Аппаратные средства мультимедиа

     Четкость  изображения на экране во многом зависит  от соответствия размера площади  экрана, на котором происходит фокусировка  лучей (цветовое пятно), и размера  отверстия в маске. В мониторе, при работе в режимах с предельным для него разрешением, размеры цветового  пятна и зерна примерно равны. Задача отклоняющей системы –  навести цветовые лучи на отверстие  в маске. Расплывчатый контур цветового  пятна убирается, цветная точка  приобретает четкость.

     Кадровый  буфер хранит сведения о цвете  всех точек, составляющих кадр изображения (рисунок 2.а). Для вывода на экран  определенного количества кадров в  минуту требуется заполнение соответствующее  числу раз содержимого кадрового  буфера. Размер кадрового буфера напрямую связан с разрешающей способностью реализуемого видеорежима и используемой цветовой палитрой. Нетрудно подсчитать необходимый объем памяти для вывода на экран разрешением 1024 х 768 статичного изображения:

     1024 х 768 = 786432 пикселя х 24 бит/пиксель  = 18874368 бит = 2349296 байт = 2,25 Мбайт

     Поскольку объем модулей памяти кратен степеням двойки 256, 512 Кбайт, 1, 2, 4 Мбайт для  поддержки такого режима необходимо минимум 4 Мбайта.

R

G

B

Code Pixel 1 (CP1)

R

G

B 

Code Pixel 2 (CP2)

R

G

B 

Code Pixel N (CPN)

а) 
 

б)

CP1

.   .   .

CP2

CPN

CP1

CP2

CPN

CP1

CP2

CPN

.   .   .

.   .   .

.   .   .

.   .   .

Строка 1

Строка 2

Строка N

Рисунок 2

     Экран монитора – двумерная поверхность. Компьютерная память одномерна, у неё  одна координата – линейный адрес. Экранная матрица при размещении в памяти представляется в виде вектора, составленного из последовательности строк (рисунок 2.б).

LCD-монитор

     Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и  располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного  жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

     Каждый  пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными  электродами, и двух поляризационных  фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны (рисунок 3). В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

     

Рисунок 3

     Поверхность электродов, контактирующая с жидкими  кристаллами, специально обработана для  изначальной ориентации молекул  в одном направлении. В TN-матрице  эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким  образом, что до второго фильтра  плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже  без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного  света, ячейку можно считать прозрачной.

     Если  же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться  в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При  этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически  все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять  степенью прозрачности.

     Если  постоянное напряжение приложено в  течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать  из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

     Во  всей матрице можно управлять  каждой из ячеек индивидуально, но при  увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому  практически везде применяется  адресация по строкам и столбцам.

     Проходящий  через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют  искусственный источник света, кроме  независимости от внешнего освещения  это также стабилизирует свойства полученного изображения.

     Таким образом, полноценный монитор с  ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной  видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с  элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые  характеристики важнее других.

     Рассмотрим  важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией;
• размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением;
• соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.);
• видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.    Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению;
• яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр;
• время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:

время буферизации (input lag). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20—50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс;

 время переключения  — именно оно указывается в  характеристиках монитора. Высокое  значение ухудшает качество видео;  методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех  мониторах заявленное время переключения  составляет 2—6 мс;

• угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 — 176°/176°, CR 10:1 — 170°/160°.

Видеоадаптер

     Устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в иную форму, предназначенную для дальнейшего вывода на экран монитора. В настоящее время эта функция утратила основное значение, и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором - графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа.

     Обычно  видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ). В этом случае устройство, строго говоря, не может быть названо видеокартой.

     Современные видеокарты не ограничиваются простым  выводом изображения, они имеют  встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все  современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.

     Современная видеокарта состоит из следующих  частей:

         графический процессор (Graphics processing unit — графическое процессорное устройство) — занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако, архитектура GPU прошлого поколения обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур);

     видеоконтроллер — отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый;

         видеопамять — выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE. В случае использования архитектуры Uniform Memory Access в качестве видеопамяти используется часть системной памяти компьютера;

         цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC — Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) — служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока: три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий - RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн цветов в гораздо большее цветовое пространство). В данном случае он состоит из 256 (2⁸) регистров. Содержимое регистра – код одного из цветов, составляющих палитру. Для сохранения каждого из трех образующих цветов отводится до 8 разрядов. Размер регистра – 24 разряда. Всего RAM-блок хранит сведения о палитре из 256 оттенков. Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят;

         видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы;