В этом разделе дается краткий обзор основных устройств, использующих растровое представление для отображения двумерной информации. В качестве примера реализации аппаратных средств для работы с растровой графической информацией рассмотрена архитектура современных компьютеров типа ПК (англ. PC - Personal
В предыдущем разделе было рассказано о растре как об абстрактном математическом объекте. При физической реализации растров возникают дополнительные характеристики. Основной из них является Разрешающая способность (англ. resolution) - количество точек физического растра в единице длины. Чаще всего это
ppi Также употребляются термины
dpi - точек на дюйм (англ. dots per ppi spi dpi.В большинстве случаев пиксели растра расположены равномерно по ширине и высоте, и для таких растров разрешающая способность одинакова по ширине и высоте. Если это не так (для некоторых принтеров и сканеров в частности), то в этом случае обычно пишут " 1200x2400 dpi ", где 1200 - разрешающая способность по горизонтали, а 2400 - по вертикали. Также термин разрешение употребляется в другом смысле - как размер растра в пикселях. Например, " разрешение экрана равно 1280x1024 ".
С точки зрения представления цвета важны два параметра:
Достаточно широкой цветовой гаммой обладают плазменные дисплеи и фотографическая пленка, а самой узкой - монохромные устройства (на диаграмме цветности соответствующаяся область вырождается в точку) (см. рис. 1.9).
Для представления графической информации в памяти используется термин Глубина цвета (англ. 1 (монохромное изображение), 8, 16, 24, 48.
Более подробно это понятие рассматривается в разделе 2.4.
Сканер - устройство получения изображений высокого разрешения (до 11000
По типу сканирования такие устройства классифицируются следующим образом.
(рис 2.1) Планшетный сканер.
(рис 2.2) Цифровой фотоаппарат.Цифровые фотоаппараты и видеокамеры аналогичны по принципам действия (система линз, проецирующая попадающий в объектив свет на небольшую плоскую площадку) традиционным аналоговым фото- и видеокамерам, соответственно. Основное различие состоит в том, что в аналоговых устройствах на этой площадке находится кадр светочувствительной пленки, а в цифровых устройствах - светочувствительная матрица ПЗС (англ.
(рис 2.3) Маска Байера.Видеокамеры нижнего ценового диапазона снимают видео с чересстрочной разверткой, т.е. кадр состоит из двух последовательно снятых полукадров, состоящих только из четных и нечетных строк изображения, соответственно. При быстром перемещении снимаемых объектов или самой камеры из-за заметной разницы в полукадрах возникают неприятные артефакты. Для решения этой проблемы при последующей обработке снятого видео производится деинтерлейсинг (англ.
Понятие разрешающей способности для таких устройств обычно не
Глубина цвета у большинства фото- и видеокамер - стандартные 24 бита/пиксель. У профессиональных моделей она больше - до 48 бит/пиксель.
Аспектовое соотношение у фотокамер - 4:3 (как у стандартных дисплеев) или 3:2 (соответствует пленке). У видеокамер - 4:3 или 16:9 (т.н. широкоэкранное видео).
Дисплеи являются самым распространенным типом устройств вывода графической информации. Они применяются везде - от мобильных телефонов до рекламных щитов.
Самый
Электроны сначала ускоряются электромагнитным полем, а затем отклоняются в нужном направлении перпендикулярным полем (эта часть ЭЛТ называется пушкой ). При попадании на поверхность экрана они вызывают свечение установленных там частиц люминофора, которое и воспринимается наблюдателем.
Чем большее ускорение (а следовательно, большую энергию) получил электрон, тем ярче светится люминофор. У цветных дисплеев имеется 3 пушки для каждого из базисных RGB-цветов, а по поверхности экрана равномерно распределены частицы люминофора, соответствующие базисным цветам. Чтобы электроны, выпущенные из соответствующей пушки, попали только на люминофор своего цвета перед экраном ставится щелевая маска или апертурная решетка. Время послесвечения люминофора незначительно, и изображение постоянно обновляется; для вывода одного кадра пушка выпускает электроны последовательно слева направо в каждой строке и по строкам снизу вверх. Количество обновлений всего изображения в секунду носит название частота обновления или частота развертки (англ.
(рис 2.4) Дисплей на ЭЛТ.Проблемой мониторов на ЭЛТ является то, что яркость свечения люминофора зависит от энергии попавшего на него электрона (в свою очередь определяемой напряжением в пушке Vs ) не линейно, а по закону $${\rm{I}} \sim {\rm{V_s^{\rm{ \gamma}}}}$$. Для большинства ЭЛТ $$\gamma \sim 2, 2$$. Для того чтобы компенсировать этот эффект, применяют т.н. гамма-коррекцию, т.е. подачу на пушку скорректированного напряжения $$V_{c} = V_{s}^{(1/\gamma )}$$.
