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.

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, и электронно-лучевые.

Плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические мониторы и дисплеи с эмиссией полем относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно то, 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: отраженного или проходящего. 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. При разрешающей способности 512´512 пиксел такая панель имеет размеры не более 200´200 мм и толщину 6-8 мм. В настоящее время созданы цветные плазменные панели с разрешающей способностью экрана более 1024´1024 пиксел.

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 подобные обычным ЭЛТ. Электроны в них излучаются из холодных катодов, имеющих форму очень острых микроигл, 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).

Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевых трубках. Электронная лучевая трубка представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды: электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при нагревании, является источником электронов. Возле него образуется «электронное облако», которое под действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод. В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую скорость, поэтому она оказывает на поток электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже может полностью «запереть» трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.

На отклоняющие пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение, которое отклоняет электронный луч и заставляет его пробегать по всей поверхности экрана, строка за строкой. На поверхности экрана появляется развертка, с помощью которой выводится требуемое изображение – в местах экрана, которые должны оставаться темными, трубка запирается и электронный луч не доходит до поверхности экрана.

В зависимости от формы напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины и способа его получения, различаются растровая, матричная и векторная развертки.

Растровая развертка представляет собой набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих весь экран. Она формируется с помощью аналоговых приборов – генераторов пилообразного напряжения: отдельно для строк и для кадров. Этот вид развертки применяется в телевидении.

Матричная развертка по внешнему виду похожа на растровую. Но формируется она с помощью цифровых схем (счетчиков), связанных с отклоняющей системой через цифро-аналоговые преобразователи. В этом случае электронный луч на экране перемещается не непрерывно, а скачками – от одного пиксела к другому. Поэтому он не рисует линию, а высвечивает матрицу точек (пиксел). При такой развертке легко перевести луч в любую заданную точку экрана: надо только в счетчики строк и кадров поместить координаты этой точки.

Векторная развертка используется для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий разной формы. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча в этом случае осуществляется с помощью функциональных генераторов, каждый из которых настроен на прорисовку определенного графического примитива. Состав графических примитивов, из которых строится изображение, определяется наличием функциональных генераторов.

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.

Размер элементов изображения зависит от величины зерен люминофора, напыляемого на экран, которая измеряется в мм и образует ряд: 0.42; 0.39; 0.31; 0.28; 0.26; 0.25;... Фактически приведенные цифры характеризуют не диаметр точек люминофора, а расстояние между центрами этих точек.

Размер экрана, имеющего прямоугольную форму, обычно измеряется по диагонали в дюймах (12, 14, 15, 17, 21 и т.д.). Для экрана с диагональю 14” длина горизонтальной части экрана составляет около 10”, а вертикальной – около 9”. При длине строки 10” (т.е. 257.5 мм) и размере зерна 0.42 мм, в строке может разместиться 613 пиксел. Поэтому на мониторе с размером экрана 14” и размером зерна 0.42 мм невозможно получить разрешающую способность, более 613 пиксел в строке при 535 пикселных строках на экране; монитор может обеспечить лишь стандартную разрешающую способность (не более 640 ´ 480). При размере зерна 0.28 мм на 14” мониторе максимально можно получить разрешающую способность 800 ´ 600 (зато на 15” мониторе размер зерна 0.28 позволяет обеспечить разрешающую способность 1024 ´ 768).

Необходимо отметить, что большее по размерам зерно имеет большую инерционность: электронный луч дольше «разжигает» такое зерно, но оно и светится дольше. Поэтому в мониторах с большим размером зерна частота регенерации не должна быть высокой (25-30 кадров в секунду достаточно, чтобы изображение «не мерцало» из-за угасания зерен люминофора). При уменьшении размеров зерна уменьшается и его инерционность. Поэтому регенерацию экрана в мониторах с зерном 0.26 и меньше приходится проводить чаще (75-100 раз в секунду). Для того чтобы вывести 100 раз в секунду кадр, содержащий 1000 пиксел в строке и 1000 строк, необходимо обеспечить частоту строчной развертки 100 ´ 1000 ´ 1000 = 10⁸ Гц = 100 Мгц; частота кадровой развертки при этом составит 100 ´ 1000 = 10⁵ Гц = 0.1 Мгц.

По длительности хранения информации на экране мониторы делятся на регенерируемые и запоминающие.

В регенерируемых мониторах изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго (доли секунды), постепенно угасая. Угасание изображения иногда заметно на глаз – нижние строки могут быть ярче верхних, например. Для поддержания постоянной яркости, изображение приходится повторно прорисовывать (регенерировать). А чтобы яркость в различных частях экрана не очень отличалась, и для снижения полосы пропускания применяют чересстрочную развертку: при каждой регенерации сначала рисуются нечетные строки, а затем – четные.

Регенерируемые мониторы незаменимы при визуализации быстропротекающих динамических процессов.

В запоминающих мониторах после однократной прорисовки изображение держится на экране в течение нескольких часов. Для его стирания приходится подавать на экран специальное стирающее напряжение.

Запоминающие мониторы эффективны там, где выведенное изображение нуждается в длительной обработке, например, подвергается редактированию или должно быть воспринято (изучено) оператором.

По способу управления яркостью луча мониторы делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых мониторах для управления яркостью на сетку подаются дискретные сигналы, которые в зависимости от настройки могут полностью запирать трубку или полностью отпирать ее; снижать яркость до 1/2 или обеспечивать полную яркость, и т.д.

В аналоговых мониторах на сетку подается непрерывный (аналоговый) сигнал, который может плавно изменять яркость от полного запирания до полного отпирания.

По цветности изображения мониторы делятся на монохромные и цветные.

Цветность монитора на ЭЛТ зависит от люминофорного покрытия экрана. В монохромном мониторе на экране распыляется один люминофор, который и определяет цвет экрана: белый, зеленый и др. В цветном мониторе на экран последовательно напыляются три различных люминофора, каждый из которых светится под воздействием электронного пучка своим цветом. В цветных мониторах в качестве основных цветов применяются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), в связи с чем они получили название RGB-мониторы. Люминофоры наносятся в виде точек, образующих цветные триады на месте каждого пиксела. В цветных ЭЛТ используются три электронных пушки, каждая из которых может подсвечивать точку только одного цвета. Изменяя интенсивность каждого электронного пучка, можно регулировать яркость точек в цветных триадах. Но точки, из которых состоит пиксел, глазом по отдельности не воспринимаются, так как имеют очень малые размеры и расположены близко друг от друга. Глаз воспринимает их слитно, как одну цветную точку, цвет которой зависит от яркости ее компонент.

Самые большие возможности цветообразования у аналоговых RGB-мониторов с раздельным управлением яркостью трех лучей. В этих мониторах используется три сетки, каждая из которых находится в непосредственной близости от «своей» электронной пушки и управляет интенсивностью только ее луча. Такие мониторы способны воспроизводить на экране миллионы различных цветов.

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.

Видеографический матричный адаптер VGA, разработанный в 1988 г. позволял реализовать 640´480 точек в графическом режиме при 64-256 (зависит от объема видеопамяти) одновременно отображаемых цветов из 262144 возможных. В текстовом режиме адаптер VGA позволял отображать на экране 80´25 или 80´50 символов. Количество цветов, отображаемых в этом режиме, ограничено 16 цветами из 256 возможных. Ограничение на количество воспроизводимых цветов накладывает архитектура адаптера, стремление сделать его совместимым с адаптером EGA.

В последнее время наибольшее распространение получили адаптеры SVGA. Этот адаптер не стандартизован, вследствие чего каждая фирма, выпускающая мониторы, обязательно снабжает их драйверами, позволяющими 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 Robotron 1715 состав символов определяется кодом КОИ-7; в ЕС ЭВМ – кодом DKOI, в IBM PC – кодом ASCII, который в последнее время теснится 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 емкостью 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: обычная динамическая (DRAM), в которой для доступа к биту надо задать адрес строки и столбца; FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) в которой адрес строки задается один раз для нескольких доступов к близким элементам памяти; EDODRAM (Extended Data Out DRAM) в которой модифицированы схемы тактирования, за счет чего новое обращение к памяти может начаться до завершения предыдущего; BEDO DRAM (Burst Extended Data Out DRAM) в которой EDO-память скомбинирована с конвейерной технологией и специальными триггерами с защелкой, что позволяет заметно сократить время доступа; RDRAM (RAMBus DRAM), в которой для доступа к данным вместо обычных 32 или 64-битных шин используется 8-битный скоростной интеллектуальный канал; специальная двухпортовая (VRAM), допускающая одновременное обращение как со стороны системной магистрали, так и со стороны монитора.

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 2² = 4 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
2⁸ = 256 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).

Иногда между видеопамятью и DAC ставятся регистры палитры (RAM DAC). Атрибутивный признак каждого пиксела в этом случае обозначает номер регистра палитры, в котором хранится код цвета данного пиксела. При выборке соответствующего регистра палитры находящийся в нем код цвета передается в DAC и управляет свечением пиксела. Объем RAM DAC равен количеству имеющихся в наличии регистров палитры (в адаптере EGA – 16, в адаптере VGA для цифрового монитора – 64). RAM DAC загружается кодами цветов выбранной палитры с помощью специальной видеофункции BIOS перед началом работы, поэтому объем RAM DAC определяет, сколько цветов может одновременно находиться на экране (монитор может обеспечить и большее количество цветов, но количество регистров палитры ограничивает количество цветов выбранной палитрой).

Начиная с адаптеров SVGA (Super VGA), предпринимаются попытки снять ограничения, накладываемые выбором палитры – для этого код цвета из видеопамяти передается на DAC в момент «разжигания» пиксела. В режиме High Color на DAC передается 15-битный код цвета (по 5 бит на каждый луч), что позволяет идентифицировать 32 768 цветов. В режиме Direct Color на DAC передается 18-битный или 21-битный код цвета (по 6 или 7 бит на каждый луч), что позволяет идентифицировать соответственно 262 144 (для 18 бит) или 2 097 152 (для 21 бита) цветов. В режиме True Color – 24-битный код цвета (по 8 бит на каждый луч), что позволяет идентифицировать 16 777 216 цветов. Видеопамять для этого должна иметь соответственно 15, 18, 21 или 24 битовых плоскости.

Скорость обмена видеопамяти с DAC определяется продолжительностью разжигания (регенерации) одного пиксела и характеризуется частотой, которая при достаточно большой разрешающей способности превышает 200 МГц. Поэтому указанные режимы используются для профессиональной обработки цветных изображений и нуждаются в очень дорогой, быстродействующей аппаратуре.

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). 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 устройства вывода имеют плоский экран. Естественным для такого экрана является двухмерное (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 нанесении 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 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 годов. В начале 60-х годов 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 использования 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, так как 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, то 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 взаимоперпендикулярных 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.

Дата добавления: 2014-12-29