Чем отличается дисплей на запоминающей трубке от векторного дисплея с регенерацией изображения

Обновлено: 15.01.2025

Существует много разнообразных графических устройств для вывода изображений, построенных с помощью машинной графики. В качестве типичных примеров назовем перьевые графопостроители, точечно-матричные, электростатические и лазерные печатающие устройства, фильмирующие устройства, дисплеи на запоминающей трубке, векторные дисплеи с регенерацией изображения и растровые дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Мы ограничимся обсуждением дисплеев на ЭЛТ, поскольку в большинстве систем машинной графики используются дисплеи подобного типа и именно в этом типе дисплеев воплощены наиболее фундаментальные концепции вывода изображения.

Запоминающие ЭЛТ с прямым копированием изображения (рисование отрезками), векторные дисплеи с регенерацией изображения (рисование отрезками) и растровые сканирующие дисплеи с регенерацией (поточечное рисование) являются тремя основными типами дисплеев на базе ЭЛТ. Развитие электронной техники позволило использовать в одном дисплее несколько методов изображения. Мы будем рассматривать в основном

функциональные возможности дисплеев, а не особенности их электронной схемы.

ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ НА ЗАПОМИНАЮЩЕЙ ТРУБКЕ.

Из всех дисплеев на ЭЛТ наиболее просто устроен дисплей на запоминающей ЭЛТ с прямым копированием изображения. Запоминающую ЭЛТ можно рассматривать как ЭЛТ, покрытую люминофором м длительными временем послесвечения. Линия или литера остаются на ней видимыми в течение длительного времени (до одного часа), прежде чем окончательно станут неразличимыми. Чтобы нарисовать отрезок на дисплее, интенсивность электронного луча увеличивают до такой величины, которая вызывает запоминание следа луча на люминофоре. Для стирания изображения на всю трубку подают специальное напряжение, снимающее свечение люминофора. Экран вспыхивает и принимает исходное (темное) состояние. Стирание занимает около 0.5 секунды. Поскольку вспыхивает вся трубка, то стираются все отрезки и литеры. Таким образом, стереть отдельные литеры нельзя, и изображение динамического движения или анимация невозможны. Иногда для обеспечения возможности ограниченной регенерации используется промежуточное состояние (режим рисования поверх изображения) В этом случае интенсивность электронного луча принимает значение, меньше порогового, которое вызывает запоминание, но достаточное для свечения люминофора. Поскольку в этом режиме изображение не сохраняется, для его видимости необходима постоянная перерисовка.

Дисплей на запоминающей трубке способен изображать фактически неограниченное количество векторов, а мерцание изображения вообще невозможно. По вертикали обычно видно только 78% адресуемой области.

Дисплей на запоминающей трубке – это векторный дисплей, или дисплей с произвольным сканированием. Это означает, что отрезок может быть нарисован непосредственно из одной точки в любую другую. Относительно легко, быстро и недорого можно получить твердую копию экрана. Дисплеи на запоминающей трубке в некоторой степени легче программировать, нежели векторные или растровые дисплеи с регенерацией изображения. Дисплеи на запоминающей ЭЛТ можно объединять с микрокомпьютерами в сателлитные графические системы или графические терминалы.

ВЕКТОРНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ .

В противоположность дисплею на запоминающей трубке в векторном дисплее с регенерацией изображения на базе ЭЛТ используется люминофор с очень коротким временем свечения. Такие дисплеи часто называю дисплеями с произвольным сканированием. Из-за того, что время послесвечения очень мало, изображение на ЭЛТ должно многократно перерисовываться или регенерировать. Минимальная скорость регенерации должна составлять 30, а предпочтительнее от 40 до 50 раз в секунду. Скорость регенерации, меньшая 30 раз в секунду, приведет к тому, что изображение будет мерцать. На такое изображение неприятно смотреть и его трудно использовать.

Для векторного дисплея с регенерацией кроме ЭЛТ требуются еще два элемента: дисплейный буфер и дисплейный контроллер. Дисплейный буфер – это непрерывный участок памяти, содержащий всю информацию, необходимую для вывода изображения на ЭЛТ. Функция дисплейного контроллера заключается в том, чтобы циклически обрабатывать эту информацию со скоростью регенерации. Сложность (число изображаемых векторов) рисунка ограничивается двумя факторами – размером дисплейного буфера и скоростью дисплейного контроллера. Еще одним ограничением является скорость обработки геометрической информации, например, скорость выполнения таких операций, как преобразование и отсечение, генерация текстовой информации.

На следующем рисунке представлены блок-схемы двух высокопроизводительных дисплеев.

В обоих случаях предполагается, что такие геометрические преобразования, как поворот, перенос, масштабирование, перспективное проецирование и отсечение, реализованы аппаратно в геометрическом процессоре. В первом случае геометрический процессор работает медленнее, чем это необходимо при регенерации применяемых на практике изображений (от 4000 до 5000) векторов. Таким образом, геометрические данные, посылаемые центральным процессором устройства (ЦПУ) графическому дисплею, обрабатываются до сохранения в дисплейном буфере. Значит в нем содержатся только те инструкции, которые необходимы генератору векторов и литер для вывода изображения. Дисплейный контроллер считывает информацию из дисплейного буфера и посылает ее генератору векторов и литер. При достижении конца дисплейного буфера контроллер возвращается в его начало и цикл повторяется снова.

При использовании первой схемы возникает идея двойной буферизации и раздельного изменения изображения и его регенерации. Так как в этой конфигурации геометрический процессор не успевает сгенерировать новое или измененное изображение во время одного цикла регенерации, то дисплейный буфер делится на две части. В то время, как измененное изображение обрабатывается и записывается в одну половину буфера, дисплейный контроллер регенерирует ЭЛТ из другой половины буфера. Таким образом, новое или измененное изображение может генерироваться каждый второй, третий, четвертый и т.д. циклы регенерации. Использование двойной буферизации предотвращает одновременный вывод части старого и части нового измененного изображения в течение одного и более циклов регенерации.

Во второй схеме геометрический процессор работает быстрее, чем необходимо для регенерации достаточно сложных изображений. В этом случае исходная геометрическая база данных, посланная из ЦПУ, сохраняется непосредственно в дисплейном буфере, а векторы обычно задаются в пользовательских (мировых) координатах в виде чисел с плавающей точкой. Дисплейный контроллер за один цикл регенерации считывает информацию из дисплейного буфера, пропускает ее через геометрический процессор и результат передает генератору векторов. При таком способе обработки геометрические преобразования должны выполняться в течение одного цикла регенерации.

При использовании контроллера любой схемы в дисплейном буфере существуют инструкции рисования каждого вектора, литеры и подкартинки. Следовательно, любой конкретный элемент может быть изменен независимо от любого другого. Эта особенность в совокупности с малым временем послесвечения люминофора позволяет изображать динамическое движение

В большинстве случаев лишь часть изображения является динамически изменяемой. Реально большая часть картинки остается статичной. Такое разделение наводит на мысль о сегментации дисплейного буфера. Идея иллюстрируется на следующих рисунках.

Здесь неподвижны горизонтальный отрезок, заштрихованная часть и точка А, используемая для показа опоры отрезка АВ, то есть они не изменяются от одного цикла к другому. В то же время для показа динамического движения положение конца отрезка АВ и буквы В изменяются. Это изолированные части базы данных изображения помещены в отдельные сегменты дисплейного буфера. В первой конфигурации геометрический процессор может игнорировать статический сегмент в дисплейном буфере, так как он не изменяется, а это существенно сокращает работу геометрического процессора при изменении рисунка. В данном случае должно модифицироваться только изображение в динамическом сегменте. Еще одним достоинством подобного метода является то, что при таком разделении сокращается количество данных, передаваемых из ЦПУ в геометрический процессор при каждом изменении изображения.

Разные типы сегментации возможны для конфигурации при второй схеме. Напомним, что здесь база данных изображения сохраняется в дисплейном буфере в мировых (пользовательских) координатах, а обработка изображения происходит в каждом цикле регенерации. Для картинки, показанной на предпоследнем рисунке, в дисплейном буфере создаются два сегмента – статический и динамический. В любом случае обработка изображения совершается «на лету». Информацию в динамическом сегменте можно изменить с помощью функций, предоставляемых геометрическим процессором. Таким образом, модификация изображения может происходить локально в графическом устройстве и для этого связь с ЦПУ не нужна. В частном случае, показанном на предпоследнем рисунке, единственной функцией, необходимой для локального динамического изменения, является поворот вокруг точки А.

Для динамического изменения последнего рисунка требуется связь с ЦПУ, т.е. некоторое интеллектуальное изменение изображения. Снова создаются два сегмента: статический сегмент, содержащий опорную линию, заштрихованную часть и букву А, и динамический сегмент, состоящий из кривой АВ и буквы В. Предположим, что форма кривой АВ должна изменяться от одного цикла регенерации к другому в зависимости от физических факторов. Это осуществляет прикладная программа в ЦПУ. Для модификации сегмента с изменяющимся изображением должны быть посланы и сохранены в дисплейном буфере новые данные. например форма кривой.

РАСТРОВЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Как дисплеи на запоминающих ЭЛТ, так и дисплеи с произвольным сканированием являются устройствами рисования отрезков, т.е. отрезок может быть нарисован непосредственно из любой адресуемой точки в любую другую. Графическое устройство на растровой ЭЛТ работает по-другому. Растровое устройство можно рассматривать как матрицу дискретных ячеек (точек), каждая из которых может быть подсвечена. Таким образом, оно является точечно-рисующим устройством. Невозможно, за исключением специальных случаев, непосредственно нарисовать отрезок прямой из одной адресуемой точки или пиксела в матрице в другую адресуемую точку или пиксел. Отрезок можно лишь аппроксимировать последовательностями точек (пикселов), близко лежащих к реальной траектории отрезка. Эту идею иллюстрирует следующий рисунок.

Отрезок прямой из точек (пикселов) получится только в случае горизонтальных, вертикальных или расположенных под углом 45º отрезков, как показано на рисунке справа. Все другие отрезки будут выглядеть как последовательность ступенек. Это явление называют лестничным эффектом или «зазубренность». Методы устранения лестничного эффекта мы рассмотрим позднее.

Чаще всего для графических устройств с растровой ЭЛТ используется буфер кадра. Буфер кадра представляет собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки или пиксела в растре отводится как минимум один бит памяти. Эта память называется битовой плоскостью. Изображение в буфере кадров строится побитно. Из-за того, что бит памяти имеет только два состояния (двоичное 0 или 1), имея одну битовую плоскость, можно получить лишь черно- белое изображение. Битовая плоскость является цифровым устройством, тогда как растровая ЭЛТ – аналоговое устройство, для работы которого требуется электрическое напряжение. Поэтому при считывании информации из буфера кадра и ее выводе на графическое устройство с растровой ЭЛТ должно происходить преобразование из цифрового представлении в аналоговый сигнал. Такое преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Каждый пиксел буфера кадра должен быть считан и преобразован, прежде чем он будет отображен на ЭЛТ.

Цвета или полутона серого цвета могут быть введены в буфер кадра путем использования дополнительных битовых плоскостей. Интенсивность каждого пиксела на ЭЛТ управляется содержимым соответствующих пикселов в каждой из N битовых плоскостей. В соответствующую позицию регистра загружается бинарная величина (0 или 1) из каждой плоскости. Двоичное число, получившееся в результате, интерпретируется как уровень интенсивности между 0 и 2 N -1. С помощью ЦАП это число преобразуется в напряжение между 0 (темный экран) и 2 N -1 (максимальная интенсивность свечения).

Число доступных уровней интенсивности можно увеличить, незначительно расширив требуемую для этого память и воспользовавшись таблицей цветов. После считывания кадра битовых плоскостей получившиеся число используется как индекс в таблице цветов.

Поскольку существует три основных цвета, можно реализовать простой цветной буфер с тремя битовыми плоскостями, по одной для каждого из основных цветов. Каждая битовая плоскость управляет индивидуальной электронной пушкой для каждого из трех основных цветов используемых в видеотехнике. Три основных цвета, комбинируясь на ЭЛТ. Дают восемь цветов.

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.

Развитие компьютерной графики во многом обусловлено развитием технических средств ее поддержки. Прежде всего это устройства вывода, каковыми являются дисплеи. В настоящее время существует несколько типов дисплеев, использующих электронно-лучевую трубку, а также дисплеи на жидкокристаллических индикаторах и другие их виды. Нас интересуют главным образом функциональные возможности дисплеев, поэтому мы не будем касаться их внутреннего устройства и электронных схем.

Возникновение компьютерной графики, как уже говорилось ранее, можно отнести к 50-м годам. Дисплейная графика на первом этапе своего развития использовала электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода в виде изображения информации из ЭВМ. С эксперимента в Массачусетском технологическом институте начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча).

Самым простым из устройств на ЭЛТ является дисплей на запоминающей трубке с прямым копированием изображения. Запоминающая трубка обладает свойством длительного времени послесвечения: изображение остается видимым в течение длительного времени (до одного часа). При выводе изображения интенсивность электронного луча увеличивают до уровня, при котором происходит запоминание следа луча на люминофоре. Сложность изображения практически не ограничена. Стирание происходит путем подачи на всю трубку специального напряжения, при котором свечение исчезает, и эта процедура занимает приблизительно 0,5 с. Поэтому изображения, полученные на экране, нельзя стереть частично, а стало быть, динамические изображения или анимация на таком дисплее невозможны. Дисплей на запоминающей трубке является векторным, или дисплеем с произвольным сканированием, т.е. он позволяет провести отрезок из одной адресуемой точки в любую другую. Его достаточно легко программировать, но уровень интерактивности у него ниже, чем у ряда дисплеев других типов ввиду низкой скорости и плохих характеристик стирания.

Следующий тип - это векторные дисплеи с регенерацией изображения. При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0,1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его "перерисовывать" (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость регенерации изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000–4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла , полностью гаснут к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно от двух до четырех). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух- и трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.).

Векторные дисплеи обычно подключаются к ЭВМ высокоскоростными каналами связи. Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 1960-х годов.

$\deg$

Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, что с середины 1970-х годов преимущественное распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча. Растровое устройство можно рассматривать как матрицу дискретных точек (пикселей), каждая из которых может быть подсвечена. Таким образом, оно является точечно- рисующим устройством. Поэтому любой изображаемый на экране дисплея отрезок строится с помощью последовательности точек, аппроксимирующих идеальную траекторию отрезка, подобно тому, как можно строить изображение по клеткам на клетчатом листке бумаги. При этом отрезок получается прямым только в случаях, когда он горизонтален, вертикален или направлен под углом 45 к горизонтали. Все другие отрезки выглядят как последовательность "ступенек" (ступенчатый эффект).

При построении изображения в растровых графических устройствах используется буфер кадра, представляющий собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки в растре отводится как минимум один бит памяти. Буфер кадра сам по себе не является устройством вывода, он лишь используется для хранения рисунка. Наиболее часто в качестве устройства вывода, используемого с буфером кадра, выступает видеомонитор.

Чтобы понять принципы работы растровых дисплеев, мы рассмотрим в общих чертах устройство цветной растровой электронно-лучевой трубки. Изображение на экране получается с помощью сфокусированного электронного луча, который, попадая на экран, покрытый люминофором, дает яркое цветовое пятно. Луч в растровом дисплее может отклоняться только в строго определенные позиции на экране, образующие своеобразную мозаику. Люминофорное покрытие тоже не непрерывно, а представляет собой множество близко расположенных мельчайших точек, куда может позиционироваться луч. Дисплей , формирующий черно-белые изображения, имеет одну электронную пушку, и ее луч высвечивает однотонные цветовые пятна. В цветной ЭЛТ находятся три электронных пушки, по одной на каждый основной цвет: красный, зеленый и синий. Электронные пушки часто объединены в треугольный блок, соответствующий треугольным блокам красного, зеленого и синего люминофоров на экране. Электронные лучи от каждой из пушек, проходя через специальную теневую маску, попадают точно на пятно своего люминофора. Изменение интенсивности каждого из трех лучей позволяет получить не только три основных цвета, но и цвета, получаемые при их смешении в разных пропорциях, что дает очень большое количество цветов для каждого пикселя экрана.

Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких крупных сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление , поэтому широко используются в портативных компьютерах. Они имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с дисплеями на ЭЛТ. Хотя исторически такой способ вывода изображения появился раньше, чем растровый дисплей с ЭЛТ, но быстро развиваться он начал значительно позднее. Эти дисплеи также являются растровыми устройствами (их тоже можно представить как матрицу элементов - жидких кристаллов).

Существуют и другие виды дисплеев, например плазменная панель, но мы не будем их касаться, поскольку они также являются растровыми, а техническая реализация не является предметом нашего курса. Важно то, что рассматриваемые нами алгоритмы разработаны для растровых графических дисплеев, а общие принципы работы этих устройств нам понятны.

Помимо дисплеев, в качестве устройств вывода изображений используются плоттеры ( графопостроители ), предназначенные для вывода графической информации на бумагу. Ранние графические пакеты были ориентированы именно на модель перьевого плоттера, формирующего изображение с помощью пера. Перо может перемещаться вдоль двух направляющих, соответствующих двум координатным осям, причем оно может находиться в двух состояниях - поднятом и опущенном. В поднятом состоянии оно просто перемещается над поверхностью бумаги, а в опущенном оставляет на бумаге линии, формирующие изображение. Таким образом, плоттер стоит ближе к векторным дисплеям, но отличается от них тем, что стирать выводимые изображения невозможно. Поэтому для них изображение сначала полностью формируется в памяти компьютера, а затем выводится.

Кроме того, следует упомянуть принтеры, выводящие изображение на бумагу или пленку. Изображение, получаемое с помощью современных принтеров, также формируется как точечное (растровое), но, как правило, с лучшим разрешением, чем экранное. Как и в случае с графопостроителем , стереть изображение или его часть невозможно.

Теперь сделаем небольшой обзор устройств ввода информации, позволяющих решать различные задачи компьютерной графики, не вдаваясь в детали физических принципов их работы. Эти устройства позволяют организовать диалог "человек- компьютер ", а особенности конструкции каждого устройства позволяют ему специализироваться на выполнении определенного круга задач. Нас они интересуют именно как логические устройства, т.е. с точки зрения выполняемых ими функций.

Первую группу устройств, с помощью которых пользователь может указать позицию на экране, назовем устройствами указания ( pointing device ): мышь , трекбол ( trackball ), световое перо (lightpen), джойстик ( joystick ), спейсбол (spaceball). Практически все устройства этой группы оснащены парой или несколькими кнопками, которые позволяют сформировать и передать в компьютер какие-либо сигналы или прерывания.

Мышь (рис. 1.1) и трекбол (рис. 1.2) похожи не только по назначению, но часто и по конструкции. В механической мыши и трекболе вращение шарика преобразуется с помощью пары преобразователей в сигналы, передаваемые в компьютер . Преобразователи измеряют вращение относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Существует очень много модификаций устройств этих групп. В оптической мыши используются не механические, а оптические чувствительные элементы для измерения перемещения: измеряется расстояние путем подсчета штрихов на специальной подложке. Маленькие трекболы широко применяются в портативных компьютерах, где их встраивают прямо в клавиатуру.

В некоторые клавиатуры встраиваются приборы, чувствительные к давлению, которые выполняют те же функции, что и мышь или трекбол, но при этом в них отсутствуют подвижные элементы. Преобразователи в таких устройствах измеряют величину давления на небольшой выпуклый набалдашник, размещенный между двумя кнопками в средней части клавиатуры. Они, как и трекбол, используются преимущественно в портативных компьютерах.

Выходные сигналы мыши или трекбола можно рассматривать как две независимые величины и преобразовывать их в координаты положения на двумерной плоскости экрана или в какой-либо другой системе координат. Считанные с устройства значения можно сразу же использовать для управления специальной отметкой (курсором) на экране.

Существует много разнообразных графических устройств для вывода изображений, построенных с помощью машинной графики. В качестве типичных примеров можно назвать перьевые графопостроители, точечно-матричные, электростатические и лазерные печатающие устройства, фильмирующие устройства, дисплеи на запоминающей трубке, векторные дисплеи с регенерацией изображения и растровые дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ).

ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ НА ЗАПОМИНАЮЩЕЙ ТРУБКЕ.

ВЕКТОРНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ .

В противоположность дисплею на запоминающей трубке в векторном дисплее с регенерацией изображения на базе ЭЛТ используется люминофор с очень коротким временем свечения. Такие дисплеи часто называю дисплеями с произвольным сканированием. Из-за того, что время послесвечения очень мало, изображение на ЭЛТ должно многократно перерисовываться или регенерировать. Минимальная скорость регенерации должна составлять 30, а предпочтительнее от 40 до 50 раз в секунду. Скорость регенерации, меньше чем 30 раз в секунду, приведет к тому, что изображение будет мерцать. На такое изображение неприятно смотреть и его трудно использовать.

РАСТРОВЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Теперь рассмотрим устройства ввода графической информации. К ним относятся:

- мышь;
- трекбол;
- световое перо;
- джойстик;
- спейсбол.

Также для растрового ввода изображений используются сканеры, позволяющие не только ввести образ в компьютер, но и произвести его обработку и документирование. Принцип работы сканера состоит в последовательном освещении сканируемого материала ксеноновой или флуоресцентной лампой и регистрации отраженного цвета ПЗС-матрицей (за исключением барабанных сканеров).

По типу сканирования такие устройства классифицируются следующим образом.

1. Барабанные сканеры. Сканируемый объект вымачивается в специальном растворе и помещается на барабан, который вращается перед перемещающимся в одном направлении фотоэлектронным умножителем (рис. 10).
2. Планшетные сканеры. Под стеклом одного из стандартных размеров (чаще всего А4; реже АЗ) находится сканирующая головка, последовательно проходящая всю площадь под стеклом в процессе сканирования (рис. 11). Для сканирования фотопленки в крышку может быть встроена лампа подсветки.
3. Протяжные сканеры. Предназначены для сканирования листов бумаги заданной ширины (рис. 12). Сканирующая головка перемещается только в одном направлении, а протяжной механизм обеспечивает последовательное смещение бумаги относительно сканирующей головки вдоль другого измерения.

Свет от каждой сканируемой точки разбивается на RGB составляющие

2.Для красного, зеленого и синего канала используется

1. Фокусирующее устройство и диафрагма

путем использования контролируемого продольного перемещения источника света и вращения барабана

Рис. 10. Принцип работы барабанного сканера

Рис. 11. Устройство и принцип работы планшетного сканера

Рис. 12. Внешний вид протяжного сканера

4. Ручные сканеры. Сканирующая головка перемещается над сканируемой поверхностью при помощи руки человека (рис. 13).
5. Слайд-сканеры. Предназначены специально для сканирования фотопленки (рис. 14).

Важным отличием является отсутствие стекла между сенсором и пленкой.

Рис. 13. Устройство и принцип работы ручного сканера

Рис. 14. Внешний вид слайд-сканера

2.2. Устройства вывода данных

Развитие компьютерной графики во многом обусловлено развитием технических средств ее поддержки. Прежде всего это устройства вывода, каковыми являются дисплеи.

Рассмотрим существующие типы дисплеев и принцип их работы.

1. Дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Проблемой мониторов на ЭЛТ (рис. 15) является то, что яркость свечения люминофора зависит от энергии попавшего на него электрона не линейно. Для компенсации этого эффекта применяют гамма-коррекцию.

Основными недостатками дисплеев на ЭЛТ являются сравнительно большие размер и вес, а также геометрические искажения на периферии экрана. Основные достоинства - хорошая цветопередача и способность работать в широком диапазоне разрешений экрана.

2. Дисплеи на запоминающей трубке с прямым копированием изображения. Запоминающая трубка обладает свойством длительного времени послесвечения: изображение остается видимым в течение длительного времени (до одного часа). Дисплей на запоминающей трубке является векторным, его достаточно легко программировать. Однако уровень интерактивности у него ниже ввиду низкой скорости и плохих характеристик стирания.

3. Векторные дисплеи с регенерацией изображения. Такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране. Одним из недостатков векторных дисплеев является малое число градаций по яркости.
4. Дисплеи с растровым сканированием луча. При построении изображения в растровых графических устройствах используется буфер кадра, представляющий собой большой непрерывный участок памяти компьютера. Для каждой точки в растре отводится, как минимум один бит памяти. Буфер кадра сам по себе не является устройством вывода, он лишь используется для хранения рисунка. Наиболее часто в качестве устройства вывода, используемого с буфером кадра, выступает видеомонитор.
5. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах. Основными достоинствами жидкокристаллических дисплеев являются меньшие, чем у ЭЛТ-дисплеев, размер в глубину, вес и энергопотребление, большая четкость. Недостатками являются: худшая, чем у ЭЛТ-дисплеев, цветопередача; цветовые искажения при косых углах зрения; большое среднее время реакции, что приводит к «смазыванию» динамично меняющихся изображений.
6. Плазменные панели.
7. Дисплеи на светодиодах.
8. Дисплеи на органических светодиодах. Их достоинством является то, что их можно производить путем процесса, напоминающего струйную печать.
9. «Электронная бумага» - гибкие дисплеи, способные заменить обычную бумагу. Отличаются тем, что рассчитаны не на постоянное обновление изображения, а, наоборот, на его длительное сохранение без электрической энергии.

Помимо дисплеев, в качестве устройств вывода изображений используются плоттеры. Плоттер стоит ближе к векторным дисплеям, но отличается от них тем, что стирать выводимые изображения невозможно.

Кроме того, следует упомянуть принтеры. Изображение, получаемое с помощью современных принтеров, также формируется как точечное (растровое), но, как правило, с лучшим разрешением, чем экранное.

Типы принтеров

1. Матричные принтеры. Печатающая головка, перемещающаяся в одном измерении по ширине страницы, состоит из нескольких игл (обычно 9 или 24). Краска нанесена на ленту, находящуюся между бумагой и головкой. При ударе иглы по бумаге на ней остается след от краски с ленты, таким образом, и получается изображение (рис. 16).

Рис. 16. Принцип работы матричного принтера

Основное достоинство - дешевизна печати, основные недостатки - низкое качество и высокий уровень шума.

2. Струйные принтеры. Печатающая головка, перемещающаяся по ширине бумаги, состоит из множества микрокамер с микросоплами, при пропускании электрического импульса через микрокамеру в ней образуется пузырь, который выталкивает из сопла каплю краски на бумагу. В цветных принтерах применяется цветовая модель CMYK. Основное достоинство - сравнительная дешевизна устройства. Основной недостаток - дороговизна расходных материалов.
3. Лазерные принтеры. 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 приправляются к ней (рис. 17).

Рис. 17. Принцип работы лазерного принтера

Основные достоинства - высокая четкость и быстрота печати, основной недостаток - сравнительная дороговизна самих устройств.

Также к устройствам вывода данных можно отнести проекторы, которые 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:

1) на проекторы на ЭЛТ.
2) проекторы на ЖК.
3) проекторы на технологии DLP.

Для создания первичного изображения в таких проекторах используется лампа, освещающая систему микрозеркал (по одному на пиксель). При постоянном быстром изменении положения этих зеркал от полного пропускания света до полного его блокирования получаются оттенки серого. Для получения цветного изображения используют два метода: либо вращающийся цветовой круг с ба зисными RGB-цветами (при прохождении соответствующего светофильтра электромеханика подстраивает зеркала для соответствующего цветового канала), либо белый свет сначала разлагается призмой, затем поток для каждой RGB-компоненты проходит через свою систему зеркал, и потом они вновь соединяются.

Все вышеперечисленные устройства, с точки зрения передачи информации прикладным программам, следует рассматривать как логические. Функционирование систем характеризуется тем, какую информацию устройство передает в программу. При разработке пользовательского интерфейса эти вопросы становятся особенно существенными.

2.3. Представление и преобразование точек и отрезков

Рассматриваемые методы преобразования являются основным инструментом манипулирования элементами изображений. Понимание принципов изменения и преобразования элементов изображений увеличивают возможности при создании изображений средствами машинной графики и адекватное восприятие результатов преобразования.

Соотношения между точками трехмерного евклидового пространства и их координатами, может быть задано либо радиус -вектором

г = OP = хех + уе + zez,

где е_х, е_у, e_z единичные вектора осей, либо матрицам вида xyzl или

Геометрические преобразования, проводимые в компьютерной графике как на плоскости, так и в пространстве, можно проводить в двух вариантах.

Первый подход заключается в том, что рассматривается преобразование одного множество точек в другое, но при этом система координат, в которой определены оба эти множества, остается неизменной, а сам объект преобразуется относительно начала координат до получения желаемого результата.

Другой вариант подхода заключается в преобразовании систем координат. Этот случай обычно полезен, когда желательно собрать вместе много объектов, каждый из которых описан в своей собственной (локальной, пользовательской) системе координат, и выразить координаты всех объектов в одной глобальной («мировой») системе координат. Переход от одной прямоугольной КС к другой в общем случае описывается следующими соотношениями:

[XY] [X1Y1] = [XY] + [D_x D _y], или Pi = P + T.

При перемещении точек необходимо выбирать такие величины констант смещения, которые оставляют точку в границах видимой зоны экрана. Не следует использовать и слишком малые значения, поскольку точки в этом случае могут остаться на том же месте.

Если множество точек отображает рис., то перемещение рисунка из одной области в другую эквивалентно перемещению всех точек рисунка и последующему повторному вычерчиванию всех соединительных линий. Для предотвращения искажения изображения все точки рисунка должны быть перемещены на одно и то же расстояние. Использование различных значений констант смещения приведет к искажению рисунка, что не исключает варианта намеренного искажения рисунка для поиска подходящей формы изображения.

Для объектов, обладающих симметрией или границами, которые вычисляются при помощи уравнений, при перемещении изображения смещение не добавляется к координатам всех точек. Например, для перемещения окружности или эллипса необходимо переместить лишь центр фигуры и вычислить координаты всех точек, согласно уравнению. Для перемещения прямоугольника достаточно переместить одну из его вершин и повторно вычертить его по известным значениям высоты и ширины.

Выбор этих частных случаев преобразования определяется двумя обстоятельствами.

1. Каждое преобразование имеет простой и наглядный геометрический смысл.
2. Как доказывается в курсе аналитической геометрии, любое сложное преобразование всегда можно представить, как последовательность рассмотренных выше преобразований.

Таким образом, справедливо следующее важное свойство аффинных преобразований на плоскости: любое отображение вида В = Т х А можно описать при помощи отображений поворота, масштабирования, отражения и переноса.

Резюмируя полученные соотношения переноса, масштабирования, отражения и поворота, можем записать

Pi=P + T Pi=P х М Pi = PxSPi = PxR

Как видно, в отличие от масштабирования, отражения и поворота перенос реализуется сложением соответствующих матриц. Поскольку геометрические преобразования составляют основную долю всех операций при создании изображения, учитывая наличие большого количества объектов преобразования, то с целью снижения вычислительных затрат желательно все преобразования организовать таким образом, чтобы любые преобразования (аффинные преобразования общего вида) представить на базе одной операции -умножения. Это можно сделать, если описывать точки не упорядоченной двойкой чисел, а упорядоченной тройкой чисел.

Приведенные матрицы отражают механизм преобразования изображения относительно начала координат. Но в общем случае операции масштабирования и поворота, как правило, выполняются относительно некоторой выбранной по каким-либо соображениям точки, а не относительно начала координат, хотя и это не исключено. Это может быть центральная точка, точка на границе изображения или любая точка вне его. Следовательно, в общем случае любое преобразование необходимо выполнять на основе базовых операций геометрического преобразования - преобразований относительно начала координат.

Масштабирование отрезков. При формировании изображения отрезок достаточно часто используется как основной элемент. Поэтому рассмотрим основные геометрические преобразования применительно к отрезку.

Горизонтальный отрезок между точками с абсциссами xi и Х2 имеет длину

Изменение длины отрезка в зависимости от коэффициента масштабирования определяется соотношением

Ls = L X S = S(X2 — X1) = X2s — Xis.

Координаты точек Хг₅, Xi_s рассчитываются по матрице масштабирования относительно начала координат. Если S>1 отрезок становится длиннее; если S Xis=X_m-(x₂-xi)xS/2;

Рис. 21. Горизонтальная линия между точками Xi и х 2

Вращение точки. Рис. 22 иллюстрирует вращение точки.

Рис. 22. Вращение из точки X,Y в точку Xi,Yi по дуге окружности с центром вращения Xo,Yo

Перемещение осуществляется ИЗ ТОЧКИ X,Y В точку X1,Y1 по дуге окружности с центром вращения Xo,Yo. Угол ф на рисунке определяет величину поворота.

Координаты точки Xi,Yi после поворота определяются из Xi = Хо + (X - Хо) х cos(p + (Y - Yo) х sincp, Y1 = Yo + (Y - Yo) x coscp + (X - Xo) x sin(p.

Опорная (базовая) точка вращения может находиться в любом месте на экране и вне его границ. Угол поворота ф изменяется против направления часовой стрелки (положительное направление отсчета) от начального положения точки X, Y. Обычно значения этого угла лежат в пределах от 0 до 2л. Другие углы поворота тоже допустимы, однако такие углы эквивалентны повороту в указанном диапазоне.

Читайте также: