YourLib.net
Твоя библиотека
Главная arrow Информатика (Под общ. ред. А.Н. Данчула) arrow 2.5.1. Видеосистема
2.5.1. Видеосистема

2.5.1. Видеосистема

   Видеосистема состоит из двух компонентов: видеоадаптера (или просто адаптера, видеокарты) и монитора (дисплея). Адаптер является устройством, осуществляющим интерфейс монитора с ПК.
   Видеокарта характеризуется вертикальной и горизонтальной разрешающей способностью (или разрешением — resolution). Разрешающая способность — это число точек, именуемых пикселами (Picture Element), которые могут отображаться на мониторе. Иначе говоря, пикселом является минимальный отображаемый элемент растра экрана монитора. Выражение 640x350 соответствует разрешающей способности видеорежима отображения 350 строк, каждая из которых содержит по 640 пикселов.
   Имеется два видеорежима: графический и текстовый. В графическом режиме (АРА — All Points Adressable) адаптер может управлять каждым отдельным пикселом экрана. Кроме того, могут изменяться такие атрибуты отдельных точек, как цвет и мерцание. Текстовый режим (AN — Alpha Numeric) отличается тем, что на экране отображаются только текстовые символы. В этом режиме число пикселов обычно не устанавливается, вместо него указывается число символов и строк (например, 80 символов и 25 строк — 80x25). Для отображения отдельного символа выделяется матрица пикселов. Например, если разрешающая способность составляет 640x350, то размер матрицы будет 8x14 (640/80 = 8 пикселов и 350/25 = 14 пикселов). Для всех символов матрицы имеют одинаковый размер.
   Символ формируется по растру, образованному из отдельных пикселов. Образцы символов, как правило, хранятся в ROM и перед отображением считываются видеокартой. Некоторые стандарты поддерживают пользовательские, или программные, шрифты. Они хранятся в RAM. Видеоадаптер с более крупным растром (т. е. образованным большим количеством пикселов) отображает символы четче.
   Монитор на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) состоит из вакуумной стеклянной трубки, передняя часть (экран) которой изнутри покрыта люминофором. В цветном мониторе непосредственно за экраном находится еще маска, представляющая собой пластину с рядом отверстий. Тыльная часть трубки содержит электронные пушки и управляющие схемы (модулятор и др.). Электронный луч периодически сканирует весь экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки, это называется растром. По мере движения луча по строкам экрана подаваемый на модулятор видеосигнал изменяет соответствующим образом яркость определенных люминофорных точек (красных, желтых и зеленых), в результате чего образуется некоторое видеоизображение. На рис. 2.22 показан путь электронного луча. При внимательном рассмотрении этого рисунка становится ясен смысл таких понятий, как прямой ход луча по горизонтали (осуществляется сигналом строчной развертки), прямой ход луча по вертикали (осуществляется сигналом кадровой — вертикальной — развертки), обратный ход луча по горизонтали и обратный ход луча по вертикали (последние осуществляются специальными сигналами обратного хода).
   Наиболее важными параметрами монитора являются: частота кадровой развертки (поддерживается на уровне 75 — 85 Гц в соответствии с современными медико-психологическими оценками нормального восприятия изображений человеком); частота строчной развертки (определяется произведением частоты кадровой развертки на количество выводимых строк в одном кадре, измеряется в килогерцах); полоса пропускания видеосигнала, измеряется в мегагерцах (приблизительное значение этой

Рис. 2.22. Путь электронного луча 

Рис. 2.22. Путь электронного луча

величины может быть определено путем умножения количества точек в строке на частоту строчной развертки).

 Рисунок

   На рассмотренном выше примере при разрешающей способности 800x600 пикселов определены основные параметры монитора. Чем выше значение кадровой развертки, тем устойчивее изображение.
   В основу способа формирования цветного изображения положено свойство трехкомпонентности цветового восприятия (получение всех цветов путем аддитивного смешения трех цветовых потоков — красного, синего, зеленого). Цветовой оттенок результирующей смеси всегда зависит только от соотношения интенсивности смешиваемых цветов (см. п. 1.5).
   Если цветные детали расположены близко, то с большого расстояния цвета отдельных деталей не различаются (пространственное усреднение цвета). Вся группа будет видна как окрашенная в один цвет, полученный в соответствии с законами смешения цветов. В электронно-лучевой трубке монитора цвет одного элемента (пиксела) формируется именно так — из трехцветов рядом расположенных люминофорных зерен (см. рис. 2.23).
   На внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов, а теневая маска (или апертурная решетка) обеспечивает попадание луча каждого цвета на свое зерно. Если пользоваться цифровым монитором, то для каждого цветового оттенка сигнал с видеокарты на монитор должен передаваться отдельной линией соединительного кабеля. При значительном количестве цветовых оттенков можно себе представить толщину соответствующего кабеля. Поэтому обычно передача сигналов происходит не в цифровом, а в аналоговом виде и до недавнего времени использовались только аналоговые мониторы.
   Развитие ПК мониторов в течение последних лет проходит в виде соревнования двух основных технологий: традиционных электронно-лучевых трубок — ЭЛТ — и плоских панелей на основе жидких кристаллов — ЖК-панелей (LCD — Liquid Crystal Display). Такие параметры ЭЛТ, как объем отображаемой информации (разрешение экрана) и качество отображения (геометрические искажения, сведение, цветопередача), на каждом этапе развития соответствовали растущим потребностям вычислительной техники. Были и недостатки: громоздкость конструкции (особенно при больших размерах экрана) и аналоговый способ формирования изображения (чуждый компьютерной среде, основанной на цифровых технологиях). Именно эти главные недостатки определили основные требования к альтернативным средствам отображения — плоским панелям матричного

