-, S-Video-, Component-, RGB- und HD-/SD-SDI-Eingängen. Zudem bieten Broadcast Monitore der Klasse 1 die verbindliche, farbechte Wiedergabe verschiedener Farbräume, wie SMPTE-C, REC 709, DCI-P3 sowie EBU und User Defined, mit der sich Farben absolut realistisch darstellen lassen, so dass sichergestellt ist, dass das abgelieferte Endprodukt von einer einheitlichen und der Wirklichkeit entsprechenden Farbgebung ist.

Security-Monitore: für 24/7 entwickelt
Während die Vorteile professioneller Broadcast-Monitore also auf der Hand liegen, sind sie im Bereich der Videoüberwachung schwieriger auszumachen. Composite-Videoeingänge lassen sich an der Monitorrückseite identifizieren, aber sonst? Und wer braucht überhaupt noch Videoeingänge, wenn er im Bereich der IP-basierten Überwachung unterwegs ist – da erfolgt der Anschluss via DVI oder HDMI an den PC. Also gleich zum Elektro-Discounter und einen preiswerten TFT-Monitor einer Consumer-Marke gekauft? Prinzipiell ist dies natürlich möglich, und in der Darstellung der Videobilder wird man keinen Unterschied erkennen – zu Anfang jedenfalls nicht. Allerdings sollte man nicht übersehen, dass diese Panels für andere Anforderungen als in der Videoüberwachung gefertigt wurden und dass zum Beispiel auch ein Gamer, der sich in irgendwelchen Spielewelten verliert, irgendwann einmal schlafen muss und den Monitor ausschalten wird und ihm somit eine Pause gönnt. Für einen Einsatz rund um die Uhr sind diese Panels nicht konstruiert und werden daher eher früher als später ihren Geist aufgeben – ein Risiko, dem man sich im sensiblen Bereich der Sicherheitsanwendungen nicht aussetzen sollte. TFT-Monitore, die für CCTV-Anwendungen entwickelt wurden, wurden für die 24/7-Überwachung konstruiert, ihre Panels sind robuster und langlebiger und benötigen keine Pause. Zudem verfügen sie häufig über wichtige Zusatzfunktionen, die zum Beispiel ein Einbrennen von Bildern verhindern – insbesondere bei Szenarien mit wenig Bewegung ein wichtiges Merkmal. Im Gegensatz zu CRT-Monitoren, bei denen es tatsächlich zum Einbrennen des Bildinhaltes in der Phosphorschicht der Bildröhre kommen kann, tritt dieses Phänomen bei LCD Monitoren durch eine statische Aufladung von Teilen des Bildschirms auf, wenn der Bildschirm-Inhalt über eine lange Zeit nicht wechselt, wie dies bei Überwachungssituationen häufig der Fall ist. Professionelle Monitore für die Videoüberwachung verfügen daher häufig über entsprechende Anti-Burn-in-Funktionen. Darüber hinaus wird die Bildqualität professioneller CCTV-Monitore oft durch einen digitalen 3D Kammfilter-Dekoder zusätzlich verbessert, der Farbschlieren und unruhige Farbkanten verhindert, indem er vorherige mit den folgenden Bildern verrechnet und so die verschachtelten Farb- und Schwarz-/Weiß-Signale besser voneinander trennt.

Fazit
Die Entwicklung im Monitor-Bereich schreitet rasant voran, und insbesondere Monitore mit Full-Direkt-LED Hintergrundbeleuchtung erreichen mittlerweile eine Bildqualität, die auch die letzten Fans von CRT-Monitoren gnädig stimmen sollte. Und der Ausblick auf die OLED-Technologie, die schon jetzt bei einzelnen Monitoren unseres Lieferanten TVlogic zum Einsatz kommt, zeigt, dass die Bildqualität von Flachbildschirmen zukünftig sogar höher sein wird als die von Röhrenmonitoren. Hersteller gehen davon aus, dass sich diese Technik bis 2016 durchsetzen wird und sich OLED-Monitore dann preislich auf dem Niveau heutiger LCDs bewegen werden. Im Broadcast-Bereich ist die Notwendigkeit professioneller Monitore unstrittig. Im Security-Bereich hingegen ist die Versuchung groß, preiswerte Consumer-Monitore zu verwenden. Allerdings sollte nicht übersehen werden, dass der höhere Preis eines speziell für die Videoüberwachung entwickelten Monitors absolut gerechtfertigt ist. Die Belastung, die Panels im Dauerbetrieb aushalten müssen, ist enorm – da sollte man sich nicht auf Consumer-LCDs verlassen.