Загрузка...

Аппаратное обеспечение. Средства визуализации информации. Графические дисплеи.


Принципы построения изображения. Понятие апертурой решетки и теневой маски. Дисплеи на жидкокристаллической матрице. Выбор монитора.

Для работы в области компьютерной графики неотъемлемым условием является наличие двух компонент — аппаратного и программного. Средипервых не последнее место занимаю устройства, обеспечивающее ввод графической информации и интерактивное взаимодействие. Главенствующую роль играют дисплеи.

Традиционно они делятся на графические и алфавитно-цифровые. Последние не входят в зону наших интересов, поэтому остановимся на первых.

Графические дисплеи — устройства, служащие для визуального отображения, создания и редактирования графической информации на экране. Существующие модели можно соотнести к одному из следующих классов:

— графические дисплеи на запоминающей электронно-лучевой трубке (ЗЭЛТ);

— дисплеи с векторной регенерацией;

— растровые дисплеи на электронно-лучевой трубке;

— плоские растровые дисплеи на жидкокристаллической электронной матрице (ЖКЭ). Рассмотрим их более подробнее.

Графические дисплеи на запоминающей трубке с прямым копированием изображения устроена наиболее просто. Электронно-лучевая трубка (называемая иначе бистабильной запоминающей трубкой) покрыта люминофором с длительным периодом послесвечения. Линия или литера остаются видимыми на ней в течение длительного времени (до одного часа), прежде чем станут неразличимыми. Интенсивность луча для этого увеличивают до соответствующей степени, чтобы вызвать запоминание следа луча на люминофоре. Для стирания изображения на всю трубку подают специальное напряжение, снимающее свечение люминофора. Экран вспыхивает и принимает исходное (темное) состояние. Процесс занимает 1/2 с. Стирать отдельные фрагменты нельзя, а создание динамического движения или анимации невозможно. Единственно, что возможно в этой ситуации, так это использование промежуточного состояния (режим рисования поверх изображения). Интенсивность луча меньше порогового, которое вызывает запоминание, но достаточное для свечения люминофора. Однако поскольку изображение не сохраняется, то необходима постоянная перерисовка. Как устройство векторного типа дисплей позволяет нарисовать любой отрезок в адресуемой области. Относительно легко, быстро и недорого можно получить твердую копию экрана (дамп). Их более легко программировать, нежели устройства с регенерацией изображения. Возможно объединение в сети в качестве саттелитных графических систем. Важные достоинства — практически неограниченное количество векторов, отсутствие мерцания. Недостатки — низкий уровень интерактивности, отсутствие цвета.

Характеристики экрана неплохи (даже в свете текущего момента):

1024 х 1024 (10 бит) на экране 8 х 8 дюймов (ЭЛТ с диагональю 11 дюймов) или 4096 х 4096 (12 бит) на экране 14 х 14 дюймов (ЭЛТ с диагональю 19 дюймов) и на экране 18 х 18 дюймов (ЭЛТ с диагональю 25 дюймов). По вертикали обычно видно 78% адресуемой области.

Векторные графические дисплеи с регенерацией изображения созданы на базе ЭЛТ, в которых люминофор имеет очень короткое время послесвечения. Такие дисплеи часто называются дисплеями с произвольным сканированием. Изображение за секунду должно многократно перерисовываться или регенерироваться. Минимальная скорость регенерации равна 30 (1/с), чем выше — тем предпочтительней (40, 50 и более кадр/с). Аналогия связана с просмотром кинофильма, где частота смены кадров невысока (<16 кадров в секунду). Для векторного дисплея с регенерацией изображения необходимы (кроме ЭЛТ) следующие элементы: дисплейный буфер — непрерывный участок памяти, содержащий оперативную информацию об изображении, выводимом на экран (видеопамять) и дисплейный контроллер, функции которого заключаются в том, чтобы циклически обрабатывать эту информацию со скоростью регенерации. Поэтому всплывают две важные характеристики — размер видеопамяти и скорость контроллера Еще одно ограничение — скорость обработки геометрической информации, необходимой для выполнения операций преобразования, отсечения и работы с текстом. Схематично процесс можно представить в следующих вариантах:

clip_image002

В обоих случаях предполагается, что геометрические преобразования реализованы аппаратно в геометрическом процессоре. В первом случае процесс идет несколько медленнее, чем необходимо на практике (4000-5000 векторов). Данные посылаемые дисплею, обрабатываются предварительно в дисплейном буфере который затем передает необходимую порцию инструкций генератору векторов и литер, формирующему изображение на ЭЛТ. По достижении конца дисплейного буфера указатель контроллера перемещается на начало и цикл повторяется снова.

В случае первой схемы имеет место принцип двойной буферизации и раздельного изменения изображения, т.к. геометрический процессор не успевает сгенерировать новое или измененное изображение. Поэтому одна часть буфера занимается обработкой и записью измененного изображения, другая работает с дисплейным контроллером. При завершении изменения изображения буферы меняются местами. Таким образом, новое или измененное изображение появляется каждый второй, третий, четвертый и т.д. циклы. Это позволяет избежать одновременного вывода части старого и нового изображений.

Во второй схеме геометрический процессор работает быстрее, чем необходимо. В связи с этим данные (в виде чисел float), посылаемые с ЦПУ, сохраняются непосредственно в дисплейном буфере и затем считываются дисплейным контроллером за один цикл регенерации. После чего пропускаются через геометрический процессор и результат используется генератором вектором (для формирования изображения на ЭЛТ).

Способность к регенерации позволяет, при изменении координат, создавать динамические изображения. Отдельные точки (с неизменными координатами) стабильны, другие — перемещаются. В базе данных рисунка происходит сегментация, и соответствующие данные помещаются в отдельные сегменты дисплейного буфера (статический и динамический). Это свойство упрощает работу геометрического процессора. Модификацию статического сегмента можно изменить с помощью функций геометрического процессора, т.е. локально, без связи ЦПУ. Для динамического изменения требуется “интеллектуальная поддержка” со стороны ЦПУ.

Насколько важна скорость связи (соответственно ширина полосы пропускания) между ЦПУ и графическим устройством демонстрирует следующий пример. Необходимо провести изменение кривой, описываемой 250 точками звеньев. Система координат — 3D. Для представления чисел используем 6 значащих цифр (литер). Каждая литера — байт (8 бит). Тогда при min скорости регенерации — 30 кадр/с и при условии, что модификация идет в каждом цикле регенерации ширина полосы равна:

Vreg* Nточек*Kкоорд.* Rзнач. цифр*Bбит = 30*250*3*6*8 = 1 080 000 (бит/с). Для сложных поверхностей (3D) это число может возрасти в 10 раз. Поэтому часто, для решения подобных задач, требуется применение параллельного интерфейса или интерфейса прямого доступа в память.

Растровые графические дисплеи с регенерацией изображения имеют экран, который можно рассматривать, как матрицу дискретных ячеек, каждая из которых может светиться. Линейный отрезок создается путем аппроксимации последовательности соседних, примыкающих точек. Идеальный вариант проявляется при построении горизонтальных, вертикальных или рассположенных под углом 45° отрезков. В остальных случаях, как упоминалось ранее, имеет место “лестничный эффект”.

Для объяснения многих понятий уместно ввести термин буфер кадра. Буфер кадра — это большой непреравный участок памяти компьютера. Для каждой точки (pixel) в растре отводится не менее 1 бита памяти, которая называется битовой плоскостью. Для квадратного растра 512 х 512 надо 218 бит (262144) памяти в одной битовой плоскости. Изображение в буфере кадра строится побитно. Ввиду того что бит может быть 0 или 1 для одной битовой плоскости ® изображение черно-белое. Передача цифрового сигнала в аналоговую ЭЛТ производится через ЦАП.

Для создания градаций или работы с цветом необходимы дополнительные битовые плоскости. При этом для N цветов используются N битовых плоскостей. Интенсивность варьируется от 0 (темный экран) до 2N-1 (максимум). Число доступных уровней интенсивности можно увеличить расширив память и применив таблицу цветов. В таблице 2N элементов. Каждый содержит W бит (причем W может быть > N).

Для увеличения количества цветов (доступны только 2N) таблицу цветов надо изменить (перезагрузить).

Другой вариант можно реализовать через RGB цвета применив простой цветной буфер кадра с 3-мя битовыми плоскостями. Каждая плоскость управляет своей пушкой ЭЛТ и позволяет получить 8 цветов. Если для каждой цветовой пушки применить дополнительные битовые плоскости (по 8), то каждая группа цветов будет управлять 8 разрядным ЦАП и генерировать 28 (256) цветов. Их можно скомбинировать в (28)3=224=16 777 216 цветов. Это “полноцветный” буфер кадра. Его, затем, можно и дальше увеличить путем использования групп битовых плоскостей в качестве индексов в таблицах цветов. Так, если имеется N бит на цвет, W разрядов таблицы цветов, то одновременно может быть показано (23)N цветовых оттенков из палитры (23)W цветов. Тогда, например, для 24 битовых плоскостей (N=8) и 10 разрядов таблицы цветов (W=10) получим 224=16 777 216 цветовых оттенков из (23)10=1 073 741 824 цветов.

