Программистская модель интерактивной графики

1,2,4,5,6,7 шаги могут реализовываться в II,III,IV, частях в зависимости от развитости и мощности системы. III, IV части содержат библиотеку графических процедур для реализации шагов синтеза, управление средствами отображения и ввода графической информации.

Аппаратными компонентами являются основная ЭВМ и дисплей или графическим терминалом.

Структура данных содержит описание реальных или абстрактных объектов, изображения которых должны появляться на экране. Поэтому в структуре данных может храниться вся необходимая информация для таких разнообразных объектов, как электрические схемы, здания, математические и статистические функции, фюзеляжи самолетов, молекулы, модели ядерных реакторов или же пространственные ландшафты и летательные аппараты для летных тренажеров.

В описание объектов обычно включаются геометрические данные о координатах, атрибуты объекта (тип линии, цвет или даже фактуру поверхности), а также данные о связности и положении (т. е. данные о том, каким образом компоненты соединены между собой). Часто имеется также негеометрическая или текстовая информация о «свойствах», которая полезна для программ постобработки и (или) для интерактивного пользователя. Примерами таких данных для применений в области машинного проектирования могут служить сведения о цене и поставщике, тепловые, механические или электрические свойства и допуски.

Прикладная программа описывает двумерную или трехмерную геометрию объекта, подлежащего выводу на видовую поверхность, для графической системы, которая обычно снабжена комплексом графических подпрограмм вывода, совместимых с языками высокого уровня. Этот пакет подпрограмм управляет конкретным устройством и обеспечивает вывод изображения этим устройством (обычно на основе представления в виде дисплейного списка, хранящегося в буфере регенерации и только что сформированного пакетом).

Прикладная" программа пользуется графической системой в значительной мере так же, как она пользуется подсистемой ввода-вывода операционной системы для работы с записями, хранящимися в файлах (для их чтения и записи). Подсистема ввода-вывода ведет каталог файлов, организует размещение записей на дисках и лентах и освобождает прикладного программиста от необходимости знать многочисленные аппаратно-зависимые параметры и условия.

Лекция 2

АРХИТЕКТУРА ГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ (Г.С.).

1. Простейшая «общая» модель.

Рисунок

1. Система создания изображения. Как минимум: блок растровой развертки, микропроцессор, память (ПЗУ, ОЗУ), реализация дисплейной команды: вывод точек, отрезков, окружностей, сплошных областей, литер, определенного цвета.

Шаги синтеза могут быть реализованы:

1. ЭВМ процессор (более гибко, дешево, универсально, но медленно)

2. Система создания изображения (дорогой, специализированный, но быстрый)

переход 1 -> 2 приводит к усложнению Г.С.

в Г.С. вводят графический процессор (аналог центральному, но система команд – графическая)

2. «Идеальная» модель

Рисунок

минимальная частота цикла регенерации 30 Гц, в любом цикле ДП должен успевать выполнять шаги 2..8, иначе – мерцание, если ЦП не изменяет сцены, то происходит преобразование одной и той же сцены.

+ б/д, т.к. 2..8 в ДП

+ информация хранится только в виде описания объектов в ОЗУ

+ любое изменение в цене – в следующем цикле отображается на экране

30 Гц ~ 50н/с на вывод пикселя на экран, алгоритмы 2..7 сложные и медленные => на современном этапе идеальная система невозможна (только простые сцены).

3. Классическая 2-хпроцессорная модель 70 гг.

Рисунок

За мощным ДП помещается буфер регенерации, с которым работает существенно более простой ДП, названный дисплейным контроллером (ДК). Такая двухпроцессорная архитектура отделяет процесс модификации и просмотра сцены от процесса регенерации и позволяет каждому процессу выполняться со своей собственной скоростью. Для получения динамического изображения необходимо изменять картинку по крайней мере с частотой 10 Гц. Освободив ДП от регенерации и переложив эту функцию на независимый процессор, просматривающий гораздо более простое представление дисплейной программы, можно показывать без мерцания намного более сложные сцены.

Пункты со сложностью выше 2* аппаратно реализованы лишь в специализированных гр. системах.; п..4 – удаление невидимых поверхностей, п. 6 – придание реалистичного вида обычно реализуются в гр. пакетах в виде подпрограмм.

• любая графическая система – компромисс стоимости, гибкости, скорости, универсальности.

4. Мультипроцессорная, мультимашинная Г.С.

Рисунок

Многодисплейная Г.С.

Рисунок

Мультимашинная Г.С.

Цель локальной обработки состоит в минимизации нагрузки на основную ЭВМ и на канал связи с нею. Это особенно важно, когда основная ЭВМ работает в режиме разделения времени, а графические терминалы подключены к ней через низкоскоростные линии связи (1200—19 600 бод). Сюда относятся, например, сетевые графические системы, используемые при организации графических телеконференций.

