Графические устройства ввода-вывода

ОБЛАСТИ ПРИЛОЖЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Лекция 2

1.1 Компьютерные интерфейсы. Интерфейс – это средство взаимодействия различных систем (например, программы и оператора). Интерфейсы могут быть текстовыми и графическими. Текстовый интерфейс предполагает использование командной строки, где оператор вводит команды и параметры, позволяющие ему управлять работой программы. Первые операционные системы (ОС) изначально использовали текстовый интерфейс для своей работы. Но даже текстовые ОС (DOS) обеспечивали возможность создания прикладных программ, использующих графический интерфейс. Графический интерфейс предполагает более наглядный и удобный для начинающих механизм управления программой. Наглядность состоит в том, что возможно управление программой в образах предметной области. Нельзя утверждать, что графический интерфейс является более удобным, чем текстовый. Текстовый позволяет специалистам управлять программами с большей скоростью и функциональностью, т.к. позволяют использовать сложные выражения в командных строках с множеством параметров, эквивалентом которых было бы метание по пунктам меню. Выразительность языка управления выше в командной строке. В специализированных программах используется комбинированный интерфейс.

1.2 Компьютерные игры – наиболее требовательные к графической подсистеме ЭВМ. Для реализации наиболее эффектных графических образов, они используют все ресурсы процессора, графической платы и программы. Можно утверждать, что в настоящее время прогресс в области аппаратной реализации графических подсистем ЭВМ и в области алгоритмов трехмерной графики определялся потребностями компьютерных игр.

1.3 Научная графика. Ее предметом является изучение способов отображения результатов экспериментов в удобном для анализа виде. Одним из направлений является когнитивная графика (познавательная), которая позволяет изучать методы отображения данных в графические образы так, что можно, анализируя их, получать новые знания.

1.4 Инженерное проектирование представляет собой комплексы программ по задачам автоматизации проектирования, имеют название САПР (CAD). Типовые САПР в качестве основного элемента используют графическое ядро, обеспечивающее возможность создания, редактирования, преобразования, отображения и печати в согласованном стандартном виде графических образов объектов в заданной предметной области. Исторически первыми появились САПР деталей машин и механических конструкций (AutoCAD – 1986 г.), далее САПР архитектуры проектирования и дизайна геологоразведочных и маркшейдерных (подземная геология) работ, для микроэлектронных схем, печатных плат и т.д. Кроме графического ядра САПР содержит модуль расчетов и моделирования, позволяющий после построения объекта в графической среде автоматически выполнять необходимые расчеты с целью определения его свойств, результаты расчетов, как правило, предъявляются в графической форме в терминах разрабатываемого объекта.

1.5 Геоинформационные системы (ГИС). Предполагают накопление, обработку и доступ к комбинированным данным, которые являются, во-первых, данными графического характера, несущими информацию о состоянии земной поверхности и расположенных на ней объектах, во-вторых, данные текстового характера, которыми описываются признаки графических объектов. Прообразом ГИС является Секад от Siemens. Запрос в данных системах может быть графическим, а ответ – текстовым и наоборот.

1.6 Кодирование и идентификация товара используется для управления товарными запасами на складах готовой продукции, полуфабрикатов, управление потоками деталей на сборочных производствах. Идентификация товаров используется для их защиты от подделок (штрих-код). Используются специальные защищенные графические знаки, их защищенность обеспечивается сложностью технологического процесса воспроизводства таких знаков.

Для защиты от подделки главными элементами являются упаковка и этикетка. Главные формы защиты – использование специальных материалов и специальных графических знаков и методов их нанесения (бумага для денег, специальные лаки, краски, пленки). Особые методы нанесения – орловская печать (линия с переменной цвета), тиснение (нанесение изображения давлением с нагреванием), перфорация (специальный лазерный станок создает изображение из отверстий треугольной формы, которые видны на просвет), гаммаграфические знаки (методом глубокой печати или теснением на полиэфирных пленках, наносятся на изделие теснением “G”).

Штрих-коды – некие символьные данные, зафиксированные в удобной для считывания с помощью сканера формы. Сначала были одномерные штрих-коды. Существует много стандартов штрих-кодов, большинство которых используется в процессе складирования, перевозки. Стандарт потребительского уровня EAH 13. Удобством для считывания является то, что изображение может масштабироваться и поворачиваться, оставаясь устойчиво считываемым. Каждая цифра кода кодируется совокупностью черточек разной толщины, что обеспечивает возможность устойчивого распознавания (как слева направо, так и наоборот). Специальной организацией стран ведутся реестры производителей со штрих-кодами, обеспечивая выдачу производителям диапазонов кодов для идентификации своих товаров. Недостаток кодов – малая емкость. Более сложные коды – двумерные в виде матрицы из черных точек. Они более сложны в обработке, но позволяют сохранять больше данных об объекте. Двумерные коды пока не вышли на потребительский уровень.

1.7 Стеганография – область знаний, в которой разрабатываются способы кодирования текстовых, графических и иных данных в графических, G-образах. Впервые стеганография использовалась в древнем Риме (татуировка на голове раба), затем шпионы точками в книге писали сообщения.

В любые цифровые массивы данных можно вставить скрытую информацию без опасности ее идентификации. С помощью специальных алгоритмов в изображения встраиваются данные таким образом, что определить их существование формальными методами невозможно. Наиболее известным является механизм Вотума в Photoshop (водяные знаки), который позволяет защитить авторские права на изображение, сохраняя вместе с последним специальные текстовые сообщения, которые могут быть выявлены при достаточно сложных преобразованиях изображения, в частности, его сканирования.

1.8 Полиграфия. Компьютерная графика используется на этапе верстки и предпечатной подготовки изображений.

Используются для преобразования оптических сигналов в электронные (для устройств ввода изображения) и, наоборот (для устройств вывода).

Большой группой являются устройства вывода информации:

2.1. Дисплеи можно разделить на 2 группы: векторные дисплеи («вымирающая» группа) и растровые.

Особенность векторных дисплеев состоит в том, что луч, формирующий изображение на экране, описывает контуры отображаемых объектов. Такие дисплеи широко использовались в CAD { CAD (англ. computer - aided design /drafting) — средства автоматизированного проектирования}, сейчас остались как осциллографы и т.д. в физике.

Большинство дисплеев сейчас являются растровыми, т.е. формируют изображение на растре (множество элементов прямоугольного множества, элементы имеют одинаковый размер, равноотстоят друг от друга).

Мониторы с использованием электронно-лучевой трубки являются самыми качественными по параметрам – разрешающая способность, цветопередача, воспроизводимость цветов, линейность, стабильность цветопередачи. Разрешающая способность таких мониторов часто превышает 2048 пикселей. Максимальные размеры изображения 24 дюйма. Для обеспечения правильной стабильной цветопередачи такие мониторы имеют специальные функции калибровки цвета и специальные устройства для ее реализации. В обычных условиях рекомендуется проводить калибровку монитора раз в неделю или каждый день, а также при любой перемене внешних условий.

В процессе калибровки на монитор выводится текстовая картинка, специальным устройством измеряется цветовой диапазон различных областей экрана и в зависимости от разницы выводится корректировка в сам процесс отображения. Это обеспечивает стабильность и воспроизводимость цвета при изменении любых внешних и внутренних условий функционирования монитора. Внешними условиями являются освещенность, цвет стен и т.д. Внутренние условия – старения компонент и т.д.

Канал отображения информации в ЭВМ всегда состоит из двух компонентов:

1) дисплей (монитор или индикатор);

2) контроллер дисплея.

Контроллер дисплея установлен в системном блоке ЭВМ, служит для управления работой монитора и для преобразования управляющих воздействий программы, осуществляющей вывод на экран собственно в сигналы управления индикатором.

ПЭВМ может использовать разные контроллеры дисплея, отличающиеся по цене в десятки, раз и эти различия определяются наличием тех или иных добавочных функций, объемом внутренней памяти и скоростью вывода данных на экран. Даже если изображение неподвижно и никакой из его элементов не изменяется, оно должно непрерывно перевыводиться (регенерироваться) на экран для исключения мерцания. Причина этого – малое время после свечения покрывающего изнутри экран люминофора (например, движение самолета). Чем более быстрые картинки на экране, тем меньше светится люминофор.

Таким образом, процесс отображения картинки на экран разбивается на два этапа:

1. Прикладная программа (драйвер) записывает некие коды в видеопамять.

2. Второй этап выполняется параллельно с первым, когда аппаратура контроллера отображает их на экран дисплея.

Видеопамять физически размещается на плате контроллера, но логически отображена во внутреннюю память процессора (архитектура Фон Неймана, адресное пространство процессора).

Таким образом, прикладная программа может записать что-либо в область видеопамяти и это сразу же отобразится на экран.

Разные контроллеры дисплея могут использовать разные объемы видеопамяти (от 4 кбт до 10-ов Мбт) и чем ее больше, тем большего разрешения изображения могут быть отображены. Контроллер дисплея может отображать данные в двух базовых группах режима:

1) текстовые

2) графические

В текстовом режиме отображаются текстовые псевдографические («псевдо» – вместо) и квазиграфические («квази» – как бы) изображения. Элементами псевдографического изображения являются вертикальные линии, заливки, а квазиграфического – символы. Текстовые режимы отображения требуют минимальный объем видеопамяти. В графических режимах, например, 1280×768 элементов, каждый из которых требует для своего описания приблизительно 3 Мбайт видеопамяти.

Для кодирования каждого элемента в текстовом режиме необходим 1 байт, в графическом режиме от 1 бита до 3 байт видеопамяти. 1 бит на элемент требуют так называемые бинарные изображения, без оттенков. Черно-белые изображения требуют для кодирования элементов 1 байт. Такие изображения используют 256 оттенков для передачи полутонов.

Цветные изображения могут также требовать 1 байта для кодирования, если используется цветовой индекс (или палитра). Такие изображения называются индексированными, их построение требует индекс, который представляет собой таблицу из 256 строк и двух столбцов.

Первый столбец – это номер цвета в индексе, второй – это полное описание (т.е. описание трех компонент RGB, каждый из которых описан 1 байтом). Всего такое изображение может использовать одновременно 256 цветов из общего объема цветов (что равно 16,7 млн. цветов).

Индексированные изображения, несмотря на огромный набор цветов в каждом изображении, находят широкое применение там, где важным фактором является объем изображения (например, приложение к Интернет). Разумеется, каждое изображение может иметь собственную палитру, настроенную на специфику данной картинки.

Другой стандарт кодирования изображения использует 2 байта для фиксации информации о цвете пиксела (из них зеленый – 6 бит, красный – 5 бит, желтый – 5 бит). Такое изображение может содержать одновременно цветов (или 65535 цветов) или 64К – такой стандарт называется хайколор.

Еще один стандарт изображения кодирует любую точку 3 битами, каждая из которых описывает одну из цветовых компонент RGB, составляющих пиксели. Цветовой охват здесь 16,7 млн. цветов и, в общем, не рекомендуется в медленных конфигурациях ПВЭМ (т.к. человеческий глаз не заметит разницы между цветами, хотя все 16,7 млн. присутствуют в файле, но не все отображаются).

Для ускорения построения сложных изображений на экране монитора многие контроллеры содержат специализированные графические ускорители (или акселераторы), которые являются в полной мере процессорами со своим набором команд, программами и внутренней памятью, в качестве которой используется часть видеопамяти. Ускорение здесь достигается за счет того, что центральный процессор пересылает в видеопамять не просто готовый для отображения растр, а команды, с помощью которых графический процессор строит этот же растр на месте и записывает его в видеопамять; т.к. самым узким местом в канале отображения является передача данных между системой и контроллером дисплея, передача высокоуровневых данных (команд) существенно ускоряет процесс.

Графические акселераторы делятся на две группы:

1) 2D

2) 3D

(1) 2D наиболее распространенные и используются в большинстве неигровых приложений, с их помощью можно аппаратно перемещать элементы растра на экране, строить и заливать линии, окрестности и другие простые фигуры.

(2) 3D позволяет выполнять сложные 3-х мерные построения, включая так называемый рендеринг, т.е. расчет 2-х мерной проекции 3-х мерных сцен с учетом положения источника света, фигуры, удаленности объекта от точки наблюдения, используемых текстур и т.д. (текстура: цвет каждой точки зависит от точки наблюдения и точки освещения).

Дата добавления: 2014-01-04