Тема 3 Общие сведения о формировании изображений

3.1. Методы вывода изображений

Известно два метода вывода изображений: растровый и векторный.

Растровый метод подразумевает, что некий рисующий инструмент, способный оставить видимый след, перемещается по некоторой траектории (растру) по всей поверхности, на которую выводится изображение. Траектория инструмента постоянна и не зависит от выводимого изображения, но инструмент может рисовать, а может и не рисовать некоторые точки траектории. Видимым изображением являются оставленные рисующим инструментом точки. Каждая строка растра разбивается на некоторое количество точек, визуализацией каждой из которых управляет устройство, формирующее изображение.

Отметим, что перемещение рисующего инструмента может быть реальным (например, в мониторах с ЭЛТ по экрану перемещается электронный луч, вызывающий свечение люминофора; в лазерном принтере перемещается и носитель, и луч лазера, формирующий точки на строке, на которые наносится тонер) и мнимым (например, в плоскопанельных мониторах перемещение обеспечивается последовательным подключением ячеек экрана к блоку формирования сигналов управления цветом и яркостью точки).

Поскольку после воздействия электронного луча люминофор светится ограниченное время, то необходимо выводимое изображение (даже если на нем ничего не изменилось) повторять (регенерировать). Поэтому луч должен возвращаться в начало кадра. Во время обратного хода луча по вертикали он также принудительно запирается. На рис. 3.1, а приведена траектория перемещения луча в системе с прогрессивной (Progressive) (не чередующейся = NI-Non Interlaced, построчной разверткой); пунктиром отмечены участки, когда луч не может вызвать свечения экрана.

Поясним, чем определяются частоты строчной и кадровой (ее иногда называют частотой регенерации) разверток.

Как известно, глаз является инерционным органом, он воспринимает изменение яркости или освещенности только до какой-то определенной частоты. Существует понятие критической частоты световых мельканий, которую измеряют так: человек смотрит неподвижно на некоторый безынерционный источник света (например, светодиод), который вспыхивает и гаснет с плавно повышаемой частотой. Сначала человек воспринимает вспышки по отдельности, с повышением частоты он видит уже только мерцание, а, начиная с некоторой частоты, мерцание у него сливается в ровный свет. Эта частота и называется критической, и у разных людей она может находиться в переделах примерно 40–60 Гц.

Наблюдение мерцающих изображений раздражает и утомляет зрительную систему, поэтому частота прорисовки кадров (сигналов VSync) должна быть по крайней мере не ниже значения критической частоты мельканий. Заботясь о зрении пользователя, частоту регенерации стремятся повышать, а следовательно, повышать частоту сигналов горизонтальной развертки (строки должны прорисовываться за меньшее время) и частоту следования импульсов, управляющих яркостью пикселя. Требующуюся полосу пропускания для видеосистемы принято оценивать по формуле

,

где В – полоса пропускания; N – разрешение по горизонтали (число пикселей в строке); M – разрешение по вертикали (число строк в кадре); R – частота регенерации; 1.05, 1.3 – коэффициенты, учитывающие время обратного хода в строке и кадре.

Из данной формулы следуют очень высокие требования к полосе пропускания. Например, для видеорежима 1280×1024×60 потребуется полоса пропускания 107347968 Гц ≈ 108 МГц.

Однако не всегда достижимы такие высокие характеристики видеосистемы. Поэтому иногда вынуждены использовать чересстрочную развертку (IL-Interlaced), рис. 3.1, б. В системах с чересстрочной разверткой кадр разбивается на два полукадра и всю поверхность экрана луч проходит за два цикла кадровой развертки. В первом полукадре луч проходит по нечетным строкам, во втором полукадре – по четным строкам. Использование чересстрочной развертки позволяет почти вдвое снизить частоту горизонтальной развертки и частоту следования сигналов управления пикселями.

Применение чересстрочной развертки годится как вынужденная мера, поскольку ухудшается качество выводимых изображений: если выводится тонкая (в одну строку пикселей) горизонтальная линия, то при частоте регенерации 50 Гц она будет заметно мерцающей, это и понятно, ведь прорисовывается она только в одном из полукадров, следовательно, с половинной кадровой частотой.

Рис. 3.1. Виды разверток: а – прогрессивная; б – череcстрочная

Растровый метод вывода изображений имеет следующие достоинства:

1) возможна полностью цифровая реализация, которая обеспечивает стабильность характеристик во времени и приемлемую стоимость;

2) возможен вывод изображений фотографического качества (при достаточном разрешении визуализатора, принтера).

Не лишен он и недостатков:

1) большой объём памяти, требующийся для хранения цифрового образа выводимого изображения (впрочем, постоянно происходящее снижение цены элементов памяти уменьшает значение этого недостатка);

2) некачественный вывод линий (создает проблемы при выводе чертежей, объектов с четкими контурами. В 3D-графике для устранения этого недостатка приходится использовать различные алгоритмы сглаживания краев изображений).

В векторных устройствах вывода изображения рисующий инструмент прорисовывает только изображаемые фигуры, и траектория его движения определяется выводимым изображением. Изображение состоит из графических примитивов, которыми могут быль отрезки прямых – векторы (отсюда и название метода вывода), дуги, окружности.

Векторный метод вывода изображений имеет следующие достоинства:

1) высокое качество выводимых линий;

2) малый объём памяти, требующийся для хранения образа выводимого изображения;

3) при масштабировании выводимое изображение не теряет качество.

Имеет следующие недостатки.

1) сложную систему управления перемещением рисующего инструмента (требуются аналоговые генераторы векторов, дуг, окружностей);

2) сложность вывода сплошных закрашенных поверхностей;

3) при использовании метода в видеосистеме требуются мониторы со сплошным покрытием экрана светящимся люминофором, так называемые безмасочные мониторы.

Векторный метод вывода изображений используется в перьевых плоттерах (графопостроителях), режущих плоттерах (каттерах). Существуют и векторные видеосистемы, но из-за сложности реализации и значительного прогресса растровых систем они встречаются редко.