Основная проблема – распределение роли в таких системах. Обычно:

• раб, гр. станции – обеспечивают взаимодействие с пользователем и выполняют некоторые простейшие шаги синтеза (растрирование, отсечение)

• сервер (цент. Эвм) – хранение общей базы моделей объектов, выполнение наиболее трудных шагов синтеза (удал. невид. пов., реалистич. вид).

5. Г.С. персонального компьютера

В классической 2-хпроц. системе:

t_{изм.изобр.} = t_гр.пр. + t_{форм.дисп.к-ды.} + t_{передачи.д.к-де.инф-ции} + t_{вып.к-ды.д.п.}

Объекты хранятся в 3 областях памяти в различных промежуточных состояниях:

1. в ОЗУ – модели объектов

2. в ДП – промежуточное состояние

3. в БР – в растровом виде

В данной схеме имеется два процессора ЦП и ДП. Немного упростим:

1. один процессор – ЦП с функциями ДП

2. включаем БР в адресное пространство ЦП вместе с ОЗУ

Рисунок

Гр.С. ПК (раб.станция)

БР – видеобуфер

ДК – видеоадаптер, видеоконтроллер

t_{изм.изобр.} = t_гр.пр. (включая выполнение команд)

+ т.к. t_{изм.изобр.} уменьшилось => можно использовать менее б/д аппаратуру

+ изменение в памяти – вывод на экран в следующем цикле регенерации

+ БР – нет мерцания

МОНИТОРЫ

Сегодня существуют следующие типы мониторов.

Самый распространенный тип сегодня – это CRT (Cathode Ray Tube) электронно-лучевые мониторы.

Затем - LCD (Liquid Crystal Display) - жидкокристаллические мониторы.

Последнее время стали развиваться технологии PDP (Plasma Display Panels) и FED (Field Emission Display), мониторы на этих принципах уже есть в продаже. И, наконец, LEP (Light Emission Plastics) мониторы на основе светящегося пластика (пока только экспериментальные модели).

Поговорим об электронно-лучевых мониторах. Это самый распространенный на сегодняшний день вид монитора. По соотнешению цена \ качество им нет равных. В их основе лежит электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевые трубки

Принцип работы CRT: стеклянная трубка, внутри - вакуум, внутренняя часть стекла трубки (там где экран) покрыта люминофором - веществом, которое испускает свет при попадании на него электронов. Для создания потока электронов используется электронная пушка. В цветном CRT мониторе используется три электронные пушки.

Электронная пушка испускает поток электронов, движущихся с ускорением по направлению к экрану, покрытому люминофором. Расположенное на их пути фокусирующее устройство фокусирует поток в узкий луч, а отклоняющая система с помощью магнитного поля направляет этот луч в конкретную точку экрана. Когда электроны достигают экрана, люминофор испускает видимый свет. Поскольку светимость люминофора уменьшается со временем по экспоненте, необходимо повторять рисование всего изображения много раз в 1 с. В результате создается устойчивое немерцающее изображение.

Поток электронов создается с помощью термоэмиссии: нагретая поверхность металла в вакууме испускает электроны. Высокое ускоряющее напряжение (тысячи вольт) направляет электроны к передней части ЭЛТ. Скорость, которую приобретут электроны, зависит от величины напряжения.

Напряжение, приложенное к управляющей сетке, определяет, сколько электронов на самом деле достигнут экрана. Чем больше отрицательное напряжение на сетке, тем меньше электронов смогут пройти через нее к экрану и, следовательно, будет меньше ток луча. Это дает возможность управлять яркостью изображения, поскольку светимость люминофора падает с уменьшением числа электронов, попадающих в него.

Фокусирующая система использует магнитное поле для фокусирования луча таким образом, чтобы он сходился в небольшую точку на поверхности экрана. Фокусирующие катушки устанавливаются с внешней стороны горловины трубки. Задачей фокусирующей системы является обеспечение сходимости пучка.

Внутренняя поверхность экрана трубки покрыта точками люминофора. Каждая группа из трех точек, называемая триадой, воспроизводит три основных цвета Red, Green, Blue. Триады так малы, что при наблюдении с достаточного большого расстояния свечение их точек воспринимается как свечение, полученное при смешении этих трех цветов. Изменяя степень возбуждения каждой точки, можно в каждой триаде получить широкий спектр цветов.

