1、CRT显示器

阴极射线管（Cathode ray tube，CRT）显示器庞大笨重，在商业上已广泛被数字化的液晶显示器（Liquid crystal displays, LCDs）替代。但在视觉科学的研究中，CRT仍十分重要。

CRT 显示器

CRT显示器由一层荧光粉组成，荧光粉是一种有机材料，当显示器内部的电子枪发射电子束时，荧光粉会短暂发光。光束以一种被称为光栅的模式，从左到右，从上到下，快速地扫描显示屏。在每一行的末尾，电子束会短暂地停下来，然后跳回下一行的起点。这就是所谓的水平消隐期。当枪到达屏幕底部时，它会跳回屏幕顶部，开始下一帧的显示。

在模拟视频信号中，使电子枪跳回显示器顶部的信号被称为垂直同步脉冲。这个脉冲也包含在数字视频通信协议中，它有效地标志着视频信号下一帧的开始。后文会深入讨论视频同步的问题。

CRT显示器的光栅模式

商用LCD面板不以光栅模式照明。相反，它们有一个像素网格，这些网格同时被背光照亮。光线通过一个滤光片照射，滤光片挡住了所有非水平的偏振光。然后，光线通过液晶层，在液晶层的分子对光的偏振进行0-90度之间的旋转。一个分子旋转光线的程度取决于它的结构。电流可以改变液晶分子的结构，从而改变偏振角。

当光线通过LCD层后，一个红绿蓝滤光片将输出光谱限制为特定颜色的光。第二个滤光片只允许垂直偏振光通过显示屏，这意味着任何没有被液晶层改变的光(例如，仍然水平偏振光)都不会通过，像素将完全黑暗。

LCD显示器的各层结构

每当我们改变显示上单个像素的值时，我们必须改变负责该像素RGB强度的分子结构。根据显示器的不同，面板上的分子完全稳定在一个新位置可能需要几毫秒的时间。单个像素稳定所需的时间称为像素响应时间。

通常情况下，LCD显示器的背光是常亮着的，这意味着当液晶分子改变结构时，显示屏会显示像素亮度的完整变化。在一个典型的LCD上，这个斜坡可以持续5毫秒左右，从黑色过渡到白色，并且可以在如下所示的光电二极管记录中看到。

VIEWPixx显示器在传统背光模式下的像素亮度变化

非常慢的像素响应意味着像素转换滞后于视频信号的速度。这将导致图像在几帧之间拖影，这种现象被称为“重影”

LCD显示器重影

像素响应慢的另一个后果是运动模糊。特别是对于高对比度、快速移动的物体，像素稳定滞后于移动速度。因此，运动对象的边缘模糊化。

运动模糊现象

对于寻找严格控制的刺激，尤其是高对比度的移动刺激的视觉科学家来说，这些显示的伪影并不理想。

而CRT显示器的逐行扫描模式不会产生上述的重影和模糊伪影，这就是为什么CRT显示器一直被用于视觉科学的研究。然而，CRT显示器有其自身的局限性，特别是体积过大、越来越难买和有限的刷新率(通常小于75 Hz)。

为了满足现代显示器的需求，VPixx开发了一款高分辨率、120hz的LCD显示器，带有扫描背光模式，可以模仿CRT显示器的光栅模式。

扫描背光技术

使用扫描背光技术，液晶分子在几乎完全稳定之前，单个像素不会被照亮。肉眼可看到的结果是更干净的帧转换，最小的重影和运动模糊。

下面左边的图片显示了单个像素在不启用扫描背光模式的情况下，从黑到白再到黑的转换过程中的亮度。到亮度峰值的上升时间为5 ms，下降时间为1 ms。右边的图像显示了在背光开启的情况下，像素的亮度变化(黑-白-黑-白-黑)。在这里，上升和下降的时间都是1毫秒。

VIEWPixx /3D显示器在扫描背光模式关闭与开启下的像素亮度变化

2、LCD技术

我们已经介绍了LCD的基本工作原理，但并不是所有的LCD都是一样的。在本节中，我们将讨论不同的LCD技术，并重点讨论它们对整体显示效果的影响。

2.1 背光技术：荧光、白光LED与RGB LED

不同的背光光源

在LCD背光中使用的光源对显示器的色域、亮度和颜色的均匀性有重要的影响。

老式的消费型LCD面板通常使用冷阴极荧光灯(CCFL)作为背光光源。虽然不贵，这种光源往往产生一个相对狭窄的色域，这在观感上会使颜色显得有些褪色。CCFL面板的显示亮度和色彩均匀性也相对较差(<80%)，容易出现热点。

随着可靠的发光二极管(LED)的兴起，许多高端lcd已经开始使用LED背光，以利用其更宽的色域、更好的对比度和更高的能源效率。LED背光可以是白色的，或者是由RGB LED的混合物来产生广谱白色。

一般来说，RGB LED比白色LED能产生更宽的色域。这两种类型的背光都可以校准，以实现均匀的显示亮度。而RGB LED显示器可以工厂校准到行业标准的白点，确保整个显示器的颜色均匀。

VIEWPixx /EEG使用白色LED背光，而VIEWPixx和VIEWPixx /3D使用RGD LED。三种显示器的亮度均为>95%。VIEWPixx /EEG具有大约90%的颜色均匀性。VIEWPixx和VIEWPixx /3D是工厂校准到D65工业标准白点，并在整个面板上具有>95%的颜色均匀性。