Гамма-коррекция может также осуществляться программно, соответствующим изменением цвета пикселей. Для цветных ЭЛТ дисплеев, вообще говоря, $$\gamma$$ своя для каждого из базисных RGB-цветов, но в простых системах это не учитывают.
Основными недостатками дисплеев на ЭЛТ являются сравнительно большие размер и вес, а также геометрические искажения на периферии экрана. Впрочем, последний недостаток в современных устройствах устранен. Основные достоинства - хорошая цветопередача и способность приемлемо работать в широком диапазоне разрешений экрана, в отличие от ЖК-дисплеев.
Разрешение зависит от плотности частиц люминофора на поверхности дисплея. Типичные значения - 85-130
(рис 2.5) Жидкокристаллический дисплей.В настоящее время занимают доминирующую позицию (по сравнению с ЭЛТ) в качестве дисплеев персональных компьютеров. Единственный вид дисплеев, используемый в ноутбуках на настоящий момент. Устроены они следующим образом:
Сзади дисплея встроена лампа, свет от которой проходит или не проходит через экран. Экран жидкокристаллического дисплея состоит из 5 слоев: с двух сторон слои поляризационных фильтров и электродов, а посередине - слой жидких кристаллов. Для каждого пикселя слой жидких кристаллов состоит из нескольких молекул в ряд. При отсутствии напряжения этот ряд имеет форму спирали и свет полностью проходит через внешний фильтр (т.е. пиксель светится). При подаче напряжения на электроды молекулы распрямляются в ровный ряд и свет идет перепендикулярно внешнему фильтру и не проходит через него (т.е. пиксель - темный). Величина напряжения позволяет регулировать яркость. Цветное изображение формируется, как и в фотоаппаратах, с помощью микросветофильтров.
Основными достоинствами жидкокристаллических дисплеев являются меньшие, чем у ЭЛТ-дисплеев, размер в глубину, вес и энергопотребление, большая четкость. Помимо этого отсутствует мерцание изображения, наблюдающееся у ЭЛТ-дисплеев, что приводит к меньшему утомлению глаз. Недостатками являются: худшая, чем у ЭЛТ-дисплеев, цветопередача; цветовые искажения при косых углах зрения; большое среднее время реакции (время переключения с одного цвета на другой, типичное значение - 25 мс, т.е. максимум 40 кадр/с), что приводит к "смазыванию" динамично меняющихся изображений (прежде всего в видео и компьютерных играх), а также недостаточно темный черный цвет (т.к. на самом деле не весь свет удается блокировать кристаллом).
Типичное разрешение такое же, как и у ЭЛТ-дисплеев, - 85-130
Также существуют менее распространенные типы дисплеев, в том числе и те, которые только появляются на рынке.
Существуют еще некоторые перспективные технологии, которые потенциально могут служить для производства дисплеев, но они остаются за рамками данной книги ввиду своей незрелости.
Проекторы используются для демонстрации изображений больших размеров. Для этого применяются системы линз, проецирующие маленькое изображение на большой экран. По технологии построения первичного изображения внутри проектора делятся на:
Следует отметить, что для проекторов требуются внутренние дисплеи повышенной яркости, так как площадь изображения при проецировании значительно увеличивается.
Типичное разрешение - 1024x768, а максимальное достигает 2048x1080 для некоторых
Использование принтеров является самым распространенным способом вывода двумерной информации на бумагу, да и не только на
Следует заметить, что многие принтеры сами по себе могут иметь довольно сложные встроенные Процессоры Растровых Изображений (англ. RIP -
Самой низкокачественной технологией печати обладают матричные принтеры.
Разрешающая способность - от 60x72 до 360x360 dpi.
Основное достоинство - дешевизна печати, основные недостатки - низкое качество и высокий уровень шума. Сейчас практически вытеснены струйными и лазерными принтерами, за исключением применения в кассовых аппаратах.
Располагаются в среднем ценовом диапазоне и являются самым распространенным решением для цветной печати (так как цветные лазерные принтеры пока еще довольно дороги). Принцип действия следующий:
Разрешающая способность - от 600x300 до 5760x1440 dpi.
Основное достоинство - сравнительная дешевизна устройства, основной недостаток - дороговизна расходных материалов.
Лазерные принтеры являются самыми эффективными с точки зрения стоимости печати страницы. В настоящее время преобладают в черно-белой печати.