Для возбуждения отдельных точек люминофора используются три электронные пушки, сгруппированные в так же, как и точки триады. Испускаемые прожекторами электронные лучи синхронно отклоняются и фокусируются в одну и ту же точку экрана. Непосредственно перед экраном находится маска, в которой каждой триаде соответствует одно маленькое отверстие. Эти отверстия располагаются таким образом по отношению к триадам и электронным прожекторам, что каждая точка триады доступна электронам только одного луча. Следовательно, количество электронов в каждом луче управляет интенсивностью красного, зеленого и голубого свечения триад. Маска и триады накладывают ограничение на разрешающую способность этих ЭЛТ, не существующее в случае одноцветных ЭЛТ. В трубках с очень высоким разрешением триады размещаются на расстоянии 0,35 мм одна от другой, в то время как в бытовых телеприемниках — на расстоянии 0,60 мм.

Теневая маска (shadow mask) - состоит из металлической сетки, создает решетку с однородными точками - триадами.

Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется dot pitch (или шаг точки, стандарт – 0,28 - 0,29). Применяется в большинстве современных мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, Viewsonic.

Щелевая маска (slot mask) - технология широко применяется компанией NEC под именем "CromaClear". Люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется slot pitch (щелевой шаг). Чем меньше значение slot pitch, тем выше качество изображения на мониторе (стандарт – 0,27). Щелевая маска используется, помимо мониторов от NEC в мониторах Panasonic. LG использует плоскую щелевую трубку Flatron с шагом 0,24.

Есть и еще один вид CRT, в которых используется – апертурная решетка (aperture Grill). Эти трубки известны как Trinitron и впервые были представлены на рынке компанией Sony еще в 1982 году.

Апертурная решетка (aperture grill) это тип маски, где прменяется решетка из вертикальных линий. Вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов, апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. Такая система обеспечивает высокую контрастность изображения и хорошую насыщенность цветов, что вместе обеспечивает высокое качество мониторов с трубками на основе этой технологии. Маска, применяемая в трубках фирмы Sony (Mitsubishi, ViewSonic), представляет собой тонкую фольгу, на которой сделаны тонкие вертикальные окна. Она держится на горизонтальной проволочке (одной в 15", двух в 17", трех и более в 21" CRT) проволочке. Эта проволочка применяется для гашения колебаний и называется damper wire. Ее тень хорошо видно, особенно при светлом фоне изображения на экране.

Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение strip pitch, тем выше качество изображения на мониторе (стандарт – 0,26).

Основные характеристики монитора.

1. Разрешение HxV (в пикселах). Максимальная разрешающая способность (та, что заявлена изготовителем монитора).

2. Частотные характеристики растровой развертки.

Растровая развертка – процесс преобразования информации в видеобуфере в изображение на экране, состоящее из пикселей.

_к – частота кадров (частота обновления экрана информацией из видеобуфера), Гц

_ст – частота строк

_п – частота вывода пикселей

f _п – полоса пропускания – мах. Частота переключения луча.

При расчетах необходимо учитывать обратный ход луча: H₀, V₀ – полное разрешение.

1). Особенности человеческого глаза

- _min  1’ (1 минута) -

конечная разрешающая способность для монитора  4000 px

- инерционность – мы видим сменяющиеся кадры как единое целое при 30..40 раз/с (телевидение 50..60, мониторы 60 и более), но плавность движения достигается при 10..20 Гц. => каждый кадр можно выводить 2 раза.

В сетчатке наших глаз изображение "хранится" около 1/16 секунды. Это означает, что если электронный луч будет последовательно пробегать по строка кадра за время меньшее 1/25 секунды, мы увидим равномерно освещенный экран с небольшим мерцанием. Движение самого луча будет происходить настолько быстро что наш глаз не будет в состоянии его заметить. Считается, что мерцание становится практически незаметным при частоте кадров примерно 75 Гц. Различия больше 110 Гц глаз уже не воспринимает.

2). Аппаратные ограничения: полоса пропускания.

Способность электронных схем управления монитора формировать на экране мелкие элементы изображения зависит от ширины полосы пропускания (bandwidth). Ширина полосы пропускания монитора пропорциональна числу пикселей из которых формирует изображение видеокарта вашего компьютера. Ширина полосы пропускания измеряется в MHz (Мегагерцах, МГц) и характеризует, какой может быть минимальная длительность импульса, соответствующего отображению одиночной точки на строке изображения, а следовательно и ее размер при предельных скоростях строчной развертки.

=> повышать полосу пропускания до необходимых характеристик H, V, _к

Некоторый выход при высоких разрешениях (> 1024) – черезстрочная развертка (interlaced)

Каждый кадр: 1 полукадр – четные строки, 2 полукадр – нечетные строки.

Недостаток: видно мерцание.

Примеры расчетов

1. Телевизионный стандарт (черезстрочный).

2. Монитор.

Для гарантии вывода всей информации на экран вводят бордюр (зона пересканирования), куда информация из видеобуфера не выводится.

Для получения разных режимов работы (H иV) выбирают разные частоты _к_ст_п

VGA: