Šetří nám televizory po 1. březnu za spotřebu? Eco design ano, ale….

Problematice spotřeby televizorů, jejich energetickým štítkům, postupům měření příkonu podle Nařízení EU, spolehlivosti deklarovaných údajů od výrobců a jejich kontrole orgány dozoru nad trhem, jsme se věnovali v odkazovaných a dalších několika článcích již od konce minulého roku. Na konci února jsme měli příležitost se u výrobce Samsung zúčastnit jimi pořádaného Technického summitu v rámci konference Mediální dny. Tam jsme v závěru slíbili, že se k technickým podrobnostem z tohoto summitu vrátíme a uvedeme, jak se společnost Samsung vyrovnala s novým předpisovým rámcem EU a vlastní energetickou náročností velkých 8K displejů.

O tom, jak vlastně technologie velkých (a nejenom 8K) displejů předstihla reálné možnosti vysílání UHDTV, nedostatku nativního obsahu a softwarových úpravách signálů s nižším rozlišením jsme psali v článku:

Ultra HD vysílání a 8K televizory Mají šanci uplatnit se na trhu?

Druhy displejů z pohledu energetické náročnosti

LCD

Jako nejrozšířenější a cenově po léta nejpřístupnější se na trhu etablovaly displeje na bázi tekutých krystalů – LCD. Nesmí nás mást často používaný výraz LED displej, který jen nahrazuje nezbytné, původně zářivkové, podsvícení tekutých krystalů větším či menším počtem světlo emitujících diod. I technologie QLED, donedávna propagována zejména Samsungem a používána u značek TCL a Hisense, vychází z klasického LCD zobrazovače, jen je doplněna kvantovými body (Quamtum Dots), jejichž speciální vrstva slouží ke zvýšení jasu a větší čistotě barev. Otázka spotřeby těchto LCD obrazovek je dána tím, že je vždy stejná a určená příkonem stejnoměrného podsvícení, ať již obvodových trubic, nebo svítícími diodami uspořádanými plošně nebo zónově, či jako v mini provedení. Vždy musí být napájeny všechny a svítit, i když je scéna za hluboké tmavé noci. Známý efekt, že černá není černou. Je logické, že nárok na energetický příkon se s počtem těchto diod/minižárovek zvětšuje s počtem požadovaného vyššího rozlišení a pixelů (8 mil. u 4K a 33 mil, u 8K).

OLED

Technologie na bázi OLED – organických „samosvítících“ diod, nezávislých na podsvícení, má nároky na dodávanou elektrickou energii nižší (60–80 % příkonu LCD). K tomu přispívá i ten fakt, že v době noční scény (černá je opravdu černá) je možno tyto diody zcela vypnout, protože světlo zde produkují samotné krystaly. Na rozdíl od LCD je tudíž spotřeba OLED displejů nižší, avšak proměnná, a závislá na jasu zobrazované scény. A opět samozřejmě úměrná počtu svítících pixelů. Vliv na spotřebu má samozřejmě i řídící elektronika, která logicky musí být výkonnější v případě 8K displejů, má-li oslovit 4x větší počet zářících bodů než u 4K.

Další roli hraje také vlastní konstrukce OLED displejů, a to, zda světlo pro jednotlivé pixely vychází ze čtyř zdrojů – WRGB, jako klasické „bílé“ WOLED konstrukce, nebo tří zdrojů – RGB, jako u modré OLED.

Srovnání mezi uspořádáním konvenčním OLED a QD-Displejem OLED (Zdroj: Samsung display)

Právě Samsung přechází u svých obrazovek na chuť této poslední variantě QD-displeje – OLED s kvantovými body/tečkami, které bude obchodně nabízet pod obecným názvem OLED. Vzhledem k tomu, že tato nová technologie umí přímo vytvářet zhruba stejnou úroveň základních barevných složek bez nutnosti přídavného filtrování, podívejme se na ni podrobněji.