Принцип действия следующий:
Сначала на всю поверхность барабана с фотопроводящим покрытием наносится положительный заряд, обычно с помощью коронирующего электрода. Потом некоторые участки барабана освещаются лазерным лучом, что приводит к снятию заряда в этих местах. Затем поверхность барабана проходит через порошкообразный тонер, положительно заряженные частички которого отталкиваются от заряженных участков барабана и прилипают к незаряженным. После этого тонер с барабана переносится на бумагу, которая для этого предварительно заряжается отрицательно с помощью другого коронирующего электрода. Бумага потом подвергается нагреву, при котором частички тонера прочно приплавляются к ней.
Разрешающая способность - от 300 до 1200 dpi.
Основные достоинства - высокая четкость и быстрота печати, основной недостаток - сравнительная дороговизна самих устройств (особенно цветных).
За вывод графической информации на дисплей в ПК отвечает специальный набор микросхем, обычно помещаемый на отдельную плату, которая называется видеоплатой или видеокартой. Основной задачей является преобразование образа экрана, находящегося в памяти, т.н. кадрового буфера (англ.
На видеокарте присутствует видеопамять, характерной особенностью которой является то, что она двухпортовая - подсоединена как к шине, по которой передаются данные от центрального процессора, так и к микросхеме, отвечающей за вывод на дисплей, и они могут одновременно обращаться к ней. В дешевых устройствах в качестве видеопамяти используется часть основной памяти, что значительно замедляет обработку данных на видеокарте. Объем памяти должен быть достаточным для хранения данных кадрового буфера, а желательно еще и вторичного буфера (англ. back buffer), если используется технология двойной буферизации. Дело в том, что если менять значения пикселей прямо в момент вывода их на экран, то при высокой частоте обновления могут возникать артефакты, связанные с тем, что на экран выводится еще не отрисованное до конца изображение. Чтобы этого избежать, при двойной буферизации во время вывода изображения из области видеопамяти, которая назначена кадровым буфером (называемым в этом случае также первичным буфером (англ. front buffer)), изображение следующего кадра строится во вторичном буфере, а при показе следующего кадра эти области памяти меняются ролями. Эта технология используется для показа динамичных изображений, таких как игры. Дополнительная видеопамять также ускоряет обработку графики, позволяя держать дополнительные графические элементы, которые отображаются в кадровом буфере с помощью блиттинга (об этом см. ниже).
Доступ к видеопамяти со стороны процессора может быть организован двояко - либо видеопамять, как часть адресов, включается в адресное пространство процессора, либо для копирования данных между основной и видеопамятью контроллеру на видеокарте посылается специальная команда и копирование происходит с помощью DMA (от англ.
Микросхема, отвечающая за вывод на дисплей, постоянно сканирует видеопамять, преобразует ее в форму, соответствующую интерфейсу дисплея, и формирует выходной сигнал, передаваемый по кабелю на дисплей (см. рис. 2.6). Если видеоплата оснащена аналоговым выходом, то в нее должен быть встроен цифро-аналоговый преобразователь, называемый 1600x1200x75 = 144 МГц. Частота работы
(рис 2.7) Архитектура видеоподсистемы ПК.(рис 2.6) Пример отрисовки спрайтов.Также на видеоплате содержится графический процессор, способный быстро выполнять основные операции по работе с изображениями в видеопамяти, которые могут быть разделены на несколько классов.
И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ). Это часто используемая операция для помещения объектов произвольной формы, т.н. спрайтов, на изображение. Пример того, как это можно сделать с помощью двух BitBlt операций см. на рис. 2.7 (для понимания необходимо учесть, что пиксели черного цвета состоят из одних 0 битов, а белого - из одних 1 битов). Также видеокарта может поддерживать операцию StretchBlt, - это то же самое, что и BitBlt, но с растяжением по осям.Практически все современные видеокарты содержат также процессор обработки трехмерной графики, но эта тема выходит за рамки данной книги.
Дополнительно на той же плате часто выведены стандартные разъемы для подключения телевизоров и видеотехники (т.н. TV In/Out) и установлены микросхемы первичной обработки этой информации, в частности, YUV/RGB преобразования.
Некоторые современные видеокарты позволяют подключать сразу несколько дисплеев одновременно.
Теперь следует подробнее остановиться на форматах представления растровых изображений в памяти. Обычно пиксели описываются набором неотрицательных целых чисел. Изображения обычно хранятся построчно; в каждой строке информация о пикселях упорядочена слева направо, а строки соответственно располагаются по порядку сверху
По глубине цвета изображения делятся на:
| Глубина цвета в |
Название | Примечания |
|---|---|---|
| 1 | Монохромное | Представимы 2 цвета - черный и белый |
| 8 | Палитровое | Байт является индексом в таблице палитры, с помощью этой палитры представимо любое 256-элементное подмножество всех True Color цветов |
| 8 | Полутоновое (Оттенки серого) | Содержит только один канал интенсивности без цветовой информации с точностью 8 бит. Можно рассматривать как подвид палитрового, где элементы палитры соответствуют оттенкам серого |
| 16 | High Color | Полноцветное, количество бит на каждую компоненту R-G-B: 5-5-5 (т.е. на самом деле 15 бит, один не используется) или 5-6-5 |
| 24 | True Color | Полноцветное, на каждую из RGB компонент по 8 бит |
| 32 | True Color | То же самое, что и предыдущее, только добавляется еще один байт для выравнивания информации по машинному слову. Этот байт может также использоваться как альфа-канал, т.е. задавать степень прозрачности |
2- и 4-битные режимы CGA и EGA, применявшиеся в ПК в 1980-х гг., но устаревшие на данный момент, в таблице не представлены.
В палитровом 8-битном режиме преобразование из палитрового в отображаемый цвет выполняется аппаратно устройством
Как нетрудно подсчитать, True Color позволяет представить 16,7 млн возможных оттенков, чего вполне достаточно для полноценного восприятия человеком большинства фотографий. В то же время, в некоторых случаях заметна недостаточность диапазона яркости. Серьезной проблемой является также потеря точности при операциях над пикселями с целочисленным описанием. Например, при работе в True Color режиме сначала уменьшим яркость в два раза, а затем увеличим. При этом младший значащий бит каждого компонента обнулится, т.к. сначала биты были сдвинуты вправо, а потом обратно влево с дополнением 0. Поэтому, несмотря на то, что графическая подсистема ПК пока может воспроизводить изображения с не более чем 8 бит/канал, некоторые программы обработки изображений имеют режим 16 бит/канал (48
К тому же некоторые из устройств ввода, рассмотренных выше, позволяют получать изображения с большей глубиной цвета. Некоторые high-end видеокарты уже способны работать с точностью 10 и 12 бит/канал (т.е. 30 и 36
В последнее время становится достаточно популярной концепция Изображений с увеличенным динамическим диапазоном (англ. HDRI - High
Самые первые ПК, появившиеся в начале 1980-х годов, работали исключительно в текстовом режиме. В этом режиме наименьшим примитивом при выводе на дисплей является символ целиком, а не отдельные пиксели. Хотя можно было управлять видом этих символов, загрузив соответствующие монохромные растры в специальную таблицу
(рис 2.8) Текстовый режим в ОС Linux.Потом появились карты с графическими возможностями. В связи с малым размером адресного пространства (1 Мб) процессора Intel 8086 приходилось отображать только часть видеопамяти в адресное пространство процессора и специальными командами задавать, какая именно это часть. Такая технология получила название bank switching. Команды видеокарте посылались путем прерываний или записи информации непосредственно в ее аппаратный порт. Для использования дополнительных возможностей видеокарт разработчикам прикладных программ и игр приходилось самим реализовывать простейшие операции для каждого их типа, т.к. поддержка видеокарт со стороны
С появлением ОС с графическим интерфейсом ситуация изменилась. Прослойка между прикладной программой и аппаратурой стала "толще". Непосредственно на низком уровне видеокартой управляет ее драйвер - программа, поставляемая, как правило, самой фирмой-разработчиком видеокарты. А прикладная программа обращается к нему через вызовы четко определенного общего для всех драйверов абстрактного интерфейса (англ. API - Application Programming Interface). Таким образом, появилась аппаратная независимость, что явилось важным шагом вперед, с учетом все более разраставшегося множества видеокарт с ограниченной совместимостью друг с другом.
(рис 2.9) Графический интерфейс ОС Windows XP.Типичные функции такого интерфейса включают в себя как раз операции блиттинга и растеризации примитивов, а также работу с палитрами, хотя сейчас палитры уже почти не используются.
В UNIX-подобных ОС графический интерфейс предоставляется системой X Windows, работающей по принципу "клиент-сервер". Программа-клиент отправляет какой-либо запрос API по сети (хотя для самой программы это выглядит как просто вызов функции); получив этот запрос, программа-сервер отвечает за его исполнение. Хотя такая схема и является гибкой (можно, например, иметь несколько дисплеев у одного компьютера или, наоборот, много компьютеров, подключенных к одному дисплею), но в то же время она требует и дополнительных затрат на передачу данных по сетевому протоколу. На самом деле, в ПК не используется эта гибкость, а все запросы передаются в рамках одной системы (через разделяемую между процессами клиента и сервера память).
В этом разделе дается краткий обзор основных устройств, использующих растровое представление для отображения двумерной информации. В качестве примера реализации аппаратных средств для работы с растровой графической информацией рассмотрена архитектура современных компьютеров типа ПК (англ. PC - Personal
В предыдущем разделе было рассказано о растре как об абстрактном математическом объекте. При физической реализации растров возникают дополнительные характеристики. Основной из них является Разрешающая способность (англ. resolution) - количество точек физического растра в единице длины. Чаще всего это
ppi Также употребляются термины
dpi - точек на дюйм (англ. dots per ppi spi dpi.В большинстве случаев пиксели растра расположены равномерно по ширине и высоте, и для таких растров разрешающая способность одинакова по ширине и высоте. Если это не так (для некоторых принтеров и сканеров в частности), то в этом случае обычно пишут " 1200x2400 dpi ", где 1200 - разрешающая способность по горизонтали, а 2400 - по вертикали. Также термин разрешение употребляется в другом смысле - как размер растра в пикселях. Например, " разрешение экрана равно 1280x1024 ".
С точки зрения представления цвета важны два параметра:
Достаточно широкой цветовой гаммой обладают плазменные дисплеи и фотографическая пленка, а самой узкой - монохромные устройства (на диаграмме цветности соответствующаяся область вырождается в точку) (см. рис. 1.9).
Для представления графической информации в памяти используется термин Глубина цвета (англ. 1 (монохромное изображение), 8, 16, 24, 48.
Более подробно это понятие рассматривается в разделе 2.4.
Сканер - устройство получения изображений высокого разрешения (до 11000
По типу сканирования такие устройства классифицируются следующим образом.
(рис 2.1) Планшетный сканер.
(рис 2.2) Цифровой фотоаппарат.Цифровые фотоаппараты и видеокамеры аналогичны по принципам действия (система линз, проецирующая попадающий в объектив свет на небольшую плоскую площадку) традиционным аналоговым фото- и видеокамерам, соответственно. Основное различие состоит в том, что в аналоговых устройствах на этой площадке находится кадр светочувствительной пленки, а в цифровых устройствах - светочувствительная матрица ПЗС (англ.
(рис 2.3) Маска Байера.Видеокамеры нижнего ценового диапазона снимают видео с чересстрочной разверткой, т.е. кадр состоит из двух последовательно снятых полукадров, состоящих только из четных и нечетных строк изображения, соответственно. При быстром перемещении снимаемых объектов или самой камеры из-за заметной разницы в полукадрах возникают неприятные артефакты. Для решения этой проблемы при последующей обработке снятого видео производится деинтерлейсинг (англ.
Понятие разрешающей способности для таких устройств обычно не
Глубина цвета у большинства фото- и видеокамер - стандартные 24 бита/пиксель. У профессиональных моделей она больше - до 48 бит/пиксель.
Аспектовое соотношение у фотокамер - 4:3 (как у стандартных дисплеев) или 3:2 (соответствует пленке). У видеокамер - 4:3 или 16:9 (т.н. широкоэкранное видео).
Дисплеи являются самым распространенным типом устройств вывода графической информации. Они применяются везде - от мобильных телефонов до рекламных щитов.
Самый
Электроны сначала ускоряются электромагнитным полем, а затем отклоняются в нужном направлении перпендикулярным полем (эта часть ЭЛТ называется пушкой ). При попадании на поверхность экрана они вызывают свечение установленных там частиц люминофора, которое и воспринимается наблюдателем.
Чем большее ускорение (а следовательно, большую энергию) получил электрон, тем ярче светится люминофор. У цветных дисплеев имеется 3 пушки для каждого из базисных RGB-цветов, а по поверхности экрана равномерно распределены частицы люминофора, соответствующие базисным цветам. Чтобы электроны, выпущенные из соответствующей пушки, попали только на люминофор своего цвета перед экраном ставится щелевая маска или апертурная решетка. Время послесвечения люминофора незначительно, и изображение постоянно обновляется; для вывода одного кадра пушка выпускает электроны последовательно слева направо в каждой строке и по строкам снизу вверх. Количество обновлений всего изображения в секунду носит название частота обновления или частота развертки (англ.
(рис 2.4) Дисплей на ЭЛТ.Проблемой мониторов на ЭЛТ является то, что яркость свечения люминофора зависит от энергии попавшего на него электрона (в свою очередь определяемой напряжением в пушке Vs ) не линейно, а по закону $${\rm{I}} \sim {\rm{V_s^{\rm{ \gamma}}}}$$. Для большинства ЭЛТ $$\gamma \sim 2, 2$$. Для того чтобы компенсировать этот эффект, применяют т.н. гамма-коррекцию, т.е. подачу на пушку скорректированного напряжения $$V_{c} = V_{s}^{(1/\gamma )}$$.