Примечание! Важно учесть, что большое количество пикселей в растровых графических устройствах не дают высокой контрастности, как векторные системы; процесс регенерации при очень большом количестве цветов и оттенков замедлен. Однако в отличие от векторных устройств, растровые системы позволяют работать со сплошными твердотельными фигурами, допускают проведение булевых операций, дают множество градаций и оттенков с плавными переходами цветов.

Конструктивно экран растрового дисплея выполнен по схеме: 1) с теневой маской (щелью); 2) с апертурной решеткой; 3) на жидкокристаллической матрице.

В моделях первой и второй групп (с ЭЛТ) электронные пушки объединены в 3-угольный блок. В мониторах с маской между люминофором и лучами пушек помещают перфорированная металлическая сетка с мельчайшими отверстиями. Отверстия выполнены также по сотовой схеме (треугольник). Они выполняют роль бленд, маскируя от пересечения одного луча другим. Изменяя интенсивность лучей получается множество оттенков для каждого пикселя (обычно для дисплеев с высоким разрешением на каждый пиксель приходится от двух до трех цветовых триад).

В системах с апертурной решеткой между экраном и лучам установлена сетка из мельчайших горизонтальных и вертикальных проволочек т.н. апертурной решетки. Последняя также выполняет роль “фильтра” при создании цветовой гаммы на экране.

В отличие от систем с теневой маской, дающих очень четкое, контрастное изображение (весьма нелишнее для САПР, точной детализованной графики), системы с апертурной решеткой обеспечивают высокую цветопередачу, глубокую насыщенность и потому широко используются для мультимедийных, дизайнерских, полиграфических приложений.

Плоские дисплеи на жидкокристаллической матрице (ЖКЭ) обладают свойством оптической поляризации под действием электрического поля. Технология основана на использовании жидкофазной упорядоченной молекулярной структуры (жидких кристаллов), размещенных между двумя прозрачными электродами и способной отклонять световой поток. При отсутствии электр. поля кристаллы направляют свет через поляризующие фильтры и на экране виден естественный фон. При подаче напряжения световой поток отклоняется так, чтобы он поглощался одним из поляризаторов, и на экране появляется темное изображение. Чем больше молекул кристалла меняют угол ориентации, тем выше контрастность. Существуют варианты с пассивной и активной матрицей элементов. В пассивных ЖК дисплеях вся активная электроника (транзисторы) располагаются вне экрана. Жидкие кристаллы-нематики с пассивной матрицей имеют ряд недостатков — медленную реакцию, низкую контрастность, малую яркость., высокую цену (цветные). Различают TN (twisted nematic — скрученный нематик (в диапазоне 90?). Такие дисплеи недороги. Дают черный цвет на серо/серебристом фоне. Другой тип — STN (supertwisted nematic). Эти имеют угловой диапазон от 0 до 180-270°. Применяются в портативных монохромных и цветных дисплеях. Активные матрицы представляют большое количество тонкопленочных транзисторов расположенных на стеклянной подложке, т.е. встроенных в каждый пиксел изображения. Для разрешения 640 х 480 пикселей требуется 921600 транзисторов. Дисплеи бывают отражающие или с задней подсветкой. Для отражающих необходим внешний свет. Для вторых источником света кристаллов является блок подсветки, выполненный на базе холодно катодных газоразрядных ламп. Графическая цветовая точка создается соответствующими светофильтрами основного спектра RGB. Диагонали активной матрицы изображения в 13.8, 14.5, 15.2 и 17.8 дюйма практически равны ряду ЭЛТ — мониторов от 15 до 21 дюйма. Все качественные панели имеют цветопередачу не ниже 18-24 бит и разрешение 1024 х 768 точек. Стоимость не превышает 5000$. Пассивные матрицы дешевле (~ 1500$), но исключают возможность использования в мультимедийных целях. Многие матрицы дают хорошее изображение даже при прямой солнечной засветке экрана. Тем более используют это свойство для создания дополнительной подсветки (dimming) от полупрозрачной подложки, уменьшая, а иногда и полностью отключая блок подсветки.

Загрузка...