Glider, ein Open-Source-eInk-Monitor mit Fokus auf geringe Latenz

Glider: Open-Source-Monitor mit elektronischer Tinte

Überblick

Merkmale

• Eine vollständige Lösung für EPD-Monitore mit geringer Latenz und hoher Bildwiederholrate
• Unterstützung für elektrophoretische Display-Panels mit paralleler Schnittstelle (Eink(R), SiPix und DES)
• Unterstützung für monochrome Bildschirme und farbige Bildschirme auf Basis von Color Filter Arrays (z. B. Kaleido(TM))
• Sehr geringe Verarbeitungslatenz von <20us
• Unterstützung für Ausgabemodi in Binär, 4-stufigem Graustufenmodus und 16-stufigem Graustufenmodus
• Latenzoptimierte Ansteuermodi für Binär- und 4-stufige Graustufen
• Hybrider automatischer Ansteuermodus für Binär- und 16-stufige Graustufen
• Regionsupdates und Moduswechsel, zur Laufzeit durch die Host-Software steuerbar
• Hardwareseitiges Bayer-Dithering, Blue-Noise-Dithering und Error-Diffusion-Dithering ohne zusätzliche Latenz
• Der Controller unterstützt nativ FPD-Link (LVDS), DVI (TMDS) und MIPI-DSI als Eingänge
• Das Board-Level-Design unterstützt USB-C (USB Type-C DisplayPort Alt Mode) und DVI als Eingänge

Hardware

• Xilinx(R) Spartan-6 LX16 FPGA mit Caster
• DDR3-800-Framebuffer-Speicher
• Type-C-DisplayPort-Alt-Mode-Videoeingang über die integrierte PTN3460-DP-LVDS-Bridge oder
• DVI-Videoeingang (Micro-HDMI-Anschluss) über den integrierten ADV7611-Decoder
• eInk-Stromversorgung mit +/-15V-Schienen und Unterstützung für Spitzenströme bis 1A
• Unterstützung für die Messung der VCOM-Rückschlagspannung
• Integrierter RaspberryPi(R) RP2040-Mikrocontroller für USB-Kommunikation und Firmware-Upgrades
• Verarbeitungsgeschwindigkeit bis 133MP/s bei aktiviertem Dithering, >200MP/s bei deaktiviertem Dithering

Komponenten

• Dieses Repository beherbergt das PCB-Design, den Firmware-Quellcode und ein Referenzdesign für ein 3D-druckbares Gehäuse
• Der RTL-Code befindet sich in einem separaten Repository: Caster

Bildschirm mit elektronischer Tinte

Grundlegende Funktionsweise

• Elektronische Tinte enthält geladene Partikel unterschiedlicher Farben, die in einem transparenten Medium verteilt sind. Durch Anlegen eines elektrischen Felds werden die Partikel nach oben oder unten bewegt, um Schwarz, Weiß oder deren Mischung zu erzeugen

Vor- und Nachteile

• eInk-Displays reflektieren Licht, verbrauchen wenig Energie und sind auch im Freien nutzbar
• Dank Bistabilität bleibt das Bild auch nach dem Abschalten der Stromversorgung erhalten
• Die papierähnliche Anmutung ist das wichtigste Unterscheidungsmerkmal

Rolle des eInk-Controllers

• Ein eInk-Controller ähnelt dem Display-Controller (DC/CRTC) + Timing-Controller (TCON) in einem LCD-System
• Er nimmt rohe Bilddaten entgegen und wandelt sie in die zum Ansteuern des Bildschirms erforderlichen Signale um

Arten von Bildschirm-Panels

• Es gibt Bildschirme mit integriertem Controller und solche ohne integrierten Controller
• Bildschirme ohne Controller benötigen einen dedizierten Controller oder ein SoC, während Bildschirme mit Controller sich direkt mit fast jedem MCU ansteuern lassen

Verwendung von Bildschirmen mit integriertem Controller

• Die meisten Komponenten sind bereits integriert, sodass nur wenige externe Bauteile erforderlich sind
• Die Verbindung zu MCU oder MPU ist über gängige Schnittstellen wie SPI oder I2C möglich

Verwendung von Bildschirmen ohne integrierten Controller

• Die Ansteuerung ist mit dedizierten Controller-Chips, SoCs mit integriertem Controller oder schnellen MCUs/SoCs möglich
• Mit dedizierten Controller-Chips können Daten von externen Geräten empfangen werden, wodurch sie sich für verschiedene Anwendungen eignen

Schnittstellensignale und Timing

• Schnittstellensignale und Timing ähneln denen von LCDs
• Jedes Pixel wird durch 2 Bit dargestellt; das bedeutet nicht 2bpp oder 4-stufige Graustufen
• Wie bei CRTs/LCDs gibt es Austastintervalle

Wellenformen verstehen

• Wellenformen sind Lookup-Tabellen, die festlegen, wie der eInk-Controller Pixel ansteuert
• Wellenformdateien sind unabhängig von der Auflösung; selbst mit einer falschen Wellenform kann ein erkennbares Bild angezeigt werden

Graustufendarstellung

• eInk-Bildschirme können durch geeignete Modulation einige Graustufenstufen darstellen
• Dies kann über Frame-Time-Modulation oder Frame-Count-Modulation umgesetzt werden

Farbdarstellung

• Vollfarb-EPDs lassen sich mit Color Filter Arrays (CFA) oder mehrpigmentigen Farbdisplays realisieren
• CFA erzeugt Farben mithilfe von Farbfiltern; die Steuerung ist vergleichsweise einfach, allerdings sinkt die Reflektivität des Bildschirms

Meinung von GN⁺

• Die eInk-Technologie ist aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs und der Eignung für den Außeneinsatz sehr nützlich für Geräte wie E-Book-Reader
• eInk-Displays bieten eine papierähnliche Darstellung, die helfen kann, die Augenbelastung zu verringern
• Das Verständnis der verschiedenen Modi und Wellenformen eines eInk-Controllers kann zu besserer Display-Leistung führen
• Farbige eInk-Displays haben derzeit noch den Nachteil einer geringen Reflektivität und wirken daher dunkler
• Bei der Planung neuer Projekte mit eInk-Technologie ist die Wahl von Controller und Wellenformen wichtig

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

Zusammenfassung ausgewählter Hacker-News-Kommentare

• Interessante Diskussion über Einschränkungen

  • Der Abschnitt über Einschränkungen war interessant. Ich frage mich, ob man 1 Speicherzelle pro Pixel analog nutzen könnte. Das wäre vermutlich komplexer und weniger präzise.

• Link zum ursprünglichen Repository

  • Das ursprüngliche Repository dieses Projekts ist hier. Den zugehörigen Tweet findet man hier.

• Informationsdichte im README

  • Schon allein die README-Datei beeindruckt durch ihre Breite und Tiefe an Informationen. Wenn solche Informationen öffentlich werden, kann man mit schneller Innovation und Veränderung rechnen.

• Erfahrungen mit dem Kindle

  • Ich benutze seit über 10 Jahren einen Kindle, und die Reaktionsgeschwindigkeit hat mich immer gestört. Ich weiß nicht, ob es ein Hardware- oder Softwareproblem ist. Ich freue mich, dass dieses Projekt sich auf die Reduzierung der Latenz auf der Hardware-Seite konzentriert.

• Unzufriedenheit mit dem Kindle

  • Ich frage mich, warum der Kindle ein so schlechtes Produkt ist. Ich nutze ihn, weil E-Ink und der E-Book-Markt gut sind, aber das Gerät selbst ist nicht wirklich gut.

• Dank für das Teilen von E-Ink-Wissen

  • Vielen Dank, dass du dein gesamtes Wissen über E-Ink öffentlich gemacht hast. Im README stehen viele großartige Informationen, auf die ich auch künftig zurückgreifen werde.

• Projektidee mit einem E-Ink-Display

  • Ich würde gern einen kompakten Mac-Klon mit einem E-Ink-Display bauen. Das wäre ziemlich cool.

• Großartige Arbeit und Dokumentation

  • Erstaunliche Arbeit, und die Dokumentation ist eine hervorragende Einführung in E-Ink-Displays.

• Optische Zerlegung des Kindle-Displays

  • Das Paper "Optical deconstruction of the Kindle Paperwhite display" gibt es hier. Es zeigt, was im Inneren des Displays passiert.

• Erwartungen an den Fortschritt der E-Ink-Technologie

  • Ich kenne mich in dieser Branche nicht aus, frage mich aber, wie nah E-Ink inzwischen daran ist, das Aussehen und Gefühl von Magazinqualität zu erreichen. Ich warte seit 30 Jahren auf eine Technik wie in Sci-Fi-Filmen der 80er, bei der Screenshots in Spielezeitschriften als vollständig animierte Videos erscheinen.