Рис. 2.23. Пиксельная триада цветного монитора  

Рис. 2.23. Пиксельная триада цветного монитора 

типа с цифровым управлением, т. е. индивидуальной адресацией элементов изображения. Были предложены следующие основные технологии реализации подобных панелей: LCD — ЖК (жидкокристаллический) дисплей, OLED (Organic Light Emitting Diodes) — органические светоизлучающие диоды (опытное производство), LED (Light Emitting Diodes) — светоизлучающие диоды, PDP (Plasma Display Panel) — плазменная дисплейная панель, VFD (Vacuum Fluorascent Display). На сегодняшний день единственной реальной альтернативой ЭЛТ смогли стать ЖК-панели.
   Отличия между ЭЛТ- и ЖК-технологиями обусловлены самими принципами создания изображения. В ЭЛТ изображение на экране формируется электронным лучом, создающим растровое изображение. Параметры растра (изображение) задаются системой управления, они могут изменяться, и это является несомненным достоинством. Однако предельные значения разрешения лимитированы параметрами экрана, т. е. количеством пикселов. Пиксел выглядит слегка размытым, что можно считать и достоинством (в результате своеобразной фильтрации фотоизображения выглядят гладкими и естественными), и недостатком (размытость самых маленьких элементов изображения). Другие недостатки проистекают из неидеальности аналоговой системы управления лучом (геометрические искажения и несведение или погрешности сведения красного, зеленого и синего лучей). Но имеется и принципиально неустранимый недостаток — глубину ЭЛТ нельзя сделать малой по сравнению с размерами ее экрана, так как для отклонения луча требуется определенное пространство.
   ЖК-панели имеют незначительную глубину, никак не связанную с размерами экрана; все необходимое для формирования изображения располагается непосредственно на экране: растровая матрица, состоящая из жидкокристаллических ячеек, которые сформированы непосредственно на внутренней поверхности экрана. Сзади располагается источник освещения (бывают также матрицы, работающие на отражение, а не на просвет). Ячейки фактически служат клапанами, регулирующими количество проходящего света (ячейка состоит из трех подъячеек, снабженных красным, зеленым и синим светофильтрами). Границы ячеек четко определены, никакого размытия нет. В то же время на графических изображениях сильнее заметны артефакты, вызванные растровой структурой изображения, например зубчатость наклонных линий и границ между областями с разными цветами. Матричная структура экрана автоматически решает проблемы с геометрическими искажениями и несведе- нием. Однако фиксированное разрешение экрана является определенным недостатком. Переход к меньшему разрешению возможен, но приводит к существенным искажениям изображения.
   На современном этапе развития ЖК-технологий минимальный размер точки достиг 0,1245 мм, что соответствует 204 точкам изображения на дюйм. При этом разрешение 22-дюймового экрана составляет 3840x2400 (9 млн точек изображения). Происходит развитие и в сторону увеличения размера экрана (40 дюймов с разрешением 1280x768 — для презентационных целей и телевизоров). На практике размеры экрана и разрешения выбираются из стандартного ряда, а размер экранного элемента просто подгоняется под эти значения.
   Яркость изображения на обычных ЭЛТ-мониторах достаточна для нормальной работы на ПК. В последнее время появились ЭЛТ-мониторы, имеющие режим повышенной (в 2 — 3 раза) яркости для просмотра мультимедийного содержания и телевизионных программ. В ЖК-мониторах яркость определяется лампой подсветки, у массовых ЖК-мониторов яркость превосходит обычные ЭЛТ-мониторы.
   В ЭЛТ-мониторах значения контрастности находятся от 350:1 до 700:1, а у ЖК-мониторов — от 300:1 до 400:1. Но у ЖК- мониторов существуют следующие проблемы:
   1.  Контрастность может резко ухудшаться при наличии рассеянного освещения (применяются специальные покрытия экрана для ослабления этого эффекта).
   2.  Контрастность резко уменьшается по мере отклонения направления взгляда от перпендикулярного к плоскости экрана (дополнительно искажаются и цвета). Если за приемлемый уровень контрастности взять значение 100:1, при котором изображение остается достаточно качественным, то угол обзора для обычных активных экранов уменьшится с 90 до 40 градусов по горизонтали и с 90 до 20 градусов по вертикали. Существуют специальные технологии увеличения угла обзора, при которых углы комфортного обзора увеличиваются до 90 градусов по горизонтали и до 40 градусов по вертикали.
   По мере совершенствования и доводки технологического процесса улучшается ситуация и с цветопередачей. Большинство выпускаемых ЖК-панелей имеют 24-разрядное управление цветом (16,7 млн цветов). Но по ширине .охвата цветовой палитры ЖК-технологии уступают ЭЛТ-технологиям и не подходят для профессиональной работы с цветом.
   Остался еще один параметр — время отклика. В ЭЛТ используется импульсный способ засветки элемента экрана электронным лучом, сканирующим каждую точку люминофора один раз за кадр в течение очень короткого времени. Далее она светится (затухает) в течение некоторого времени послесвечения, это время и есть время отклика. Для ЭЛТ-мониторов время отклика составляет 8—12 мс, а для ЖК-мониторов — 20 — 50 мс. Для нормального воспроизведения время отклика должно быть меньше длительности кадра. Для ЭЛТ-мониторов время отклика выбирается очень малым, существенно меньшим длительности телевизионного кадра, чтобы избежать проблем с размытием и послеизображением. При этом возникает проблема с мерцанием изображения, которое незаметно при достаточно высоких значениях частоты регенерации — 85 Гц и выше.
   В ЖК-панелях используется принцип постоянной засветки элемента экрана: управляющее напряжение приложено к каждой ячейке в течение всего времени кадра, поэтому нет мерцаний. Однако из-за длительного свечения точек эффект послеизобра- жения становится более заметным, что ухудшает воспроизведение быстродвижущихся объектов: их перемещение по экрану может казаться прерывистым даже при малом времени отклика.
   ЭЛТ-мониторы фирмы Sony подразделяются на серии:
   А — мониторы стандартного уровня, повышенной яркости для дома;
   Е — мониторы стандартного уровня для дома и офиса;
   G — мониторы комфортного/ корпоративного уровня для длительной ежедневной работы в офисе и дома;
   F — мониторы для профессиональной работы с изображениями (графика, анимация, издательское дело, САПР).
   ЖК-мониторы фирмы Sony также подразделяются на серии:
   S — мониторы стандартного уровня, благодаря хорошему быстродействию подходят для домашнего использования;
   X — мониторы улучшенного стандартного уровня с дополнительными возможностями (цифровой вход, стереодинамики) для корпоративного использования;
   N- и Р-серия — стильные мониторы представительского уровня для корпоративного использования.
   ЖК-панели являются прямоадресуемыми устройствами (каждому пикселу, генерируемому ПК, соответствует свой экранный элемент изображения). В большинстве современных панелей используется так называемая активная матрица, в которой каждый элемент изображения управляется отдельным, расположенным рядом тонкопленочным транзистором (TFT — Thin Film Transistor). Прямая адресация определяет как основные достоинства ЖК-панелей (отсутствие геометрических искажений и проблем со сведением), так и некоторые недостатки (появление искажений при масштабировании изображения). При использовании аналогового входа возможно возникновение такого специфического искажения, как дрожание или мерцание некоторых точек из-за погрешностей в преобразовании аналогового входного сигнала в цифровой, требующийся для управления матрицей. В современных ЖК-мониторах в результате соответствующих усовершенствований дрожание не наблюдается. Радикальное решение проблемы состоит в переходе к цифровому интерфейсу. В современных ЖК-мониторах наряду с аналоговым VGA-интерфейсом (VGA — Video Graphics Array) используются и цифровые интерфейсы DVI (Digital Visual Interface). Имеется большое количество графических адаптеров с DVl-выходом.
   Приведем некоторые сведения об адаптерах и интерфейсах.
   ПК IBM в 1981 г. был снабжен графическим адаптером MDA, обеспечивающим вывод изображения на ЭЛТ-монитор и рассчитанным на работу в текстовом режиме. Первые мониторы MDA (Monochrome Display Adapter) и цветной CGA (Color Graphics Adapter) были снабжены цифровым интерфейсом. В CGA был применен параллельный интерфейс, в котором для каждого из трех цветов (красного, зеленого и синего) использовалось по две сигнальных линии. Одна из них отвечала за включение и выключение цвета, а другая — за управление его интенсивностью (обычной или повышенной). Было реализовано 16 цветов. Если бы аналогичный принцип лежал в основе интерфейса современных 24-битных цветных мониторов, им потребовался бы кабель, содержащий не менее 27 жил, передающий сигналы с частотой в сотни мегагерц.
   Поэтому был применен аналоговый интерфейс с 9 контактами: нулевой и сигнальный каналы для каждого из трех цветов, по каналу для горизонтальной и вертикальной синхронизации и общее заземление. Однако при этом потребовалось устройство, преобразующее цифровую информацию (которое описывает формируемое изображение) в соответствующий аналоговый сигнал. Это и было основной функцией графического адаптера. Изображение заносилось в кадровый буфер (RAM, память с произвольным доступом), откуда считывалось тремя цифроаналоговыми преобразователями, на выходе которых получались соответствующие уровни напряжения на сигнальных линиях монитора. Периодичность считывания буфера определялась частотой обновления экрана. Быстродействие и объем буфера (видеопамяти) были факторами, определяющими производительность графического адаптера и его возможности. Объем требуемой видеопамяти при разрешении 1024x768 точек и глубине цвета 8 бит (256 цветов) составляет 786 432 байта, а при глубине цвета 24 бит (16 млн цветов) — 2 359 296 байт. Зная, что при каждом обращении к кадровому буферу считывается информация об одной точке изображения, легко понять связь между частотой шины, соединяющей кадровый буфер и цифроаналоговый преобразователь, и максимальной частотой обновления экрана для заданного разрешения.
   В дальнейшем графические адаптеры были преобразованы в графические ускорители путем снабжения их специальными блоками обработки данных, выполнявшими функции по обработке графики. Позднее из-за увеличения объемов обработки графические ускорители были преобразованы в графические процессоры. Далее необходимо было решить проблему, связанную с обеспечением необходимой полосы пропускания для каналов связи между адаптером и системой и между адаптером и монитором. Применение локальной шины PCI вначале решило эту проблему. Однако по мере роста потребностей графической системы адаптеры с интерфейсом PCI оказывали все более значительное влияние на быстродействие всей системы в целом (при передаче данных об изображении все остальные компоненты ПК, подключенные к шине PCI, оказывались «отрезанными» от системной памяти и CPU). Нужно было освободить шину PCI и предоставить графическому адаптеру более быстрый канал для обмена данными с МП и системной памятью. В середине 90-х гг. фирма Intel разработала новый интерфейс — AGP (Accelerated Graphics Port). Это не шина с разделяемыми ресурсами, а порт, рассчитанный на обмен информацией только между двумя устройствами.
   Изготовители ЖК-мониторов были вынуждены обеспечивать совместимость с существующими графическими адапте- рами, имеющими аналоговый интерфейс. Поэтому по пути от CPU на экран дисплея изображение в графическом адаптере преобразовывалось из цифровой в аналоговую форму лишь для того, чтобы затем в мониторе быть преобразованным обратно в цифровой формат с помощью встроенного аналого- цифрового преобразователя. Необходимо было создать цифровой интерфейс. Чтобы избавиться от десятков проводников, требующихся для передачи 24-разрядных данных о цвете пиксела, нужно было перейти к последовательному интерфейсу.
   Подходящее решение было разработано компанией Silicon Image с применением технологии PanelLink. Последовательный способ передачи реализован на базе TMDS (transition- minimized differential signaling — дифференциальный способ передачи с минимизацией переходов). Информация кодируется переходом с одного сигнального уровня на другой. Специальная логика кодирования минимизирует количество переходов, что позволяет повысить частоту сигнала, а надежность обеспечивается за счет дифференциального способа передачи. Канал PanelLink обеспечивает полосу пропускания 170 МГц, что соответствует разрешению 1600x1200 при частоте регенерации экрана 60 Гц. Для передачи сигнала с большим разрешением можно включить параллельно два канала. Цифровой разъем стандарта DVI имеет 24 контакта, из которых ровно половина приходится на два канала цветовых сигналов, а остальное — на линии заземления, экранирования, питающего напряжения и др. Существует три типа разъемов DVI — полностью аналоговый DVI-А (выводит обычный VGA-сигнал), полностью цифровой DVI-D и комбинированный DVI-І. К последнему можно подключить как современный цифровой ЖК- монитор, так и, через специальный переходник, обычный аналоговый ЭЛТ-монитор.
   В современных видеосистемах широко применяются средства компрессии-декомпрессии (КОДЕК). При этом хотя и происходит потеря части данных, но зато получается уменьшение объема данных — в среднем 40; 1. Системами сжатия видеоинформации являются форматы Indeo и Cinepak (для записи на CD-ROM). Соответствующие файлы представляют собой просто покадрово сжатые стандартными методами цифровые изображения. Имеются форматы Motion JPEG и MPEG-1 (Motion Picture Expert Group). MPEG представляет собой формат обработки и хранения звуковой и видеоинформации, выделяющий изменения ключевых кадров, т. е. в файле сохраняются в сжатом виде ключевые кадры и описание их изменений. MPEG позволяет воспроизводить 30 кадров в секунду и обеспечивает более высокий коэффициент компрессии, чем Indio и Cinepak. Однако он сложен, и для декомпрессии требуется дополнительная плата. Уже имеются более развитые системы КОДЕК типа MPEG.

 
< Пред.   След. >