Лекции по "Компьютерной графике"

       ЖК  мониторы – изменение преломляющих свойств жидких кристаллов при прохождении  тока. Бывают только растровые, т.к. строго задано кол-во элементов матрицы изображения. Последнее время применяются в основном в карманных компьютерах и ноутбуках, недостатки – малый угол зрения, при котором наблюдается изображение, строго заданное разрешение, малая частота обновления из-за большого времени переключения элементов, достоинства – малое энергопотребление, вес, габариты, более благоприятны для глаз, т.к. используют отраженный свет.

       LCD мониторы – испускание фотонов полупроводниковым переходом. Так же как и ЖК – постоянное разрешение, заданное кол-вом элементов в матрице. Дорогие.

       Плазменные  мониторы – то же, что и LCD, только вместо светодиодов – неоновые лампочки. Яркость регулируется за счет частоты тока на лампочке.

       Картинка  на мониторе управляется с помощью  видеоадаптера. Растровые адаптеры посылают три сигнала яркости R,G,B составляющих луча и два сигнала синхронизации – вертикальной и горизонтальной. Векторные – вместо сигналов синхронизации посылают положение луча на экране (обычно в аналоговом виде). Адаптеры для PC начинались с CGA (320х200 4 цвета), EGA (640х480 16 цветов), VGA (320x400 256 цветов), SVGA (1600х1200 16000000 цветов).

Принтеры

       Служат  для получения твердой копии  изображения. Растровые устройства. Работают на различных физических принципах  матричные, струйные, термо-принтеры, лазерные.

       Матричные принтеры построены по принципу печатной машинки, состоят механизма подачи бумаги, движущейся печатной головки  и красящей ленты. В печатной головке  имеется вертикальный ряд иголочек, которые, ударяя по красящей ленте, оставляют на бумаге точки. Кол-во иголочек определяет разрешение принтера, обычно либо 9 либо 24. Недостатки – медленный, шумный, малое разрешение, невозможность цветной печати, быстрый износ печатающего узла. Достоинства – дешевизна как принтера, так и листа бумаги, возможность печати на чем угодно.

       Струйные  принтеры – все как в матричном, только вместо иголочек – сопла, из которых выбрызгиваются чернила. Выбрызгиваются они либо с помощью пьезоэлемента, который под действием электроимпульса  расширяется и выталкивает чернила, либо с помощью термоэлемента, который мгновенно испаряет их, и пары выталкивают капельки наружу. Достоинства – большие разрешения, цвет, скорость. Недостатки – быстрый износ сопел, бумага должна достаточно быстро впитывать краску, иначе – она смажется.

       Термо-принтеры – имеют вместо иголок – термоэлементы, в таких принтерах либо используют либо специальную бумагу, которая  темнеет при нагревании, либо ленту, краска с которой при нагревании переходит на бумагу. В таких принтерах  обычно нет печатающей головки, а термоэлементы расположены в один горизонтальный ряд. Достоинства – простота, скорость. Недостатки – требуют спец. бумаги или ленты, невозможность печати на нетермостойких материалах.

       В лазерных принтерах изображение  сначала строится на специальном барабане. Этот барабан электризуется, затем с нужных мест лучём лазера статический заряд снимается, потом к оставшимся наэлектризованными местам прилипает порошок тонера, затем  барабан прокатывается по листу, оставляя тонер на бумаге, после чего бумага нагревается, тонер плавится и остается на листе. Достоинства – большие разрешения, дешевизна листа бумаги. Недостатки – дорогой механизм, высокие требования к качеству бумаги.

       Принтеры  подключаются либо через параллельный порт, либо к интерфейсу USB, либо напрямую к сети. Входные данные считаются последовательностью символов и печатаются в текстовом виде. Для того, чтобы печатать графику нужны специальные средства, это можно сделать либо с помощью esc-последовательностей (они так называются, т.к. начинаются с кода 27 кода клавиши esc), либо с помощью специальных языков управления PCL (Printer Control Language) или Postscript. Эти языки используются в основном в лазерных принтерах, которые имеют достаточно мощный внутренний процессор и большую память. Они позволяют передавать не только данные не только в растровом, но и в векторном виде, а принтер сам строит растровое изображение. Такой подход позволяет значительно сократить объем передаваемых принтеру данных.

Графопостроители

       Как и принтеры, служат для получения твердой копии изображения, но в отличие от них - это векторные устройства. Бумага обычно закреплена на планшете, вдоль нее по двум перпендикулярным направляющим движется перо и рисует линии. Предназначены в основном для вывода чертежей. Управляются либо от специальных интерфейсных карт, либо через стандартные порты.

Сканеры

       Устройства  для ввода изображений в растровом  виде. Лист бумаги протягивается под  линейкой светочувствительных элементов. В качестве интерфейса используют либо собственный адаптер, либо стандартный интерфейс SCSI (small computer systems interface). Для взаимодействия с прикладными программами используется Twain – интерфейс.  

Планшеты  и указатели

       Устройства  для ввода изображений в векторном  виде. Лист бумаги закрепляется на планшете и специальным указателем на нем указываются точки, координаты которых передаются в компьютер. Указатели могут применяться и для указания точек на мониторе. Применяются различные физические принципы. Контактный, когда планшет представляет собой сетку из горизонтальных и вертикальных проволочек, при нажатии на него проволочки замыкаются и таким образом определяются координаты. Механический, когда указатель закреплен на линейках на подобие графопостроителя и координаты определяются по положению этих линеек. Звуковой, когда по бокам планшета располагаются микрофоны, а на конце указателя – источник ультразвука.

Мышь 

       Тоже  является своего рода указателем, но как  правило передает не абсолютные координаты точек, а относительные – смещение относительно предыдущего положения. За счет этого может накапливаться ошибка, и для точного ввода информации мышь малоприменима, но для указания объектов на экране – вполне. Наиболее широко распространены механические мыши, они содержат свободно вращающийся шарик, который передает вращение двум перпендикулярным валикам. На валиках закреплены диски, на которых имеются прорези. С одной стороны от валика стоит светодиод, с другой – фоточувствительный элемент. При вращении диска луч света прерывается, количество таких импульсов подсчитывается и передается компьютеру. Такие мыши очень просты и дешевы, к недостаткам можно отнести низкую разрешающую способность, необходимость специальной поверхности для хорошего сцепления с шариком и быстрое загрязнение шариков.

       Оптическая мышь использует другой принцип, на специальный коврик наносится  сетка линий горизонтальные имеют один цвет (обычно синий), а вертикальные другой (черный). Мышь освещает коврик двумя светодиодами и воспринимает отраженный свет, при перемещении мыши этот свет прерывается, формируя смещение. Достоинства – более высокое разрешение, отсутствие механики. Недостатки -  необходимость спец. коврика.

       Другой  тип оптических мышей сканирует  поверхность под ней и сравнивает текущее изображение с предыдущим, при смещении мыши изображение тоже смещается, что и фиксируется мышью. Достоинства – высокое разрешение, отсутствие механики, возможность работы на любых поверхностях. Недостатки – при резких движениях мышь теряет ориентацию, т.к. сравнение происходит только для маленьких смещений +-1 пиксел.

       Мышь  подключается либо к последовательному  COM порту, либо к порту PS/2. Управляется либо с помощью функций BIOS либо более высоких интерфейсов (WIN API). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Графические акселераторы 

       В связи тем, что требования к качеству и скорости построения плоских и трехмерных изображений все время повышаются, а центральные процессоры не справляются с такой нагрузкой, появился новый вид устройств, называющихся графическими ускорителями. Сначала это были просто расширенные возможности видеоадаптера при работе с плоскими изображениями, которые позволяли на аппаратном уровне закрашивать прямоугольные области одним цветом, копировать прямоугольные области, строить линии. Потом появились устройства, помогающие строить и трехмерные изображения. Первые трехмерные ускорители для персоналок появились в 1997 г, это были карты Voodoo Graphics от компании 3DFX. Все что они умели – рисовать текстурированные треугольники, цвет текстуры мог смешиваться с диффузным цветом и цветом тумана, также была возможность вывода полупрозрачных полигонов, псевдотонирования, билинейного и пирамидального фильтра текстур, устранения лестничного эффекта для краев треугольников, удаления невидимых поверхностей с помощью Z-буфера. Они были выполнены в виде отдельной карты, которая включалась между обычным видеоадаптером и монитором и при включении брала функции по формированию изображения на себя. Современные акселераторы интегрируются в видеоадаптер. Они умеют кроме все прочего накладывать на треугольник несколько текстур, использовать алгоритмы упаковки текстур, использовать полноэкранный антиалиазинг, отсекать треугольники по краям экрана, а самые последние даже умеют делать некоторые трехмерные преобразования и вычислять освещение (T&L).

       Интерфесы – Glide, DX (D3D), OpenGL. 

       Данные  о точках треугольника на экране: Xe,Ye,Zb,rhw,color,tu,tv

       Данные  о точках при аппаратном T&L: X,Y,Z,Nx,Ny,Nz,tu,tv 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Лекция 23 

Архитектура графических систем  

       Назначение  графической системы состоит  в преобразовании двух или трехмерной модели объекта, формируемой прикладной программой, в графические команды  и данные, либо передаваемые на устройства, либо запоминаемые в той или иной графической структуре данных.

       На  пути использования пакетов графических  подпрограмм достигнуты наиболее впечатляющие успехи в использовании и развитии средств машинной графики в том  числе связанные с:

• обеспечением аппаратной независимости прикладных программ, т.е. независимости от конкретных используемых графических устройств при условии приблизительного соответствия их возможностей;
• обеспечением адаптируемости прикладных программ, т.е. легкости приспособления к новым функциональным требованиям;
• обеспечением мобильности прикладных программ, т.е. легкости их переноса в иное окружение.

       Аппаратная  независимость средств отображения  обеспечивается их построением по иерархическому принципу в виде некоторого набора логических уровней. Одна из разновидностей иерархического принципа - принцип  перевернутой пирамиды. При этом подходе на нижнем уровне располагается аппаратно-зависимый драйвер с минимально допустимым набором возможностей, например, позиционирование, построение отрезка, дуги окружности и т.д.

       При необходимости использования другого  устройства достаточно заменить драйвер. Системы, построенные по принципу перевернутой пирамиды, как правило, ориентированы на работу с несложными устройствами. Использование устройств с более богатыми возможностями влечет за собой либо их неэффективное использование, либо переделку графической системы, т.е. в сущности тормозится развитие средств вывода. В этом заключается основной недостаток таких систем.

       Более гибкое и мощное использование иерархического принципа заключается в разбиении  средств вывода графпакета на три логических уровня с четкой фиксацией уровней и соблюдением интерфейсов между ними. Каждый уровень является для последующего некоторым виртуальным графическим устройством. Такой подход позволяет безболезненно модифицировать (улучшать) отдельные уровни, легко распределять программное обеспечение между различными ЭВМ, стыковать графическую систему с другими компонентами программного обеспечения.