Устройства ЭВМ

Системы визуального отображения информации (видеосистемы)

Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализации изображения, адаптер - для связи монитора с микропроцессорным комплектом [88].

Классификацию мониторов можно провести по используемым физическим эффектам, по принципу формирования изображения на экране, по способу управления, по длительности хранения информации на экране, по цветности.

По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические, дисплеи с эмиссией полем, гелиодисплеи, и электронно-лучевые.

Плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические мониторы и дисплеи с эмиссией полем относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно, что экран имеет малые физические размеры и не мерцает. Мониторы этого вида имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую механическую прочность и длительный срок службы.

Плазменные, электролюминесцентные мониторы и дисплеи с эмиссией полем являются активными, излучающими свет. Для работы с ними не нужен посторонний источник света.

Жидкокристаллические - пассивные мониторы. Они работают только при наличии постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.

В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на двух из которых нанесены тонкие прозрачные проводники. На одной пластине проводники расположены горизонтально, на другой - вертикально. Между ними находится третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения проводников имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально и горизонтально расположенные проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся элементы изображения - пикселы (от "picture ele-ment").

Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для возбуждения люминофора.

Дисплеи с эмиссией полем (Field Emission Display, FED) - это плоские дисплеи, по принципу работы подобны обычным ЭЛТ. Электроны в них излучаются из холодных катодов, имеющих форму очень острых ми-кроигл, количество которых на каждый пиксел может составлять до нескольких тысяч. Этот вид мониторов характеризуется хорошим воспроизведением цветов, так как используется такой же люминофор, как в электронно-лучевых трубках, и высокой скоростью работы (как и в ЭЛТ).

В 2005 году инженеры компании IO2 Technology создали необычное проекционное устройство, получившее название "гелиодисплей" (Heliodisplay). Этому необычному проектору не нужен экран: при помощи лазерных лучей прибор формирует цветное изображение непосредственно в атмосферном воздухе.

По утверждению разработчиков, в гелиодисплее используется совершенно новый принцип формирования изображения, основанный на ряде как уже запатентованных, так и только ожидающих патентов технических решений.

В 2005 году IO2 Technology представила три модели готовых к серийному производству изделий: М1, М1а и Мх.

Представленные модели гелиодисплеев являются интерактивными. При работе с ПК "прикосновения" к проецируемому изображению можно использовать для управления элементами пользовательского интерфейса (управляющие команды, эмулирующие работу манипулятора, передаются в ПК по интерфейсу USB).

Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую способность монитора:

• низкую: 320*200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);
• стандартную: 640*200, 640*350 или 640*480;
• высокую: 750*348 или 800*600;
• особо четкую: 1024*768 или 1024*1024 и выше.

Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране, но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.

Одна из моделей цветообразования цветных ЖК-дисплеев, в настоящее время наиболее распространенная, является конструкцией, аналогичной конструкции цветных дисплеев на ЭЛТ. В качестве источника света в цветном ЖК-дисплее используется люминесцентная лампа подсветки, излучающая свет белого цвета. Пикселы такого дисплея состоят каждый из трех частей - ячеек. Перед каждой ячейкой расположен светофильтр, пропускающий свет одного из цветов модели RGB (красного, зеленого и голубого). Благодаря наличию светофильтра каждый элемент пиксела участвует в генерации определенного цвета, а поскольку размеры элементов малы, цвета каждой триады элементов сливаются в один, воспринимаемый глазом человека.

Другая модель вместо люминесцентной лампы использует светодиодные модули подсветки или массив углеродных нанотрубок (carbon nan-otube, CNT), которые с высокой частотой последовательно меняют цвет излучаемого света (красный - зеленый - голубой - красный и т.д.) и позволяют отказаться от использования светофильтров.

В мониторах со светодиодной подсветкой применяется светодиодная матрица - каждый пиксел изображения освещается отдельным диодом. Благодаря этому достигается равномерная яркость изображения, увеличиваются углы обзора, а главное - значительно улучшается цветопередача. Кроме того, средний срок службы светодиодной подсветки намного больше времени службы ламп с холодным катодом и оценивается не менее чем в 100 тыс. часов работы.

Во многих портативных устройствах дисплеи используются не только для отображения, но и для ввода информации. Такие дисплеи называются сенсорными. В них экран обладает чувствительностью к прикосновению.

В настоящее время сенсорные дисплеи применяются во многих моделях карманных и планшетных ПК, а также смартфонов и коммуникаторов. В 2005 году начался серийный выпуск цифрового фотоаппарата, оснащенного 3-дюймовым сенсорным ЖК-дисплеем, - Sony Cyber-shot DSC-N1.

Связь ЭВМ с монитором осуществляется с помощью адаптера - устройства, которое должно обеспечивать совместимость различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ. В начальный период существования персональных компьютеров адаптеры старались стандартизировать, чтобы в полной мере обеспечить совместимость различных по конструкции мониторов с ЭВМ. Было разработано пять стандартов:

• MDA - монохромный дисплейный адаптер;
• CGA - цветной графический адаптер;
• MGA - монохромный графический адаптер;
• EGA - улучшенный графический адаптер;
• VGA - видеографическая матрица.

Кроме них существовали и другие адаптеры, например, Геркулес, PGA, SVGA, и др. Но они не поддерживали некоторые общепринятые режимы работы мониторов и вследствие неполной совместимости не позволяли реализовать любое программное обеспечение.

В последнее время наибольшее распространение получили адаптеры SVGA. Этот адаптер не стандартизован, вследствие чего каждая фирма, выпускающая мониторы, обязательно снабжает их драйверами, позволя-ющими работать с различными адаптерами.

Широкое распространение режима Plag&Play привело к тому, что в состав операционных систем фирмы Microsoft включено огромное количество постоянно обновляемых фирмой драйверов.

Исторически сложилось, что дисплеи могут работать в одном из двух режимов: символьном или графическом.

В символьном режиме на экран может выводиться ограниченный состав символов, имеющих четко определенный графический образ: буквы, цифры, знаки пунктуации, математические знаки и знаки псевдографики. Состав этих символов определен системой кодирования, применяемой в данной ЭВМ, в IBM PC - кодом ASCII, который в последнее время вытесняется кодом UNICOD.

Для вывода символа на экран дисплея сначала определяется позиция, в которой должен появиться символ (номер символа в строке и порядковый номер строки), а затем по коду символа определяется его форма, которая и высвечивается на экране. Предельное количество символов, одновременно размещаемых на экране, называется информационной емкос-тью экрана. В символьном режиме на экране монитора IBM PC может быть высвечено 40, 80 или 132 (VESA BIOS EXTENTION) символа в строке. Всего на экране помещается 25, 50 или 60 строк.

Форма выводимого символа определяется знакогенератором дисплея, в котором хранятся коды формы всех символов ASCII или UNICODE.

В графическом режиме изображение на экране формируется из отдельных точек (пиксел), имеющих свои адреса (номер пиксела в строке * номер пиксельной строки). В простейшем случае каждому пикселу экрана соответствует один пиксел видеопамяти, который и определяет, светлым или темным должна быть соответствующая точка на экране. Если кроме этого необходимо указывать цвет пиксела, то количество битов видеопамяти, характеризующих каждый пиксел, приходится увеличивать. Поэтому для графического режима требуется большая память, чем для символьного при той же разрешающей способности экрана.

Основу адаптера любого типа составляет видеопамять.

Начиная с адаптера EGA, видеопамять имеет плоскостную структуру: вся память делится на битовые плоскости. В каждой битовой плоскости одному пикселу выделяется один бит. Длина битовой плоскости определяет разрешающую способность экрана. Количество битовых плоскостей (в каждой из которых выделено по одному биту для соответствующего пиксела) определяет, сколько бит отводится для хранения атрибутивного признака пиксела. Если видеопамять имеет одну битовую плоскость, то такой дисплей может работать только в монохромном режиме (пиксел может быть либо ярким, либо темным). При наличии двух битовых плоскостей в видеопамяти может храниться значения, определяющих, как должен выглядеть пиксел на экране (при цветном мониторе - четыре цвета, один из которых, с кодом 00 - черный. Т.е. фактически с помощью двух битовых плоскостей можно управлять RGB-монитором). При 8-битовых плоскостях атрибут пиксела обеспечивает кодирование цветов - такой адаптер эффективно применять только для аналоговых RGB-мониторов, в которых между видеопамятью и управляющими цветом электродами ЭЛТ ставится цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter - DAC). В DAC из видеопамяти подается код цвета. Из DAC в ЭЛТ выдается аналоговый сигнал (код цвета преобразуется в величину напряжения на управляющем электроде).

Физически видеопамять может иметь линейную структуру. Разбиение ее на видеоплоскости в этом случае может осуществляться программным путем - с помощью драйвера дисплея. Поэтому есть возможность одну и ту же видеопамять использовать для различной разрешающей способности экрана (изменяя длину битовой плоскости) и для различного количества воспроизводимых на экране цветов (изменяя количество битовых плоскостей). Следовательно, при фиксированном объеме памяти можно увеличить разрешающую способность (но при этом сократится количество воспроизводимых цветов) или увеличить количество воспроизводимых цветов (снизив соответственно разрешающую способность экрана). Если же видеоплоскости реализованы аппаратно, переключение режимов (мод экрана) может в ограниченных пределах эмулироваться драйвером дисплея.

Для воспроизведения динамических (движущихся, анимационных) изображений видеопамять приходится делить на страницы, которые поочередно выводятся на экран при каждой регенерации (пока одна страница выводится на экран, вторая заполняется очередным кадром).

Во всех адаптерах часть видеопамяти отводится под знакогенератор, в котором записаны коды формы выводимых на экран символов. В некоторых случаях в видеопамяти приходится хранить несколько знакогенераторов, например, с национальными шрифтами.

Кроме видеопамяти, в состав адаптера входят блок сопряжения с монитором, блок управления, различные ускорители (графический, Windows-ускоритель, 3D-ускоритель, и др.), которые предназначены для выполнения вычислительных операций без обращения к МП ЭВМ.

Все видеоустройства имеют плоский экран. Естественным для такого экрана является двумерное (плоское) изображение. В то же время для человека более естественным является объемное (трехмерное) изображение. Поэтому разрабатываются устройства и способы создания если не трехмерного изображения, то хотя бы имитирующего его.

Один из способов создания эффекта глубины изображения заключается в использовании декартовой системы координат и нанесения на рисунок только видимых линий.

Другой способ - "перспективу" - используют художники: все параллельные линии, уходящие вглубь экрана, сходятся в одной точке на линии горизонта (условной линии, расположенной в верхней части экрана).

Более сложный метод создания объемного изображения основан на явлении стереоэффекта. Стереоизображение состоит из двух, выполненных для правого и для левого глаза. Но каждое из них должен видеть только тот глаз, для которого оно предназначено. Один из способов достижения этого - выполнение изображений в разных цветах (например, одно - в красном, а другое - в зеленом). Наблюдатель одевает очки, которые содержат стекла разного цвета (одно - красное, второе - зеленое). Через красный светофильтр видно зеленое изображение, а через зеленый - красное. Другой способ разделить изображения - применить не цветные, а поляризационные фильтры.

Еще более сложным способом создания объемного изображения является голография. Голографический метод формирования изображения известен с конца 40-х гг. В начале 60-х гг. Ю. Н. Денисюк изобрел метод формирования голограмм в трехмерных средах при использовании для записи встречных пучков. Этот метод позволял избавиться от фантомов - так назывались сопутствующие основному, лишние (дополнительные) изображения. На основе этого метода разработана цифровая голография, которую можно реализовать с помощью ЭВМ, без задействования дополнительной аппаратуры.

Голография по Денисюку предусматривает наличие когерентного источника света, который излучает свет в виде лучей, выходящих из источника в одной и той же фазе. Это точечный источник света, имеющий достаточно малые размеры. Если на пути световых лучей поставить линзу, лучи преломляются и далее следуют параллельно друг другу. На их пути устанавливается прозрачная стеклянная фотопластинка. Лучи света проходят через нее и освещают какой-либо объемный предмет. Отражаясь от этого предмета, лучи снова попадают на фотопластинку. Но если при движении к объекту лучи проходили сквозь пластинку, находясь в одной и той же фазе и имея одинаковую интенсивность, то возвращаются назад они после отражения от объекта в разных фазах и с разной интенсивностью. Фазы у них разные, так как расстояние от фотопластинки до различных частей отражающего объекта различно, а интенсивность изменилась по сравнению с начальной, поскольку отражающая способность разных частей объекта различна. На фотопластинке прямой и обратный лучи суммируются. Степень засвечивания фотослоя зависит от яркости, которая определяется полученной суммой. На пластинке образуется интерференционная картина. Если пластинку проявить, интерференционная картина становится видимой. При рассматривании ее невооруженным глазом в рассеянном свете видны только темные и светлые пятна различной формы, даже отдаленно не напоминающие объект, который фотографировался. Если теперь в эту установку поместить проявленную пластинку и убрать объект, то при включении когерентного источника света на месте, где раньше находился объект, появится его объемное изображение.

Стеклянная пластинка имеет следующее свойство: если пластинку разбить, то каждый ее кусочек несет полную картину изображения, правда, не такого яркого, как целая пластинка.

Цифровая голография позволяет получать интерференционную картину без использования когерентного источника света и фотопластинок по трем плоским изображениям объекта, сделанным в трех разных взаимно перпендикулярных плоскостях. Интерференционная картина вычисляется на ЭВМ. Если ее вывести на принтер, сфотографировать, а затем полученную фотопластинку поместить в установку Денисюка и осветить когерентным источником света, то появится объемное изображение исходного объекта.

Впоследствии оказалось, что если снятую с принтера распечатку разглядывать, фокусируя по-разному зрение, можно увидеть объемное изображение объекта и без использования дополнительной аппаратуры.