Гамма-коррекция может также осуществляться программно, соответствующим изменением цвета пикселей. Для цветных ЭЛТ дисплеев, вообще говоря, $$\gamma$$ своя для каждого из базисных RGB-цветов, но в простых системах это не учитывают.
Основными недостатками дисплеев на ЭЛТ являются сравнительно большие размер и вес, а также геометрические искажения на периферии экрана. Впрочем, последний недостаток в современных устройствах устранен. Основные достоинства - хорошая цветопередача и способность приемлемо работать в широком диапазоне разрешений экрана, в отличие от ЖК-дисплеев.
Разрешение зависит от плотности частиц люминофора на поверхности дисплея. Типичные значения - 85-130
(рис 2.5) Жидкокристаллический дисплей.В настоящее время занимают доминирующую позицию (по сравнению с ЭЛТ) в качестве дисплеев персональных компьютеров. Единственный вид дисплеев, используемый в ноутбуках на настоящий момент. Устроены они следующим образом:
Сзади дисплея встроена лампа, свет от которой проходит или не проходит через экран. Экран жидкокристаллического дисплея состоит из 5 слоев: с двух сторон слои поляризационных фильтров и электродов, а посередине - слой жидких кристаллов. Для каждого пикселя слой жидких кристаллов состоит из нескольких молекул в ряд. При отсутствии напряжения этот ряд имеет форму спирали и свет полностью проходит через внешний фильтр (т.е. пиксель светится). При подаче напряжения на электроды молекулы распрямляются в ровный ряд и свет идет перепендикулярно внешнему фильтру и не проходит через него (т.е. пиксель - темный). Величина напряжения позволяет регулировать яркость. Цветное изображение формируется, как и в фотоаппаратах, с помощью микросветофильтров.
Основными достоинствами жидкокристаллических дисплеев являются меньшие, чем у ЭЛТ-дисплеев, размер в глубину, вес и энергопотребление, большая четкость. Помимо этого отсутствует мерцание изображения, наблюдающееся у ЭЛТ-дисплеев, что приводит к меньшему утомлению глаз. Недостатками являются: худшая, чем у ЭЛТ-дисплеев, цветопередача; цветовые искажения при косых углах зрения; большое среднее время реакции (время переключения с одного цвета на другой, типичное значение - 25 мс, т.е. максимум 40 кадр/с), что приводит к "смазыванию" динамично меняющихся изображений (прежде всего в видео и компьютерных играх), а также недостаточно темный черный цвет (т.к. на самом деле не весь свет удается блокировать кристаллом).
Типичное разрешение такое же, как и у ЭЛТ-дисплеев, - 85-130
Также существуют менее распространенные типы дисплеев, в том числе и те, которые только появляются на рынке.
Существуют еще некоторые перспективные технологии, которые потенциально могут служить для производства дисплеев, но они остаются за рамками данной книги ввиду своей незрелости.
Проекторы используются для демонстрации изображений больших размеров. Для этого применяются системы линз, проецирующие маленькое изображение на большой экран. По технологии построения первичного изображения внутри проектора делятся на:
Следует отметить, что для проекторов требуются внутренние дисплеи повышенной яркости, так как площадь изображения при проецировании значительно увеличивается.
Типичное разрешение - 1024x768, а максимальное достигает 2048x1080 для некоторых
Использование принтеров является самым распространенным способом вывода двумерной информации на бумагу, да и не только на
Следует заметить, что многие принтеры сами по себе могут иметь довольно сложные встроенные Процессоры Растровых Изображений (англ. RIP -
Самой низкокачественной технологией печати обладают матричные принтеры.
Разрешающая способность - от 60x72 до 360x360 dpi.
Основное достоинство - дешевизна печати, основные недостатки - низкое качество и высокий уровень шума. Сейчас практически вытеснены струйными и лазерными принтерами, за исключением применения в кассовых аппаратах.
Располагаются в среднем ценовом диапазоне и являются самым распространенным решением для цветной печати (так как цветные лазерные принтеры пока еще довольно дороги). Принцип действия следующий:
Разрешающая способность - от 600x300 до 5760x1440 dpi.
Основное достоинство - сравнительная дешевизна устройства, основной недостаток - дороговизна расходных материалов.
Лазерные принтеры являются самыми эффективными с точки зрения стоимости печати страницы. В настоящее время преобладают в черно-белой печати.
Принцип действия следующий:
Сначала на всю поверхность барабана с фотопроводящим покрытием наносится положительный заряд, обычно с помощью коронирующего электрода. Потом некоторые участки барабана освещаются лазерным лучом, что приводит к снятию заряда в этих местах. Затем поверхность барабана проходит через порошкообразный тонер, положительно заряженные частички которого отталкиваются от заряженных участков барабана и прилипают к незаряженным. После этого тонер с барабана переносится на бумагу, которая для этого предварительно заряжается отрицательно с помощью другого коронирующего электрода. Бумага потом подвергается нагреву, при котором частички тонера прочно приплавляются к ней.
Разрешающая способность - от 300 до 1200 dpi.
Основные достоинства - высокая четкость и быстрота печати, основной недостаток - сравнительная дороговизна самих устройств (особенно цветных).
За вывод графической информации на дисплей в ПК отвечает специальный набор микросхем, обычно помещаемый на отдельную плату, которая называется видеоплатой или видеокартой. Основной задачей является преобразование образа экрана, находящегося в памяти, т.н. кадрового буфера (англ.
На видеокарте присутствует видеопамять, характерной особенностью которой является то, что она двухпортовая - подсоединена как к шине, по которой передаются данные от центрального процессора, так и к микросхеме, отвечающей за вывод на дисплей, и они могут одновременно обращаться к ней. В дешевых устройствах в качестве видеопамяти используется часть основной памяти, что значительно замедляет обработку данных на видеокарте. Объем памяти должен быть достаточным для хранения данных кадрового буфера, а желательно еще и вторичного буфера (англ. back buffer), если используется технология двойной буферизации. Дело в том, что если менять значения пикселей прямо в момент вывода их на экран, то при высокой частоте обновления могут возникать артефакты, связанные с тем, что на экран выводится еще не отрисованное до конца изображение. Чтобы этого избежать, при двойной буферизации во время вывода изображения из области видеопамяти, которая назначена кадровым буфером (называемым в этом случае также первичным буфером (англ. front buffer)), изображение следующего кадра строится во вторичном буфере, а при показе следующего кадра эти области памяти меняются ролями. Эта технология используется для показа динамичных изображений, таких как игры. Дополнительная видеопамять также ускоряет обработку графики, позволяя держать дополнительные графические элементы, которые отображаются в кадровом буфере с помощью блиттинга (об этом см. ниже).
Доступ к видеопамяти со стороны процессора может быть организован двояко - либо видеопамять, как часть адресов, включается в адресное пространство процессора, либо для копирования данных между основной и видеопамятью контроллеру на видеокарте посылается специальная команда и копирование происходит с помощью DMA (от англ.
Микросхема, отвечающая за вывод на дисплей, постоянно сканирует видеопамять, преобразует ее в форму, соответствующую интерфейсу дисплея, и формирует выходной сигнал, передаваемый по кабелю на дисплей (см. рис. 2.6). Если видеоплата оснащена аналоговым выходом, то в нее должен быть встроен цифро-аналоговый преобразователь, называемый 1600x1200x75 = 144 МГц. Частота работы
(рис 2.7) Архитектура видеоподсистемы ПК.(рис 2.6) Пример отрисовки спрайтов.Также на видеоплате содержится графический процессор, способный быстро выполнять основные операции по работе с изображениями в видеопамяти, которые могут быть разделены на несколько классов.
И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ). Это часто используемая операция для помещения объектов произвольной формы, т.н. спрайтов, на изображение. Пример того, как это можно сделать с помощью двух BitBlt операций см. на рис. 2.7 (для понимания необходимо учесть, что пиксели черного цвета состоят из одних 0 битов, а белого - из одних 1 битов). Также видеокарта может поддерживать операцию StretchBlt, - это то же самое, что и BitBlt, но с растяжением по осям.Практически все современные видеокарты содержат также процессор обработки трехмерной графики, но эта тема выходит за рамки данной книги.
Дополнительно на той же плате часто выведены стандартные разъемы для подключения телевизоров и видеотехники (т.н. TV In/Out) и установлены микросхемы первичной обработки этой информации, в частности, YUV/RGB преобразования.
Некоторые современные видеокарты позволяют подключать сразу несколько дисплеев одновременно.