2.2 面板技术：扭曲向列型和平面转换

液晶显示器中液晶分子的结构和行为也对显示性能产生影响。具体来说，分子的布局会影响它们的颜色保真度、对比度和观看角度。分子的行为也决定了像素的响应时间。

两种主要的LCD面板技术是扭曲向列型(TN)面板和平面转换(IPS)面板。

TN面板具有相对较快的像素响应时间（约5ms，黑→白→黑）。这意味着TN面板能够与VIEWPixx扫描背光的快速移动保持同步。VIEWPixx /3D和VIEWPixx /EEG都使用TN面板。然而，TN面板有一个相当小的可视角，这意味着当从侧面观看显示器时，颜色和亮度会发生巨大的变化。

相比之下，IPS在LCD层中采用平行分子结构，以在更大的视角范围内保持更丰富的色彩。

然而，IPS面板很慢(像素响应时间~7毫秒)。这种稳定时间可能会滞后于扫描背光，从而导致重影，所以我们不建议使用扫描背光模式的IPS显示器。VIEWPixx使用IPS面板，因此更适合呈现丰富的静态彩色图像。

2.3 位深

数字视频信号将彩色信息转换成二进制信号。显示器的位深是指可以在屏幕上传输和显示的色彩层数。位深度越高，可以使用的色彩层面越多，图像中显示的颜色或灰度值之间的梯度就越细。

不同位深的显示效果，从左到右：从低到高

典型的屏幕使用8位RGB颜色，其中全白由RGB颜色三元组[255,255,255]表示。这意味着用户可以在256个二进制步(0-255)中进行黑白调整。相比之下，10位颜色将相同的颜色空间分成1024个二进制步，12位则产生4096个二进制步。

所有三种VIEPixx默认都使用8位色彩。VIEWPixx /3D和VIEWPixx都有特殊的颜色模式，允许用户以更高的位深显示图像。VIEWPixx /3D最多支持10位，而IPS面板技术的VIEWPixx最多支持12位。

3、数字I/O与同步

我们的VIEWPixx系列不仅仅是一个屏幕。这三种显示器都内置了用于数据同步的硬件。在本节中，我们将详细介绍其中的一些特性。

3.1 零图像处理和确定的视频呈现时间

所有三种VIEPixx都通过双链路DVI（Dual-Link DVI）接口从您计算机的显卡直接接收视频信号。

在前文CRT章节提到的垂直同步脉冲同样存在于DVI视频协议中。当您的显示器接收到一帧完整的视频数据时，会在该帧画面数据后立即跟随一个垂直同步信号。在120hz下，显卡输出的每一帧画面不会进入我们显示器的缓冲区进行预载，相反，它们会立刻被显示出来。这意味着接收到垂直同步脉冲和屏幕点亮之间的时间是完全确定的。也就是说，使用垂直同步脉冲，我们可以以微秒级别的精度确定图像何时真正出现在你的显示器上。

当启用扫描背光时。垂直同步脉冲和显示器左上角像素（CRT光栅中第一个扫描的像素）稳定之间的时间正好是6毫秒。

数字TTL信号（在接收垂直同步脉冲时同步输出）与左上角像素亮度的时间差

我们的硬件可以通过编程，使垂直同步脉冲也触发输出信号的产生。在VIEWPixx /EEG上，这种触发完全由像素模式（Pixel Mode）驱动。

VIEWPixx和VIEWPixx /3D可以配置发送自定义触发信号的数字、模拟或音频通道。垂直同步脉冲也可以标记在机载系统时钟上，并用于将输入的数据(例如，从按键盒或第三方记录系统)与视觉刺激的呈现时刻联系起来。

3.2 I/O连接：Full与Lite系统

VIEWPixx和VIEWPixx /3D提供了一个完整的板载I/O接口，类似于DATAPixx2。这两个显示器的Lite版本在两个DB25端口上提供数字输入和输出。还有一个用于红外发射器和主动3D快门眼镜的VESA标准3D端口。虽然VIEWPixx也有3D接口，但我们只建议使用VIEWPixx /3D进行3D呈现，因为TN屏幕更适合快速过渡，有最小的串扰。

VIEWPixx和VIEWPixx /3D的Full版本包括Lite系统的所有功能，并在第三个DB25端口上支持模拟I/O(4通道数字转模拟，16通道模拟转数字)。Full版本还包括三个25毫米插孔，以实现音频输入，麦克风输入和音频输出。

VIEWPixx /EEG在单个DB25连接器上具有数字输出能力。该接口仅可通过像素模式驱动数字输出。

左：VIEWPixx和VIEWPixx /3D; 右：VIEWPixx /EEG

3.3 主试显示器输出

VIEWPixx和VIEWPixx /3D有一个双链路DVI输出，能够将视频信号的副本发送到可选的第二台显示器，方便主试进行观察。

重要的是，视频信号的复制发生在视频信号从显卡发出后，这意味着不会对显卡增加额外的工作量，不会影响显示时间。

3.4 编程控制

VIEWPixx和VIEWPixx /3D可使用VPixx提供的MATLAB/Psychtool或Python工具包进行编程控制，进行数据同步和数据采集。VIEWPixx /EEG则不支持。

4、参数对比表