Technologie OLED s kvantovými body (QD-OLED)

Základní popis technologií dnešních displejů může čtenář také najít v tomto článku. O OLED technologii s kvantovými body jsme se zmínili v článku o uplatnění 8K televizorů na trhu již v úvodu. Kvantové tečky, neboli body, jsou extrémně malé polovodičové částice (o průměru 2-10 nm), které se aplikují na organické svítící diody OLED proto, že mají unikátní vlastnosti. Nejvýznamnější je jejich vztah mezi velikostí a barvou vyzářeného světla, které se získá jak fotoluminiscencí, tak i elektroluminiscencí. Výsledkem je vyzářené světlo o přesné vlnové délce určené průměrem kvantové částice. Vlastní barevné světlo, po vybuzení elektronů na vyšší energetickou hladinu, vyzařují klesající fotony. Bližší vysvětlení podává kvantová teorie rozptylu optického záření v atomu a podrobnější popis těchto jevů je možné nalézt zde nebo další informace si může čtenář přečíst na stránkách samsungdisplays.com.

Ve srovnání s tradičními OLED a i dalšími LCD displeji může QD-OLED produkovat nejužší vlnovou délku tří primárních barev R, G a B o srovnatelně stejném barevném jasu a tím také omezující rušivé širší a škodlivé modré světlo zasahující až do ultrafialové oblasti spektra (Zdroj: Samsung: Deep Dive Into QD-OLED 2023 eBook)

QD-OLED displej implementuje barvu z kombinací tří primárních barev sestávajících z RGB sub pixelů v souladu s metodou aditivního míchání. Výsledkem je, že vysoký bílý jas lze realizovat bez vlivu na celkovou přesnost barev. V tomto případě obrazovky s QD-OLED jsou svítivosti v bílé a barvách téměř stejné (100 %), zatímco v případě konvenčních OLED (WRGB), tvoří bílá 60 % jasu (protože je tvořena 4 sub-pixely WRBG) a pouze ze 40% se na ní podílí barevné složky.

A jak jsme si řekli výše, příkon všech OLED je závislý na obsahu scény podle jejího jasu/světla, a je logické, že displeje QD budou nakládat se svými energetickými nároky úsporněji a podle některých poznatků dosahují pouze 40 % spotřeby LCD při intenzivnějším zobrazení zejména červené barvy. Za zmínku rovněž stojí, že technologie QD-OLED byla optimalizována pro zdraví očí s nízkou emisí škodlivého modrého světla v důsledku zúžení vlnové délky emitující modré.

Srovnání barevného jasu obou OLED displejů a hodnot maximálního jasu červené barvy (Zdroj: Samsung Display)

Technologie HDR a WCG

Technologie snímání a kamer pro výrobu obsahu značně pokročila. Dnešní moderní videokamery jsou schopny zachytit rozsah jasu od 0,0005 do 10 000 cd/m² (kandela na m² odpovídá 1 nitu) bez potřeby komprese. Zmíněný maximální jasový rozsah tak odpovídá stonásobku jasu běžného standardního rozsahu SDR. Současné běžné zobrazovače, byť kompatibilní s HDR, nejsou schopné tak velký dynamický rozsah reprodukovat. Při výrobě obrazových podkladů (dle normy ITU-R BT.2100) se proto v praxi počítá s reprodukcí největšího jasu 1000 cd/m² a nejmenšího jasu 0,005 cd/m².

Jas v otázce spotřeby energie však hraje důležitou roli vzhledem k měnícímu se příkonu u OLED displejů v závislosti na obsahu. HDR mění způsob, jakým jas a barvy videa jsou zastoupeny v signálu a umožňuje jasnější a detailnější zobrazení ve světlech a tmavší a detailnější vjem ve stínech a širší palety a intenzivnější barvy.

Základní informace o HDR formátech, včetně rozdílu v podání barev jsme již před léty uvedli v článku:

Vysoký dynamický rozsah obrazu (HDR): pěkná funkce televizoru, na jejíž využití si musíme počkat

Širší paleta barev je ale zase úkolem širokého barevného gamutu (WCG). Společně s HDR se někdy tyto funkce překrývají, tak jak je definováno v ITU doporučení R BT.2100, která zahrnuje WCG a dvě technologie HDR: HLG bez metadat a PQ (vjemová kvantizace) se statickými (HDR 10) a dynamickými metadaty (jako Dolby Vision a HDR 10+).

Je zřejmé, že veškerá vylepšení většího kontrastu v jasných scénách a širšího spektra barev pro diváky budou mít za důsledek větší odběr energie. Při tom všechny benefity závisí na technologických možnostech displejů. Jak bylo řečeno, dnešní běžné zobrazovače nejsou schopné reprodukovat maximální rozsah jasu, které HDR formáty umožňují a ani barev, které by bylo lidské oko schopno rozeznávat podle barevného trojúhelníka CIE (Diagram Chromatičnosti 1931xy). Pro vytvoření jakékoli barvy se používají aditivně primární R, G a B, v HDTV definované podle R.BT 709, pro filmovou výrobu jsou základní body určeny podle DCI-P3 a v UHDTV podle R-BT 2020, která představuje nejširší barevný gamut s až 12bitovou hloubku a je o 37 % širší než filmové DCI-P3 a o 72 % než barevný rozsah v HDTV. Přitom pokryje jen 57 % barev z diagramu chromatičnosti, neboli schopnosti lidského oka rozeznávání barev!

I tak v praxi toho stále dnešní komerční displeje nedosahují a pokud výrobci udávají, že mají „širší“ barevný gamut, je nutno tomu rozumět, že se obvykle blíží maximálně hodnotám filmového standardu DCI-P3. Výjimkou by měl být právě v předchozích odstavcích popsaný QD-OLED, který má dosáhnout 90 % pokrytí podle BT2020 jak ukazuje následující obrázek

Srovnání barevného pokrytí QD displejů OLED s BT2020 v diagramu chromatičnosti CIE 1976 uv (Zdroj:Samsung Displays: Understanding Quantum Dots)

Je zajímavé, že Samsung udává výše uvedenou 90 % shodu s BT 2020 pro televizory, zatímco pro monitory jen 80 %. To bude asi dáno tím, že televizory jsou opatřeny dalšími procesory, které výsledný obraz softwarově dotvářejí, dnes dokonce za pomoci procesů umělé inteligence (InteliSense AI v2.0) a u monitorů tento prosesing chybí.  Rovněž další nepřesnost bude způsobena tím, že požadovaná bitová hloubka 12bitů bude u těchto panelů dosahována dalšími procesory na bázi zvyšování snímkové frekvence elektronicky nebo s pomocí dalších modulů záměrně zavádějících náhodné kvantizační chyby. Všechny tyto procesy samozřejmě přispívají ke zvýšené spotřebě energie.

HDR a streamovací služby

Odbočme trochu k současnému stavu v šíření signálů HDR-TV, které se stává praktickým 4K UHDTV nástupcem HDTV (1080p). I když všechny formáty HDR byly navrhovány pro TV vysílání, tak se v současné době uplatňují pro UHDTV zejména u streamovacích služeb na vyžádání (VOD a v podobě aplikací), a to s dynamickými metadaty.

Pokud jde o HDR, tak naprostý základ je v současné době HDR10, ale Dolby Vision lze v současnosti označit už za standardně rozšířený. Ten podporují téměř všichni výrobci televizorů – Sony, Philips, LG, Panasonic, TCL, Hisense, až na Samsung (ale s Dolby Atmos ve zvuku).

Na Technickém summitu Samsungu na dotaz, proč jejich přijímače neumožňují zpracovat Dolby Vision společně s Dolby Atmos, zaznělo, že HDR 10+ jej plně nahrazuje. To je technicky možná pravda, ale metadata obou systémů nejsou vzájemně kompatibilní. HDR 10+ byl spoluvytvořen právě Samsungem, který jej poskytuje výrobcům obsahu bez licenčních poplatků, tj. zdarma. Avšak většina velkých streamovacích společností si přesto za Dolby Vision platí licenční poplatky. I Amazone Prime postupně z HDR 10+ začíná v poslední době přecházet na Dolby Vision. Vlastní příspěvek těchto různých HDR formátů ke spotřebě neumíme odhadnout.

Zpracování metadat, a dokonce více formátů HDR tak, aby divák nemusel kupovat televizi podle typu streamovací služby, kterou chce sledovat, vede logicky opět k dalšímu napájení příslušných obvodů, vlastně rozsáhlých čipů a přispívá tak svou měrou k vyšší spotřebě. Při tom, aby vysoký dynamický rozsah na příjmu měl smysl, je nezbytně nutné, aby se původní metadata původního snímku dostala v průběhu zpracování a celé distribuční cesty až k divákovi a nebyla uměle dotvářena v podobě „jakoby HDR“ až v cíli.

Jaké jsou možnosti snižování spotřeby?

Displeje s principiálně nižší spotřebou (OLED) jsou v důsledku zavádění dalších funkcí (4K, HDR, WCG) které pro diváka přinášejí zlepšení vizuálního vjemu, těmito funkcemi ovlivňovány vzrůstající spotřebou. K tomu přistupuje se stejnými důsledky na spotřebu další doplňkové zpracování signálu v procesorech, řízených umělou inteligencí podle zprůměrovaného názoru „to je pěkné“, a odstraňující nedokonalosti a artefakty nových funkcí nebo pochybení při prvotní výrobě. Vzhledem k tomu, spotřeba energie narůstá lineárně s velikostí úhlopříčky, a i s počtem pixelů (8K OLED), by bylo jediným prozatímním řešením tyto velké displeje ponechat jen pro herní účely a domácí kina, kde existuje nativní obsah a nabízet je jako informační displeje, což EU legislativa (Nařízení 2019/2013) umožňuje.

Jinak, až do snížení výrobních nákladů displejů na bázi μLED technologie (nebo i dosud víceméně neznámé), která je dle dosavadních teoretických znalostí 3x energeticky úspornější než organické světlo emitující diody, jsou možnosti výrobců dodržet přísnou regulaci EU pomocí dílčích technických úprav prakticky nulové.

Televizory šetřit budou, ale…

Na technickém summitu Samsungu u příležitosti Media day 2023  představitelé firmy upřesnili jak se vyrovnají s požadavky na index energetické účinnosti, který je na modely roku 2023, včetně 8K přijímačů, nově vyžadován v maximální hodnotě 0,9 (jak se počítá), stejné jako pro televizory 4K. Vycházejí z toho, že hodnoty pro zapnutý/vypnutý stav a pohotovostní režimy se v souladu s Nařízením Komise EU 2019/2013 měří v normální konfiguraci. Ta odpovídá nastavení displeje, které je konečnému uživateli doporučeno dodavatelem v nabídce prvního nastavení. Pro konečného uživatele musí v zamýšleném prostředí a pro zamýšlené použití zajišťovat optimální kvalitu.

Firma Samsung průběžně zlepšuje spotřebu energie displejů 8K od roku 2018. Příkladem může být 65“ televizor řady Q900, kde dosáhla snížení z 350 Wh na méně jak 300 v roce 2022. Ani to však není pro naplnění předpisového rámce dostatečné.

Z výzkumů diváckého chování má Samsung potvrzeno, že 80 % diváků nastavení obrazové kvality nemění a ponechává jej na standardním, což odpovídá normální konfiguraci pro standardní dynamický rozsah (SDR). Nově přidaný mód ECO umožňuje regulovat ostatní parametry kromě úrovně jasu, což by ani v zešeřelé místnosti nemuselo být velkým problémem, vzhledem k akomodaci oka, které by snížení jasu vzhledem k relativně zvýšenému vjemu kontrastu, nevnímalo negativně. Menu současně upozorňuje uživatele, aby sice zůstával ve standardním režimu, ale při tom další módy nastavení, jako dynamický a filmový zůstávají zachovány.

Tento přístup, nazývaný výrobcem „8K Eco Design“ potvrzují i první přijímače (typu NEO QLED 8K), které jsou nabízeny od 6. března na našem trhu na objednávku. Z energetického štítku 75“ televizoru QE75QN800CT vyplývá, že standardní spotřeba 141 kWh/1000h splňuje požadované EEI=0,9, avšak údaj skoro 400 W v režimu HDR tuto hodnotu překračuje téměř 3x.

Takže tímto řešením „o sytém vlku a celé koze“, ušetříme na nákladech za spotřebovaný proud ve standardním režimu (a standardním dynamickém rozsahu) i na velkých TV, ale za vyšší dynamický rozsah a širší paletu barev si stejně zaplatíme a předpisům bude učiněno zadost.

OLED přijímače s obrazovkou z kvantových bodů od Samsungu budou v tomto roce nabízeny ve 4K rozlišení, ale prozatím jsem je v našich e-shopech nenašel. Podobný přístup u letošních modelů zjevně použil i SONY, kde na dodatečném panelu „Eco Dashboard“ jsou všechna uživatelská nastavení na jednom místě, což usnadňuje jejich individuální nebo jednorázovou změnu. Pomocí možnosti Easy Setup (Snadné nastavení) mohou uživatelé optimalizovat nastavení pro prostředí, ve kterém sledují televizi.

Úvodní snímek je screenshot z videa: QD-OLED May Have Solved This Longstanding OLED TV Problem FOREVER