Теперь следует подробнее остановиться на форматах представления растровых изображений в памяти. Обычно пиксели описываются набором неотрицательных целых чисел. Изображения обычно хранятся построчно; в каждой строке информация о пикселях упорядочена слева направо, а строки соответственно располагаются по порядку сверху
По глубине цвета изображения делятся на:
| Глубина цвета в |
Название | Примечания |
|---|---|---|
| 1 | Монохромное | Представимы 2 цвета - черный и белый |
| 8 | Палитровое | Байт является индексом в таблице палитры, с помощью этой палитры представимо любое 256-элементное подмножество всех True Color цветов |
| 8 | Полутоновое (Оттенки серого) | Содержит только один канал интенсивности без цветовой информации с точностью 8 бит. Можно рассматривать как подвид палитрового, где элементы палитры соответствуют оттенкам серого |
| 16 | High Color | Полноцветное, количество бит на каждую компоненту R-G-B: 5-5-5 (т.е. на самом деле 15 бит, один не используется) или 5-6-5 |
| 24 | True Color | Полноцветное, на каждую из RGB компонент по 8 бит |
| 32 | True Color | То же самое, что и предыдущее, только добавляется еще один байт для выравнивания информации по машинному слову. Этот байт может также использоваться как альфа-канал, т.е. задавать степень прозрачности |
2- и 4-битные режимы CGA и EGA, применявшиеся в ПК в 1980-х гг., но устаревшие на данный момент, в таблице не представлены.
В палитровом 8-битном режиме преобразование из палитрового в отображаемый цвет выполняется аппаратно устройством
Как нетрудно подсчитать, True Color позволяет представить 16,7 млн возможных оттенков, чего вполне достаточно для полноценного восприятия человеком большинства фотографий. В то же время, в некоторых случаях заметна недостаточность диапазона яркости. Серьезной проблемой является также потеря точности при операциях над пикселями с целочисленным описанием. Например, при работе в True Color режиме сначала уменьшим яркость в два раза, а затем увеличим. При этом младший значащий бит каждого компонента обнулится, т.к. сначала биты были сдвинуты вправо, а потом обратно влево с дополнением 0. Поэтому, несмотря на то, что графическая подсистема ПК пока может воспроизводить изображения с не более чем 8 бит/канал, некоторые программы обработки изображений имеют режим 16 бит/канал (48
К тому же некоторые из устройств ввода, рассмотренных выше, позволяют получать изображения с большей глубиной цвета. Некоторые high-end видеокарты уже способны работать с точностью 10 и 12 бит/канал (т.е. 30 и 36
В последнее время становится достаточно популярной концепция Изображений с увеличенным динамическим диапазоном (англ. HDRI - High
Самые первые ПК, появившиеся в начале 1980-х годов, работали исключительно в текстовом режиме. В этом режиме наименьшим примитивом при выводе на дисплей является символ целиком, а не отдельные пиксели. Хотя можно было управлять видом этих символов, загрузив соответствующие монохромные растры в специальную таблицу
(рис 2.8) Текстовый режим в ОС Linux.Потом появились карты с графическими возможностями. В связи с малым размером адресного пространства (1 Мб) процессора Intel 8086 приходилось отображать только часть видеопамяти в адресное пространство процессора и специальными командами задавать, какая именно это часть. Такая технология получила название bank switching. Команды видеокарте посылались путем прерываний или записи информации непосредственно в ее аппаратный порт. Для использования дополнительных возможностей видеокарт разработчикам прикладных программ и игр приходилось самим реализовывать простейшие операции для каждого их типа, т.к. поддержка видеокарт со стороны
С появлением ОС с графическим интерфейсом ситуация изменилась. Прослойка между прикладной программой и аппаратурой стала "толще". Непосредственно на низком уровне видеокартой управляет ее драйвер - программа, поставляемая, как правило, самой фирмой-разработчиком видеокарты. А прикладная программа обращается к нему через вызовы четко определенного общего для всех драйверов абстрактного интерфейса (англ. API - Application Programming Interface). Таким образом, появилась аппаратная независимость, что явилось важным шагом вперед, с учетом все более разраставшегося множества видеокарт с ограниченной совместимостью друг с другом.
(рис 2.9) Графический интерфейс ОС Windows XP.Типичные функции такого интерфейса включают в себя как раз операции блиттинга и растеризации примитивов, а также работу с палитрами, хотя сейчас палитры уже почти не используются.
В UNIX-подобных ОС графический интерфейс предоставляется системой X Windows, работающей по принципу "клиент-сервер". Программа-клиент отправляет какой-либо запрос API по сети (хотя для самой программы это выглядит как просто вызов функции); получив этот запрос, программа-сервер отвечает за его исполнение. Хотя такая схема и является гибкой (можно, например, иметь несколько дисплеев у одного компьютера или, наоборот, много компьютеров, подключенных к одному дисплею), но в то же время она требует и дополнительных затрат на передачу данных по сетевому протоколу. На самом деле, в ПК не используется эта гибкость, а все запросы передаются в рамках одной системы (через разделяемую между процессами клиента и сервера память).
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.